Source: http://smn.cna.gob.mx/tools/GUI/modelos/sipromat/
Timestamp: 2018-10-22 15:01:33+00:00

Document:
SMN - Sipromat
Acerca de este pronóstico
La necesidad de mejorar la seguridad en la zona costera y en las operaciones marítimas requiere de mejores pronósticos del tiempo y de las condiciones oceánicas. La información que proveen los pronósticos numéricos permite planear mejor las actividades, optimizar recursos y reducir los riesgos de accidentes. Por este motivo, no sólo es necesario pronosticar con mayor precisión los eventos extremos, sino también las condiciones cotidianas. En los últimos años, mejores modelos y esquemas de asimilación de datos, mayor disponibilidad de datos satelitales, computadoras mucho más poderosas y avances en los esquemas numéricos y en las parametrizaciones de los modelos han permitido incrementar sustancialmente la capacidad predictiva de los pronósticos. En ese marco, se ubica el esfuerzo conjunto entre el Centro de Ciencias de la Atmósfera de la Universidad Nacional Autónoma de México y el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) de la Comisión Nacional del Agua para implementar el Sistema de Pronóstico Numérico Operativo de Mareas de Tormenta, Marejadas y Oleaje (SIPROMAT).
El SIPROMAT se basa en tres modelos numéricos: el modelo atmosférico Weather, Research and Forecasting (WRF), el modelo de marea de tormenta Advanced Circulation (ADCIRC) y el modelo de oleaje Wave Watch III (WWIII), los cuales fueron configurados para simular la componente atmosférica y oceánica para los mares mexicanos y zona costera, tanto del Atlántico como del Pacífico. Del modelo WRF se extraen los vientos a 10 m, los cuales se utilizan para forzar los modelos ADCIR y WWIII; estos datos se adaptan a las mallas y formatos de cada modelo. El modelo ADCIRC se utiliza para realizar el pronóstico de marea de tormenta y el modelo WWIII para realizar el pronóstico de oleaje y marejada. Los datos de entrada para el modelo WRF se obtienen del pronóstico del modelo Global Forecast System(GFS). En la Figura 1 se muestra el diagrama de flujo del SIPROMAT.
Figura 1. Diagrama de flujo SIPROMAT.
Los productos principales del sistema SIPROMAT son:
Mapa de viento en superficie en combinación con líneas de presión reducida al nivel medio del mar.
Mapa de altura significante y dirección de propagación.
Mapa de periodo de ola y dirección de propagación.
Mapa de marea de tormenta.
Series de tiempo en diferentes sitios de viento en superficie, de marea de tormenta y oleaje.
Este sistema de pronóstico esta configurado para realizar de forma operativa el pronóstico meteorológico, de oleaje y marea de tormenta dos veces al día, con un alcance de 3 días (72 hrs), partiendo de las condiciones iniciales disponibles para cada uno de los modelos de la hora 00:00 GMT y 12:00 GMT.
Para satisfacer las necesidades del SIPROMAT, se estableció un dominio para el modelo WRF que abarcara los mares mexicanos y las zonas de influencia de marea de tormenta. El dominio es de gran extensión y cubre la región de 123.35º W a 75.0ºW y de 4.40º N a 35.0ºN, con una resolución horizontal promedio de 21 km (Figura 2). En la vertical la simulación cuenta con 27 niveles que siguen la topografía del terreno.
Figura 2. Dominio del modelo WRF.
El modelo ADCIRC se implementó en dos regiones, una que cubre el Golfo de México y otra que abarca el Pacífico Mexicano y zonas adyacentes. En las Figuras 3 y 4, se muestran gráficamente los dominios cubiertos por el modelo ADCIRC.
Figura 3. Dominio del modelo ADCIRC para el Golfo de México.
Figura 4. Dominio 2 del modelo ADCIRC.
El modelo WWIII se configuró en 3 dominios (Figuras 5-7): uno que incluye el Golfo de México y Mar Caribe, otro para el Pacífico Mexicano el cual está anidado a un tercero que incluye el Océano Pacífico.
Figura 5. Dominio 1 del Golfo de México del modelo WWIII.
Figura 6. Dominio 2 del Pacífico Mexicano del modelo WWIII.
Figura 7. Dominio 3 del Pacífico del modelo WWIII.
Productos gráficos de SIPROMAT
A continuación se da una descripción de los productos que se presentan en el sitio web del SIPROMAT.
Productos de oleaje y marejada.
Mapas con información de altura significante y dirección (Figuras 8-10) y mapas con información de período y dirección (Figura 11), en un intervalo de 72 horas a partir de la incorporación de las condiciones iniciales de viento, para los tres dominios descritos del modelo WWIII. La altura significante se gráfica en una escala cromática que va de menor a mayor (de morados a rojos), cubriendo un intervalo de 11 metros. La dirección de propagación se representa, de manera natural, con flechas.
Figura 8. Altura significante en metros y dirección del dominio del Océano Pacífico.
Figura 9. Altura significante en metros y dirección del dominio del Pacífico Mexicano.
Figura 10. Altura significante en metros y dirección del dominio del Caribe y Golfo de México.
Figura 11. Periodo en segundos y dirección en el Golfo de México.
Se incluye el pronóstico específico para 23 sitios (Acapulco, Gro., Cabo San Lucas, BCS, Campeche, Camp., Cd. Carmen, Camp., Coatzacoalcos, Ver., Cozumel., QR, Ensenada, BC, Guerrero Negro, BCS, La Paz, BCS, Lázaro Cárdenas, Mich., Mahahual, QR, Manzanillo, Col., Mazatlán, Sin., Progreso, Yuc., Pto. Angel., Oax., Pto. Chiapas, Chis., Pto. Vallarta, Jal., San Carlos, BCS, Tampico, Tams., Topobampo, Sin., Tuxpan, Ver., Veracruz, Ver. y Zihuatanejo, Gro.) con información horaria de altura significante.
Productos de marea de tormenta.
Se generan mapas de anomalía del nivel del mar para el Pacífico Mexicano (Figura 12) y para el Golfo de México (Figura 13). También se generan series de tiempo de nivel del mar para los mismos 23 sitios donde se pronostica el oleaje.
Figura 12. Elevación de la superficie del Mar (m) en el Pacífico Mexicano.
Figura 13. Elevación de la superficie del Mar (m) en el Golfo de México.
Productos meteorológicos.
Se presenta un mapa con la información de los vientos a nivel de superficie (10 m) en combinación con las líneas de presión reducida al nivel medio del mar (PRNM) (Figura 14), y para resaltar la intensidad del viento se agrega color para indicar la intensidad del viento. Las etiquetas que aparecen en la barra de color C# corresponden a los siguientes valores de intensidad: C1 = 118 Km/h, C2 = 154 Km/h, C3 =178 Km/h, C4 = 210 Km/h y C5 = 250 Km/h, dichos valores corresponden a la escala Saffir Simpson para la clasificación de huracanes de acuerdo a la intensidad del viento.
Figura 14.Viento a 10m (Km/hr) y Presión Reducida al Nivel Medio del Mar PRNM (hPa).
Además se presentan las series del viento a 10 m, oleaje y marea de tormenta para 23 sitios frente a ciudades o puertos importantes (Figura 15).
Figura 15. Meteograma para Gerrero Negro.
Entre los modelos numéricos más avanzados en la actualidad para la predicción del tiempo a escala regional o mesoescala está el modelo atmosférico Weather Research and Forecasting (WRF). Por sus capacidades probadas, se escogió como el modelo para generar los vientos de alta resolución del SIPROMAT. El modelo WRF es un modelo de predicción numérica del tiempo diseñado para la investigación y para aplicaciones operativas. Diversas instituciones han contribuido y siguen contribuyendo a su desarrollo, con el firme objeto de construir el modelo de pronóstico numérico de mesoescala de la siguiente generación (modelos como el MM5 pertenecen a la generación anterior), para logar un avance en el entendimiento de los procesos atmosféricos y en la predicción del tiempo. El modelo WRF ha sido desarrollado principalmente por el National Center for Atmospheric Research (NCAR), la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), el National Center for Environmental Prediction (NCEP), el Earth System Research Laboratory (ESRL), la Air Force Weather Agency (AFWA), el Naval Research Laboratory (NRL), el Center for Analysis and Prediction Storms (CAPS) y la Federal Aviation Administration (FAA). El SIPROMAT cuenta con la versión 3.3.1 del modelo WRF.
Los principales componentes del modelo se muestran en la Figura 1. El WRF Software Infrastructure (WSF) contiene los códigos que incorporan la física al modelo (dynamic solvers) y los paquetes físicos que constituyen la interfaz con los códigos. También se localizan aquí los códigos necesarios para realizar asimilación de datos y para emplear algunas opciones relacionadas con la química atmosférica. Fuera del WRF, se encuentra la parte de preprocesamiento y posprocesamiento de las simulaciones numéricas. El modelo cuenta con dos núcleos que resuelven su física, el Advanced Research WPS (ARW) y el Nonhydrostatical Mesoscale Model (NMM). En la configuración desarrollada para el SIPROMAT se utiliza el núcleo ARW. A continuación se describe brevemente la versión del WRF con este núcleo.
Figura 1.Esquema de las principales componentes del modelo WRF.
Núcleo ARW
El núcleo ARW es el componente donde se inicializa el modelo para cualquiera de los casos de simulación, ideales o reales. En este núcleo también se lleva a cabo la integración numérica del dominio principal y de los anidamientos.
Las características del núcleo ARW (Figura 2), son:
Ecuaciones: Modelo totalmente compresible, no-hidrostático, basado en flujo euleriano, con una opción hidrostática.
Coordenada vertical: Coordenada que sigue el terreno y que permite un estiramiento en los niveles verticales. El tope del modelo es una superficie de presión constante.
Malla horizontal: Malla escalonada tipo Arakawa C.
Integración en tiempo: Runge-Kutta de 2do y 3er orden con paso de tiempo menor para ondas acústicas y de gravedad.
Discretización espacial: Opcional de 2do y 6to orden en la horizontal y vertical.
Condiciones de frontera laterales: Periódicas, abiertas y simétricas.
Condiciones de frontera en superficie: Física o free-slip.
Anidamientos: Unidireccionales interactivos, bi-direccionales interactivos y movibles, estos últimos pueden usarse a través de movimientos especificados por el usuario o con un algoritmo que sigue el movimiento de un vórtice.
Malla global: Cuenta con capacidad para realizar simulaciones globales.
Microfísica: Esquemas simplificados para simulaciones idealizadas y esquemas complejos que incorporan explícitamente procesos de precipitación, vapor de agua y nubes.
Parametrizaciones de cúmulus: Diversos esquemas para modelos de mesoescala.
Capa límite planetaria: Esquema de energía cinética turbulenta y esquemas no locales.
Figura 2. Diagrama de las componentes del WRF-ARW.
WRF Preprocessing System (WPS). Esta componente del modelo es utilizada para simulaciones reales. Aquí, el usuario puede definir los dominios de la simulación, interpolar los datos terrestres a los dominios (por ejemplo topografía, tipo de suelo, uso de suelo, etcétera), así como decodificar e interpolar los datos meteorológicos que alimentan al mode
WRF-Var. Este programa es opcional y se encarga de incorporar observaciones a los análisis interpolados creados por el WPS (por ejemplo datos de superficie, radiosondeos, datos de radar, etcétera), generando un ajuste en las condiciones iniciales del modelo.
Post-procesamiento y visualización. Esta componente del modelo depende totalmente del usuario pues existe una gran cantidad de herramientas gráficas que pueden ser utilizadas para visualizar las simulaciones numéricas. Algunas de estas opciones son:NCAR Command Language (NCL), Read/Interpolate/Plot (RIP4), Grid Analysis and Display System (GrADS), Vis5D, Visualization and Analysis Platform for Ocean, Atmosphere, and Solar Researchers (VAPOR), General Equilibrium Modelling Software (GEMPAK) y MATrix LABoratory (MATLAB).
Parametrizaciones físicas. Las parametrizaciónes físicas que se utilizan en el modelo WRF son las siguientes:
Esquema de Dudhia para la radiación de onda corta. Representa el flujo de energía solar que llega considerando la absorción del vapor de agua y la absorción y albedo de las nubes.
Esquema Rapid Radiative Transfer Model (RRTM) para radiación de onda larga. Este esquema utiliza valores predeterminados en tablas que representan los procesos de onda larga debidos al vapor de agua, ozono, CO2 y gases traza (si existen), considerando también las propiedades ópticas de la nube en función de su profundidad.
Esquema de Kain-Fritsch para la parametrización de cúmulus. Es utilizado para representar los procesos convectivos por medio de un modelo que considera las corrientes verticales de aire húmedo en ambos sentidos, además de considerar un modelo simple de microfísica.
Esquema Yonsei University para la capa límite planetaria. Este esquema se encarga de representar los flujos verticales pequeños que son resultado del transporte turbulento en toda la columna atmosférica.
En microfísica se usa el esquema WRF single moment 3-class de Hong, Dudhia and Chen (2004) o WSM3.
Condiciones iniciales y de frontera: Los datos que se utilizan para determinar las condiciones iniciales y de frontera se toman de las salidas del modelo planetario Global Forecast System (GFS). Los datos se obtienen del sitio de Internet ftp://ftpprd.ncep.noaa.gov/pub/data/nccf/com/gfs/prod/ para las 00 y 12 horas GMT.
Pronóstico de marea de tormenta
Modelo ADCIRC
El pronóstico de marea de tormenta se lleva a cabo utilizando el modelo ADCIRC, el cual es un modelo de última generación que también esta en período de implementación por parte de la NOAA y es, en muchos sentidos, superior al modelo SLOSH que se había venido utilizando en forma operacional en los últimos años. El ADCIRC consiste de un conjunto de códigos computacionales que resuelven problemas de transporte y circulación de la superficie libre del mar dependientes del tiempo. Este modelo resuelve las ecuaciones de movimiento para un fluido en movimiento en una Tierra en rotación, utilizando las aproximaciones hidrostática y de Boussinesq, discretiza en espacio utilizando el método de elemento finito y en tiempo el de diferencias finitas. Una de las ventajas de este modelo es que corre sobre mallas no estructuradas, por lo que es posible tener muy alta resolución en la zona costera. El ADCIRC se puede correr tanto en coordenadas esféricas como cartesianas.
Las condiciones de frontera en el ADCIRC incluyen:
Elevación específicada (constituyentes armónicos de marea o series de tiempo).
Flujo normal especificado (constituyentes armónicos de marea o series de tiempo).
Flujo normal nulo.
Condiciones de deslizamiento y no-deslizamiento para la velocidad.
Desbordamiento de agua sobre la barrera externa fuera del dominio.
Desbordamiento de agua sobre una barrera interna entre secciones dentro del dominio.
Esfuerzo en la superficie (esfuerzo de radiación por olas/viento).
Radiación de olas hacia el exterior (condición de Sommerfield).
El modelo ADCIRC puede ser forzado por:
Condiciones de frontera de elevación.
Condiciones de esfuerzo superficial.
Potencial de marea.
Pronóstico de oleaje y marejada.
Modelo WWIII
Para el pronóstico de oleaje se utiliza el modelo WWIII, versión 4.18. Se utiliza este modelo debido a que tiene ventajas sobre el modelo WAM en la implementación de los anidamientos dinámicos. El WWIII también tiene mejoras en los parámetros de forzamiento cuando los vientos superan los 28 ms-1, lo que redunda en mejores simulaciones en esas condiciones, particularmente con la presencia de huracanes.
El modelo WWIII se corre en dos dominios, uno que abarca la mayor parte del Océano Pacífico (Dominio 1) y el otro que incluye los mares mexicanos y zonas adyacentes (Dominio 2). El Dominio 1 se utiliza para generar las condiciones de frontera para el Dominio 2. Esto es importante debido a que se ha observado la ocurrencia de fenómenos de marejada en las costas mexicanas que se originan en el hemisferio sur, a varios miles de kilómetros de distancia. Las condiciones iniciales de este modelo en el Dominio 1 provienen del modelo GFS y los del Dominio 2 de la salida del modelo WRF. La ventaja de los datos del WRF es que tienen mucha mayor resolución espacial y permiten simular adecuadamente las variaciones de los vientos observadas cerca de las costas mexicanas. Los datos utilizados son los vientos a 10 m e interpolados a la maya del WWIII.
Las variables de salida pronosticadas por WWIII son: altura significante de ola (en m), dirección promedio de propagación (en grados, según la convención meteorológica), periodo (s) y dirección de la ola pico (grados).
Las simulaciones obtenidas con el WWIII tienen las siguientes características:
Dos dominios con distinta resolución (un anidamiento).
Dominio principal: la mayor parte del Océano Pacífico.
Anidamiento con un tercio de la resolución del dominio principal.
Pronóstico del oleaje en el Golfo de México a 120 horas, con salidas cada hora en ambos dominios.

References: resolución 
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