Pronóstico Meteorológico

El pronóstico meteorológico se realiza utilizando el modelo Weather Research and Forecasting Model (WRF) en su versión la 4.2.1. El modelo WRF es un modelo de predicción numérica del tiempo diseñado para la investigación y para aplicaciones operativas. Diversas instituciones han contribuido y siguen contribuyendo a su desarrollo, con el firme objetivo de construir el modelo de pronóstico numérico de mesoescala de la siguiente generación, para lograr un avance en el entendimiento de los procesos atmosféricos y en la predicción de tiempo. El modelo WRF ha sido diseñado principalmente por el National Center for Atmospheric Research (NCAR), la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), el National Center for Environmental Prediction (NCEP), el Earth System Research Laboratory (ESRL), la Air Force Weather Agency (AFWA), el Naval Research Laboratory (NLR), el Center for Analysis and Prediction of Storms (CAPS) y la Federal Aviation Administration (FAA). El código del modelo está abierto a la comunidad y ha sido optimizado de manera que puede ser adaptado tanto en supercomputadoras que trabajan en paralelo como en computadoras portátiles de reciente generación. El modelo es muy versátil y se puede usar en una gran diversidad de aplicaciones, tales como simulaciones ideales, simulaciones reales (predicción numérica en tiempo real), modelación de la calidad del aire y estudios de interacción océano-atmósfera mediante el acoplamiento con modelos oceánicos.

El WRF Software Infrastructure (WFS) contiene los códigos que incorporan la física al modelo (dynamic solvers) y los paquetes físicos que constituyen la interfaz con los códigos. También se localizan aquí los códigos necesarios para realizar asimilación de datos y para emplear algunas opciones del modelo relacionadas con la química atmosférica. Fuera del WSF, se encuentra la parte de pre-procesamiento y post-procesamiento de las simulaciones numéricas. El modelo cuenta con dos núcleos que resuelven su física, el Advanced Research WPS (ARW) y el Nonhydrostatical Mesoscale Model (NMM). En la configuración desarrollada para este sistema se utiliza el núcleo ARW el cual se describe brevemente la versión del WRF con este núcleo.

Núcleo ARW

El núcleo ARW es la componente del modelo, donde se lleva a cabo la integración numérica del dominio principal y de los anidamientos.

Las características del núcleo ARW, son las siguientes:

• Ecuaciones: Modelo totalmente compresible, no-hidrostático, basado en flujo euleriano, con una opción hidrostática.
• Coordenada híbrida vertical: Coordenada que sigue el terreno cerca de la superficie terrestre y se vuelve isobárica a un cierto nivel de la atmósfera permitiendo un estiramiento en los niveles verticales. El tope del modelo es una superficie de presión constante.
• Malla horizontal: Malla escalonada tipo Arakawa C.
• Integración en tiempo: Runge-Kutta de 2do y 3er orden con paso de tiempo menor para ondas acústicas y de gravedad.
• Discretización espacial: Opcional de 2do y 6to orden en la horizontal y vertical.
• Condiciones de frontera laterales: Periódicas, abiertas y simétricas.
• Condiciones de frontera en superficie: Física o free-slip.
• Anidamientos: Unidireccionales interactivos, bi-direccionales interactivos y móviles, estos últimos pueden usarse a través de movimientos especificados por el usuario o con un algoritmo que sigue el movimiento de un vórtice
• Malla Global: Cuenta con capacidad para realizar simulaciones globales.
• Microfísica: Esquemas simplificados para simulaciones idealizadas y esquemas complejos que incorporan explícitamente procesos de precipitación, vapor de agua y nubes.
• Parametrizaciones de cúmulus: Diversos esquemas para modelos de mesoescala modificados y adaptados para el modelo.
• Capa límite planetaria: Esquema de energía cinética turbulenta y esquemas no locales.

WRF Preprocessing System (WPS). Esta componente del modelo es utilizada para simulaciones reales. Aquí, el usuario puede definir los dominios de la simulación, interpolar los datos terrestres a los dominios (por ejemplo topografía, tipo de suelo, uso de suelo, etcétera), así como decodificar e interpolar los datos meteorológicos que alimentan al modelo.

WRF-Var. Este programa es opcional y se encarga de incorporar observaciones a los análisis interpolados creados por el WPS (por ejemplo datos de superficie, radiosondeos, datos de radar, etcétera), generando un ajuste en las condiciones iniciales del modelo.

Post-procesamiento y visualización. Esta componente del modelo depende totalmente del usuario pues existe una gran cantidad de herramientas gráficas que pueden ser utilizadas para visualizar las simulaciones numéricas. Algunas de estas opciones son: NCAR Command Language (NCL), Read/Interpolate/Plot (RIP4), Grid Analysis and Display System (GrADS), Vis5D, Visualization and Analysis Platform for Ocean, Atmosphere, and Solar Researchers (VAPOR), General Equilibrium Modelling Software (GEMPAK) y MATrix LABoratory (MATLAB).

Parametrizaciones físicas

• Esquema RRTMG para radiación de onda corta y larga. Una versión más reciente del RRTM (Rapid Radiative Transfer Model). Incluye el método MCICA para representar la variabilidad de la nube a escala de submalla. Este esquema utiliza ecuaciones en función del tiempo que representan los procesos de onda larga debidos al vapor de agua, ozono, CO2 y gases traza (si existen), considerando también las propiedades ópticas de la nube en función de su profundidad.
• Esquema de Kain-Fritsch Multiescala para la parametrización de cúmulus. Es utilizado para representar los procesos convectivos por medio de un modelo que considera las corrientes verticales de aire húmedo en ambos sentidos, utilizando una escala de tiempo de ajuste dinámico en función de la resolución horizontal.
• Esquema Yonsei University para la capa límite planetaria. Este esquema se encarga de representar los flujos verticales pequeños que son resultado del transporte turbulento en toda la columna atmosférica.
• El modelo Noah-MP para el modelo de superficie. Este esquema considera la parte superior e inferior del dosel, el radio, ramas, hojas y raíces de los árboles dentro de la cobertura vegetal. A su vez, considera la estructura vertical de la vegetación. Además Meza (2018) encontró que reduce el error sobre las temperaturas mínimas en comparación con el esquema Noah y TD.