Modelos climáticos usam sistemas de equações diferenciais baseadas em leis da física, movimento de fluidos e química.
A previsão numérica do tempo usa o estado instantâneo da atmosfera como dados de entrada para modelos matemáticos da atmosfera, com o objetivo de efetuar a previsão do estado do tempo.
Apesar de os primeiros esforços para conseguir prever o tempo terem sido feitos na década de 1920, foi apenas com o advento dos computadores que foi possível realizá-lo de forma rápida e prática. Um conjunto de modelos de previsão, quer à escala global quer à escala regional, são executados para criar previsões do tempo nacionais. O uso de previsões com modelos semelhantes ("model ensembles") ajuda a definir a incerteza da previsão e estender a previsão do tempo bastante mais no futuro, o que não seria possível conseguir de outra forma.
Descrição geral
A execução de modelos numéricos de previsão pretende responder à seguinte questão: "Dada um determinado estado (instantâneo) da atmosfera como ponto de partida, qual será o estado da atmosfera após aquele instante inicial?" Para isso, é necessário fornecer:
As condições iniciais. Estas englobam não só observações meteorológicas obtidas a partir de uma malha irregular (estações meteorológicas no solo e mar e bem como observações no ar a partir de balões e aviões, ou até mesmo de satélites meteorológicos) como também condições de fronteira (por exemplo, a orografia) e até mesmo informação associada à climatologia duma região.
O conjunto de equações, as quais constituem a "maquinaria" que executa a previsão e que é implementada sob a forma de programas informáticos executados numa plataforma adequada. Estas equações representam relações entre grandezas físicas relevantes; a título de exemplo, a equação do equilíbrio hidrostático descreve de forma aproximada a variação decrescente da pressão atmosférica com a altitude, e a equação do vento geostrófico descreve de forma aproximada o fluxo horizontal da atmosfera em torno de um centro de pressão a muito larga escala (escala sinótica). Dependendo do grau de sofisticação pretendido para a previsão, ou das grandezas que se pretende obter, as equações permitem prever a evolução do estado do ar em cada ponto de uma malha (tipicamente com dimensões regulares) a partir do estado actual nesse ponto e na sua vizinhança imediata. Podem ser exploradas várias técnicas matemáticas que permitam agilizar a velocidade e fiabilidade nos cálculos para a evolução entre cada instante sucessivo, levando em linha de conta as capacidades de computação disponíveis para a realização dos cálculos.
Face às condições iniciais que alimentam o modelo matemático implementado num sistema de previsão numérica, a informação de saída é o conjunto de grandezas físicas para determinados instantes. A informação de saída pode ser formatada de forma a ser compreensível e interpretável por especialistas, normalmente sob a forma gráfica de cartas meteorológicas ou diagramas que descrevem a distribuição dessas grandezas (por exemplo, tefigramas).
Dependendo do tipo de previsão pretendido, podem executar-se computações:
Para obter uma previsão sinótica do estado do tempo, a qual fornece um "instantâneo" do estado da atmosfera numa região extensa (para uma área com tipicamente algumas centenas de quilómetros de lado).
Para obter um ensemble (agrupamento ou conjunto) dos resultados para um determinado ponto (por exemplo, para a região próxima de uma grande cidade ou distrito) a partir de pequenas variações do estado inicial conhecido, para assim descortinar a tendência da evolução do estado do tempo — por exemplo, para compreender se a previsão poderá apontar para a ocorrência de precipitação, e em que quantidade.
Para prever a evolução climatológica de uma região, cobrindo escalas de tempo bastante mais extensas (de décadas até milhões de anos) e sacrificando dessa forma a previsão de ocorrências episódicas (tais como precipitação em áreas limitadas). Dessa forma, esta aplicação tem objectivos distintos dos pretendidos para a meteorologia sinóptica, por exemplo.
Para prever a evolução da distribuição de uma espécie química a partir de uma fonte localizada — como um poluente químico espalhado na atmosfera, ou a emissão de gases a partir de um vulcão por exemplo.
História
Até o final do século XIX a previsão do tempo era totalmente subjetiva e baseado em regras empíricas.Em 1901, Cleveland Abbe, fundador da agência climática dos EUA, propôs que a atmosfera era regida pelos mesmos princípios da termodinâmica e hidrodinâmica que foram estudados no século anterior.[1]
Em 1904, Vilhelm Bjerknes criou um procedimento de duas etapas para o modelo base de previsão do tempo. Primeiro, uma etapa de diagnóstico é usada para processar dados para gerar condições iniciais,que são avançados no tempo por uma etapa de prognóstico que resolve o problema de valor inicial.[2] Bjerknes também identificou sete variáveis que definiu o estado da atmosfera num determinado ponto:pressão, temperatura, densidade, umidade, e os três componentes do vetor velocidade. Bjerknes salientou que as equações com base na continuidade de massa, conservação do momento, e segundo as primeiras leis da termodinâmica e a lei do gás ideal podem ser usadas para estimar numericamente o estado da atmosfera no futuro.[3] Essas equações formam a base das equações primitivas usadas nos modelos atuais de previsão do tempo.[4]
Em 1922, Lewis Fry Richardson publicou a primeira tentativa de previsão numérica do tempo. Usando uma variação hidrostática das equações primitivas de Bjerknes,[2] Richardson produziu, à mão, uma previsão de 6 horas para o estado da atmosfera ao longo de dois pontos da Europa Central.[3] Sua previsão calculou que a mudança na pressão da superfície seria de 145 millibars, um valor irrealista que estava incorreto por duas ordens de magnitude. O grande erro foi causado por um desequilíbrio na pressão e campos de velocidade do vento utilizados como as condições iniciais em sua análise.[2]
