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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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-2
Tópicos
• “Parametrização”
• Processos físicos parametrizados
• Processos radiativos
• Turbulência
• Interação solo-vegetação-atmosfera
• Nuvens e precipitação
• Convecção profunda
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-3
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-4
Por que parametrizar ?(rugosidade - turbulência sub-grade)
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-5
Por que parametrizar ?(convecção – sub-grade)
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-6
Por que parametrizar ?(processos de microfísica)
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-7
- Transferência radiativa - Turbulência
- Processos de superfície - Nuvens e Precipitação
Processos físicos parametrizados
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-8
Espectros RadiativosRADIAÇÃO DE ONDA CURTA (solar)
RADIAÇÃO DE ONDA LONGA (infravermelho - terrestre)
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-9
Processos Radiativos
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-10
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-11
Transferência de Energia na Atmosfera
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-12
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)
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-13
Efeito de nuvens no Balanço em Superfície
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-14
Tipo de Superfície
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-15
Tipo de Vegetação
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-16
Estado da Vegetação
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-17
Tipo de Solo
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-18
Umidade do Solo
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-19
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-20
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.
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-21
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!!!
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-22
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-23
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-24
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-25
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-26
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.
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-27
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.
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-28
Esquemas Usando Nuvens Simples
- 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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-29
Esquemas Usando Nuvens Simples
- 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.
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-30
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-31
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.
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-32
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
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-33
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)
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-34
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
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Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-35
Processos que ocorrem durante a Convecção
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-36
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 !
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Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-37
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.
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-38
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
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Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-39
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)
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April 11, 2023Introdução à Modelagem Atmosférica de Mesoescala e ao Uso do Modelo (B)RAMS
Adilson W. Gandu – IAG/USP T4-40
Outros Esquema de PC
Mais sofisticados, mas todos com limitações
Arakawa e Schubert Kain-Fritsch
Betts e Miller