T4-1 8 June 2014 Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS Adilson W. Gandu – IAG/USP A FÍSICA DOS MODELOS

April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS

Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-1

A “FÍSICA” DOS MODELOS



Tópicos

• “Parametrização”

• Processos físicos parametrizados

• Processos radiativos

• Turbulência

• Interação solo-vegetação-atmosfera

• Nuvens e precipitação

• Convecção profunda



O que é “parametrização”

SIMULAÇÃO- Representação explicita de variáveis e processos pelo modelo

versus

PARAMETRIZAÇÃO - Representação dos efeitos de processos físicos (“emulação”)

- Processos sub-grade e/ou complexos

- Devem ser função das variáveis do modelo

- São, normalmente, “sub-modelos” acoplados



Por que parametrizar ?(rugosidade - turbulência sub-grade)



Por que parametrizar ?(convecção – sub-grade)



Por que parametrizar ?(processos de microfísica)



- Transferência radiativa - Turbulência

- Processos de superfície - Nuvens e Precipitação

Processos físicos parametrizados



Espectros RadiativosRADIAÇÃO DE ONDA CURTA (solar)

RADIAÇÃO DE ONDA LONGA (infravermelho - terrestre)



Processos Radiativos



Turbulência

Influenciada diretamente pelas características da superfície

NA ATMOSFERA LIVRE- Difusão- Horizontal e vertical- Campo de deformação- “Controle”de instabilidades

numéricas

NA CLP- Mais vertical- Coeficiente de difusão - Função do

perfil vertical de temperatura

cisalhamento do vento



Transferência de Energia na Atmosfera



Importância da SuperfícieO balanço de energia/água/momento na superfície

depende da radiação total (recebida/emitida, curta/longa)

e do:

• Tipo de superfície (terra, água, ou gelo) • Tipo, quantidade e estado da vegetação

(albedo, condutância estomática, profundidade das raizes, área e densidade foliar, fração de

vegetação viva, etc.)• Tipo e estado do solo

(porosidade e propriedades térmicas, saturação, etc.)• Rugosidade da superfície

(altura da vegetação e topografia sobre a terra, e velocidade do vento sobre a água)



Efeito de nuvens no Balanço em Superfície



Tipo de Superfície



Tipo de Vegetação



Estado da Vegetação



Tipo de Solo



Umidade do Solo



TIPOS DE PARAMETRIZAÇÃO

•Parametrização de Nuvens e Precipitação (PNP)

na escala da gradeemulação de processos de nuvens e precipitação, que removem o excesso de umidade atmosférica

(umidade relativa maior que 100 % - supersaturação)

•Parametrização Convectiva (PC)na escala sub-grade

método pelo qual os modelos levam em conta os efeitos convectivos, através da redistribuição de temperatura e umidade na coluna da

grade, o que reduz a instabilidade atmosférica

Nuvens e Precipitação



Interação tradicional entre a Convecção e Processos na Escala da Grade

Parametrização Convectiva • remove a instabilidade e redistribui na vertical o vapor e a temperatura• a precipitação é somente um sub-produto.

Parametrização de Nuvens e Precipitação• diagnostica a precipitação,

baseada na umidade relativa (UR),para remover a super-saturação na escala da grade

• nuvens também são inferidas da UR, são dados de entrada para os esquemas de radiação ,

porém, não são parte do processo de precipitação.



Processos de Precipitação(em modelos globais e regionais mais antigos)

A Parametrização Convectiva é acionada em colunas instáveis

A Parametrização de Nuvens e Precipitação (na escala da grade) é acionada em seguida, para ajustar camadas supersaturadas

Em ambos os casos, a chuva “cai” (aparece) na

superfície instantaneamente!!!

Não existe nuvem!!!



Processos de Precipitação(em modelos mais recentes – PNP e PC

interagem)Em colunas instáveis:• A PC remove a instabilidade, • com parte da precipitação caindo instantaneamente • e gerando/redistribuindo vapor, água de

nuvem e hidrometeoros

• A redistribuição de calor, vapor e hidrometeoros feita pela PC, pode fazer o esquema de PNP gerar mais nuvens e precipitação

Em colunas estáveis:• As nuvens são formadas pela PNP

a partir do vapor d’água• Hidrometeoros precipitantes se formam da

água e do gelo das nuvens, e caem ao longo do tempo.

• Alguns hidrometeoros permanecem nas nuvens



Parametrização de Nuvens e Precipitação (PNP)

Forçantes dinâmicas podem levar à supersaturação de camadas do modelo: inicio do processo de precipitação nos esquemas de PNP



Tipos de Esquemas de PNPATUALMENTE:• Esquemas mais realistas que incluem a

previsão de água de nuvem• Vão desde esquemas simples (somente a

água líquida de nuvem)• até esquemas mais complexos (muitos

tipos de hidrometeoros e processos internos na nuvem – sub-modelos)

MAIS ANTIGOS:• Baseados somente em limiares de UR • A nuvem é inferida apenas para o calculo na radiação• Transforma o excesso de umidade em precipitação que cai imediatamente



PNP com nuvem inferidaEstado Inicial:• existe uma camada supersaturada (T<Td)

Estado Final:• a camada é aquecida e “secada” (T=Td), devido a “condensação”• a precipitação cai instantaneamente• abaixo da camada o ar é esfriado e umedecido por evaporação de parte da precipitação



Esquemas de Nuvens Explicitas• Esquemas de nuvens simples diagnosticam precipitação somente de

água (ou gelo) de nuvem.

• Esquemas usando nuvens complexas, prevêem precipitação diretamente através da modelagem de processos internos da nuvem, incluindo múltiplos tipos de hidrometeoros de nuvens e precipitação.



Esquemas Usando Nuvens Simples

- estado inicial -• Usa um nível crítico de UR (geralmente abaixo de 100%) para calcular a quantidade de água da nuvem

• Supersaturação não é necessária para criar água e gelo de nuvem• As nuvens se formam primeiro• Leva em conta desde nebulosidade parcial até cobertura completa de nebulosidade,

conforme a UR cresce acima de um valor crítico.




- Nuvens se formam primeiro -• Quando água de nuvem é condensada, libera calor latente (T sobe) e reduz a umidade específica (Td cai)

• Pode incluir gelo de nuvem e goticulas de nuvem superresfriadas• Se a quantidade de água da nuvem excede um valor crítico, a precipitação é criada a

partir da água da nuvem• Precipitação gerada a partir da combinação da criação de água de nuvem, advecção,

e, (ás vezes) água de nuvem convectiva diagnosticada de um esquema de PC




- Estado final -• Em áreas com excesso de umidade ou supersaturação, a temperatura aumenta pelo calor latente, a umidade especifica e o ponto de orvalho caem quando o vapor de água condensa, até que T=Td

• A precipitação cai instantaneamente. • Camadas subsaturadas, abaixo da camada onde é produzida a precipitação, são esfriadas e

umedecidas pela evaporação de parte da chuva que cai• A UR é mais realista porque parte da água e do gelo é condensada nas nuvens, ie, nem toda

umidade é retida na forma de vapor, como nos esquemas de nuvens inferidas.



Esquemas Usando Nuvens Complexas- Estado inicial -

•Prevê diretamente hidrometeoros de precipitação, levando em conta processos internos de nuvens

• Esquemas usados em modelos de alta-resolução• Usa um valor critico de UR (geralmente < 100 %)• Não é necessário supersaturação para criar água e gelo de nuvem• Inclui múltiplos processos e hidrometeoros



Esquemas Usando Nuvens Complexas- Nuvens se formam primeiro -

• Quando o vapor d’água condensa em qualquer tipo de hidrometeoro é liberado calor latente, aumentando a temperatura e reduzindo a umidade específica do ambiente.



Esquemas Usando Nuvens Complexas- A precipitação se forma e cai -

• Quando a precipitação começa a cair dentro da nuvem ocorre esfriamento e umedecimento próximo ao nível de congelamento (fusão) e na camada sub-nuvem (evaporação)• Ocorrem interações de hidrometeoros



Esquemas Usando Nuvens Complexas- A precipitação atinge o solo -

• A precipitação cai gradativamente, ao invés de imediatamente• As camadas sub-nuvens não saturadas esfria e umedecem (evaporação)• Parte da água e do gelo permanece na nuvem (UR mais realista)



Como a convecção profunda se comporta:

na natureza e formada por esquemas de PNP ?

Características de Cb’s :• fortes correntes ascendentes• correntes descendentes• “torres” estreitas (~1-2 km)• aquecimento da média

para a alta troposfera

Características da “convecção” na PNP (escala da grade) :• baixas velocidades verticais

por toda a caixa da grade• grande extensão• aquecimento na baixa troposfera



Processos que ocorrem durante a Convecção



Papel da Parametrização Convectiva em modelos

• Dada a escala na qual os processos convectivos ocorrem, os modelos (operacionais) correntes não podem prever os efeitos da

convecção explicitamente

• PORTANTO, tem que ser parametrizados

• Esquemas de Parametrização Convetiva (PC) são projetados, primariamente, para :

- reduzir a instabilidade termodinâmica

- transportar verticalmente o calor e o vaporrearranjando a temperatura e umidade na coluna da grade

• A precipitação é um sub-produto !



Esquema de Kuo- descrição e acionamento -

• Esquema simples, que produz precipitação e aumenta a estabilidade estática, emulando a ascensão adiabática úmida de uma parcela. • Ajusta os perfis de temperatura e umidade na direção da adiabática úmida.• Convecção acionada por qualquer quantidade de CAPE e

convergência de umidade integrada na coluna excedendo um valor limiar.



Esquema de Kuo- mudanças provocadas -

• Move o perfil de temperatura na camada da nuvem, na direção de uma adiabática saturada do ar de baixos níveis

• Parte do vapor convergente fica na coluna e parte cai imediatamente como precipitação



Esquema de Kuo- estado final - observações -

• A quantidade de precipitação, e o perfil final de temperatura podem variar conforme o esquema, que tem inúmeras versões (parâmetro “b”, correntes descendentes, cisalhamento)

• Notar que se muita umidade fica na forma de vapor, o esquema de PNP pode, em seguida, gerar mais precipitação

• A intensidade e continuidade da precipitação convectiva, e as mudanças nos perfis de temperatura e umidade, dependem da convergência de umidade em baixos níveis (o esquema assume que a convecção consome a umidade conforme a taxa suprida pelos campos de vento e umidade em grande escala)

• O estado final se aproxima do perfil de temperatura de uma adiabática umida e de um perfil de umidade sub-saturado, mas não os

atinge. (o esquema assume que a convecção não ocupa toda a coluna da grade)



Outros Esquema de PC

Mais sofisticados, mas todos com limitações

Arakawa e Schubert Kain-Fritsch

Betts e Miller

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