PARAMETRIZACIÓN DE LA CONVECCIÓN Alejandro Godoy Marcos Saucedo Tamara Schonholz Pronostico...

PARAMETRIZACIÓN DE LA CONVECCIÓN

Alejandro Godoy

Marcos Saucedo

Tamara Schonholz

Pronostico Numérico 2008

• El objetivo general del presente trabajo es evaluar los resultados producidos por la parametrización de la convección en un modelo con un dominio de baja resolución, y los comparamos con los resultados producidos por el modelo en alta resolución, que resuelve explícitamente la convección.

• Calentamiento/enfriamiento y secamiento/humedecimiento de la columna atmosférica.

• Remoción de la inestabilidad.• Distribución espacial de la precipitación acumulada en

cada caso.• Evolución temporal de las variables mencionadas

anteriormente en cada una de las corridas.

• Nuestra meta principal es evaluar cuál es la performance de varias parametrizaciones de la convección en distintas condiciones iniciales.

Para ello evaluaremos:

Metodología utilizada

• Para los experimentos se utilizó el modelo regional WRF (2.0)

• Dominio de alta resolución (2 Km)– Convección explicita

• Dominio de baja resolución (40 Km)– Convección parametrizada

• Kain – Fritsch• Grell – Devenyi• Betts – Miller -Janjic

Condiciones iniciales y de contorno

• Burbuja cálida en el centro del dominio– Intensidad de 2 ºC– Ancho de la burbuja

30 km. • Perfil vertical de

temperatura: 8 °C/ km, (Gradiente condicionalmente inestable)

• Estado de reposo

• Modelo de baja resolución:– Grilla de 10 puntos en

la horizontal (400 Km)• Modelo de alta

resolución:– Grilla de 50 puntos

(100 km)

• Condiciones de borde abiertos.

• 28 niveles verticales (sigma-p) con tope en 50 hPa.

Condiciones iniciales y de contorno

Características de las parametrizaciones

Esquema Kain-Fritsch

• Activación:– Presencia de Cape en los primeros 200

hPa– Capa estable superior lo suficientemente

pequeña como para que la parcela proveniente de los niveles inferiores pueda atravesarla.

– Espesor de la nube convectiva supere un cierto umbral.

• Cambios en la columna:– Arrastre de aire al exterior de la nube– Subsidencia en el entorno– Corrientes descendentes producidas en

los niveles por debajo de la capa de origen de la convección

• Acción:– El esquema consume por completo el

Cape de la capa de origen de las parcelas en un lapso de 30 a 60 minutos

Betts-Miller-Janjic

• Activación– Cape para las parcelas de los 200 hPa más bajos– Espesor de las nubes convectivas por encima de un valor crítico

(distancia vertical entre el NCA y el NEN mayor a 200 hPa) – Suficiente humedad por encima del NCA para producir precipitación

• Cambios en la columna– Crea un sondeo de referencia por encima del NCA de forma tal que

el calentamiento producido por la liberación de calor latente coincida con el calentamiento neto del sondeo.

– Calentamiento debido a la liberación de calor latente– Precipitación: Diferencia entre el agua precipitable del sondeo inicial

y el de referencia

• Acción– El esquema fuerza el sondeo inicial al sondeo de referencia en un

cierto tiempo (40 min)

• Este esquema no requiere ascensos, por lo que se libera en los lugares donde haya inestabilidad y se cumplan los demás requisitos enunciados anteriormente.

• Si no se cumple alguno de los requisitos para la activación, el esquema trabaja en convección poco profunda.

Características de las parametrizaciones

Grell-Devenyi

Trabaja con ensamble de 108 esquemas

• Activación– Cada miembro del ensamble se activa de forma independiente– Capa inestable en los 4 km inferiores, un espesor de capa estable menor a 75 hPa y un espesor de nube

mínimo de 500 metros– Advección vertical de humedad en la columna, movimientos de ascenso, valores de Cape mayores a 1500

J/kg

• Cambios en la columna– El sondeo y la precipitación total son el resultado de la media– Cada uno de los miembros considera el arrastre del entorno, aunque el mismo varía miembro a miembro.– Arrastre de humedad en capas estables (como por ejemplo el tope), por subsidencia compensatoria y por

descendentes evaporativas en niveles bajos

• Acción– Depende de cada miembro:

• Eliminación del Cape en 30 minutos, otros lo relajan a un valor fijo• Otros dependen de la velocidad vertical en la base de la nubes.

Características de las parametrizaciones

Experimentos

•Condiciones Normales

•Con Cortante

•Burbuja chica

Experimento en condiciones normales

• Evolución de la convección en el dominio de alta resolución durante las 3,5 horas de simulación

Parametrización de Kain - Fritsch

• Evolución del campo horizontal en niveles bajos durante las 06 horas de simulación

• El llamado a la convección se hace cada 5 minutos

Llamado de la parametrización cada 2 minutos

Parametrización de Kain – Fritsch

Explícito Parametrización K-F

Parametrización de Kain – Fritsch

Prec. Total ~ 11 mmAcumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. Convectiva ~ 10 mm / 13 mmPrec. No convectiva ~ 2 mm / 4 mm

Explícito Parametrización K-F

Parametrización de Kain – Fritsch

Explícito Parametrización K-F

Parametrización de Kain – Fritsch

Betts – Miller - Janjic

Explícito Parametrización B-M-J

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Prec. Total ~ 11 mmAcumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. Convectiva ~ 4 mm / 6 mmPrec. No convectiva ~ 2 mm / 4 mm

Explícito Parametrización B-M-J

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Explícito Parametrización B-M-J

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Grell-Devenyi

Explícito Parametrización G-D

Parametrización de Grell - Devenyi

Acumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. No Convectiva ~ 1 mm / 16 mmPrec. convectiva ~ 0 mm / 2 mm

Prec. Total ~ 11 mm

Explícito Parametrización G-D

Explícito Parametrización G-D

Experimentos con cortante

Parametrización de Kain - Fritsch

Explícito Parametrización K-F

Prec. Total ~ 14 mm

Parametrización de Kain – Fritsch

Acumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. Convectiva ~ 10 mm / 14 mmPrec. No convectiva ~ 0 mm / 3 mm

Explícito Parametrización K-F

Parametrización de Kain – Fritsch

Explícito Parametrización K-F

Parametrización de Kain – Fritsch

Betts – Miller - Janjic

Explícito Parametrización B-M-J

Prec. Total ~ 14 mm

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Acumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. Convectiva ~ 4 mm / 6 mmPrec. No convectiva ~ 1 mm / 3 mm

Explícito Parametrización B-M-J

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Explícito Parametrización B-M-J

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Grell-Devenyi

Explícito Parametrización G-D

Prec. Total ~ 11 mm

Parametrización de Grell - Devenyi

Acumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. Convectiva ~ 1 mm / 15 mmPrec. No convectiva ~ 0 mm / 2 mm

Explícito Parametrización G-D

Parametrización de Grell - Devenyi

Explícito Parametrización G-D

Parametrización de Grell - Devenyi

Experimento con burbuja chica

Parametrización de Kain - Fritsch

Explícito Parametrización K-F

Acumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. Convectiva ~ 8 mm / 9 mmPrec. No convectiva ~ 2 mm / 3 mm

Prec. Total ~ 7 mm

Parametrización de Kain – Fritsch

Explícito Parametrización G-D

Parametrización de Kain – Fritsch

Explícito Parametrización G-D

Parametrización de Kain – Fritsch

Betts-Miller-Janjic

Explícito Parametrización B-M-J

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Acumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. Convectiva ~ 4 mm / 8 mmPrec. No convectiva ~ 1 mm / 3 mm

Prec. Total ~ 7 mm

Explícito Parametrización B-M-J

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Explícito Parametrización B-M-J

Parametrización de Betts – Miller - Janjic

Grell-Devenyi

Explícito Parametrización G-D

Parametrización de Grell - Devenyi

Acumulado a las 3 horas / 6 horas:Prec. Convectiva ~ 1 mm / 1 mmPrec. No convectiva ~ 0 mm / 0 mm

Prec. Total ~ 7 mm

Explícito Parametrización G-D

Parametrización de Grell - Devenyi

Explícito Parametrización G-D

Parametrización de Grell - Devenyi

Conclusiones

Kain-Fritsch• Representa razonablemente bien la precipitación

acumulada y tiene predominio sobre la precipitación de gran escala.

• Aparición de convección muy intensa en el centro del dominio, conviviendo con convección que se ubicaba fuera del dominio interior.

• Variaciones en los perfiles están en la dirección correcta para estabilizar, aunque son menores a las de la corrida de control.

• Degradación de la solución después de las 16Z por efectos de borde.

ConclusionesBetts-Miller-Janjic• Operó en todo el dominio desde el principio de la simulación• La parametrización estabilizó los respectivos perfiles de

temperatura y humedad en todo el dominio hasta remover prácticamente por completo la inestabilidad, por lo que desde este punto de vista fue el que hizo el mejor trabajo.

• La representación de la precipitación no fue la mejor porque la cantidad total de precipitación tuvo contribuciones muy similares entre la parte dada por la parametrización y la dada por la microfísica, excepto en el caso de la burbuja pequeña.

• Los cambios en capas bajas estuvieron bastante acordes con la realidad, mientras que en medias y altas se evidenció un calentamiento excesivo, debido posiblemente a los valores de inestabilidad tan elevados, que obligaron a la parametrización a calentar demasiado la columna para obtener un perfil estable.

ConclusionesGrell-Devenyi

• Presenta como falla principal que no puede extender la convección en una manera lo suficientemente intensa más allá del punto central.

• La convección prácticamente no operó durante buena parte de la simulación y sólo apareció nuevamente hacia el final de la simulación únicamente en el punto central.

• Esto provocó como efecto adicional que la convección se discontinuara y que el modelo mismo intentara representar la convección, dando lugar a precipitación de gran escala.

• Cuando disminuimos el tamaño de la burbuja la microfísica no apareció, y por su parte el modelo no se inestabilizó, dado que la microfísica nunca apareció.

• Los cambios producidos por la parametrización en los perfiles verticales fueron más cercanos a la realidad que los dados por la parametrización de Kain-Fritsch. Sin embargo, estos cambios sólo aparecen en el punto central del dominio, debido a que la parametrización nunca pudo actuar de forma marcada más allá del punto central.