intercomparacion de pronosticos de viento en superficie realizados ...

INTERCOMPARACION DE PRONOSTICOS DE VIENTO EN SUPERFICIE REALIZADOS CON
DIFERENTES VERSIONES DE UN MODELO DE CAPA LIMITE EN MESOESCALA
M. Alejandra Salles, Guillermo Berri 1 , Florencia Luraschi, Marina Fernandez y Martina Suaya
Servicio Meteorológico Nacional, Buenos Aires, Argentina
1 Miembro del Consejo Nacional de Investigaciones Científica y Técnicas-CONICET, Argentina
marialesalles@yahoo.com.ar
Resumen
Este trabajo analiza algunos resultados del modelo de capa límite atmosférica en mesoescala (MCLM)
adaptado a la región del río Uruguay en Entre Ríos. Para ello se emplean los datos de tres torres
meteorológicas de 42 metros instaladas en la región. Se comparan los pronósticos de viento en superficie
obtenidos con diferentes versiones del modelo MCLM, el modo diagnóstico forzado con observaciones y el
modo pronóstico forzado por los modelos Eta/SMN y WRF. Los resultados muestran que la versión
pronóstico tiene en general menor error que la versión diagnóstico debido a una mejor definición de las
condiciones del borde superior. Los resultados obtenidos con la versión MCLM de alta resolución (1km), si
bien son similares a los de baja resolución (2.5km), resultan levemente superiores. También se comparan los
pronósticos de viento en superficie del MCLM con el de los propios modelos Eta/SMN y WRF para el área
de estudio. Si bien los últimos resultan levemente mejores, se muestra un ejemplo de las ventajas de la alta
resolución del MCLM para representar características de pequeña escala que pasan normalmente
desapercibidas para los modelos regionales.
Palabras clave: modelado numérico, capa límite, pronóstico de viento en superficie, validación de modelos
Abstract
This study analyzes some of the results obtained with the mesoscale boundary layer model (MCLM)
especially adapted for the Uruguay River region in Entre Ríos, employing data from three 42m
meteorological towers. The comparison of surface wind forecasts made with different MCLM versions
include the diagnosis mode forced with observations and the forecasts mode forced with Eta/SMN and WRF
model outputs. The results obtained with the forecast mode have in general smaller errors than that of the
diagnosis mode due to the better definition of the upper boundary condition. The results obtained with the
high resolution (1km) MCLM version, although similar to those of the low resolution (2.5km) version, are
slightly better. The MCLM forecasts are also compared to the Eta/SMN and WRF surface wind forecasts for
the region. Even though the latter are slightly better, an example shows the advantage of the MCLM high
resolution to represent small scale features that are normally unnoticed by the regional models.
1. Introducción
Este trabajo presenta algunos resultados obtenidos con un modelo de capa límite atmosférica en mesoescala
(MCLM) adaptado a la región del río Uruguay en las inmediaciones de la ciudad de Gualeguaychú. El
modelo es una adaptación del desarrollado originalmente para la región del Río de La Plata por Berri (1987),
quien muestra que es posible reproducir los aspectos relevantes de la circulación de la brisa mar-tierra
cuando el contraste térmico horizontal en superficie esta correctamente definido. Posteriormente Berri et al.
(2010) utilizan una variante del modelo pero forzado en el borde inferior por la diferencia entre las
observaciones de la temperatura de Pontón Recalada y Ezeiza, y en el borde superior por el viento del sondeo
de Ezeiza en el nivel de 1000hPa, para reproducir la climatología del viento en capas bajas en la región.
También se adaptó este modelo para que pueda operar forzado por las salidas de un modelo operativo
regional Eta/CPTEC (Sraibman and Berri, 2009). Los autores concluyen que los resultados obtenidos con
esta versión del modelo de capa límite mejoran los obtenidos con el modelo Eta debido a la apropiada
definición del contraste térmico tierra-agua, lo cual es fundamental para resolver los detalles de pequeña
escala de la circulación atmosférica en niveles bajos.

Es ampliamente aceptado que la especificación correcta de las condiciones del suelo es fundamental para una
buena simulación del viento en capas bajas (Michelson and Bao, 2008). Dado que en la región del río
Uruguay no se cuenta con mediciones de temperatura del agua, para reproducir el contraste térmico se define
la temperatura sobre el agua en función de la temperatura sobre tierra. El modelo MCLM trabaja, en modo
diagnóstico, forzado en el borde inferior por la temperatura observada en Gualeguaychú y forzado en el
borde superior por el viento de 1000hPa tomado del sondeo de las 12UTC en Ezeiza. También se adaptó el
modelo para que trabaje en modo pronóstico, en cuyo caso utiliza la temperatura de superficie y de viento de
1000hPa pronosticados cada 3 horas por los modelos Eta/SMN y WRF para la región. El objetivo de este
trabajo es mostrar algunos resultados obtenidos con el pronóstico del viento en superficie en la región del río
Uruguay en el área de Gualeguaychú. Se comparan los resultados del modelo MCLM en modo diagnóstico
con aquéllos obtenidos con diferentes versiones del mismo en modo pronóstico forzado por los pronósticos
de los modelos Eta/SMN y WRF. También se comparan los resultados del modelo MCLM con los
pronósticos del viento en superficie de los propios modelos Eta/SMN y WRF.
2. Datos y metodología
Se analizan los resultados obtenidos con seis versiones del modelo MCLM que incluyen: una versión en
modo diagnóstico, cuatro versiones en modo pronóstico forzado por el Eta/SMN y una versión en modo
pronóstico forzado por el WRF; así como los propios pronósticos de los modelos Eta/SMN y WRF para la
región del río Uruguay en las inmediaciones de la ciudad de Gualeguaychú (Fig. 1). Para ello se dispone de
datos de dos torres meteorológicas con observaciones a 10m y 42m, Torre Norte (TN) y Torre Norte Altura
(TNA), Torres Sur (TS), y Torre Sur Altura (TSA), respectivamente, una torre con observaciones a 42m,
Torre Este Altura (TEA), y la estación Gualeguaychú Aero (Gua). Las torres meteorológicas forman parte
de la red de observación del Programa de Vigilancia Ambiental del Río Uruguay del Servicio Meteorológico
Nacional, por convenio con la Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable de la Nación. El período
para este análisis es del 1 junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
Figura 1: Mapa de la región de estudio y ubicación de las estaciones meteorológicas utilizadas.
A fin de comparar los resultados obtenidos con las diferentes versiones del modelo, se emplea la raíz del
error cuadrático medio (RECM) del módulo de la velocidad, mientras que para el análisis de los errores en la
dirección del viento se considera la diferencia entre la dirección observada y la pronosticada. Las versiones
utilizadas y sus detalles se describen a continuación.
MCLM Modo Diagnóstico
Diag: El modelo MCLM en modo diagnóstico tiene resolución horizontal de 2.5km y emplea como forzante
en el borde inferior a la temperatura medida en Gualeguaychú Aero cada 3 horas, y en el borde superior al
viento en 1000hPa del sondeo de Ezeiza de las 12UTC (9hs, hora local). Dado que no se dispone de

mediciones de la temperatura del río para determinar el contrate térmico, se define la temperatura sobre el río
en función del promedio diario de la temperatura medida en Gualeguaychú Aero. Las observaciones de
temperatura cada 3 horas se emplean en un análisis armónico para generar una función continua de la
temperatura respecto del tiempo T(t).
MCLM Modo Pronóstico
El MCLM en modo pronóstico utiliza la temperatura en superficie y el viento en 1000hPa pronosticado cada
3 horas por un modelo regional para el área de Gualeguaychú. Las diferentes versiones del MCLM se
describen a continuación.
BR: esta versión utiliza la misma resolución (2.5km) y digitalización de costa que el modo diagnóstico, pero
forzado por los pronósticos del modelo Eta/SMN. Para generar el contraste térmico se emplea la misma
función T(t), pero se considera que la amplitud térmica sobre el agua (ATa) es 0.15 la amplitud térmica sobre
tierra (ATt), es decir ATa = 0.15 ATt.
AR1: la resolución del MCLM y la costa es de 1km, pero se incorpora una zona de transición entre tierra y
agua con un ancho equivalente a la resolución horizontal. El forzado de esta versión son los pronósticos del
modelo Eta/SMN. Se considera que la amplitud térmica sobre el agua es Ata=0.15 ATt y la amplitud
térmica de la zona de transición (ATzt) es ATzt = 0.5 ATt.
AR2: idem AR1, pero en este caso se considera que ATa = 0.15 ATt y ATzt = 0.8 ATt.
AR3: idem AR1, pero en este caso se considera que la temperatura sobre el agua permanece constante a lo
largo del día, mientras que ATzt = 0.5 ATt.
BR-WRF: idem BR, pero en este caso está forzado por los pronósticos cada 3 horas del modelo WRF.
Además se comparan los pronósticos del modelo MCLM con los pronósticos del viento en superficie de los
propios modelos Eta/SMN y WRF para la región. Dado que del modelo Eta/SMN se dispone de sólo un
punto para toda la región, ya que su resolución horizontal es de 30km, se emplea ese único valor para
comparar con todas las estaciones meteorológicas. En el caso del modelo WRF, cuya resolución horizontal
es de 5km, se dispone siempre de más de un punto cercano a las estaciones meteorológicas.
3. Resultados
3.1 Comparación de diferentes versiones MCLM
La comparación de la RECM del módulo de la velocidad para las estaciones de superficie (Fig. 2a) presenta
un ciclo diario con un máximo a las 18hs (hora local) y un mínimo, en general, entre las 0hs y 3hs, con la
excepción de la versión BR que presenta un mínimo a las 12hs.
a) b)
4
3
4
3
2
2
1
0
Diag BR AR1 AR2 AR3 1
0
9 12 15 18 21 0 3 6
Diag BR AR1 AR2 AR3
9 12 15 18 21 0 3 6
Figura 2: RECM del módulo de la velocidad del viento (m/seg) promediado para a) estaciones de superficie
y (b) estaciones de altura, en función de la hora local, para cada versión del modelo MCLM. El período de
análisis es 1 de junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
En el caso de las estaciones de altura (Fig. 2b), el máximo también se presenta las 18hs, mientras que el
mínimo está a las 12hs en las versiones pronóstico y entre las 9hs y 12hs en la versión diagnóstico. En todos
los casos se observa que el máximo error tiene lugar a las 18hs, sugiriendo que el MCLM no estaría

esolviendo adecuadamente la transición entre los períodos de inestabilidad diurna y de estabilidad nocturna
(Rife et al., 2004). En el análisis por estación de observación (Figs. 3a y 3b), tanto en el caso de las
estaciones de superficie como las de altura, se ve claramente que la versión Diag presenta el máximo error,
mientras que la versión BR es la que tiene en todos los casos un error menor o igual que el de las versiones
en alta resolución (AR1, AR2, AR3).
a) b)
4
3
2
1
0
Diag BR AR1 AR2 AR3
Gua TN TS
4
3
2
1
0
Diag BR AR1 AR2 AR3
TNA TSA TEA
Figura 3: Promedio diario de RECM del módulo de la velocidad del viento (m/seg) para a) estaciones de
superficie y b) estaciones de altura, para cada versión del modelo MCLM. El período de análisis es 1 de
junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
Analizando el porcentaje de casos con error de dirección mayor que 40º en las diferentes estaciones
meteorológicas, también se observa que el modelo MCLM en versión Diag presenta errores mayores que en
las versiones pronóstico en todos los casos. Analizando las estaciones de superficie (Gualeguaychú, Torre
Norte y Torre Sur) (Fig. 4a) se observa que las versiones en alta resolución en Gualeguaychú y Torre Sur
presentan errores menores que la versión en BR, y en particular la versión AR3 es la que tiene el mínimo
error. En el caso de las estaciones de altura (Torre Norte Altura, Torre Sur Altura y Torre Este Altura) (Fig.
4b), la versión AR3 muestra una leve superioridad con respecto al resto de las versiones.
a) b)
60
Diag BR AR1 AR2 AR3
60
40
40
Diag BR AR1 AR2 AR3
20
20
0
Gua TN TS
0
TNA TSA TEA
Figura 4: Promedio diario del porcentaje de casos con error de dirección del viento mayor que 40º para a)
estaciones de superficie y b) estaciones de altura, para cada versión del modelo MCLM. El período de
análisis es 1 de junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
El análisis de la variación diaria del porcentaje de casos con error de dirección mayor que 40º de las
diferentes versiones del modelo (se muestra a modo de ejemplo sólo las estaciones TN (Fig. 5a) y TEA (Fig.
5b)), revela que en general el error de la versión Diag es mayor que el de las versiones pronóstico. En el
caso de las estaciones TN, TNA y TS el error de la versión Diag es siempre mayor que el de las versiones
pronóstico, mientras que para Gualeguaychú Aero, TSA y TEA el error de la versión BR es mayor a las 9hs.
a) b)
80
60
80
60
40
40
20
0
Diag BR AR1 AR2 AR3
20
0
9 12 15 18 21 0 3 6
Diag BR AR1 AR2 AR3
9 12 15 18 21 0 3 6
Figura 5: Porcentaje de casos con error de dirección del viento mayor que 40º para las estaciones a)TN y
b)TEA, en función de la hora local, para cada versión del modelo MCLM. El período de análisis es 1 de
junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
La estación TEA presenta una distribución particular del error según la hora (Fig. 5b), si bien el máximo
error se da a las 3hs como en el caso de la mayoría de las estaciones, el mínimo error tiene lugar a las 18hs.
Se observa también en este caso que a las 3hs la versión Diag muestra una pequeña mejora con respecto a las

versiones BR, AR1 y AR2. En el resto de las estaciones el mínimo error ocurre en horas de la mañana (entre
las 9hs y 12 hs), mientras que el máximo error es en el caso de TN y TNA a las 21hs y para Guale, TS, TSA
y TEA a las 3hs. También se observa en este análisis de la variación diaria del error en dirección, que existe
una tendencia creciente con el tiempo.
Es importante destacar que la significativa diferencia encontrada entre la versión Diag y las versiones
pronóstico del MCLM se debe principalmente al forzante en el borde superior. En la versión Diag el viento
en el tope del modelo permanece constante durante todo el período de pronóstico, ya que corresponde al
sondeo en Ezeiza de las 12UTC, mientras que en la versión pronóstico se emplea el viento pronosticado cada
3 horas para la región.
3.2 Comparación con los modelos Eta/SMN y WRF
Este análisis se realiza sólo para tres estaciones de superficie (Gualeguaychú Aero, TN y TS), debido a que
no se dispone de datos de viento a 42m de altura en las salidas de los modelos regionales. La RECM del
módulo de la velocidad (Fig. 6) muestra que el modelo WRF tiene menor error en las estaciones más
cercanas a la costa que en Gualeguaychú Aero, a la vez que muestra mejores resultados que el modelo
MCLM forzado por los respectivos modelos Eta/SMN y WRF. En la estación Gualeguaychú Aero, en
cambio, los resultados del modelo MCLM forzado con cualquiera de los otros dos modelos, son claramente
mejores. La variación diaria de la RECM del módulo de la velocidad (Fig. 7), muestra que el modelo
MCLM tiene el máximo error a las 18hs, con un máximo secundario a las 9hs, mientras que los modelos
Eta/SMN y WRF presentan el máximo error a las 21hs. Es interesante observar que los resultados del
MCLM forzado por los modelos Eta/SMN y WRF muestran un menor error con respecto a esos propios
modelos regionales a las 12hs y entre las 21hs y 3hs.
4
3
BR Eta-SMN BR-WRF WRF
2
1
0
Gua TN TS
F
Figura 6: Promedio diario de RECM del módulo de la velocidad del viento (m/seg) para dos versiones del
MCLM y los modelos Eta/SMN y WRF, para las estaciones de Gualeguaychú (Gua), Torre Norte (TN) y
Torre Sur (TS). El período de análisis es 1 de junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
4
3
2
1
0
BR Eta-SMN BR-WRF WRF
9 12 15 18 21 0 3 6
Figura 7: RECM para el módulo de la velocidad viento (m/seg) para dos versiones del MCLM y los modelos
Eta/SMN y WRF, para las estaciones de Gualeguaychú (Gua), Torre Norte (TN) y Torre Sur (TS). El
período de análisis es 1 de junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
Analizando el error en la dirección del viento (Fig. 8), se puede afirmar que en el caso de TN, la versión BR-
WRF presenta un error ligeramente menor que el resto de los casos, a la vez que tanto para Gualeguaychú
Aero como para TS es el modelo Eta/SMN es el que muestra el menor error.
El análisis de la variación diaria del porcentaje de casos con error de dirección de viento mayor que 40º de
cada uno de los modelos muestra en cada estación meteorológica un comportamiento diferente, no sólo en la
amplitud diaria sino también en cuanto a la hora en que se dan los máximos y mínimos.

60
40
BR Eta/SMN BR-WRF WRF
20
0
Gua TN TS
Figura 8: Promedio diario del porcentaje de casos con error de dirección del viento mayor que 40º para dos
versiones del MCLM y los modelos Eta/SMN y WRF, para las estaciones de Gualeguaychú (Gua), Torre
Norte (TN) y Torre Sur (TS). El período de análisis es 1 de junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
En el caso de la estación Gualeguaychú Aero (Fig. 9a) se puede ver que tanto el modelo Eta/SMN como el
WRF presentan máximos a las 21hs, la versión BR a las 3hs y la versión BR-WRF a las 21hs. Los errores
mínimos para esta estación se observan a las 18hs en el caso de los modelos regionales, mientras que el
modelo MCLM forzado tanto por el modelo Eta/SMN como por el WRF tiene un mínimo a las 12hs. En el
caso de la estación TN (Fig. 9b) los máximos errores de los modelos Eta/SMN y WRF ocurren a las 21hs y
15hs respectivamente y los mínimos a las 9hs, el BR tiene el máximo error a las 21hs y el mínimo a las 12hs,
mientras que BR-WRF tiene máximo a las 18hs y mínimo a las 9hs. En cambio, la estación TS (Fig. 9c), con
la excepción del modelo Eta/SMN que presenta el máximo error a las 6hs y mínimo a las 9hs, muestra que el
resto de los modelos presenta el máximo error a las 3hs y mínimo a las 12hs.
a) b)
60
60
40
40
20
0
c)
60
BR Eta/SMN BR-WRF WRF
9 12 15 18 21 0 3 6
20
0
BR Eta/SMN BR-WRF WRF
9 12 15 18 21 0 3 6
40
20
0
BR Eta/SMN BR-WRF WRF
9 12 15 18 21 0 3 6
Figura 9: Porcentaje de casos con error de dirección del viento mayor que 40º para dos versiones del
MCLM y los modelos Eta/SMN y WRF, para las estaciones de Gualeguaychú (Gua), Torre Norte (TN) y
Torre Sur (TS). El período de análisis es 1 de junio de 2010 al 31 de mayo de 2011.
4. Discusión y Conclusiones
En todos los casos la versión de diagnóstico del modelo MCLM presenta errores mayores que la versión
pronóstico. Esto probablemente sea consecuencia de que el primero considera como forzante en el borde
superior al viento de 1000hPa del sondeo de Ezeiza de las 12UTC, mientras que la versión pronóstico
emplea el viento pronosticado cada 3 horas en la región de interés por los modelos regionales.
Las diferencias entre los errores del modelo MCLM en versión pronóstico en baja resolución y alta
resolución son muy pequeñas, aunque los resultados indican que la versión AR3 es levemente mejor.
La ocurrencia a las 18hs de los máximos errores en la RECM del módulo de la velocidad indicaría que el
modelo MCLM no logra representar adecuadamente la transición entre el período diurno inestable y el
período nocturno estable. La comparación de los pronósticos de viento en superficie de los modelos
regionales Eta/SMN y WRF con los del MCLM forzado por esos mismos modelos muestra, en general, que
los primeros son levemente mejores, con diferencias que no superan el 9%.

A pesar que los resultados muestran un desempeño levemente inferior del modelo MCLM en comparación
con los modelos regionales Eta/SMN y WRF, la ventaja de la alta resolución horizontal del primero se puede
apreciar en la Fig. 10. El ejemplo de esta figura compara el pronóstico de viento en superficie del modelo
MCLM forzado por el Eta/SMN, con el del modelo WRF, a las 15hs y 21hs del 7 de diciembre de 2010. Es
conveniente aclarar que la digitalización de la costa que muestra la figura corresponde al programa de
graficado y difiere de la de alta resolución que emplea el modelo MCLM.
MCLM 1.0 km 15hs 7 Dic 2010 MCLM 1.0 km 21 hs 7 Dic 2010
WFR 5.0 km 15hs 7 Dic 2010 WFR 5.0 km 21 hs 7 Dic 2010
Figura 10: Pronóstico de viento en superficie para las 15 hs (columna izquierda) y las 21 hs (columna
derecha) del 7 Diciembre 2010, para la región del río Uruguay en proximidades de Gualeguaychú. La fila
superior es el modelo MCLM a 1.0 km de resolución y la fila inferior del modelo WRF a 5.0 km de
resolución. La escala al pie de las figuras indica el vector de módulo 10 m/seg.
La mayor resolución del MCLM permite apreciar detalles del campo de viento que pasan totalmente
desapercibidos para el WRF debido a su relativa baja resolución. Esto es más notable sobre el río Uruguay y
sobre tierra en proximidades del mismo. En particular sobre el tramo norte-sur del río se aprecia claramente
la componente de viento del río hacia la tierra a las 15hs sobre ambas costas, (panel superior izquierdo), lo
cual esta ausente en el pronóstico del WRF. Sobre la costa norte del tramo este-oeste del río se aprecia una
reducción de la magnitud del viento en el pronóstico del MCLM, debido a que la componente hacia tierra se
opone al viento regional, lo cual esta también ausente en el pronóstico del WRF. Por último, es interesante
destacar el contraste entre la magnitud del viento a la tarde (sobre el río es más débil que sobre tierra) y a la
noche (sobre el río es más intenso que sobre tierra), que muestra el MCLM y que ignora el WRF.
La conclusión de esto último no es que el modelo MCLM sea superior los modelos regionales, sino que su
alta resolución espacial permite representar características de la pequeña escala que pasan desapercibidas a la
baja resolución local de los modelos regionales. Esta ventaja se ve potenciada por el hecho que un
pronóstico a 24 horas del modelo MCLM demora pocos minutos en un computador de escritorio, mientras
que un pronóstico del modelo regional a resolución equivalente requiere varias horas de cálculo de un
servidor de multiprocesadores.

5. Referencias
Berri, G.J., 1987: Estudio del comportamiento termo-hidrodinámico de la capa limite atmosférica sobre la
región del Río de La Plata con un modelo de simulación numérica. Tesis doctoral, Departamento de
Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de
Buenos Aires, 189 pág.
Berri, G.J., Sraibman, L., Tanco, R. and Bertossa, G., 2010: Low-level wind field climatology over the La
Plata River region obtained with a mesoscale atmospheric boundary layer model forced with local weather
observations, J. App. Meteorol. and Climat., 49, 6, 1293-1305.
Michelson, S.A. and Bao, J-W., 2008: Sensitivity of low-level winds simulated by the WRF model in
California’s central valley to uncertainties in the large-scale forcing and soil initialization. J. Appl.
Meteorol., 47, 3131-3149
Rife, D.L., Davis, C.A., Liu, Y. and Warner, T.T., 2004: Predictability of low-level winds by mesoscale
meteorological models. Mon.Wea.Rev.,132, 2553-2569
Sraibman, L. and Berri, G.J., 2009: Low-level wind forecast over the La Plata River region with a mesoscale
boundary layer model forced by regional operational forecast, Boundary-Layer Meteorology. 130, 407-
422
Reconocimientos
Al Departamento de Procesos Automatizados del Servicio Meteorológico Nacional por facilitar los
pronósticos meteorológicos diarios para la región de estudio. También se reconoce el apoyo parcial del
proyecto PICT2008-1417 de la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT).