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Ver el documento (formato PDF)   Legnani, Walter E..  "Modelización de las perturbaciones dinámicas del vórtice polar sobre la Antártida y América del Sur"  (2001)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
El objetivo de esta tesis es mostrar la influencia de perturbaciones de escala sinóptica (de longitudes o escalas menores a 5000 km. aproximadamente) sobre el vórtice polar austral y sobre el agujero de ozono antártico. Estas perturbaciones se propagan desde la tropósfera y alcanzan la estratósfera inferior. Por este motivo se realizó un estudio de la presencia de perturbaciones sinópticas y sus características a distintas alturas para comprender su estructura vertical. Para realizar este análisis se diseñaron filtros espectrales bidimensionales en el espacio cuya función fue permitir el estudio por separado de los efectos de las diferentes perturbaciones en función de sus propiedades de onda. En este sentido se trabajó con valores diarios de forma tal de retener las posibles contribuciones no lineales en el tiempo. Se evaluaron las condiciones de penetración / propagación en la estratósfera inferior de los sistemas sinópticos y se estudió su impacto sobre la dinámica del vórtice polar y el agujero de ozono. Para ello se empleó un seguimiento de la dinámica del agujero de ozono en base a la evolución dinámica de la altura geopotencial y su participación en la deformación del sistema en análisis. Para completar el estudio se implementó un modelo de aguas poco profundas cuasitrídimensional que integra en forma espectral, mediante armónicos de Hough, las ecuaciones de movimiento, escritas en coordenadas isentrópicas. Esta metodología de integración numérica proveyó al modelo de un elevado rendimiento computacional, ya que la base espectral seleccionada fue la de autofunciones del operador de aguas poco profundas, de tal forma que no se hizo necesario el mapeo de la esfera para la resolución del sistema de ecuaciones. Este modelo posee una frontera inferior dada por la posición de la tropopausa y una superior libre, es decir, que constituye un problema clásico de aguas poco profundas con fondo móvil. El modelo es de tipo mecanístico y es forzado (mediante el ingreso de condiciones de contorno) por los valores de la temperatura de tropopausa, extraídos a partir de datos del ECMWF (European Centre for Medium Range Weather Forecasting). Este proceso requirió técnicas precisas de interpolación y de procesado de bases de datos para acoplar con el debido tiempo de integración el resto del modelo. Para establecer las condiciones iniciales del modelo al momento de realizar las integraciones de estudio se diseñó una integración previa de “warm up” hasta alcanzar condiciones dinámicas y termodinámicas de la atmósfera, apropiadas con la fecha del inicio de la integración propuesta en el experimento. También fue necesario ajustar el diseño de una capa de esponja en el contorno superior del modelo para evitar que se inestabilizara. A su vez se le añadió difusividad selectiva en la horizontal y la vertical para evitar que las perturbaciones de menor escala fuesen amortiguadas numéricamente. Para validar el modelo se tomó un caso de estudio comprendido entre los meses de octubre y noviembre de 1990 comparando los resultados del mismo con datos independientes del Goddard Space Flight Center de NASA (vorticidad potencial), y del National Oceanic and Atmospheríc Administration (NOAA), E.E.U.U. (vientos y temperatura). El modelo reprodujo estas condiciones con alta fidelidad. Los resultados del modelo convalidan los resultados observacionales sobre la contribución de los procesos de escala sinóptica en la deformación y evolución del vórtice polar y del agujero de ozono. En síntesis, la confirmación del aporte de perturbaciones de escala sinóptica en la deformación del vórtice polar constituye un novedoso aporte en el conocimiento de los mecanismos que participan en la evolución dinámica de este último. Dicho resultado es consolidado por un extenso estudio observacional y un modelo teórico, que incluye importantes implementaciones en modelado fisico-computacional, que lo respaldan.

Abstract:
The aim of this thesis is to demonstrate the influence of synoptic scale disturbances (with scale under 5000 km approximately), upon the southern polar vortex and the Antarctic ozone hole. These perturbations propagate from the troposphere and reach the lower stratosphere. In order to verify this a study was carried on to determine the presence and characterisation of synoptic perturbations at different heights so as to understand their vertical structure. Such an analysis required the design of bidimensional spectral filters in space. Their function was to separate the perturbations as a function of their wave properties and thus allow their separate study. Daily values were used so as to preserve the non-linear time relationships. The conditions for penetration/propagation of these system into the lower stratosphere were evaluated. The impact of such synoptic systems upon the vortex and ozone hole dynamics was then analysed. Geopotential height dynamics was used to follow the ozone hole dynamics. In order to complete the study, a quasi 3-dimensional shallow water model was implemented. The model integrates spectrally, with Hough's harmonics, the motion equations, written in isentropic coordinates. This numeric integration methodology provided the model with a high computational performance, since the selected spectral base corresponded to the shallow water eigenfuntions. Thus it was not necessary to generate a special grid for the equation system resolution. This model has a lower boundary determined by the tropopause and a free upper boundary. It thus constitutes a classic shallow water problem with mobile bed. It is a mechanistic model and is forced by the boundary conditions given by the tropopause temperature, obtained from the ECWMF (European Centre for Medium Range Weather Forecasting) . This process required precise interpolation and data processing techniques to couple the boundary conditions to the model with the appropriate timing. A "warm-up" integration was implemented to establish the model dynamic and thermodynamic initial conditions for a given date. It was also necessary to calibrate the design of a sponge layer for the upper boundary so as to avoid model instabilities. Furthermore selective horizontal and vertical diffusitivity were added to avoid the numerical damping of the lower scale perturbations. A case study covering the months of October and November 1990 was chosen to validate the model, by comparing model outputs with independent data from NASA's Goddard Space Flight Center (potential vorticity) and NOAA (wind and temperatures). The model was able to faithfully reproduce these observations. The model results agree with the observational results on the contribution of synoptic scale processes to the polar vortex and ozone hole evolution and deformation. Summing up, the confirmation of the synotic scale perturbation contribution to the polar vortex deformation is itself a new result towards the understanding of the mechanisms involved in the dynamics of this phenomenon. Such result is supported by a detailed observational analysis and a theortetical model that includes important contributions towards the improvement of physical computational modelling.

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Registro:
Título : Modelización de las perturbaciones dinámicas del vórtice polar sobre la Antártida y América del Sur     =    Modelling of dynamic perturbations of the Austral polar vortex over Antarctica and south America
Autor : Legnani, Walter E.
Director : Jacovkis, Pablo M.
Director Asistente : Canziani, Pablo O.
Año : 2001
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Instituto de Cálculo
Grado obtenido : Doctor en Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_3421_Legnani
Idioma : Español
Area Temática : 
Palabras claves : MODELOS FISICO-COMPUTACIONAL; ARMONICOS DE HOUGH; METODOS ESPECTRALES; MECANICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL; ECUACIONES DE AGUAS POCO PROFUNDAS; VORTICIDAD POTENCIAL; SISTEMAS SINOPTICOS; VORTICE POLAR; AGUJERO DE OZONO; COMPUTATIONAL-PHYSICS MODELS; HOUGH ARMONICS; SPECTRAL METHODS; COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS; SHALLOW WATER EQUATIONS; POTENTIAL VORTICITY; SYNOPTIC SYSTEMS; POLAR VORTEX; OZONE HOLE
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