Universidad Nacional De Trujillo FACULTAD DE INGENIERA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA

SIMULACIN DE LA DINMICA DEL VIENTO SUPERFICIAL SOBRE LA COSTA DE ICA UTILIZANDO EL MODELO NUMRICO DE LA ATMSFERA DE MESOESCALA MM5

CURSO: SEMINARIO DE TESISDOCENTE: Dr. Ing. ALCNTARA ALZA, Vctor ManuelINTEGRANTES: ALTAMIRANO ESPINOZA, Mario CABANILLAS LEZAMA, Rayder FLORES SILVA, Anbal MALSQUEZ LEN, Alex ORIBE CASTILLO, Christian RUZ RODRGUEZ, Percy

TRUJILLO - 2014

SIMULACIN DINMICA DEL VIENTO SUPERFICIAL SOBRE LA COSTA DE ICA UTILIZANDO EL MODELO NUMRICO DE LA ATMSFERA DE MESOESCALA MM5NOTA:

Altamirano Espinoza Mario1; Cabanillas Lezama Rayder2; Flores Silva Anbal3; Malsquez Len Alex4; Oribe Castillo Christian5; Ruz Rodrguez Percy6

RESUMENSe investig la caracterizacin del viento sobre la superficie del mar, ubicado frente a la Costa del departamento de Ica Per. El propsito fue conocer y cuantificar los procesos fsicos que intensifican el viento y la variabilidad de su magnitud asociada a perturbaciones trmicas en esta regin. Utilizando el modelo atmosfrico regional de Mesoescala (MM5), se hicieron tres experimentos numricos considerando la cobertura espacial dividida en tres secciones (dominios anidados) con resolucin horizontal de 45, 15 y 5 km. Con el primer experimento MNT se analiz la dinmica del viento identificando la fuerza predominante del flujo. Con el segundo, denominado TS1, se increment la Temperatura Superficial del Mar (TSM); y el tercer experimento, TS2, similar al TS1, con mayor resolucin espacial. Se encontr que la mxima velocidad del viento en promedio fue: [9 10] m/s a 40 msnm y de [10 12] m/s a 250 msnm, posicionados muy cerca a la costa de Paracas y Marcona. Adems se observaron tres ncleos de intensificacin del viento con velocidades alrededor de 12 m/s a 250 msnm, localizndose el de mayor cobertura espacial frente a la provincia de Pisco (alrededor de la Pennsula de Paracas entre 13.5S 14.8S), el segundo frente a Nazca (Marcona, entre 14.9S 15.5S) y el ms pequeo al norte de Arequipa (15.7S 15.9S). Las mediciones arrojaron un error de 2.22m/s; lo cual demuestra que el modelo MM5 es una herramienta confiable para determinar la caracterizacin de los vientos superficiales.

Palabras clave: Dinmica de viento superficial, radiosonda, gradiente de presin.

ABSTRACT It was investigated wind characterization on the surface of the sea, located off the coast of Ica Peru. The purpose was to determine and quantify the physical processes that intensify the wind and the variability of the magnitude associated thermal perturbations in this region. Utilizando el modelo atmosfrico regional de Mesoescala (MM5), se hicieron tres experimentos numricos considerando la cobertura espacial dividida en tres secciones (dominios anidados) con resolucin horizontal de 45, 15 y 5 km. Using the Regional Atmospheric Mesoscale Model (MM5), three numerical experiments were made considering the spatial coverage divided into three sections (nested domains) with horizontal resolution of 45, 15 and 5 km. Con el primer experimento MNT se analiz la dinmica del viento identificando la fuerza predominante del flujo. In the first experiment "MNT" wind dynamics by identifying the dominant force of the flow is analyzed. Con el segundo, denominado TS1, se increment la Temperatura Superficial del Mar (TSM); With the second, called "TS1" Sea Surface Temperature (SST) increased; y el tercer experimento, TS2, similar al TS1, con mayor resolucin espacial. and the third experiment, "TS2", similar to "TS1" with higher spatial resolution. Se encontr que la mxima velocidad del viento en promedio fue: [9 10] m/sa 40 msnm y de [10 12] m/sa 250 msnm, posicionados muy cerca a la costa de Paracas y Marcona. It was found that the maximum wind speed averaged [9-10] m / s at 40 m and [10-12] m / s to 250 m, positioned very close to the coast of Paracas and Marcona. Adems se observaron tres ncleos de intensificacin del viento con velocidades alrededor de 12 m/sa 250 msnm, localizndose el de mayor cobertura espacial frente a la provincia de Pisco (alrededor de la Pennsula de Paracas entre 13.5S 14.8S), el segundo frente a Nazca (Marcona, entre 14.9S 15.5S) y el ms pequeo al norte de Arequipa (15.7S 15.9S). In addition, three cores intensified wind speeds around 12 m / s to 250 m were observed, being located on higher spatial coverage against the province of Pisco (near Paracas Peninsula between 13.5 -14.8 S S), the second front to Nazca (Marcona, between 14.9 S - 15.5 S) and the smaller north of Arequipa (15.7 -15.9 S S). Las mediciones arrojaron un error de 2.22m/s; The measurements showed an error of 2.22m / s; lo cual demuestra que el modelo MM5 es una herramienta confiable para determinar la caracterizacin de los vientos superficiales. which shows that the MM5 model is a reliable test for the characterization of surface winds tool.

(1), (2), (3), (4), (5), (6): Alumnos del X ciclo de la Escuela de Ingeniera Mecnica UNT (Grupo Evaluador)1.- INTRODUCCINLos datos proporcionados para la siguiente investigacin fueron brindados por el Instituto del Mar del Per (IMARPE) y el Mapa Elico del Per ADILNELSA (1993) donde la componente del viento a lo largo de su costa, es del Sureste (SE) y oscila ligeramente hacia el Sur; en un promedio de 5 a 6 m/s sobre la costa y por encima de 8 m/s sobre el ocano; sin embargo, en algunas zonas desrticas, independiente del tiempo, se superan los 10 m/s, ocasionando malestar en la poblacin, actividades portuarias, comercio, pesca, deportes y de recreo. Por lo tanto, fue de inters estudiar su fenomenologa espacial y temporal, as como conocer su potencial elico, en la zona costera de Ica.La meteorologa costera se define como la disciplina que estudia los fenmenos atmosfricos que ocurren en la zona costera, lo que implica estudiar la influencia de la superficie del mar en los fenmenos atmosfricos; es decir, la interaccin Ocano-Atmosfera (OA).El comportamiento de la atmsfera puede ser analizado y entendido en trminos de las leyes bsicas y conceptos de la fsica. Los tres campos de la fsica que son ms aplicables a la atmsfera son la transferencia radiactiva, la termodinmica y la hidrodinmica.Stuart and Bates (1977), realizaron perfiles de la distribucin de temperatura superficial del mar dentro del marco de la campaa JOINT II. Los datos fueron obtenidos de 30 vuelos sobre el ocano y en distintos puntos durante un periodo de 48 das en un esfuerzo por conocer la distribucin espacial de temperatura superficial del mar frente a la costa de Ica. Se encontr que la temperaturas mnimas (16.5C) se encuentran alrededor de la baha de San Juan (1530 S, 7530W). En 1979, Jackson Goodwin, realiz su tesis de pregrado en la Universidad Estatal de Florida, donde recopilo la mxima informacin posible sobre los vientos en superficie con el objetivo de representar la distribucin espacial del viento frente a Ica (cabo Nazca) para el periodo 16-31 de Marzo de 1977. Muoz y Garreaud en el 2005 afirman que la costa occidental subtropical de Sudamrica est bajo la influencia del anticicln del Pacfico Sur durante todo el ao, lo que induce vientos persistentes del sur a lo largo de la costa de Chile del norte central. Estos vientos a menudo toman la forma de un jet costero de bajo nivel, similar al Jet Costero de Ica que se identific en el presente trabajo de tesis, y en muchos aspectos similar al jet costero que existe de la costa de California.En base a los estudios realizados se propuso calcular la magnitud de las fuerzas predominantes que componen la dinmica del viento superficial sobre el mar peruano, principalmente frente a Ica, y calcular su variabilidad espacial ante perturbaciones trmicas en superficie, empleando el modelo atmosfrico regional MM5, el cual se adaptara a la regin de estudio.

2.- METODOLOGAPara el desarrollo de la investigacin se emple el software MM5, el cual es un modelo numrico no hidrosttico que resuelve ecuaciones de variables en cinco dimensiones.

2.1- Condiciones de fronteraSe eligi como datos de entrada la informacin meteorolgica diaria proporcionada por la Administracin Nacional Ocenica y Atmosfrica (NOAA). Adems para las condiciones iniciales y de frontera en superficie se ha empleado datos de TSM proporcionados por Oficina Nacional de Oceanografa (NAVO) y por el Centro de Diagnstico Climtico (CDC). La informacin topogrfica se obtuvo del modelo MM5 (PSU/NCAR) y la de ms alta resolucin se obtuvo de Global Topographic Data (GTOPO30). El periodo de anlisis corresponde del 05/10/08 al 18/10/08 UTC.El Instituto Geofsico del Per (IGP) realiz un crucero oceanogrfico entre el 18 de Octubre de dos semanas frente a la costa de ICA, a bordo del BIP Jos Olaya, desde donde se lanz 132 radiosondas del 2008/10/05 12:35:01 hrs. al 2008/10/18 00:19:57 hrs. del horario UTC, como parte de la campaa internacional VOCALS-Rex, con la finalidad de obtener los perfiles del viento sobre el mar frente a Ica.

2.2.- Validacin del ModeloPara la validacin se utiliz las 132 radiosondas (T001T132), de las cuales se analiz principalmente las comprendidas entre T006-T110. Se registraron valores para cada segundo a partir del punto de lanzamiento de radiosonda, hasta niveles prximos a 20km de altura y aproximadamente 150km de distancia perpendicular a la costa de Ica. Se logra cubrir 13 secciones perpendiculares a la costa, donde la seccin 9 es perpendicular a la pennsula de Paracas. Inicialmente se analiz los datos registrados a nivel superficial (hasta 350metros, 980hPa y 700hPa) correspondientes a la radiosonda T066 y T076 elegidas por su mxima proximidad y lejana de lanzamiento con respecto a la costa correspondiente a la seccin 9. Posteriormente se descarg las variables pertenecientes a Reanalysis, NAVO y NOAA OISST, a 17 niveles de presin (~ 1000 hPa hasta 50hPa aprox.) con una resolucin de 2.5x2.5 grados de espaciado entre grilla horizontal, los cuales son ahora condiciones inciales y de frontera del modelo numrico.

2.3.- Ejecucin del Modelo

Periodo de EstudioSi bien es cierto que las radiosondas fueron lanzadas por 14 das aproximadamente, se prefiri realizar la ejecucin del modelo para 30 das, cada 2 horas de intervalo de simulacin (01 30 octubre), corrigiendo as lo posibles errores inciales en los cuales el modelo comienza a estabilizarse.

rea de EstudioLa regin principal de estudio est comprendida entre las latitudes 13 a 16S y longitudes 74 a 78W (regin costera de Ica), donde se desea cuantificar las fuerzas presentes en el viento superficial sobre el mar. En general, todas las simulaciones con el modelo sern denominados experimentos, los cuales son: EXPERIMENTO DE MOMENTO HORIZONTAL (MNT) EXPERIMENTO DE TEMPERATURA SUPERFICIAL 1 (TS1) EXPERIMENTO DE TEMPERATURA SUPERFICIAL 2 (TS2)Tabla 01: Nombres, objetivo, nmero de dominios y resolucin de los experimentos numricosExperimentoObjetivoNmero de DominiosResolucin Horizontal (Km)

MNTCuantificar aceleraciones del viento en equilibrio35 , 15 y 45

TS1Perturbar la temperatura superficial a escala regional190

TS2Perturbar la temperatura superficial a escala local225 y 75

Tabla 02: Latitud y longitud segn el dominio de los experimentos numricosExperimentoLatitudLongitudDominio N

MNT3S - 27S63W - 87W1

11S a 19S72 W a 80W2

13S a 16S74 W a 78W3

TS210N - 35S99 W - 56W1

2N a 20S85 W a 70W2

TS110N - 35S99 W - 56W1

Esquemas de Parametrizacin Fsica Parametrizacin de microfsica de nubes Simple Ice DUDHIA Parametrizacin de cmulos Kain-Fritsch Parametrizacin de capa lmite de Gayno-Seaman Condicin de Radiacin CCM2

Procedimiento Se ingres los datos de topografa en formato binario, de la fuente de datos PSU/NCAR y GTOPO30; esto se realiza en el subprograma llamado TERRAIN. Se ingres las condiciones inciales y de frontera obtenidas de la climatologa de Reanalysis y NCEP OI SST; esto para el subprograma REGRID. Se interpol verticalmente de manera que las condiciones inciales y de frontera se transformen de niveles de presin a niveles sigma, usando el subprograma INTERPF. Finalmente se eligi las parametrizaciones fsicas, las opciones de clculo y tiempo de modelacin, usando el subprograma final MM5. Se ejecut el modelo MM5 y se analizan los resultados.3.- RESULTADOSDe los experimentos se mostraron:

Experimento MNTEn la distribucin de las fuerzas paralelas a la costa, tenemos:A 40 msnm(sigma=0.995) El gradiente de presin alcanza sus mximos valores alrededor de 14.7S y 15.3S con una magnitud de 2.5m/s por hora y sus mnimas al norte de la pennsula de Paracas (13.8S), adems se obtuvo que la fuerza de Coriolis es poco ms de 0.5m/s y ocurre lo mismo con la adveccion que con una magnitud mayor a 2.5m/s por hora y la a friccin desacelera el flujo en toda la regin con magnitudes alrededor de -0.5 m/s a -1m/s por hora(ver figura 01).

Fig01. Aceleraciones promedio del viento S/W m/s por hora (colores) y magnitud del viento m/s (contorno blanco) a 0.995 sigma (40msnm), dx=5 km

En la distribucin horizontal de las fuerzas perpendiculares a la costa, se obtuvo: A 40msnm (sigma=0.995): La fuerza del gradiente de presin predomina a lo largo de la direccin SW a NE , principalmente en Paracas, tambin entre la baha de San Nicols y San Juan de Marcona y por ltimo al norte de Arequipa, con valores mximos que superan los 2.5m/s por hora. La fuerza de Coriolis es hacia el mar, siendo significante en Paracas y en la entrada al Valle de Ica (15.15S) con valores que oscilan entre -1 y -1.5m/s por hora. La friccin o residuo desacelera principalmente el flujo que entra hacia la costa en la baha de Pisco con valores que oscilan entre -2 a -2.5m/s por hora. (Ver figura 02).

Fig02. Aceleraciones promedio del viento S/W m/s por hora (colores) y magnitud del viento m/s (contorno blanco) a 0.995 sigma (40msnm), dx=5 km.

Experimento TS1El gradiente de presin en superficie se modific indirectamente mediante una perturbacin trmica en superficie sobre el ocano Sur del Per. Las perturbaciones trmicas tienen un valor mximo de +2.5C. (Ver figura 03).

Fig03. Incremento promedio de la temperatura del aire (color) a 40msnm y la diferencia de la velocidad entre el Experimento y el Control (vectores).

En el experimento ITSM Costa Sur la velocidad se intensifica hasta en +0.3 m/s frente a Ica principalmente en la direccin paralela a la costa. (Ver figura 04)

Fig04. Variacin de velocidad del viento en m/s a 40msnm con direccin de las anomalas de velocidad del viento (vectores). ITSM costa sur. Dx=90Km.

Experimento TS2A 40msnm se produjo la mxima anomala de temperatura que est entre +2C y +1.75C (Fig. 05).

Fig05. Incremento promedio de la temperatura del aire (color) a 40msnm

La variacin negativa promedio de presin en ambos experimentos (Fig. 06) resulta que a 40msnm es de -0.2hPa,

Fig06. Disminucin (morado-azul) e incremento (rojo-amarillo) promedio de la presin en hPa a 40msnm en la ITSM costa Sur.4.- CONCLUSIONES La validacin fue exitosa en el sentido que el modelo MM5 sirve como una herramienta de simulacin para los vientos en superficie sobre el ocano con buena aproximacin hasta 950hPa con un error (RMSE) de 2.22m/s y una correlacin espacial de 0.75 con respecto al radio sondeo. Debido a esto, el MM5 puede ser usado para estudiar los procesos fsicos que determinan la distribucin y magnitud del viento, as como los efectos de fenmenos como El Nio, en la costa peruana. El modelo evidencia la existencia de una intensificacin de la distribucin horizontal promedio del viento frente a Ica al cual se denomin Jet Costero (JC) en superficie, con magnitudes de 9 hasta 10m/s a 40msnm y entre 10 hasta 12m/s a 250msnm en promedio. Los experimentos TS1 y TS2 muestran que una perturbacin de +2.5C en la TSM produce un incremento de la velocidad del viento a 40msnm del orden de +0.5m/s por aproximadamente +1.75C de incremento de temperatura del aire y cada -0.2hPa de disminucin de presin, y esto vara dependiendo de la posicin en el que se encuentre la perturbacin de TSM. Las pruebas de sensibilidad de capa lmite con las parametrizaciones fsicas del modelo para la representacin del viento, resultan similares por lo que no habra diferencia significativa en elegir otro esquema distinto al elegido en este trabajo, ya que todos tienen dificultad en niveles superiores a la capa de inversin trmica que en promedio se encuentra en Ica a 950hPa. Del experimento Control TS2, se calcul que el mximo potencial elico terico aprovechable a 40msnm se encuentra sobre el mar y frente a Ica, con una magnitud promedio entre 400 y 500KW por turbina (eje horizontal, de radio 40m y con eficiencia de 30%). Mientras en la costa el potencial elico promedio es de 50KW.

5.- AGRADECIMIENTONuestro sincero y profundo reconocimiento al Dr. Ing. VCTOR MANUEL ALCNTARA ALZA; Tutor y Gua incondicional para el desarrollo del presente paper.

6.- REFERENCIAS1. ADILNELSA (1993). Mapa Elico del Per (Preliminar). J. Velsquez ADINELSA.2. Bakun (1987). Monthly variability in the oceano habitat off Per as deduced from maritime observations, 1953-1984. The Peruvian Anchoveta and Its Upwelling Ecosystem: Three Decades of Change, ICALRM Studies and Reviews Volumen 15.Pauly and Tsukayama. p46-74.3. Bedford and Fowler. 1996. Mecnica para Ingeniera Esttica y Dinmica. Addison Wesley Iberoamericana, Wilmington. Pp.100-224.4. Burk and Thompson, 1995. The Summertime Loe-Level Jet and Marine Boundary Layer Structure along the California Coast. Monthly Weather Review, Vol. 124. p.668-6855. Edwards and Rogerson, 2001. Adjustment of the Marine Boundary Layer to a Coastal Cape. Journal of the Atmospheric Sciences. Vol. 58. p.1511-1528.6. Garreaud, R. and Muoz R., 2005. The Low-Level Jet off the West Coast of subtropical South America Structure and Variability. Monthly Weather Review, Vol.133, p.224622617. Goodwin J., 1979. A study of the surface wind off the coast of Per. International Decade of Ocean Exploration. Coastal Upwelling Ecosystems Analysis, Technical Report 58. p.1-68.8. Grell, Dudhia, and Stauffer, 1995. A Description of the Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model (MM5). Boulder Colorado USA: National Center for Atmospheric Research, NCAR Technical Note, ncar/tn-398+str.p.1-117.9. Guo and Chen, 1994. Terrain and Land Use for the Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Modelan System (MM5): Program TERRAIN. Boulder Colorado USA: National Center for Atmospheric Research, NCAR Technical Note, ncar/tn397+ia.p.1-114.10. Instituto del Mar del Per (IMARPE), Esquina Gamarra y General Valle S/N ChucuitoCallao (http://www.imarpe.pe/imarpe/). Contacto: Dr. Dimitri Gutierrez. Investigador Cientfico, Asesor experto11. Pauly D. and Tsukayama I., 1987. The Pervian Anchoveta and Its Upwelling Ecosystem: Three Decades of change, P.O. Box 22, Callao, Per: ICLARM studies and Reviews 15. p.46-74. ISBN 971-1022-34-612. Reynols R. and Smith T, 1994: Improved global sea surface temperature analyse using optimum interpolation.J.Climate, 7,929-948.13. Stull R., 2000. Meteorology for Scientist and Engineers, 2nd edition. Pacific Grove,CA 93950 USA: Thompson Learning,2000. p.481. ISBN 0-534-37214-714. Zuta S. y Guillen O., 1970. Oceanografa de las aguas costeras del Per. Bol. Inst. Mar. Per-Callao, Vol. 2, N5, pp.157-324, Junio 1970.