• María Jesús Souto Alvedro. CESGA.
• Francisco Landeira Vega. CESGA.
• Enrique Roca Bordello. CMA

El objetivo de este proyecto es la adaptación de soluciones de modelización meteorológica a las necesidades planteadas por la Dirección Xeral del Centro de Información e Tecnoloxía Ambiental de la Xunta de Galicia al CESGA en materia de meteorología y calidad del aire.

El trabajo a desarrollar incluye el estudio, adaptación y ensayo de un modelo de predicción meteorológica para Galicia, susceptible de ser utilizado de forma operativa en la elaboración de una predicción meteorológica propia, como Sistema de Predicción Meteorológica Numérica de Galicia.

1. Análisis y selección de modelos.

Para el análisis y selección de modelos, se analizaron las características del entorno de Galicia, con el fin de determinar la solución numérica más adecuada a esta región. Posteriormente, se realizó unha búsqueda de soluciones existentes actualmente, que presenten garantías, y estén disponibles sin coste asociado, además de considerar aquellas que la Dirección Xeral facilite.

La orografía de Galicia, la variedad de usos del suelo, y su situación geográfica como la entrada de frentes procedentes del atlántico en la Península Ibérica, con un alto nivel de energía asociada, favorecen la existencia de gradientes importantes de presión, que no pueden ser representados adecuadamente si:

a) El modelo aplicado tiene unha resolución inferior a la correspondiente a la variabilidad espacial de los fenómenos meteorológicos observados en Galicia.

b) Las ecuaciones incorporan la hipótesis hidrostática, que teoricamente implica un gradiente lineal de presión, si no se incorporan soluciones aproximadas adicionales que permitan describir la variabilidad espacial del gradiente.

Con estas consideraciones, el modelo seleccionado para el ensayo de la predicción y el modelo ARPS (Advanced Regional Prediction System), desarrollado en el Centre for Analysis and Prediction of Storms (CAPS) de la Universidade de Oklahoma, que incorpora soluciones no hidrostáticas avanzadas aplicables a condiciones meteorológicas extremas (incluso ciclones). Esto, unido a la robustez del código y a su disponibilidad gratuíta sin límite legal de uso, lo definen como una opción interesante para su aplicación en Galicia. Además dispone de un elevado número de opciones de cálculo a elegir por el usuario que incluyen por ejemplo, múltiples posibilidades de tratamiento de las condiciones de entorno, datos iniciales, cálculo de los términos de advección, esquemas de parametrización de nubes, aproximaciones de turbulencias o la posibilidad de parametrizar agua en estado sólido, líquido y gaseoso.

2. Elaboración de información cartográfica digital.

Para la ejecución del modelo ARPS, se elaboró la información cartográfica digital requirida, en el formato especificado por el modelo, que abarca toda la comunidad autónoma gallega, con una resolución horizontal de 5 km. La información contiene las cotas topográficas y la clasificación de coberturas distinguiendo tierra, mar y acuíferos interiores.

Esta información, elaborada a partir del MDT200, debe presentar suficiente resolución para abarcar los fenómenos meteorológicos de micro-mesoescala existentes en Galicia, sin llegar a requerimientos de tiempo de cálculo prohibitivos que harían inviable la aplicación del modelo. Ambas hipótesis, sin embargo, deberán ser comprobadas en los ensayos durante este proyecto.

En la figura 1 se incluye una representación de la topografía de Galicia incorporada en el modelo ARPS. Se incluyeron varios kilómetros de mar tanto en la zona oeste como norte, para simular mejor los efectos del mar en las zonas costeras.

3. Adaptación del modelo ARPS.

Para adaptar el modelo ARPS a las máquinas del CESGA se procedió, en primeir lugar, a compilar el código del propio modelo en sí y, en segundo lugar, a compilar tanto los programas complementarios que incluye como los paquetes gráficos necesarios para la representación y análisis de los resultados.

Despues de realizar las modificaciones oportunas en el fichero Makefile y en el propio código del ARPS, se compiló el programa en el ordenador vectorial paralelo Fujitsu VPP300E y en el ordenador escalar paralelo AP3000, ambos pertenecientes al CESGA, y se ejecutó la primera prueba de predicción con un sencillo ejemplo subministrado en el Manual del Usuario. A pesar de la sencillez de este ejemplo (inicialización de las variables por medio de un único sondaje y ausencia de orografía) ya se pudo comprobar que el tiempo de cálculo en el ordenador escalar resulta inviable cuando se procesa un modelo tan complejo como es el ARPS. Por lo tanto, a partir de este momento, todas las pruebas siguientes se realizaron en el ordenador vectorial.

4. Ensayos del modelo ARPS.

4.1. Validación.

La validación del modelo es fundamental para comprobar que los resultados obtenidos en nuestras máquinas son similares a aquellos obtenidos, en este caso, en el CAPS y asegurarse de que no se está cometiendo ningún error en la predicción por el hecho de hacer los cálculos en los ordenadores del CESGA. Así, el manual del ARPS ofrece varios resultados de casos estándar que se compararon con la respuesta del ordenador Fujitsu VPP300E, obteniendodo unos resultados satisfactorios.

4.2. Ensayos sobre Galicia.

Se realizaron los ensayos de aplicación del modelo para la comunidad gallega que incluyen tanto el estudio de la respuesta del modelo de predicción meteorológica ARPS para nuestra topografía como la adaptación de las interfaces gráficas ZXPLOT y Vis5d al nuevo entorno.

El dominio de cálculo consta de 50´50 puntos y comprende toda la cobertura terrestre de Galicia y aproximadamente unos 30 km de mar en la zona norte y oeste. El espaciado horizontal es de 5 km tanto en la dirección norte-sur como en la este-oeste, con lo que se realizarán las predicciones en un área de 250X250 km 2, que se muestra en la figura 3.1. De momento, y en una primeira aproximación, en el fichero de uso de suelos únicamente se hizo la distinción entre agua y tierra, esperando tener más adelante una descripción más completa de los tipos de suelos existentes en Galicia.

Para realizar una primera prueba, se construyó un campo inicial uniforme de vientos y temperaturas, siguiendo un perfil logarítmico para calcular la velocidad en altura y suponiendo una atmosfera de estabilidad estática constante, para calcular los perfiles de temperatura y presión a partir de sus valores en superficie. Esta inicialización siguiendo los perfíles teóricos especificados en el manual del usuario, se aplicó para al malla de 250X250 km2 con una resolución de 5 km en horizontal e 35 niveles en vertical. La predicción para 24 horas consumió 6 horas y 30 minutos de CPU, con un paso temporal de 10 segundos.

Como este tiempo de cálculo resultaba demasiado elevado, se intentó reducirlo aumentando el paso temporal, pero despues de varias pruebas se vió que el modelo no admitía pasos temporales mayores de de 10 segundos. Por tanto, se buscó otra solución que consistió en disminuir el número de niveles de cálculo en vertical. Así, al realizar la misma prueba que en el caso anterior pero con 25 niveles en vertical, el tiempo de cálculo empleado se redujo considerablemente pasando a ser de 4 horas de CPU, un tiempo que se puede considerar razonable cuando se realiza una predicción a 24 horas con un modelo tan complejo como el ARPS.



Resultados y previsiones futuras:

En los resultados obtenidos para la topografía de Galicia y con 25 niveles de cálculo en vertical se pueden comprobar cómo el modelo representa adecuadamente los flujos para la topografía escojida. En las figuras 2 e 3 se compara el campo de vientos en el primer nivel, correspondiente a dos metros de altura sobre la superficie, obtenido a las seis de las mañana (figura 2), con el obtenido para las seis de la tarde (figura 2). En los dos casos el módulo de la velocidad es mayor en la zona sureste debido a que es ahí donde se encuentran las montañas más elevadas de Galicia. Se puede ver como las seis de la tarde el viento modifica su dirección en los puntos próximos a la costa y practicamente se anula en la zona noroeste, debido a que a estas horas de la tarde la superficie terrestre sufrió un fuerte calentamiento, lo que hace que se generen ascensos de aire en la zona terrestre que vienen acompañados de flujos de aire fresco en la superficie procedentes del mar. Esta masa de aire entrante posee dirección contraria al flujo principal, motivo por el cual el viento practicamente se anula en la zona de costa.

En las figuras que aparecen a continuación se representa un corte vertical en la coordenada j=30, correspondiente a las seis de la mañana (figura 4) y otro correspondiente a las seis de la tarde (figura 5). En el caso de la mañana se ve como apenas existen ascensos de masas de aire debido a la estabilidad atmosférica reinante a esas horas de la noche y las elevaciones que se aprecian en la figura son originadas principalmente por el efecto de la topografía. En cambio a las seis de la tarde y debido al calentamiento solar, se producen fuertes ascensiones de aire caliente, llegando a alcanzar esas corrientes convectivas alturas superiores a los dos kilómetros. Por último en las figuras 6 y 7 se muestran los campos de temperatura en superficie obtenidos a las tres de la tarde y a las diez de la noche, respectivamente. Una vez más se puede apreciar la influencia del mar en la suavidad con que varían las temperaturas junto a la costa respecto a la variación de las temperaturas en las zonas de montaña.

Para el futuro se prevee: una actualización de la información de uso de suelos, la inicialización del modelo con datos reales a partir de una predicción a mayor escala, así como la aplicación de unas condiciones de contorno dinámicas. Además se pretende incluír en el modelo el cálculo de formación de nubes. Todas estas mejoras deben ir acompañadas del estudio de las mejores opciones de cálculo para optimizar en el meyor grado posible el tiempo de cálculo empleado para la predicción.



Uso de Técnicas de Supercomputación:

Se optimizó el modelo de predicción meteorológica ARPS sobre el ordenador vectorial Fujitsu VPP300E

Tiempo de supercomputación usado:

500 horas

Tiempo de supercomputación necesario hasta la finalización del proyecto:

800 horas

Fig.1.- Topografía de Galicia incorporada en el modelo ARPS


Fig. 2.- Campo de vientos a dos metros de altura correspondiente a las 6 de la mañana .


Fig. 3.- Campo de vientos a dos metros de altura correspondiente a las 6 de la tarde.


Fig. 4.- Campo de vientos a las 6 de la mañana en el corte vertical correspondiente a j=30


Fig. 5.- Campo de vientos a las 6 de la tarde en el corte vertical correspondiente a j=30


Fig. 6.- Campo de temperaturas en superficie correspondiente a las 3 de la tarde.


Fig. 7.- Campo de temperaturas en superfice correspondiente a las 10 de la noche.