Modelos Numéricos e Processos Físicos na Meteorologia

1. Quais são os modelos barotrópicos?

Os modelos foram desenvolvidos para serem utilizados nas primeiras calculadoras eletrônicas desenvolvidas nos EUA na década de 40. Estes são os modelos mais simples e baseiam-se no que é conhecido como o "pressuposto barotrópico", que assume que as superfícies isobáricas de pressão constante coincidem com as superfícies de densidade constante, de modo que o gradiente isobárico é zero e o vento geostrófico não varia com a altura. Com esta hipótese, o sistema de EDP é reduzido a uma única equação diferencial para a vorticidade, resolvida em um único nível vertical.

2. O que torna um modelo baroclínico?

Uma atmosfera baroclínica é definida como aquela em que as superfícies isopícnicas e isobáricas não coincidem; portanto, o gradiente de temperatura isobárica é diferente de zero e o vento geostrófico varia com a altura. Desta forma, o modelo baroclínico pode refletir uma estrutura vertical da atmosfera e fornecer variáveis que variam na vertical. O primeiro modelo baroclínico operacional foi integrado nos EUA e era um modelo de três camadas.

3. O que representaram as equações de modelos primitivos?

Modelos de equações primitivas representaram o primeiro tipo de modelos numéricos cujos resultados foram bons o suficiente para serem utilizados na previsão do tempo diária dos serviços meteorológicos. Considerados com uma estrutura vertical de toda a atmosfera, começaram com dez níveis verticais, aumentando ao longo do tempo.

4. Vantagens e desvantagens das coordenadas isentrópicas

Uma superfície isentrópica é aquela em que a temperatura potencial, θ, é constante. Uma vantagem do sistema de coordenadas é que, para movimentos adiabáticos secos, cada parcela de ar conserva o seu potencial (dθ/dt = 0). Outra vantagem é que a coordenada θ fornece melhor resolução na proximidade de frentes. Desvantagem: pelas mesmas razões que a altura e pressão, o uso da temperatura potencial como coordenada vertical gera problemas perto do chão.

5. O que são coordenadas híbridas e suas vantagens?

As coordenadas híbridas são um tipo de coordenada sigma (σ = p/ps), onde ps é a pressão da superfície. Os modelos que utilizam esse tipo de coordenada têm a vantagem de combinar as superfícies sigma na parte inferior, que se tornam superfícies isentrópicas com a altura.

6. Deficiências nos modelos EDP

Além da formulação da EDP, duas causas principais limitavam os resultados: 1. Resolução horizontal e vertical: não se podia descrever o tempo com uma grade de 200 km ou apenas dez níveis verticais. 2. Processos de subescala: processos como a convecção, com escala de poucos quilômetros, não podiam ser incluídos diretamente em modelos de 200 km de resolução.

8. O que é a parametrização de processos físicos?

Muitos processos físicos não podem ser resolvidos explicitamente. A parametrização consiste em reformular efeitos de pequena escala para a grande escala. A hipótese básica é assumir que "há um equilíbrio estatístico entre os fenômenos cuja escala é menor do que a grade e as variáveis resolvidas na grade".

9. Principais processos incluídos em modelos numéricos

• Radiação: Considera os efeitos de absorção de radiação solar (ondas curtas) e terrestre (ondas longas). É o processo mais importante, pois a radiação solar é o motor atmosférico.
• Convecção: Movimentos verticais que liberam calor latente ao condensar vapor d'água. É essencial para simular precipitação.
• Troca superfície-atmosfera: Inclui calor latente (evaporação), calor sensível (contato com o solo) e atrito (travagem do escoamento).
• Turbulência: Interação de vórtices que produzem troca vertical de momento.
• Condensação em larga escala: Produção de precipitação em níveis de supersaturação.
• Travagem por ondas gravitacionais: Transmissão da frenagem do fluxo junto ao terreno para níveis superiores.

10. Modelos globais de circulação geral

São modelos integrados em todo o globo, utilizados principalmente para: 1. Experimentos de controle para descrição do clima contemporâneo. 2. Quantificar a resposta a perturbações climáticas futuras induzidas por atividades humanas, tentando explicar como o sistema climático restabelece o equilíbrio.

11. Vantagens e desvantagens de um modelo de malha

Recursos

• Dados em pontos fixos de grade.
• Resolução baseada no espaçamento da grade.
• Cálculos via diferenças finitas.

Desvantagens

• Erro considerável nas aproximações de diferenças finitas.
• Acúmulo de ruído em longos períodos.
• Erros nas condições de contorno podem afetar previsões regionais.

Vantagens

• Alta resolução horizontal em mesoescala.
• Não requer transformações complexas entre física e malha.
• Versões não-hidrostáticas podem prever detalhes da convecção explícita.