Histórico

O MCGA CPTEC/INPE teve sua origem no modelo usado para previsão de tempo de médio prazo pelo National Centers for Environmental Prediction (NCEP, então NMC) em 1985. Esse modelo, chamado MRF (Medium Range Forecasting Model), era uma combinação do código espectral global desenvolvido pelo NCEP com as parametrizações físicas de escala subgrade desenvolvidadas no Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) do NOAA na Universidade de Princeton, EUA. Esse modelo foi transferido ao Center for Ocean, Land and Atmosphere Studies (COLA), onde foram adicionados, a princípio, cálculos diagnósticos para um melhor entendimento dos processos físicos simulados e de sua importância relativa. Desde a implantação do MRF do NCEP no COLA, o modelo sofreu mudanças significativas por ambos os grupos. À medida que ambas versões evoluiram, as principais mudanças efetuadas pelo NCEP para melhorar a previsão de médio prazo, foram introduzidas pelo grupo de simulação climática do COLA para manter o avanço em conjunto. Por outro lado, devido à natureza experimental das mudanças feitas pelo grupo do COLA, tornou-se não-prática a adoção de tais mudanças pelo NCEP. Como resultado, os modelos divergiram, com diferenças substanciais. Apesar de haver muitos pontos em comum, houve diferenças significativas de resolução, no tratamento da radiação e dos processos de superfície.

Em novembro de 1994, o CPTEC iniciou operacionalmente a previsão numérica de tempo global, tendo implementado a versão 1.7 do modelo do COLA. Como parte da implementação deste modelo no CPTEC, o truncamento romboidal, adotado pelo COLA, foi generalizado para truncamento triangular e foram introduzidas: resoluções horizontal e vertical versáteis, adaptações na geração de arquivos de entrada e saída para as necessidades operacionais do CPTEC e utilização de temperatura da superfície do mar (TSM) média observada da última semana. Em 1995 foi iniciada a previsão climática sazonal com utilização de anomalias de TSM persistidas. Essa primeira versão foi denominada versão 1.0 CPTEC/COLA.

Uma nova versão do modelo global do CPTEC foi colocada em operação em dezembro de 1998, denominada versão 2.0 CPTEC/COLA. Basicamente, esta implementação consistiu em realizar as modificações propostas pelo COLA para a versão que eles denominaram versão 1.12 e, implementar um pós-processamento diferente daquele que vinha sendo utilizado até então. Esta nova versão incluiu uma modificação no modelo de tratamento da interação atmosfera-biosfera, nova opção de parametrização da convecção profunda e um novo esquema de difusão horizontal. Quanto ao pós-processamento, o cálculo da função de corrente (y) e do potencial de velocidade (c) foi modificado para evitar incompatibilidades entre esses campos e os campos de vento zonal (u) e vento meridional (v), especialmente próximo à topografia alta. Para evitar erros associados à interpolação na horizontal, a grade do modelo passou de uma grade regular para uma grade gaussiana na direção horizontal.

O MCGA tem sido desenvolvido desde sua implantação no CPTEC/INPE. Outras mudanças foram realizadas na sua estrutura, no período de 1998 até 2013, como paralelização do código, para poder ser usado com mais eficiência em um computador com vários processadores, introdução de novas opções de compilação, mudança da dinâmica euleriana para semi-lagrangeana, mudanças nos termos de dissipação e nos esquemas de parametrização.

O processo de modernização tem sido efetuado por vários pesquisadores da DMD/CPTEC/INPE, IME/USP, IAG/USP, DCA/UFCG e IMPA. A versão atual pode ser usada em vários tipos de máquina.

Principais Modificações na Dinâmica e nas Parametrizações Físicas

Condições Iniciais e de Contorno

As condições iniciais do modelo são coeficientes espectrais de: logarítimo da pressão à superfície, temperatura virtual, divergência horizontal, vorticidade vertical e umidade específica. A topografia é tratada em forma espectral, de modo que é representada por uma série truncada, sujeita a problemas como o efeito Gibbs.

A condição de contorno superior do MCGA é uma restrição cinemática que impõe velocidade vertical, em coordenada sigma, nula em todos os pontos na superfície e no topo do modelo, para satisfazer a conservação de massa. Essa restrição é usada na solução das equações através da diferenciação vertical em coordenada sigma.

Para representar os processos atmosféricos em escala de tempo climática de um mês ou mais, os campos na superfície da Terra que mais significativamente afetam a atmosfera devem ter variação no tempo. Esses campos incluem a temperatura de superfície sobre os continentes e oceanos, considerando tanto água livre como gelo do mar, umidade do solo, albedo da superfície e altura de neve. Dentre esses campos, os de temperatura de superfície continental, temperatura do gelo do mar e altura de neve variam muito rapidamente com o tempo e devem ser tratados como variáveis prognósticas no modelo, tornando-os acoplados com a atmosfera, mesmo em escalas de tempo menores. Os demais campos podem também ser tratados como variáveis prognósticas, porém variam de forma suficientemente lenta que podem ser considerados como condicões de contorno do modelo.

Características Dinâmicas do MCGA CPTEC/INPE

As leis físicas básicas que governam os movimentos atmosféricos utilizadas pelo MCGA são as leis de conservação de massa e de umidade, de energia e de momentum angular. As equações empregadas incluem as equações da continuidade de massa para o ar seco e vapor d'água, a primeira lei da termodinâmica e as equações do movimento (segunda lei de Newton). A equação para a componente vertical da velocidade (paralela ao vetor força gravitacional) é simplificada para uma relação diagnóstica pois, nas escalas espacial e temporal de interesse, as forças verticais estão em aproximado balanço hidrostático. O conjunto completo dessas equações é chamado de equações primitivas. O modelo é global em extensão e conforme a um sistema com geometria esférica, onde a altitude é suficientemente pequena para que a distância ao centro da Terra seja aproximadamente constante (igual ao seu raio médio), desde que a distância acima da superfície da Terra seja incluída como variável independente.

As variáveis prognósticas do MCGA são: o logarítimo da pressão à superfície, a vorticidade (componente vertical do rotacional do vento), a divergência do vento horizontal, a temperatura virtual e a umidade específica. Além dessas, existem outras que são previstas nas parametrizações incluídas no modelo, tais como: temperatura de superfície, do interior do solo e do interior do dossel, umidade do solo, entre outras.

As equações do modelo são escritas na forma espectral e as equações do movimento horizontal são transformadas nas equações da vorticidade e da divergência, o que facilita tanto o tratamento espectral quanto a implantação do método semi-implícito de integração no tempo. Existe também um esquema de inicialização utilizando os modos normais do modelo linearizado sobre um estado básico em repouso e com temperatura em função apenas da vertical; essa inicialização inclui os termos referentes aos processos diabáticos.

As equações do modelo são resolvidas por meios numéricos. Como o sistema é altamente não-linear, há que se discretizar as quatro dimensões. O tempo é dividido em passos com espaçamentos regulares fixos e a diferenciação é feita por um método semi-implícito envolvendo as equações da continuidade, da divergência e da termodinâmica, enquanto que as equações da vorticidade e da conservação de umidade específica são tratadas explicitamente; isso é devido ao fato de que as primeiras são as responsáveis pela geração de ondas de alta frequência. As variações espaciais nas duas dimensões horizontais são representadas por coeficientes de projeção sobre uma base de funções que formam um conjunto ortonormal completo, que são particularmente adequadas para movimentos de fluidos com geometria esférica: os harmônicos esféricos (série de Fourier na direção oeste-leste e de Funções Associadas de Legendre sul-norte). Essa representação permite o cálculo analítico das derivadas nas direções horizontais. As derivadas verticais são calculadas por diferenças finitas com espaçamento irregular sobre a coordenada de pressão normalizada (pressão do nível dividida pela pressão à superfície no ponto considerado, chamada coordenada sigma). A coordenada sigma tem a vantagem de permitir a introdução muito facilmente da topografia, pois sigma tem valor constante igual a 1 acompanhando a superfície da Terra. O espaçamento vertical é irregular pois é necessária uma resolução maior próximo à superfície, devido aos processos de camada limite e transferência de fluxos de energia entre solo e ar; também é necessária uma resolução maior na região de interface entre troposfera e estratosfera devido a variações verticais rápidas principalmente no campo de temperatura.

Parametrização dos Processos Físicos