Chapter 3 Time’s tricky moves
3.1 Poetry’s waking power: “good mornings” (suprabhātam) with a twist
O MM5 é um modelo de mesoscala de área limitada, não hidrostático, com um sistema de coordenadas que segue a topografia do terreno, desenvolvido para simular ou prever a circulação atmosférica em mesoescala ou em escala regional. O modelo
Figura 6.1: Ilustração dos domínios do modelo MM5
é constituído por vários programas de pré e pós processamento, que são referidos, colectivamente, como sistema de modelação MM5. A relação entre os vários programas pode ser esquematizada na figura 6.2
TERRAIN REGRID LITTLE_R INTERPF INTERPB MM5 GrADS
Pre-Processamento Processamento Pos-Processamento
Dados de uso do solo Topografia Outros dados
NCEP ECMWF
TOGA
NNRP ERA ETA AVN
Superficie Radiosondagens Outros dados
Terreno
Analise Regional Global
Observacoes
Figura 6.2: Esquematização global da constituição do modelo MM5 (adaptação de Dudhia et al., 2005)
No que diz respeito à etapa de pré-processamento, o sistema de modelação MM5 é, conforme se verifica no diagrama da figura 6.2, constituído por vários programas:
• TERRAIN ; • REGRID; • LITTLE_R; • INTERPF; • INTERPB.
O processamento dos dados, integração temporal das equações e obtenção das pre- visões é feito fazendo uso de um programa que tem o mesmo nome, MM5. Já no que diz respeito ao pós-processamento, isto é, à visualização dos resultados obtidos, esta etapa pode ser feita com recurso a vários programas, salientando-se, por ter sido o
software utilizado neste trabalho, o GrADS (GRids Display and Analysis System).
Passando a uma exposição mais detalhada dos vários programas de pré-processamento enunciados anteriormente, refira-se que o programa TERRAIN define todos os domínios terrestres que serão usados no processamento, bem como a relação entre eles, sendo, por isso, o primeiro programa a utilizar numa sessão de utilização do modelo MM5. Assim, deve definir-se neste primeiro programa, para cada domínio, a sua extensão e número de pontos da malha. Deste modo, para o domínio maior devem definir-se a latitude e longitude do ponto central, o número de pontos da malha e a distância entre pontos consecutivos da malha, sendo que a relação entre os vários domínios pode ser unidireccional, em que a informação é transmitida do domínio maior (domínio-mãe) para o mais pequeno (domínio-filho) só através das condições fronteira, ou bidireccio- nal, em que adicionalmente os resultados do domínio mais pequeno substituem os do domínio maior na zona comum. Este programa processa, para todos os domínios, a informação relativa à topografia do terreno e ao tipo de usos do solo/vegetação. A informação é recebida numa malha regular de latitude/longitude e interpolada hori- zontalmente para os domínios escolhidos. Em cada ponto, a informação de usos do solo corresponde a uma percentagem para cada tipo de solo. O tipo de solo controla as seguintes propriedades: albedo, emissividade, disponibilidade de água, inércia térmica e rugosidade.
A interpolação pode ser feita segundo o método de Cressman, disponível para a topografia, ou segundo o método bi-parabólico disponível para a topografia e para os usos do solo. Este método faz um ajuste bidimensional de duas parábolas e considera que o valor para o ponto desejado é uma média pesada dos valores dados pelas duas pa- rábolas. No método de Cressman estipula-se um raio de influência e a importância dos valores dos pontos dentro dessa área para o ponto que se está a estimar é inversamente proporcional à distâcia. Este método permite controlar a atenuação dos gradientes.
Na definição dos domínios especifica-se a projecção desejada: Lambert-Conformal, Estereográfica Polar ou Mercator.
A escolha dos domínios tem como preocupação o tempo de computação, que é especialmente importante para a previsão meteorológica em tempo real. Naturalmente, o tempo de execução do modelo é proporcional ao produto do número de pontos no tempo pelo número de pontos no espaço. O passo no tempo, devido a contingências resultantes da estabilidade dos métodos numéricos, deve ser (em segundos) o triplo do passo no espaço (em km), o que significa que os domínios mais finos são, por cada ponto,
muito mais dispendiosos em tempo de computação que os domínios mais grosseiros. Ora, já que a relação entre os vários domínios é bi-direccional, o passo espacial tem que diminuir de 1/3 para cada domínio aninhado em relação ao seu domínio-mãe. Três malhas aninhadas em two-way com o mesmo número de pontos têm um custo computacional de 1:3:9 para um dado intervalo de tempo o que significa que a malha mais fina é nove vezes mais pesada que a malha maior, do ponto de vista do tempo de processamento.
Já no que concerne ao programa REGRID, refira-se que a sua função é a leitura de análises meteorológicas e previsões de tempo gravadas em ficheiro ao longo dos vários níveis de pressão, interpolando-as posteriormente ao longo da grelha horizontal definida previamente com o programa TERRAIN. Assim, com o recurso aos dados climatoló- gicos referidos anteriormente, o REGRID proporciona uma primeira inicialização do modelo, executando, posteriormente, as interpolações dos parâmetros meteorológicos para todos os pontos da grelha definidos, quer para o domínio principal, quer para os sub-domínios.
Prosseguindo com a descrição dos programas de pré-processamento do MM5, refira- se o LITTLE_R, cujo principal propósito é o de executar uma análise objectiva, com- binando, assim, os valores de palpite obtidos no programa REGRID com os resultados de observação de radiossondas e de superfície. Deste modo, através da assimilação dos dados através de uma análise objectiva, o LITTLE_R possibilita o aperfeiçoamento dos valores de primeira inicialização, eliminando, através de variados testes, baseados nas técnicas de Cressman ou multiquatrática primeiros palpites incoerentes ou mesmo errados, permitindo assim uma melhoria no detalhe da interpolação em mesoescala.
De seguida, o próximo passo na execução do modelo recai sobre o programa IN- TERPF. Assim, e num sentido lato, pode referir-se que este programa funciona como interface entre as rotinas de análise e o modelo de mesoescala. Assim, o programa INTERPF utiliza os dados de saída do programa LITTLE_R, que se encontram dis- postos em níveis de pressão standard e interpola esses dados na grelha vertical definida pelo utilizador. Essa grelha é definida em termos de coordenadas sigma, onde os níveis mais baixos seguem aproximadamente o terrento, ao passo que a superfície superior é plana, conforme ilustra a figura 6.3.
Assim, e por inspecção da figura 6.3, pode verificar-se que os níveis intermédios tendem progressivamente a sre planos, à medida que a pressão tende para o valor escolhido de pressão no topo. A grandeza adimensional sigma σ utilizada para definir os níveis do modelo é, portanto,
σ = p0− pt ps0− pt
(6.1) Na equação 6.1 escrita anteriormente, p0 representa a pressão de referência, pt a
pressão no topo e ps0 a pressão de referência na superfície. Assim, por análise da
equação 6.1 é relativamente simples discernir que o valor 1 define a superfície e o valor 0 o topo da atmosfera do modelo.
Adicionalmente, o INTERPF gera as condições fronteira inicial, lateral e de super- fície.
Finda a etapa de pré-processamento, todos os dados de saída obtidos pelos progra- mas de pré-processamento referidos anteriormente são utilizados pelo programa MM5
Figura 6.3: Representação esquemática da estrutura vertical do modelo.
para integração numérica das equações constitutivas do modelo, permitindo assim a obtenção da previsão numérica do tempo. No programa MM5 são ainda definidos os parâmetros dos processos físicos, nuvens, precipitação, camada limite e radiação.
Posteriormente, os dados de saída do modelo podem ser sujeitos a representação gráfica imediata, ou ainda à execução do programa INTERPB, cuja principal função é a de transformar os dados que ermitem a passagem do modelo de mesoescala, em coordenadas σ, para níveis de pressão.