Simulació meteorològica d’alta resolució en zones d’orografia complexa

El cas del Parc Nacional d’Aigüestortes i Estany de Sant Maurici

Introducció

La meteorologia juga un paper molt important sobre tot el que forma part d’un territori. D’una banda, durant un llarg període de temps, el clima contribueix a determinar què hi pot formar part i d’altra banda, de forma més puntual, el temps atmosfèric hi actua directament, a vegades de forma contundent, permetent que alguns elements es mantinguin, es modifiquin, o en alguns casos arribin a malmetre’ls. A grans trets, la vegetació, la fauna, el relleu, la hidrologia i l’activitat humana, entre moltes altres coses, depenen força de la meteorologia i de la climatologia, les quals estan molt desenvolupades en alguns aspectes, però en d’altres, es troben a les beceroles. Els avanços en moltes ciències i diverses activitats humanes han fet que cada vegada es demani una major especificitat en les prediccions meteorològiques, les quals han d’anar precedides per uns bons anàlisi inicials que depenen de bones i nombroses dades observacionals.

Malgrat no disposar d’extenses sèries de dades meteorològiques observacionals, el Parc fou escollit en aquest treball de recerca pel fet que es troba en una zona d’orografia complexa sense l’actuació de l’home, factor que pot modificar algunes variables meteorològiques. També es va tenir en compte la combinació de les influències mediterrània i atlàntica, i per la importància que té a nivell del país i d’Europa. Finalment dir que amb aquest treball, més que una simulació qualitativa del temps s’ha pretès realitzar una simulació que mostri la dinàmica de diferents situacions meteorològiques en zones d’orografia complexa de cara a fer recerca en meteorologia de muntanya, per tal de millorar els pronòstics del temps. Model de predicció numèrica (NWP)

1)    Els models numèrics i la configuració de les escales De models numèrics de predicció del temps se’n desenvolupen diversos arreu del món (ECMWF, MM5, COAMPS, WRF, GFS, MASS, NAM, COSMO, HIRALM, DWD…) amb dues particularitats comunes: la primera— que en aquest document no se’n donaran detalls— és la seva base en les Equacions de Navier-Stokes (Continuitat, X-Momentum, Y-Momentum, Z-Momentum i energia) i la segona són les diferents escales a les què poden pertànyer. D’una banda existeixen els models de circulació general que abasten tot un hemisferi i permeten veure la representació gràfica de les grans estructures de l’atmosfera, com ara la circulació general atmosfèrica. Aquests models van seguits dels models d’escala sinòptica, també de gran escala, però  amb una base geogràfica més reduïda i que inclou fenòmens de 200-2000 km amb durada de dies o fins i tot mesos (solcs, dorsals, depressions, anticiclons, fronts …). A continuació, i en base als models ja esmentats, s’utilitzen els models de mesoscala. A grans trets, aquests inclouen els fenòmens meteorològics d’entre 2-200 km, que poden tenir una durada d’hores a dies i fins i tot no tenir en compte l’equilibri hidrostàtic, per tal de representar millor els fenòmens lligats a la topografia (vents orogràfics, tempestes, cúmuls…); aquests models són els més emprats en predicció i en recerca a l’actualitat. Finalment hi ha els models de microscala, amb una extensió inferior a 2 km i una durada des de segons fins a poques hores. No es pot dir que un model d’una escala sigui millor que un altre, sinó que cada escala té diferents utilitats per a representar un gran ventall de fenòmens atmosfèrics. El fet que en pocs anys s’hagi desenvolupat la mesoscala és gràcies a l’augment de la capacitat computacional de les màquines, què permet afinar més els models. Cal tenir en compte que per determinar si un model numèric és bo o no, és primordial disposar d’una base climàtica de la zona.

2)    La mesoscala: el model Meso_NH Els models de mesoscala, malgrat ser actualment els més emprats pel fet que donen més detall, permeten representar àrees amb una resolució de fins a 2 km. Però tenen encara tot un seguit de limitacions degut a la computació (calen màquines més potents), a la disponibilitat de dades, a la dificultat de parametritzar la capa límit (ABL) i  la convecció humida que té lloc a escales inferiors a la de la simulació, així com la representació dels processos superficials com els fluxos d’humitat entre el sòl i l’atmosfera. Ara bé, els estudis que es realitzen i es validen per a cada model, permeten determinar quins models són millors per a preveure determinats fenòmens meteorològics i quins no ho són tant. El model mesoscalar escollit per a una zona d’orografia complexa, com és el Parc Nacional d’Aigüestortes i Estany de Sant Maurici (PNASM), ha estat el model de recerca MesoNH. Aquest model, realitzat entre el Centre Nacional d’Investigacions Meteorològiques (CNRM) i el Laboratoire d’Aérologie, ambdós de França per fer un model que abarqués desde la escala sinòptica fins a la microscala. El tret distintiu més destacable d’aquest model és que utilitza l’aproximació anaelàstica de Lipps-Hemler, però pot evolucionar cap a una forma més exacta del sistema d’equacions.

3)    Configuració del model MesoNHPer tal de tenir una idea del què passa al PNASM s’ha utilitzat la modelització numèrica que simularan les variacions de pressió, d’humitat, temperatura i moviment de l’aire (el vent).   El MesoNH està dissenyat com una eina de recerca per processos micro i mesoscalars de l’atmosfèrica. En la simulació s’ha fet un aniuament de 3 dominis: un de 32 km que cobreix Europa occidental, un altre de 8 km que cobreix la península ibèrica i un altre de 2 km per l’àrea de Catalunya. El domini més gran agafa les dades de les sortides del model global del ECMWF de 0.5 graus. En la simulació s’han emprat els següents esquemes: 1.- Capa límit: 1.5 TKE (Cuixart et al., 2000) 2.- Superficie (Intercanvis sòl-atmosfera): ISBA (Noilhan and Planton, 1989) 3.- Radiació: ECMWF (Morcette, 1989) 4.- Convecció: Kain-Fritsch en funció del domini:

CONVECCIÓ

CAPA LÍMIT

RADIACIÓ

SUPERFÍCIE

32 km

Kain-Fritsch

1.5 TKE 2D

ECMWF

ISBA

8 km

Kain-Fritsch

1.5 TKE 2D

ECMWF

ISBA

2 km

1.5 TKE 3D

ECMWF

ISBA

Cal afegir que l’esquema de turbulència que s’ha utilitzat en l’escala petita és de 3 dimensions que permet fluxos turbulents, tant en l’horitzontal com en la vertical. Aquest esquema és el més adequat per fer simulacions en escales petites. Els fenòmens meteorològics associats a la mesoscala que hem volgut representar amb el model MesoNH han estat les tempestes— no associades a un front sinòptic— i la inversió tèrmica. Per aquest motiu s’han escollit els fenòmens ocorreguts els dies 4 de juliol d’enguany i el 17 de desembre de 2001 respectivament.

Estudi de casos: anàlisi i resultats

1)    Anàlisi sinòptica Abans de realitzar una predicció meteorològica o una validació cal fer una primera aproximació de l’estat de l’atmosfera a gran escala (Figura 1) en un moment donat. En aquest cas s’han agafat el geopotencial de pressió de 500 hPa, la humitat relativa de 700 hPa, la temperatura de 850 hPa i la pressió atmosfèrica a nivell del mar.

a)    Episodi de tempestes d’estiu (4 de juliol de 2012)

 Figura 1: Anàlisi de les 12UTC. a) altura geopotencial 500 hPa; b) pressió en superfície; c) humitat relativa 700 hPa; d) temperatura 850 hPa. Font: Plymouth State Weather Center

En aquest cas del mes de juliol, s’ha tingut en compte el pas d’un solc en alçada acompanyat de temperatures més baixes, una situació poc definida en superfície, anomenada pantà baromètric que afavoreix el vent variable i local, una humitat relativa força elevada a nivells mitjans de la troposfera (~3000 m) i un contrast tèrmic marcat entre 850hPa, que es pren com el nivell associat al fons de vall de la zona d’estudi, i 500 hPa. Amb aquest primer anàlisi es pot dir que hi ha una gran probabilitat d’activitat convectiva (xàfec, tempesta, calamarsa, …), és a dir, fenòmens mesoscalars, en àrees de muntanya on el forçament orogràfic genera convecció. La orografia complexa, i en especial el pendent de les muntanyes, faciliten la convecció i la formació de fenòmens convectius.   De tota manera, la ubicació és complicada i com es veu a continuació amb les imatges de radar (figura 2) d’aquella tarda, no presenten una distribució general ni continuada, però si amb força intensitat puntualment.

Figura 2: Imatges sisminutals de radar del 4 de juliol de 2012. Període de les 18:12  a les 19:00 UTC.

    b)    Episodi anticiclònic (17 de desembre de 2001)  L’episodi anomenat “Nevada de 2001” va esdevenir el dia 15 de desembre a tot Catalunya. Malgrat que la zona del PNASM no fou de les zones de muntanya més innivades, un cop es va establir l’advecció del NE, acompanyada de temperatures molt baixes i seguida d’un anticicló dinàmic que es va establir durant un llarg període de temps, va donar lloc a glaçades, boires persistents i inversions tèrmiques marcades arreu del país.

 

Figura 3: Anàlisi de les 12UTC. a) altura geopotencial 500 hPa; b) pressió en superfície; c) humitat relativa 700 hPa; d) temperatura 850 hPa

  Els mapes sinòptics (figura 3) mostren la presència de l’anticicló dinàmic, amb una dorsal a 500 hPa i una advecció d’aire siberià (del NE) a superfície, que afavorí el vent molt fluix o en calma, aire molt sec a 700 hPa que donà lloc a un cel sense nuvolositat durant tot el dia a nivells alts i mitjans de la troposfera; en canvi, a 850 hPa, s’iniciava una lleugera recuperació de la temperatura a zones elevades que contrastaven amb els fons de vall o les zones planes de l’interior.   Aquests tipus de situació meteorològica tenen un notable efecte sobre la variable temperatura, la qual dóna lloc a la inversió tèrmica, com va esdevenir a la zona d’estudi, amb valors tèrmics més baixos a les cotes baixes que a les cotes altes (Figura 4), al contrari del que passa en un estat de l’atmosfera estàndard.

 

 

Figura 4: gràfic de temperatura. Valors semi-horaris del dia 17 de desembre de 2001 de les EMA de fons de vall (en verd): Pont de Suert, Pobla de Segur, Vielha; i  d’alta muntanya (en blau): Boí, Bonaigua, Lac Redón.

  2)    Resultats de la simulació d’alta resolucióAmb les simulacions dels dies analitzats (Figures 1 i 3) s’ha volgut visualitzar les diferències entre els dominis del MesoNH— 32 km, 8 km i 2 km— i la manera amb que es poden preveure amb més detall alguns fenòmens meteorològics mesoscalars en una zona orogràficament complexa. Els fenòmens meteorològics previstos en cada una de les resolucions depenen de la topografia i per això, en primer lloc cal veure com es representa el terreny en cadascuna de les resolucions (Figura 5).

 

Figura 5: representació de la topografia segons les resolucions del model MesoNH.

Pel que fa al dia 4 de juliol s’observa la predicció de la precipitació acumulada entre el període de les 15-18 UTC (Figura 6). A mesura que aquesta es va reduïnt s’observa un major detall de l’acumulació de la precipitació que pot ajudar a acotar les zones amb més probabilitat de precipitacions intenses o tempestes.

Figura 6: representació de la predicció de la precipitació acumulada en 3 hores segons el model MesoNH a diferents resolucions.

  L’augment de la resolució també fa que la representació de la direcció i la velocitat del vent estiguin més d’acord amb el que caldria esperar en la zona del Parc, tenint en compte la gran quantitat de valls i carenes. Aquest fet ajuda a que es prevegin tempestes més localitzades, donat que el vent ascendent està molt relacionat amb la convecció, com s’ha dit prèviament.

Figura 7: representació de la predicció de la direcció i la velocitat mitjanes a les 18 UTC segons el model MesoNH a diferents resolucions.

 

A continuació es mostra el perfil vertical de temperatura (T) i temperatura del punt de rosada (Td) del dia 17 de desembre a les 6 UTC a Boí (1200 m). Amb aquests gràfics (Figura 8) s’ha pogut detectar el fenomen d’inversió tèrmica, el qual en altres models de mesoscala no s’arriba a observar. Ara bé, en aquest cas, no ha estat fins el domini de 2km que s’ha detectat la inversió tèrmica, la qual ja s’ha observat a la figura 4.

Figura 8: perfils verticals de T (verd) i Td (vermell) de Boí a les 6 UTC a diferents resolucions del model MesoNH.

 

També ha estat interessant observar la velocitat i la direcció del vent (Figura 9) en el mateix instant dels perfils verticals; una variable molt lligada a la inversió tèrmica, la qual per formar-se necessita vent en calma o molt fluix a cotes baixes. En aquest cas s’ha vist com a mesura que es poden tenir més punts de predicció, més detall s’aconsegueix de les variables com és el cas del vent.

Figura 9: representació de la predicció de la direcció i la velocitat mitjanes a les 6 UTC segons el model MesoNH a diferents resolucions

Conclusions

La modelització de fenòmens de meteorologia en zones d’orografia complexa va molt lligada a l’alta resolució. L’orografia fa que els fenòmens que es donen en zones com les del Parc Nacional d’Aigüestortes i Estany de Sant Maurici siguin d’una escala que fa necessari afinar molt els models. La modelització a escales inferiors als 2 km encara és una pràctica poc habitual en els serveis meteorològics i resta encara més recerca en aquesta àrea per tal de tenir pronòstics més fiables.

Bibliografia

Barry, R.G , 2008: Mountain Weather and Climate. Cambridge University Press

Lafore, J. P., J. Stein, N. Asencio, P. Bougeault, V. Ducrocq, J. Duron, C. Fischer, P. Hereil, P. Mascart, J. P. Pinty, J. L. Redelsperger, E. Richard, and J. Vila-Guerau de Arellano, 1998: The Meso-NH Atmospheric Simulation System. Part I: Adiabatic formulation and control simulations. Annales Geophysicae, 16, 90-109

Cuxart, J., and M. A. Jiménez, Deep radiation fog in a wide closed valley: Study by numerical modeling and remote sensing, Pure. Appl. Geophys., 169, 911-926, 2012

Pagès, M., Miró, J.R., Sairouni, A., Moré, J., 2011: Tècniques de millora del perfil vertical de temperatura en zones d’orografia complexa. Jornades de neu i allaus. Actes. ICC

Sairouni, A., Moré, J., Toda, J., Miró, J.R., Aran, M., 2008: Verificació dels models de mesoscala operatius al Servei Meteorològic de Catalunya. Notes d’estudi del SMC – núm. 71

Comentaris tancats.