EL MODELO TERMODINÁMICO DEL CLIMA(El pronóstico del tiempo y del clima)

Víctor M. Mendoza y René GarduñoCentro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM

victor@atmosfera.unam.mx

PRONÓSTICO DEL TIEMPO

Tiempo atmosférico en superficie sobre América

del Norte.

El tiempo atmosférico se refiere al estado físico que guarda laatmósfera en algún punto geográfico y tiempo dado.

El tiempo atmosférico es descrito en términos de variablesmeteorológicas, algunas de las cuales son directamentepercibidas por los sentidos, a saber: la temperatura del aire, larapidez y dirección del viento, la cantidad y forma de lasnubes y la cantidad y tipo de precipitación, también esdescrito por la presión atmosférica y la humedad del aire.

El pronóstico del tiempo atmosférico es una de las tareas másapasionantes de la Meteorología.

Pronóstico del Clima Estacional

Sequía en el Norte de México durante 2011-2012Globedia.com. El Diario Colaborativo. 24/01/2012

La distinción entre pronóstico del tiempo y pronóstico del clima sesustenta en la distinta escala temporal.

El pronóstico del tiempo es de uno a tres días, a lo sumo de una a dossemanas y depende fuertemente de las condiciones iniciales.

El pronóstico del clima se establece en un rango que va de uno a seismeses, incluso un año, más allá de este tiempo podríamos estar hablandode simulación climática de una situación futura. Este tipo de pronóstico, elcual en la práctica es mensual o estacional, depende de forzantes quecambian lentamente en comparación con la atmósfera.

Las cantidades pronosticadas de mayor utilidad son la temperatura delaire en superficie y la precipitación. El pronóstico del tiempo da comoresultado el valor instantáneo en una región determinada de las variablesconsideradas; es decir, se trata de un pronóstico detallado; en cambio, elpronóstico del clima da el valor promedio de las anomalías del clima enuna región determinada; incluso, el pronóstico del clima llega a ser enalgunos casos más cualitativo que cuantitativo.

Para establecer un pronóstico estacional se utilizan métodosestadísticos o las leyes de conservación de la física.

Un método estadístico es el pronóstico por años análogos, endonde se buscan años con situaciones climatológicas análogasde la estación previa a la estación de pronóstico.

Cuando se utilizan las leyes de conservación de la física seformulan los llamados modelos climáticos. Estos modelos sonherramientas más o menos sofisticadas diseñadas para simulary/o pronosticar el clima. El Modelo Termodinámico del Clima(MTC) es uno de ellos.

Los modelos climáticos toman en cuenta las complejasinteracciones que tienen lugar en el sistema atmósfera-océano-continente, ellos utilizan las siguientes ecuaciones:

a) Ecs. de conservación de momento (Navier-Stokes), las cualesse derivan de la segunda Ley de Newton aplicada a los fluidosgeofísicos.

b) Ec. de conservación de energía térmica.

c) Ec. de conservación de masa.

d) Ec. de estado para un gas perfecto.

e) Relaciones constitutivas (parametrizaciones semiempíricas)

La era moderna de la predicción del tiempo principiacon el británico Lewis F. Richardson (1922). Richardsonaproxima las ecuaciones diferenciales parciales quegobiernan la atmósfera a un conjunto de ecuaciones dediferencias algebraicas de las que pueden determinarselas tendencias de temperatura y presión, con ellaspuedo llevar a cabo un pronóstico a 6 horas utilizandovarios pasos de tiempo.

A pesar de que los pronósticos no fueron muyalentadores, el mérito de Richardson consistió en habersentado las bases metodológicas en la meteorologíapara la predicción del tiempo.

Carl G. Rossby (1939 y 1940), consciente de lacomplejidad del problema tratado por Richardson(1922), supone que a corto plazo (uno a tres días) elsistema atmosférico es esencialmente adiabático; esdecir, que no hay intercambio de calor, por lo tanto, lasecuaciones de pronóstico son únicamente las deconservación de momento y la de conservación de lamasa, reduciendo a una ecuación trivial laconservación de energía térmica.

Jule G. Charney (1948 y 1949), formula un modelodinámico similar al de Rossby, el cual se basa en lateoría cuasi-geostrófica, en donde las ondas de sonido ygravedad son filtradas por la introducción sistemáticadel balance entre los gradientes de presión y la fuerzade Coriolis (balance geostrófico) y el equilibriohidrostático.

Charney, Fjörtoft y von Neuman (1950) usando el modelo barotrópico, el cuales un caso especial del modelo cuasi-geostrófico, logran con éxito unpronóstico meteorológico a 24 horas en la región IV. Su modelo barotrópicoes resuelto numéricamente en la computadora ENIAC.

ENIAC (Computador e integrador numérico electrónico) pesaba 27 toneladas, utilizaba 1.500conmutadores electromagnéticos; requería la operación manual de unos 6.000 interruptores, ysu programa o software, cuando requería modificaciones, tardaba semanas de instalaciónmanual.

LA POSIBILIDAD DE PRONOSTICAR A LARGO PLAZO

Edward Norton Lorenz (1963)

Gráfico del atractor de Lorenz, en la teoría del caos. Créditos: Dschwen

Edward Norton Lorenz (1963), formula un modelo simplificado para explicarla convección forzada en la atmósfera. Su modelo queda caracterizado portres parámetros: la intensidad del movimiento convectivo, la diferencia detemperatura entre las corrientes ascendente y descendente y la distorsión dela linealidad del perfil vertical de temperatura. El resultado de Lorenz fue quela corriente de convección resulta no periódica al transcurrir el tiempo, yaltamente sensible a las condiciones iniciales.

Convección forzada por calentamiento

En palabras de Lorentz:

“Cuando nuestros resultados concernientes a la inestabilidad de unflujo no periódico son aplicables a la atmósfera, la cual esostensiblemente no periódica, ellos indican que el pronóstico(meteorológico) sobre un periodo de tiempo suficientemente largo esimposible por cualquier método, a menos que las condiciones presentessean conocidas exactamente. En vista de que las observaciones deltiempo (atmosférico) son inevitablemente inexactas e incompletas, elpronóstico a muy largo plazo puede resultar imposible” (Lorenz, 1963).

De las palabras de Lorenz es inevitable plantearse la siguientepregunta:

¿Es posible, a pesar de todo, realizar un pronóstico del clima estacional(de tres a seis meses) que sea lo suficientemente bueno de manera queresulte útil para algún sector; por ejemplo, el agrícola?

EL MODELO TERMODINÁMICO DEL CLIMA

Julián Adem (1962, 1963 y 1964)

En la formulación del Modelo Termodinámico del Clima Julián Adem afirma:

“…, si extendemos nuestro pronóstico a una escala larga de tiempo, digamos un mes ouna estación, la ecuación de conservación de energía térmica adquiere importancia, ypodemos pensar en una simplificación similar a la usada con el modelo barotrópicopara el pronóstico a corto plazo, pero en lugar de las ecuaciones de conservación demomento, usamos la ecuación de conservación de energía térmica como ecuaciónprincipal y subordinamos a ésta la parte dinámica del problema.(…) Por su parte losciclones y anticiclones de latitudes medias son tratados como turbulencia horizontalque transporta calor del ecuador a los polos, y se incorpora al modelo a través de uncoeficiente de austausch (intercambio), con lo cual se cierra el problema” (MonthlyWeather Review en 1964).

El problema de la turbulencia horizontal degran escala en el MTC, es brillantementeresuelto por Adem a través de un coeficiente deintercambio, siguiendo la teoría del transporteturbulento de ciclones y anticiclones de escalaplanetaria de Albert Defant, de 1921.

En 1962, Adem publica la primera versión de su modelo en Tellus, con el título“Sobre la circulación general de la atmósfera”. Su modelo, que es de balancede energía térmica y zonalmente promediado, reproduce mes con mes laposición y la intensidad de la corriente en chorro en la atmósfera media,como un resultado del balance entre la radiación neta (solar y terrestre), losflujos de calor entre la superficie y la atmósfera y el transporte turbulentomeridional de calor hacia los polos, por los ciclones y anticiclones migratoriosde latitudes medias.

En 1963, Adem publica en Monthly Weather Review (MWR) una segundaversión mejorada de su modelo zonalmente promediado; aquí, por vezprimera, demuestra que en la predicción estacional de la temperaturatroposférica, el almacenamiento de energía térmica en los océanos alprincipio de la estación, desempeña un papel fundamental en la predicciónde la estación completa, debido a la enorme capacidad calorífica de la capa demezcla oceánica, la cual es dos ordenes de magnitud mayor que la de laatmósfera completa y que la de la capa superficial del continente.

El modelo de balance de energía zonalmente promediado contiene lasbases físicas del que hoy conocemos como Modelo Termodinámico delClima (MTC) de variables mensuales, aplicado al Hemisferio Norte conuna distribución realista de océanos y continentes. El MTC es lacontribución más conocida y quizás la más importante de Adem.

La primera aplicación del modelo, publicada en MWR en 1964, fue elpronóstico mensual de enero de 1963, en donde se demuestra que lasanomalías del albedo de la superficie debidas a la cubierta de nieve,anormalmente extensa que se observó al final de diciembre de 1962,tuvo un efecto importante en el pronóstico de las bajas temperaturasque se observaron en enero del 63 en la parte central y norte deEstados Unidos, aún en presencia de temperaturas de la superficie delmar anormalmente altas, observadas en el Pacífico norte y Atlánticonorte.

Por lo que hemos visto, en el pronóstico del tiempo son esenciales lascondiciones iniciales, con mayor razón cuando el pronóstico se extiende másallá de 3 días. ¿Qué ocurre entonces con el pronóstico del clima estacional,cuando el periodo abarca más de 30 días?. Podemos contestar esta pregunta amodo de

Hipotesis:“En el pronóstico estacional, aún más importantes que las condicionesiniciales, son los forzamientos de baja frecuencia, externos a la atmósfera, losque determinan, no la evolución, sino la adaptación de la circulación de laatmósfera a dichos forzamientos”

Un ejemplo de forzamientoexterno es la extensión de lacubierta de hielo y nieve.

Casquete polar en el Océano Árticotomado por la NASA en 1995.

Otro ejemplo de forzamiento externo lo constituyen las anomalías dela temperatura de la superficie del mar, ¿cómo funciona esteforzamiento?: En regiones en donde la temperatura de la superficie delmar tiene valores por arriba (abajo) de lo normal se produce un exceso(déficit) en el flujo de calor del océano a la atmósfera , este proceso queocurre de manera lenta, con una duración por arriba de un mes,permite que la circulación de la atmósfera se adapte a dichoforzamiento.

Las predicciones del MTC se han comprobado con las observaciones de unamanera objetiva y los resultados son satisfactorios, por lo que el modelorepresenta una base físico-matemática práctica para la predicción a largoplazo y por ello ha sido usado en varios países, especialmente en EstadosUnidos, Rusia, Bélgica, Japón, Alemania, Holanda y México

Instalación de la computadoraBurroughs B 7800 (1981-1990)en donde se “corrió” variasveces el MTC.

Acervo histórico del cómputo en laUNAM

Pronóstico para el verano de 1983.

Anomalías de la temperatura (°C) en la superficie. Figura superior: observadas, y figura inferior: pronosticadas , en el sur de Estados Unidos, México y mares adyacentes.

Continuación:Anomalías de la precipitación (mm/día). Figura superior: observadas, y figura inferior: pronosticadas.

«Siempre he pensado que lo que está bien hecho; por su propia

naturaleza, crece, florece y da frutos abundantes que benefician a

muchos».

Víctor M. Mendoza

Muchas gracias

Tierra la de radio el es 1037.6 donde

0cos

1

cos

1

6

90898887

2

2

22

2

22

ma

FTFT

a

FT

a

FT

a

T

aK m

mmmm

El deseo de Adem: El modelo Termodinámico del Clima Global