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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



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



“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



Cumulunimbus e Sistemas Convectivos



Brisas: marítima, fluvial, lacustre, terrestre



Circulações de vale-montanha



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)



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



• 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 “” )



• 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



~ 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:



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)



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



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)



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



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.)



Modelo Gobal X Modelo RegionalDominio : região simulada



Representação da atmosfera em modelos

“meio continuo”╔══════╩═══════╗

“pontos de grade” “ondas”



Representação em “pontos de grade”

(x, y) ou (lat, lon) : espaçamento



Na verdade: “caixas da grade”

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