Models numèrics

Informació general

Introducció

La predicció numèrica del temps és en l’actualitat l’eina fonamental de qualsevol pronòstic meteorològic, amb l’excepció de les previsions a molt curt termini.

Concretament, la predicció numèrica del temps consisteix en simular l’evolució futura de les variables meteorològiques que determinen l’estat de l’atmosfera mitjançant l’ús de models matemàtics. Aquests models es formulen en base a les lleis físiques que regeixen el comportament de l’atmosfera i constitueixen un sistema d’equacions que, donada la seva complexitat, només pot ser resolt de forma aproximada mitjançant l’ús de computadors. L’abast temporal màxim pel qual es resolen aquestes equacions es coneix com a horitzó de pronòstic.

Tècniques numèriques

Malgrat que l’atmosfera és un medi continu, aquestes equacions es resolen només a uns determinats punts per reduir el temps de càlcul. Tots aquests punts configuren de forma conjunta una malla tridimensional. En la mesura que la distància entre aquests punts (pas de malla) disminueix, el model és capaç de simular de forma explícita fenòmens meteorològics d’escala més petita i té, per tant, major resolució. Com a contrapartida, això implica també incrementar el temps de càlcul de la simulació.

D’altra banda, els efectes dels processos físics que el model no és capaç de resoldre són estimats mitjançant parametritzacions; és a dir, un conjunt de fórmules matemàtiques que intenten representar de manera aproximada fenòmens d’escala més petita (núvols, fluxos radiatius, turbulència, convecció, etc).

Encara que tots els models meteorològics es basen en les mateixes lleis físiques, existeixen diferències tant en la seva formulació matemàtica com en les tècniques numèriques emprades per resoldre el sistema d’equacions. D’altra banda, també es distingeix si l’àrea geogràfica o domini dins la qual es defineix la malla tridimensional abasta tot el planeta (models globals) o només comprèn una zona concreta (models d’àrea limitada).

Assimilació de dades

Per predir el possible estat futur de l’atmosfera, cal primer conèixer amb la major fidelitat possible el seu estat present. Per això, abans que els models numèrics comencin els seus càlculs, s’engega un procés d’assimilació de dades que consisteix en introduir diferents observacions meteorològiques als models (radiosondatges, estacions de superfície, satèl·lit, radar, etc) per tal de precisar millor l’estat inicial (anàlisi) de l’atmosfera. No obstant, la manca d’observacions meteorològiques a moltes zones del planeta fa impossible, entre d’altres factors, poder determinar amb total exactitud aquest estat inicial.

Operativa a l’SMC

Actualment, a l’SMC es duen a terme de forma diària diferents simulacions numèriques en vistes a la generació de productes per al pronòstic meteorològic a l’àmbit de Catalunya. Part d’aquesta informació es difon a través del web mitjançant la generació de sortides gràfiques de les principals variables meteorològiques.

D’una banda, dos cops al dia (00 i 12 TU) es generen simulacions amb els models d’àrea limitada WRF, BOLAM i MOLOCH, per diferents dominis i horitzons de pronòstic (Figura 1).

També dos cops al dia (00 i 12 TU) es generen unes simulacions amb el WRF centrades a la Mediterrània Occidental en dos dominis diferents amb pas de malla de 16 i 4 km que alimenten el model d’onatge SWAN i permeten obtenir el pronòstic marítim.

Dominis d'integració WRF-ARW

Figura 1. Cobertura geogràfica i orografia resolta pel model WRF en els 3 dominis utilitzats en la configuració operativa que es mostra a meteo.cat.

 

D’altra banda, cada 3 hores es duen a terme unes simulacions especials amb el model WRF a 12 hores vista per al pronòstic a curt termini, utilitzant un pas de malla de 3 km idèntic al de la Figura 1. Aquestes simulacions parteixen d’un estat inicial que té en compte les dades més recents obtingudes amb diferents sistemes d’observació (satèl·lit, radar, radiosondatges i estacions de superfície). Amb l’objectiu d’obtenir pronòstics complementaris, s’utilitzen dos sistemes diferents (STMAS i WRF-3DVAR) per assimilar aquestes dades.

En aquest sentit, de cara a la feina diària de l’Equip de Predicció i Vigilància de l’SMC, disposar de diversos models és altament beneficiós, ja que en funció de si els diferents pronòstics s’assemblen o no, es pot donar més o menys confiança a l’ocurrència futura d’un fenomen meteorològic determinat a l’hora d’elaborar els butlletins.

WRF (Weather Research and Forecasting Model)

El WRF (Weather Research and Forecasting Model) és un model numèric de pronòstic del temps, dissenyat per aplicacions operatives i de recerca. Un dels seus objectius és, precisament, accelerar la introducció dels avenços en recerca als processos operatius. Actualment, el WRF pot utilitzar-se en un ampli rang d’escales, de manera que pot actuar com a model global o d’àrea limitada, permetent simulacions a molt alta resolució.

Concretament, a l’SMC s’ha implementat el nucli anomenat WRF-ARW (Advanced Research WRF), desenvolupat sota el lideratge de l’NCAR (National Center for Atmospheric Research, EUA), en la seva versió 3.5.1. Funciona com a model d’àrea limitada, amb l’objectiu de simular circulacions atmosfèriques de mesoscala. Aquestes inclouen els fenòmens que tenen lloc a escales espacials que van des d’uns pocs quilòmetres fins a uns quants centenars, com per exemple les tempestes, les brises, o els sistemes frontals, entre d’altres.

A les computadores de l’SMC, dos cops al dia, a les 00 i 12 TU, s’integra el model WRF-ARW en 3 dominis diferents (veure operativa SMC) de 27, 9 i 3 km de pas de malla, que són les que es difonen a través del web de l’SMC.

Primer es calcula l’estat inicial de l’atmosfera pel domini més gran (amb pas de malla de 27 km) mitjançant l’assimilació de dades d’observacions, com radiosondatges o estacions de superfície, amb un mètode variacional anomenat 3DVAR. Aquest procediment permet que l’estat inicial sigui el més fidel possible a la realitat. D’altra banda, al funcionar com a model d’àrea limitada, cal utilitzar dades d’un model global per definir les variables meteorològiques a les fronteres del domini.

Tot seguit es duu a terme la simulació pel domini de 27 km de pas de malla, fins a completar 72 h de pronòstic. A continuació, s’executa la simulació al domini niat de 9 km, també amb un horitzó temporal de 72 h, utilitzant com a condicions de contorn les sortides del model a 27 km, mitjançant el sistema conegut com a one-way-nesting.

Després, es realitza una darrera simulació del WRF-ARW fins a 48 h de pronòstic pel domini més petit de 3 km de pas de malla, utilitzant com a condicions inicials i de contorn les sortides procedents del domini mitjà (9 km). Donat que el pas de malla és en aquest cas més petit podrem simular fenòmens atmosfèrics que tenen lloc a escales més fines.

Les característiques de configuració dels tres dominis anteriors i les principals parametritzacions físiques emprades es recullen a la Taula 1.

DOMINI XxYxZ DT CC OUT PBL MICRO CONV LW SW SOIL FDDA NEST
27 km 140x140x31 72 h 6 h 3 h YSU WSM5 Kain-Fritsch RRTM Dudhia Noah LSM
9 km 166x115x31 72 h 3 h 3 h YSU WSM5 Kain-Fritsch RRTM Dudhia Noah LSM No 1-way
3 km 166x154x31 48 h 1 h 1 h YSU WSM5 Kain-Fritsch RRTM Dudhia Noah LSM No 1-way

Taula 1. Nombre de cel•les i nivells verticals (XxYxZ), abast total de la integració (DT), actualització de les condicions de contorn (CC) i sortides del model (OUT), esquemes de capa límit (PBL), microfísica de núvols (MICRO), convecció (CONV), radiació d’ona llarga (LW) i d’ona curta (SW), esquema de sòl (SOIL), aplicació de nudging (FDDA) i mode de niament (NEST) per cadascun dels dominis.

BOLAM/MOLOCH

El BOLAM (BOlogna Limited Area Model) és un model meteorològic hidrostàtic d’àrea limitada desenvolupat al CNR-ISAC (Itàlia). El seu origen es remunta a l’any 1992 i des de llavors no s’ha aturat el seu desenvolupament ni el seu ús, tant en projectes de recerca com en predicció operativa.

El MOLOCH (MOdello LOCalle in Hybrid coordinates), d’origen més recent (any 2000), es tracta d’un model no hidrostàtic d’àrea limitada dissenyat per simular processos convectius de forma explícita i per córrer, conseqüentment, a escales més fines que el BOLAM. Aquest model també ha estat desenvolupat al CNR-ISAC i actualment és emprat tant en aplicacions operatives com en projectes de recerca.

Gràcies a un acord amb el CNR-ISAC, des de l’any 2016 s’executen operativament simulacions dels models BOLAM i MOLOCH a les computadores de l’SMC dos cops al dia, a les 00 i 12 TU. Primer, s’executa el BOLAM fins a un horitzó de pronòstic de 72 h en una àrea centrada a la Península Ibèrica i un pas de malla d’uns 8 km. Aquestes sortides són llavors utilitzades com a condicions inicials i de contorn per córrer una simulació niada a l’àrea de Catalunya del model MOLOCH amb un pas de malla d’uns 2 km i un horitzó de 48 h de pronòstic.

Els models BOLAM i MOLOCH s’utilitzen a l’SMC com a models de suport en l’operativa diària.

SWAN

El SWAN (Simulating WAves Nearshore) és un model d’onatge de tercera generació dissenyat per la Universitat Tècnica de Delft (Països Baixos) per simular numèricament l’onatge en zones costaneres. El model incorpora formulacions de processos de generació i dissipació d’onatge, així com també interaccions ona-ona.

A les computadores de l’SMC, s’executa el model SWAN dos cops al dia, a les 00 i 12 TU, per tal d’obtenir un pronòstic numèric de l’estat marítim per la Mediterrània Occidental. Per fer això, els càlculs del model SWAN es duen a terme en dos dominis, un amb pas de malla d’uns 11 km, que cobreix la Mediterrània Occidental, i un altre d’alta resolució, amb pas de malla d’uns 3 km, que engloba els Països Catalans i que utilitza com a condicions inicials i de contorn la sortida del model a 11 km (Figura 2).

Dominis d'11 i 3 km del model d'onatge SWAN

Figura 2. Dominis d’11 i 3 km del model d’onatge SWAN.

Donat que l’efecte del vent és determinant per conèixer l’estat de la mar, abans d’integrar el model SWAN es duen a terme dues simulacions especials del model meteorològic WRF-ARW en un domini que abasta quasi la totalitat de la conca Mediterrània, amb un pas de malla de 16 km, i en un altre més centrat als Països Catalans amb un pas de malla de 4 km. Les sortides de vent proporcionades pel model meteorològic són introduïdes després al model d’onatge per tal que aquest pugui dur a terme els seus càlculs.

A partir de les sortides numèriques que en resulten, es generen els gràfics de les principals variables (vent, període de les ones i alçada d’ona significativa) en cadascun dels dos dominis per tal de ser difosos a través del web de l’SMC.

Data d'actualització: 12.03.2018