INSTITUTO POTOSINO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA, A.C. POSGRADO EN CIENCIAS APLICADAS Descripción del“Título Clima de y Modelaciónla tesis” Numérica de (TratarFenómenos de hacerlo comprensible Meteorológicos para el público en general, San sin Luis abreviaturas) Potosí, México Tesis que presenta Luis Felipe Pineda Martínez Para obtener el grado de Maestro en Ciencias Aplicadas En la opción de Ciencias Ambientales Codirectores de la Tesis: Dr. José Noel Carvajal Pérez Dra. María Teresa Cavazos Pérez San Luis Potosí, S.L.P., Septiembre de 2005. Esta tesis fue elaborada en la División de Ingeniería Ambiental y Manejo de Recursos Naturales del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C., bajo la codirección de los doctores José Noel Carbajal Pérez y Maria Tereza Cavazos Pérez. Durante la realización del trabajo el autor recibió una beca académica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (No. 182528). iii A Gabriela y Sandy iv Agradecimientos A mis padres y hermanos por todo su apoyo, por toda la confianza que siempre han depositado en mí. A mis compañeros y amigos Armando, Gabriel, Rafael, Angélica, Eduardo y Leonardo. A los profesores de la división de Ingeniería Ambiental y Manejo de Recursos Naturales Renovables. v Índice Página Resumen x Abstract xi Capítulo 1. Introducción 1 Capítulo 2. Climatología para el estado de San Luis Potosí 4 2.1 Introducción 4 2.2 Metodología 5 2.3 Resultados 6 2.3.1 Clasificación del clima de San Luis Potosí 9 2.4 Climogramas 12 Capítulo 3. Metodología 14 3.1 Área de estudio 14 3.2 Modelo MM5 16 3.2.1 Ecuaciones básicas del modelo MM5 17 3.2.2 Configuraciones 18 3.2.2.1 TERRAIN 18 3.2.2.2 MM5 mm5.deck 19 Capítulo 4. Resultados y discusión 21 4.1 Análisis de sensitividad 21 4.2 Validación de resultados 25 4.3 Modelación de eventos de invierno 31 4.3.1 Análisis sinóptico 31 4.3.2 Modelación de frentes fríos 36 4.3.3 Variación vertical del viento y de la temperatura potencial 39 4.4 Modelación de eventos de verano 41 4.4.1 Ondas de calor 41 4.4.2 Periodos sin evento 44 4.5 Estructura Vertical 46 Capítulo 5. Conclusiones 49 Bibliografía 50 Anexo 1 52 vi Índice de figuras Página 2.1 Agrupación de estaciones de acuerdo a su ubicación geográfica y elevación 5 del terreno en metros. 2.2 Distribución de las variables de precipitación y temperatura para cada mes 7 del año del total de las estaciones en las componentes 1 y 2. 2.3 Componentes 1 y 2 para cada estación en función de la precipitación y 8 temperatura mensual. 2.4 Agrupamiento grueso de estaciones de acuerdo a precipitación mensual 8 con restricción geográfica. 2.5 Localización de tipos de climas para el Estado de San Luís Potosí. 11 2.6 Climogramas de los tipos de clima para el estado de San Luís Potosí. 12 2.7 Series de tiempo de estaciones de las tres principales zonas en San Luís 13 Potosí, del periodo de 1961 a 1997. 3.1 Región del Norte de México, mostrando líneas de elevación del terreno en 14 metros. 3.2 Topografía del dominio D2 incluyendo al Estado de San Luís Potosí 15 3.3 Diagrama del sistema de modelación MM5. 16 3.4 Dominio principal (D1) de simulación en el norte/centro de La República 19 Mexicana con tres dominios anidados (D2, D3, y D4). 4.1 Resultados de sensitividad de temperatura del aire (T) y humedad relativa 22 (RH) para dos valores de humedad del suelo del 1 de diciembre de 2005. 4.2 Resultados de sensitividad. Periodo del 1 de mayo de 2005. 23 4.3 Correlación de los datos observados de temperatura (°C) horaria con 25 resultados del modelo MM5 de todos los periodos modelados para un total de 33 días 4.4 Temperatura (°C) horaria promediada para todos los periodos modelados. 26 4.5 Serie de tiempo de temperatura de los periodos de la estación de verano de 26 2004. 4.6 Temperatura en los periodos de invierno, se indica la hora de entrada del 27 frente frío al Valle de San Luís Potosí. 4.7 Correlación de los datos observados de Humedad Relativa (HR) superficial 28 con resultados del modelo MM5 para el total de los periodos modelados. 4.8 Humedad Relativa (HR) horaria promediada del total de periodos 28 simulados. 4.9 Series de tiempo de humedad relativa de estación de verano. 29 4.10 Series de tiempo de HR durante el invierno. 30 vii Página 4.11 Evolución sinóptica del pasaje de un frente frío. (a) 1, (b) 2 y (c) 3 de 32 Diciembre de 2004 a las 0006 TL 4.12 Lluvia total acumulada a 24 hrs. (mm). Para el 1 de Diciembre a las 12 hrs. 33 TL. 4.13 Evolución sinóptica del frente frió del 13-15 de Diciembre de 2004 a las 34 0006 TL. (a) 13, (b) 14, y (c) 15 de Diciembre. 4.14 Lluvia total acumula a 24 hrs. al 14 de Diciembre de 2004. 35 4.15 Entrada del frente frío del 24 de Diciembre de 2005. 36 4.16 Frente frío del 19 de enero de 2004. (a) 00, (b) 06, (c) 12 y (d) 18 hrs. TL. 37 4.17 Frente frío del 10 de febrero de 2005. (a) 00, (b) 06, (c) 12 y (d) 18 hrs. TL. 38 4.18 Sección trasversal (W-E, Lat. 22° 20’) del dominio 2, secuencia de las 18, 39 00, 06 y 12 de los días 12 y 13 de Diciembre de 2004. 4.19 Temperatura superficial, vectores de viento y la presión a nivel del mar en 41 contornos: 1 de Mayo de 2004 y 1 de Junio de 2005, 06, 12 y 18 TL. 4.20 Frente cálido del 10 de Julio de 2005: 00, 06, 12 y 18 hrs. (TL). 42 4.21 Frente cálido del 18 de agosto de 2004: 00, 06, 12 y 18 hrs. (TL). 43 4.22 Días sin eventos en los periodos del 1 de Abril y 15 de Octubre de 2004: 44 00, 06, 12 y 18 hrs. (TL). 4.23 Sección transversal (W-E, Lat. 21° 50’) del dominio 2 a las 00, 06, 12 y 18 46 hrs. TL., para el 13 de diciembre de 2005. 4.24 Sección perpendicular (N-S, 101° 02’ long) para el dominio dos el día 13 47 de Diciembre de 2005. viii Índice de tablas Página Tabla 2.1 Clasificación de los subtipos subhúmedos, de acuerdo a la relación P/T. 9 Tabla 2.2 Clasificación de los subtipos secos, de acuerdo a la relación P/T. 10 Tabla 3.1 Configuración de dominios para el módulo TERRAIN. 18 Tabla 3.2 Relación de experimentos numéricos realizados. 19 Tabla 4.1 Valor de RMSE. 23 ix Pineda-Martínez Luis Felipe (2005). Descripción del clima y modelación numérica de fenómenos meteorológicos en San Luis Potosí, México Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, Departamento de Ingeniería Ambiental y Manejo de Recursos Naturales. Resumen Aplicando los resultados del modelo de mesoescala MM5, desarrollado por la Universidad Estatal de Pennsylvania y el Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas (NCAR) de Estados Unidos, se realiza un análisis de una variedad de fenómenos meteorológicos relevantes en las diferentes estaciones del año. Se pone especial énfasis en los períodos de invierno y verano que afectan a la región del Estado de San Luis Potosí. El presente trabajo se basa en 11 simulaciones en los años 2004 y 2005. De esta amplia gama de simulaciones, se desprende que el modelo MM5 reproduce aceptablemente la circulación atmosférica en el Estado de San Luis Potosí bajo condiciones extremas de frentes fríos, frentes cálidos y situaciones normales sin eventos importantes. No obstante que la zona de estudio se caracteriza por tener una gran complejidad fisiográfíca y presenta gran variedad de climas, la comparación de los resultados del modelo con los datos observados refleja una muy buena concordancia. El estado de San Luis Potosí se encuentra localizado en la Mesa del Centro y es susceptible al efecto de frentes fríos y ondas cálidas provenientes del Golfo de México. Los frentes fríos de mayor intensidad registrados en el invierno del 2004, se presentaron en el mes de Diciembre, ocasionando heladas y temperaturas por debajo de los 0° C en el valle de San Luis Potosí. Por otro lado, en los meses de Mayo de 2004 y Julio de 2005 se presentaron dos casos extremos de ondas cálidas. En este trabajo se analizó la influencia de estos fenómenos en el comportamiento del clima regional en el estado de San Luis Potosí. Los resultados calculados concuerdan bien con datos observados en estaciones meteorológicas ubicadas en la zona de estudio. Finalmente, la adaptación del modelo resulta ser adecuada para su utilización como sistema de predicción para la región de San Luis Potosí. x Pineda-Martínez Luis Felipe, (2005). Climate description and numeric modeling of meteorological phenomenon in San Luis Potosí, México Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, Departamento de Ingeniería Ambiental y Manejo de Recursos Naturales. Abstract Applying the results of the mesoescala model MM5, developed by the State University of Pennsylvania and the National Center for Atmospheric Research (NCAR) of The United States, is realized an analysis of a variety of meteorological relevant phenomena on the different seasons of the year. It puts on special emphasis in the winter and summer periods that they concern to the region of San Luis Potosí State. The present work is based on 11 simulations on the year 2004 and 2005.