Descrición : O obxectivo deste proxecto é a adaptación de solucións de modelización meteorolóxica ás necesidades presentadas pola Dirección Xeral do Centro de Información e Tecnoloxía Ambiental da Xunta de Galicia ó CESGA en materia de meteoroloxía.
O traballo a desenvolver inclúe o estudio, adaptación e ensaio dun modelo de predicción meteorolóxica para Galicia, susceptible de ser utilizado de forma operativa na elaboración dunha predicción meteorolóxica propia, como Sistema de Predicción Meteorolóxica Numérica de Galicia.
1. Análise e selección de modelos.
Para a análise e selección de modelos, analizáronse as características do contorno de Galicia, co fin de determina-la solución numérica máis adecuada a esta rexión. Posteriormente, realizouse unha busca de solucións existentes actualmente, que presenten garantías, e estean dispoñibles sen custo asociado, ademáis de considerar aquelas que a Dirección Xeral facilite.
A orografía de Galicia, a variedade de usos do solo, e a súa situación xeográfica como entra da de frontes procedentes do atlántico na Península Ibérica, cun alto nivel de enerxía asociada, favorecen a existencia de gradientes importantes de presión, que non poden ser representados adecuadamente se:
a) O modelo aplicado ten unha resolución inferior á correspondente á variabilidade espacial dos fenómenos meteorolóxicos observados en Galicia.
b) As ecuacións incorporan a hipótese hidrostática, que teoricamente implica un gradiente lineal de presión, se non incorpora solucións aproximadas adicionais que permitan describi-la variabilidade espacial do gradiente.
Con estas consideracións, o modelo seleccionado para o ensaio da predicción é o modelo ARPS (Advanced Regional Prediction System), desenvolvido no Centre for Analysis and Prediction of Storms (CAPS) da Universidade de Oklahoma, que incorpora solucións non hidrostáticas avanzadas aplicables a condicións meteorolóxicas extremas (incluso ciclóns). Isto, unido á robustez do código e a súa dispoñibilidade gratuíta sen límite legal de uso, defíneno como unha opción interesante para a súa aplicación en Galicia. Ademais dispón dun elevado número de opcións de cálculo a elixir polo usuario que inclúen por exemplo, múltiples posibilidades de tratamento das condicións de contorno, datos iniciais, cálculo dos termos de advección, esquemas de parametrización de nubes, aproximacións de turbulencias ou a posibilidade de parametrizar auga en estado sólido, líquido e gasoso.
2. Elaboración de información cartográfica dixital.
Para a execución do modelo ARPS, elaborouse a información cartográfica dixital requirida, no formato especificado polo modelo, que abarca toda a comunidade autónoma galega, cunha resolución horizontal de 5 km. A información contén as cotas topográficas e a clasificación de coberturas distinguindo terra, mar e acuíferos interiores.
Esta información, elaborada a partir do MDT200, debe presentar suficiente resolución para abarca-los fenómenos meteorolóxicos de micro-mesoescala existentes en Galicia, sen chegar a requirimientos de tempo de cálculo prohibitivos que farían inviable a aplicación do modelo. Ambas hipóteses, sen embargo, deberán ser comprobadas nos ensaios durante este proxecto.
Na figura 1 inclúese unha representación da topografía de Galicia incorporada no modelo ARPS. Incluíronse varios quilómetros de mar tanto na zona oeste como norte, para simular mellor os efectos do mar nas zonas costeiras.
3. Adaptación do modelo ARPS.
Para adapta-lo modelo ARPS ás máquinas do CESGA procedeuse, en primeiro lugar, a compila-lo código do propio modelo en sí e, en segundo lugar, a compilar tanto os programas complementarios que inclúe como os paquetes gráficos necesarios para a representación e análise dos resultados.
Despois de realiza-las modificacións oportunas no ficheiro Makefile e no propio código do ARPS, compilouse o programa no ordenador vectorial paralelo Fujitsu VPP300E e no ordenador escalar paralelo AP3000, ambos pertenecentes ó CESGA, e executouse a primeira proba de predicción cun sinxelo exemplo subministrado no Manual do Usuario. A pesar da sinxeleza deste exemplo (inicialización das variables por medio dunha única sondaxe e ausencia de orografía) xa se pudo comprobar que o tempo de cálculo no ordenador escalar resulta inviable cando se procesa un modelo tan complexo como é o ARPS. Polo tanto, a partir deste momento, tódalas probas seguintes se realizaron no ordenador vectorial.
4. Ensaios do modelo ARPS.
4.1. Validación.
A validación do modelo é fundamental para comprobar que os resultados obtidos nas nosas máquinas son similares a aqueles obtidos, neste caso, no CAPS e asegurarse de que non se está cometendo ningún erro na predicción polo feito de face-los cálculos nos ordenadores do CESGA. Así, o manual do ARPS ofrece varios resultados de casos estándar que se compararon coa resposta do ordenador Fujitsu VPP300E, obtendo uns resultados satisfactorios.
4.2. Ensaios sobre Galicia.
Realizáronse os ensaios de aplicación do modelo para a comunidade galega que inclúen tanto o estudio da resposta do modelo de predicción meteorolóxica ARPS para a nosa topografía como a adaptación das interfaces gráficas ZXPLOT e Vis5d ó novo contorno.
O dominio de cálculo consta de 50´50 puntos e comprende tódala cobertura terrestre de Galicia e aproximadamente uns 30 km de mar na zona norte e oeste. O espaciado horizontal é de 5 km tanto na dirección norte-sur como na leste-oeste, co que se realizarán as prediccións nunha área de 250X250 km2 , que se mostra na figura 3.1. De momento, e nunha primeira aproximación, no ficheiro de uso de solos únicamente se fixo a distinción entre auga e terra, esperando ter máis adiante unha descrición máis completa dos tipos de solos existentes en Galicia.
Para realizar unha primeira proba, construíuse un campo inicial uniforme de ventos e temperaturas, seguindo un perfil logarítmico para calcula-la velocidade en altura e supoñendo unha atmosfera de estabilidade estática constante, para calcula-los perfís de temperatura e presión a partir dos seus valores en superficie. Esta inicialización seguindo os perfís teóricos especificados no manual do usuario, aplicouse para a malla de 250X250 km2 cunha resolución de 5 km en horizontal e 35 niveis en vertical. A predicción para 24 horas consumiu 6 horas e 30 minutos de CPU, cun paso temporal de 10 segundos.
Como este tempo de cálculo resultaba demasiado elevado, tentouse reducilo aumentando o paso temporal, pero despois de varias probas veuse que o modelo non admitía pasos temporais maiores de 10 segundos. Por tanto, buscouse outra solución que consistiu en diminuí-lo número de niveis de cálculo en vertical. Así, ó realiza-la mesma proba que no caso anterior pero con 25 niveis en vertical, o tempo de cálculo empregado reduciuse considerablemente pasando a ser de 4 horas de CPU, un tempo que se pode considerar razoable cando se realiza unha predicción a 24 horas cun modelo tan complexo como o ARPS.
Resultados e previsións futuras:
Nos resultados obtidos para a topografía de Galicia e con 25 niveis de cálculo en vertical pódese comprobar cómo o modelo representa adecuadamente os fluxos para a topografía escollida. Nas figuras 2 e 3 compárase o campo de ventos no primeiro nivel, correspondente a dous metros de altura sobre a superficie, obtido ás seis da mañá (figura 2), co obtido para as seis da tarde (figura 2). Nos dous casos o módulo da velocidade é maior na zona surleste debido a que é aí onde se atopan as montañas máis elevadas de Galicia. Pódese ver como ás seis da tarde o vento modifica a súa dirección nos puntos achegados á costa e practicamente anúlase na zona noroeste, debido a que a estas horas da tarde a superficie terrestre sufriu un forte quentamento, o que fai que se xeren ascensos de aire na zona terrestre que veñen acompañados de fluxos de aire fresco na superficie provintes do mar. Esta masa de aire entrante posúe dirección contraria ó fluxo principal, motivo polo cal o vento practicamente se anula na zona de costa.
Nas figuras que aparecen a continuación preséntase un corte vertical na coordenada j=30, orrespondente ás seis da mañá (figura 4) e outro correspondente ás seis da tarde (figura 5). No caso da mañá vese como apenas existen ascensos de masas de aire debido á estabilidade atmosférica reinante a esas horas da noite e as elevacións que se aprecian na figura son orixinadas principalmente polo efecto da topografía. En cambio ás seis da tarde e debido ó quentamento solar, prodúcense fortes ascensións de aire quente, chegando a alcanzar esas correntes convectivas alturas superiores ós dous kilómetros. Por último nas figuras 6 e 7 amósanse os campos de temperatura en superficie obtidos ás tres da tarde e as dez da noite, respectivamente. Unha vez máis pódese aprecia-la influencia do mar na suavidade co que varían as temperaturas xunto á costa respecto á variación das temperaturas nas zonas de montaña.
Para o futuro prevese: unha actualización da información de uso de solos, a inicialización do modelo con datos reais a partir dunha predicción a maior escala, así como a aplicación dunhas condicións de contorno dinámicas. Ademais preténdese incluír no modelo o cálculo de formación de nubes. Todas estas melloras deben ir acompañadas do estudio das mellores opcións de cálculo para optimizar no maior grao posible o tempo de cálculo empregado para a predicción.
Uso de Técnicas de Supercomputación:
Optimizouse o modelo de predicción meteorolóxica ARPS sobre o ordenador vectorial Fujitsu VPP300E
Tempo de supercomputación usado:
500 horas
Tempo de supercomputación necesario ata o remate do proxecto:
800 horas
Fig.1.- Topografía de Galicia incorporada no modelo ARPS
Fig. 2.- Campo de ventos a dous metros de altura correspondente ás 6 da mañá .
Fig. 3.- Campo de ventos a dous metros de altura correspondente ás 6 da tarde.
Fig. 4.- Campo de ventos ás 6 da mañá no corte vertical correspondente a j=30
Fig. 5.- Campo de ventos ás 6 da tarde no corte vertical correspondente a j=30
Fig. 6.- Campo de temperaturas en superficie correspondente ás 3 da tarde.
Fig. 7.- Campo de temperaturas en superfice correspondente ás 10 da noite. |
cesga.es
:: Telf.: +34 981 569810 - Fax: 981 594616 ::
Avda. de Vigo s/n 15705, Santiago de Compostela.