SOMETCUBA Bulletin |
Volume 5 Number 1 |
January 1999 |
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En los últimos años se vienen realizando grandes esfuerzos en el campo de la modelación de nubes, con el objetivo de estudiar, fundamentalmente, la formación de la precipitación. Los primeros modelos datan de la década de los años sesenta y en ellos la microfísica era tratada de forma parametrizada. De este período son los modelos de Asai y Kasahara (1967), que incluía un formalismo dinámico unidimensional relativamente sencillo y muy utilizado en variantes posteriores, y una gama bastante reducida de procesos físicos, hasta modelos con mayor complejidad en el tratamiento de la física de la formación de la precipitación, por ejemplo el de Ogura y Takahashi (1971) . La formación de la precipitación era tratada de forma parametrizada, utilizando expresiones relativamente sencillas para los procesos de autoconversión y colección. El siguiente paso era considerar de forma explícita la formación de la precipitación. Los primeros modelos de este tipo que incluían la dinámica de la nube fueron elaborados a principios de la década de los setenta, destacándose los de Ogura y Takahashi (1973) ,Clark (1973), Cotton (1972) y Danielsen et.al. (1972), que estaban formulados para nubes calientes (no incluían el hielo), y en los que se calculaba la evolución de los espectros de las gotas bajo la influencia de una serie de procesos físicos, como son la condensación y la coalescencia, que era modelada resolviendo la ecuación estocástica de coalescencia . La ecuación estocástica de coalescencia (EEC) es una ecuación integrodiferencial muy compleja y por tanto requiere la utilización de métodos numéricos especialmente elaborados para la misma (Berry, 1967) y (Berry y Reinhardt, 1974). Estos autores hallaron la solución utilizando un método numérico que conserva en alto grado el contenido de agua, pero no acoplaron la ecuación con un formalismo dinámico adecuado, aspecto este tenido en cuenta por Ogura y Takahashi (1973), Clarke (1973) y Cotton (1972). Un paso muy importante en la modelación con física explícita fue dado por Hall (1980), con un modelo bidimensional que incluye el hielo, aunque no existe una ecuación estocástica para el hielo. El modelo de Hall continúa siendo, hasta hoy en día, uno de los mas completos elaborados. Existen en la actualidad bastantes variantes de modelos con microfísica detallada formulados durante la década de los años ochenta como son el modelo tridimensional elaborado por Khovorostyanov (Kogan et. al. 1984), con un tratamiento explícito de la formación de la precipitación, y con la fase sólida incluida.
En el Instituto de Meteorología se ha desarrollado un modelo unidimensional con microfísica parametrizada que incluye el hielo (Alfonso et. al., 1998) , y un modelo de caja para calcular la evolución del espectro de gotas por condensación y coalescencia (Alfonso, 1996), el cual no estaba acoplado a un soporte dinámico. Como se pretende pronosticar la evolución de los espectros en las nubes sobre Cuba, se necesita conocer la interacción de la dinámica con la microfísica de los procesos relacionados con la nubosidad. De modo que en la variante actual se tiene en cuenta la variación del espectro por activación, condensación, coalescencia y fragmentación, además de los factores relacionados con la dinámica (advección, arrastre y deposición).
Las nubes tienen una gran influencia en el clima. De hecho ellas constituyen una de las principales variables en la determinación de la energía absorbida por el sistema climático (Arking, A, 1991). A su vez los parámetros de las nubes (topes, área cubierta, microfìsica), son fuertemente dependientes del estado del sistema. Las nubes interaccionan con la radiación solar en el espectro de ondas cortas, y también con las ondas largas emitidas por la tierra y la atmósfera. La radiación terrestre y la solar, son grandes flujos emitidos en direcciones opuestas, cuyo balance es relativamente pequeño y depende fuertemente de los parámetros de la nube: humedad, aerosoles, propiedades ópticas etc.
Para calcular determinados parámetros relacionados con la radiación es indispensable conocer la microestructura. El conocimiento de los espectros de partículas de hielo y agua líquida permite calcular el radio medio de las partículas etc, necesarios para el cómputo de las propiedades ópticas.
Hay evidencias (Pruppacher and Klett, 1997), de que la microestructura de la nube es sensible a las concentraciones de núcleos de condensación de nube (NCN). En efecto, el tamaño de las partículas, dado un contenido de agua, decrece con el incremento de la concentración de NCN. Recientemente, Raga y Jonas (1995) evaluaron como influyen los cambios en las concentraciones de NCN en la microfìsica en las nubes de la costa británica. Twomey (1977) ha trabajado sobre las alteraciones en las propiedades ópticas de las nubes debido al efecto de los contaminantes y lo que puede implicar globalmente este fenómeno. Él demostró que nubes con un albedo de aproximadamente 0.5 pueden incrementar su brillantez con el aumento de los NCN. Su conclusión final (Twomey, et. al., 1984), es que el efecto general de la polución es el aumento en la brillantez de las nubes. Recientemente se han barajado hipótesis relacionadas con la retroalimentación negativa producido por diversos mecanismos biológicos. Según Charlson et al. (1987), la mayor fuente de NCN en el océano es el dimetilsulfuro (DMS), que es producido por el fitoplancton. El DMS se difunde hacia la atmósfera donde se oxida formando óxido de azufre, cuyas partículas son núcleos de condensación aumentando la brillantez y actuando como un mecanismo opuesto al calentamiento. Por todo esto, las parametrizaciones de los procesos relacionados con la nubosidad son tan importantes.
De modo que poder simular el origen y la evolución de un espectro dado, a partir de una concentración inicial de aerosoles atmosféricos, es de gran interés.
Las concentraciones y los espectros de NCN varían debido a varios factores, entre ellos las emisiones de gases antropogénicos. Las partículas emitidas por industrias etc, pasan a la atmósfera y alteran las concentraciones de NCN existentes, influyendo en la microestructura de las nubes y sus características radiativas.
Por lo tanto, la simulación del origen y evolución de los espectros de gotas en el marco de modelos con microfìsica detallada, no parametrizada, es de mucha importancia.
En Alfonso, et. al., 1998 se presenta la simulación numérica de la evolución de una celda convectiva, con ayuda de un modelo de nube. Este modelo usaba un formalismo dinámico 1.5 dimensional (una nube cilíndrica), elaborado por Asai y Kasahara (1967). El modelo incluía, además, parametrizaciones de diez procesos microfìsicos y consideraba tres fases fundamentales para los hidrometeoros: agua de nube, agua de precipitación y fase sólida. En dicho modelo todos los procesos microfísicos estaban parametrizados.
Obviamente, si se desea obtener un espectro dado de gotas no se puede utilizar un enfoque con parametrizaciones. En los modelos con microfísica parametrizada se supone a priori que las gotas de precipitación responden a la distribución de Marshall Palmer que tiene la forma:
donde l es un coeficiente que depende del flujo de agua de precipitación a un nivel dado:
En el presente trabajo presentamos el modelo unidimensional de nube convectiva con microfísica detallada, que nos permitirá acometer la simulación explícita de la formación de la precipitación y obtener los espectros de gotas de precipitación.
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