Evaluación del efecto de los esquemas de convección, microfísica y de la resolución horizontal en el modelo meteorológico WRF para representar la precipitación en Colombia

Abstract

Los modelos atmosféricos son herramientas útiles en el pronóstico de las condiciones meteorológicas en un dominio determinado. Existen sin embargo retos importantes en la modelación atmosférica asociados con la imposibilidad de representar explícitamente las escalas más pequeñas, lo que obliga a que algunos procesos relevantes deban ser representados por medio de parametrizaciones. En el caso del territorio colombiano, ubicado en la zona tropical y con una topografía compleja, la modelación atmosférica puede enfrentar situaciones aún más retadoras. Con el fin de contribuir a acortar esa brecha en la precisión de las estimaciones en el país, este trabajo explora el impacto que el esquema de microfísica, el esquema de convección, y la resolución horizontal de la modelación tienen sobre la representación de la precipitación en el país. Para ello se realizaron diversos análisis de sensibilidad utilizando el modelo atmosférico Weather Research and Forecasting (WRF) versión 4.2. Se consideraron tres esquemas de microfísica para las nubes estratiformes resueltas explícitamente por el modelo (esquema de Thompson, esquema de Morrison, y esquema Goddard). Se exploraron también tres alternativas para representar el proceso de convección de cúmulos, las parametrizaciones de Kain-Fritsch y Grell-3D, así como la solución explícita de la convención mediante la configuración de WRF en modo no hidrostático. Finalmente, se consideró también el efecto de la resolución espacial mediante el uso de dos espaciamientos horizontales del enmallado, de 9km x 9km y de 4 km x 4km para todo el territorio colombiano. El análisis se realizó con enfoque en dos zonas del país con topografía suave y compleja para los periodos lluviosos de junio de 2018 y marzo del 2020 respectivamente. Se realizaron un total de 36 simulaciones para periodos de 30 días cada una. Las condiciones iniciales y de frontera fueron alimentadas para el domino usando el modelo Global Forecast System (GFS) a 0.25° x 0.25° de resolución espacial y 6 h de resolución temporal. Los campos asociados a la precipitación y a la distribución vertical de vapor de agua fueron evaluados con datos de estaciones terrestres de precipitación, con datos de meteorología vertical proveniente de radiosondeos, y mediante productos de monitoreo remoto (CHIRPS, IMERG V6 de GPM y PERSIANN CCS-CDR). El análisis realizado demostró que el modelo WRF sobreestima la precipitación en el domino, en particular cuando se aplican los esquemas de convección de Kain-Fritsch y Grell-3D, con una excesiva precipitación de carácter orográfico a lo largo de las cordilleras. El esquema de microfísica Goddard genera una mayor participación de la precipitación estratiforme y los menores valores de precipitación promedio mensual. Las configuraciones del modelo cuya solución de la convección se resolvió explícitamente destacaron en la mayoría de los análisis al presentar mejorías frente a la humedad específica, temperatura y en algunos casos las estimaciones de agua precipitable. El análisis sugiere que, entre aquellos esquemas analizados, la representación explícita de la convección en conjunto con la microfísica de Goddard genera los campos de precipitación más compatibles con las observaciones disponibles. No se encontraron diferencias significativas en el modelo al variar la resolución del enmallado de 9 km a 4 km, sugiriendo que la resolución de 9 km puede ser suficientemente alta para la modelación atmosférica en el país.