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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T1-1
INTRODUÇÃO
April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T1-2
Tópicos
• “Escalas” de fenômenos meteorológicos
• Exemplos de fenômenos e circulações de mesoescala
• O que é um “Modelo”
• Breve histórico
• Alguns aspectos da modelagem atmosférica
• Tipos de modelos atmosféricos
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Adilson W. Gandu – IAG/USP T1-3
“Escala” de fenômenos meteorológicos
Extensão horizontal e duração típicasA “grosso modo”:
• Grande escala : > 200 km, > dia
ondas planetárias, furacões, ciclones, frentes
• Mesoescala : 2 a 200 km, 1 hora a 1 dia
cumulunimbus, sistemas convectivos, brisas
• Microescala : < 2 km, < 1 hora
nuvens, tornados, redemoinhos, termas, turbulência
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Cumulunimbus e Sistemas Convectivos
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Brisas: marítima, fluvial, lacustre, terrestre
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Circulações de vale-montanha
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modelo numérico atmosférico ?-um conjunto de equações matemáticas -baseadas nas “Leis” da Física (Mecânica/Termodinâmica)
- (aplicadas ao “fluido geofísico” atmosfera),- e resolvidas através de métodos numéricos,- em sistemas de computadores.
O que é
“modelo” ?-uma representação (aproximada) da realidade,
baseada em certas premissas (míticas, empíricas, científicas)
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Um breve histórico
o que é um “modelo” ?
• A meteorologia como CIÊNCIA EMPÍRICA (medidas)
~ 1640 : invenção do barômetro, por Torricelli~ 1820 : 1º mapa sinótico de pressão em superfície
(com dados passados, de 50 anos antes)~ 1845 : invenção do telégrafo~ 1851 : 1º mapa sinótico “atual”~ 1850-1920 : expansão dos serviços meteorológicos com
previsões empíricas (subjetivas) de superfície~ 1930 : invenção da radiossonda~ 1950 : radar meteorológico, estações automáticas,
transistores,computadores~ 1960 : satélites meteorológicos, e de comunicação,
supercomputadores~ 1995 : computação paralela
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• HIDRODINÂMICA:~ 1630 : Galileo – movimento dos corpos sólidos~ 1700 : Newton – movimento de qualquer corpo material~ 1750 : Bernoulli e Euler – movimento de corpos
“não sólidos” (fluidos: gases e líquidos)
A meteorologia como CIÊNCIA TEÓRICA
(Leis da Física)
01
x
pfv
dt
du
01
y
pfu
dt
dv
01
z
pg
dt
dw
4 EQUAÇÕES: 3 do momento e 1 da continuidade de massa
0
wz
vy
uxt
MAS : 5 incógnitas ( “u”, “v”, “w”, “p” e “” )
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• TERMODINÂMICA:
Tfp )(cteR
g
T
Tf
~ 1800 : Charles Tgp
RTp 5 EQUAÇÕES : 3 do momento, 1 da continuidade de massa e 1 de estado
MAS : 6 incógnitas ( “u”, “v”, “w”, “p” , “” e “T”)
~1660 : Boyle
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~ 1800 : 1a Lei da Termodinâmica:
dt
dq
dt
dp
dt
dTCv
/1
~ 1850 : Kirchoff e Boltzman – radiação
SEIS EQUAÇÕES SISTEMA
MATEMATICAMENTE “RESOLVÍVEL”SEIS INCÓGNITAS
ENTÃO, no final do Século XIX:
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A “idéia” da Previsão Numérica do Tempo
BJERKNES (1904) :“o estado futuro da atmosfera pode, em princípio,
ser obtido pela integração das equações diferenciais que governam o comportamento da atmosfera,
usando como valor inicial os campos que descrevem um estado observado da atmosfera”
ENTÃO : PNT é um “problema de valor inicial”
ESTADO ATUALIntegração (no tempo)ESTADO FUTURO
A “PREVISÃO DO TEMPO” como “PROBLEMA MATEMÁTICO”
Requisitos :1º ) um “conjunto fechado” de equações (modelo matemático)2º ) um conjunto adequado de “condições iniciais” e “de fronteira”3º ) um método numérico preciso para integrar as equações (modelo numérico)
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O “nascimento” e início da PNT
• RICHARDSON (1922) – 1ª tentativa de PNT Problemas:
- Dados iniciais (só dados de superfície)- Estabilidade numérica (ondas de alta frequência)
• Desenvolvimentos :Teóricos e Semi-empíricos
(Equações lineares – aproximações)
~1910 – 1950 : Rossby, Pettersen, Charney .... simplificações da equações
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Estabelecimento e desenvolvimento da PNT
• Primeiro Modelo de Previsão Numérica~1950 : Charney, Fjortoft e Von Neumann :
1º computador (ENIAC) 1ª PNT com um modelo de
vorticidade barotrópica equivalente
•Panorama atual Modelos de equações primitivasModelagem regionalModelagem climáticaModelos acoplados (atmosfera-oceano-biosfera)
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Aspectos da Modelagem Atmosférica
Estruturais (grade, domínio, coordenadas)
“Dinâmicos” (variáveis, processos e equações)
Matemáticos (método de solução e resolução)
“Físicos” (parametrizações)
“Inicialização” e Condições de fronteira
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Adilson W. Gandu – IAG/USP T1-16
Tipos de modelos Modelos de coluna (uni-dimensionais)
Modelos de simulação de
grandes turbilhões (LES)
Modelos de nuvens
Modelos de mesoescala, ou
Modelos de área limitada
Modelos globais
outros (parcela, pluma, etc.)
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Modelo Gobal X Modelo RegionalDominio : região simulada
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Representação da atmosfera em modelos
“meio continuo”╔══════╩═══════╗
“pontos de grade” “ondas”
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Adilson W. Gandu – IAG/USP T1-19
Representação em “pontos de grade”
(x, y) ou (lat, lon) : espaçamento
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Adilson W. Gandu – IAG/USP T1-20
Na verdade: “caixas da grade”