Online Education Program in Operational Meteorology and a Case Study about a Product for Decision Making

An online program developed at the University of Costa Rica provides the professionals working in meteorology a new way to pursue graduate level degrees. The focus of this graduate program is Operational Meteorology and the students need to complete the research and development process of an operational product to graduate. The products created during the program are a solution to operational institutions in need of innovation and can later be incorporated into institutional activities including advisories, warnings and emergency management. A case study included here shows an example of the need that led to the product, the methodologies used for the development and the final operational product created.Universidad de Costa Rica/[]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Básicas::Centro de Investigaciones Geofísicas (CIGEFI)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ciencias Básicas::Facultad de Ciencias::Escuela de Físic

Aspectos científicos y sociales del diseño, construcción, instalación y operación de una estación meteorológica para la comunidad cabécar de Pú Ksogë, Talamanca, Limón

A mediados del 2018 un grupo de investigadores e investigadoras del Centro de Investigaciones Geofísicas y de la Escuela de Física de la Universidad de Costa Rica iniciaron un proyecto para compartir conocimientos sobre las ciencias del tiempo y el clima con la comunidad cabécar de Pú Ksogë (9.591°N, 82.978°W, 114.4 m s. n. m.), Talamanca, Limón. La iniciativa fue apoyada por líderes y autoridades educativas de esa comunidad indígena a finales de ese año. Con el aporte laboral local y la autorización respectiva, se instaló y dejó en operación una estación meteorológica automática (Siwá Etka) en terrenos de la escuela comunal a principios de 2019. Se describen aquí detalles de este proyecto y se muestran los primeros datos atmosféricos observados en la historia de esa comunidad. La falta de un adecuado control comunal y el desinterés de las autoridades de la escuela en el cuido del instrumental provocaron problemas que no permitieron darle continuidad al proyecto y la estación tuvo que ser desinstalada en octubre de 2019. La experiencia tuvo resultados positivos, pero otros aspectos como la conectividad a celular e internet, en ocasiones de muy baja calidad o inexistente, también incidieron en la decisión de descontinuar la iniciativa. Los contactos realizados con una asociación de desarrollo integral de la región podrían ser una alternativa para darle continuidad al proyecto.Universidad de Costa Rica/[805-B7-286]/UCR/Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[805-B8-604]/UCR/Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[805-B8-068]/UCR/Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[805-B9-454]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Básicas::Centro de Investigaciones Geofísicas (CIGEFI

High resolution tropospheric studies with an MST type radar

Applications and results of a variety of studies carried out with the Costa Rican VHF profiler radar are included. This radar is unique because of the wide frequency bandwidth available (5 MHz). During the developing stages of the wind profiler radar new techniques of processing and radar engineering were used. A thorough analysis of a data-dependent method (Capon\u27s) commonly used in radar was carried out. This method is analyzed based on a reference established by Fourier theory. Disadvantages of using data-dependent methods with small filters were found. A small filter size will cause Capon\u27s method to underestimate the number of spectral peaks when compared to using a larger filter size. The understimation will occur even when the filter size is larger than the number of peaks. When used to estimate a known Gaussian spectrum, Capon\u27s method understimated the spectral width independently of the filter size. The backscattered signal measured in radars is the convolution of the transmitted signal with the atmospheric profile of scatterers. The convolution integral model was used to calculate radar backscatter. The implementations were created to simulate radar backscatter using the transmitted signal and the electric permittivity profile of the atmosphere. Tests with realistic physical conditions were carried out to validate the model and verify the implementation. Appropriate range location and Doppler velocites were obtained from simple simulations in one, two and three dimensions. The convolution engine was later used along with a mathematical representation of atmospheric scatterers to study the simulated radar echoes. Correct radial velocites were obtained along with realistic radar effect like the beam broadening effect. A Large eddy simulation (LES) model was used to simulate a full-physics atmosphere. The LES code follows the fluid dynamics equations. The simulated LES atmosphere was used to calculate the electric permittivity from atmospheric variables. A radar simulation involving the convolution of this electric permittivity profile and the radar pulse allowed us to simulate a radar inside the simulated atmosphere. The initial conditions of the simulation created a clear planetary boundary layer as well as a region of shear instabilities in the upper heights. Both regions generated turbulence during the simulation and allowed the radar simulation to measure it satisfactorily. Anisotropy was observed in the results when comparing vertical beam data to tilted beam data as usually observed in real measurements. A long term experiment was carried out in Costa Rica to gather information about the tropical atmosphere. This was the first time this type of experiment was carried out in Costa Rica. The information provided a clear perspective of the phenomena found in the lower troposphere. Among others, the planetary boundary layer (PBL), thin layers, isolated patches of turbulence, oscillations and convective events were detected. The presence of layers over Costa Rica is well defined; during the dry season months (winter-spring time of the northern hemisphere) at least one layer can be observed up to 30% of the time, while it decreases below 10% of the time during the rainy season (summer-fall time of the northern hemisphere). The PBL shows great variability depending on the general conditions of the atmosphere; the average PBL top was located near 2 km during the dry season months and increased to almost 4 km during the rainy season. More examples are provided

Tropical easterly waves over Costa Rica and their relationship to the diurnal cycle of rainfall

Using an index of tropical easterly wave (TEW) activity derived from spacetime-filtered outgoing longwave radiation, we construct composites of long-term hourly surface meteorological observations and morningtime sounding data collected near San José, Costa Rica to investigate how TEWs affect the diurnal cycle of rainfall over land. Our results indicate that TEWs enhance the frequency of occurrence of rain during convectively active conditions over the course of the diurnal cycle. By contrast, rainfall conditional intensity sensitivity to TEW phase appears more nuanced, with indications that active conditions induce a slight delay in the timing of the diurnal peak intensity but a longer duration of heavier rainfall. Analysis of associated hourly surface meteorology along with sounding profiles and derived thermodynamic parameters points to both initial vertical and time-evolving surface conditions regulating diurnal behavior, such as greater instability and higher precipitable water in morningtime profiles under active phase conditions.Universidad de Costa Rica/[802-C1-038]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Docencia::Ciencias Básicas::Facultad de Ciencias::Escuela de FísicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Básicas::Centro en Investigación en Contaminación Ambiental (CICA)UCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Básicas::Centro de Investigaciones Geofísicas (CIGEFI

La Corriente en Chorro del Caribe: Observaciones, modelado multifísica, interacciones multiescala e impacto regional

La propuesta fue aprobada para su ejecución a partir de enero de 2019. Fondo Concursable para Grupos de Investigación para el año 2019.El tema central de la propuesta es el estudio de la Corriente en Chorro del Caribe (CLLJ por sus siglas en inglés). El CLLJ es uno de los mecanismos físicos más importantes para entender el clima, la variabilidad climática y el cambio climático en la región de los Mares Intra-Americanos desde su hallazgo en 1998. El descubrimiento de este fenómeno es atribuido por la comunidad científica internacional al Investigador Principal de esta iniciativa. El CLLJ está relacionado con mecanismos físicos regionales como las piscinas de agua cálida en el Pacífico tropical del este y el Caribe, el transporte de humedad a Centro, Norte y Sur América, la migración latitudinal de la Zona de Convergencia Intertropical (ITCZ, por sus siglas en inglés), el veranillo de medio año y con la distribución regional de precipitación en toda la región, incluyendo la parte central-este de Norte América, entre otros. El grupo de investigadores asociado a esta propuesta ha realizado un aporte seminal al entendimiento de este fenómeno, al cual se han sumado importantes investigadores y centros de investigación a nivel global. A pesar del desarrollo conceptual, analítico, numérico y observacional realizado por estos investigadores, se está lejos de comprender muchas de sus características y el papel que juega el CLLJ en la estabilidad dinámica regional. Por esta razón, el objetivo principal de esta propuesta es generar un análisis completo e integral del CLLJ en varias escalas de movimiento para investigar su estructura media, su evolución e interacción con escalas de alta frecuencia como la interrelación tierra-atmósfera, la Oscilación de Madden-Julian, las escalas intraestacionales, las interanuales como el ENOS y el cambio climático. El fin último del proyecto es desarrollar un modelo conceptual del CLLJ y sus interacciones basado en observaciones in situ, datos de reanálisis y modelado numérico multifísica con el propósito de mejorar la respuesta social ante los fenómenos climáticos y eventos extremos. La propuesta tiene siete componentes con tareas y actividades específicas (cinco de ellas lideradas por científicos y científicas jóvenes), todas entrelazadas entre sí por ejes transversales de investigación y colaboración. Una de estas finalidades es entender el origen y estructura del CLLJ, los mecanismos que controlan su variabilidad espacial y temporal y sus interacciones con otros procesos físicos como el de la frecuencia de huracanes en el Caribe y Pacífico tropical del este, las sequías hidrometeorológicas, la ITCZ, las piscinas de agua cálida del Hemisferio Occidental, la variabilidad espacio-temporal de la distribución de las lluvias y los eventos extremos. Otro objetivo específico importante es la integración de los resultados de procedimientos novedosos (por ejemplo, el “hindcast” y el análisis de datos históricos in situ como los de SIWÁ (aire en bribri, una base de datos meteorológicos en altura) para identificar la configuración óptima de algunos modelos numéricos dinámicos para la generación de escenarios de cambio climático a varios horizontes de tiempo futuros. Otra tarea específica es investigar el papel de la CLLJ en el transporte de propiedades (humedad, por ejemplo) en la activación de procesos turbulentos y de advección horizontal de propiedades en superficie (interacción mar-atmósfera) sobre el Mar Caribe y hacia América Central, en especial sobre Costa Rica (interacción tierra-atmósfera), su relevancia en los procesos convectivos y su interacción con sistemas locales como brisa de tierra-mar y valle-montaña. Otro propósito particular es cuantificar las propiedades del CLLJ sobre Costa Rica utilizando el radar del CIGEFI instalado en Guanacaste para comparar su estructura, evolución y alcance zonal y contrastar estas propiedades con las observadas sobre el Mar Caribe usando datos de SIWÁ y simulación numérica para integrar esta visión al modelo conceptual del CLLJ. Otro objetivo específico notable es el uso de la paleoclimatología (mediante un índice vinculado a la inversión de los alisios no estudiado hasta el momento en la región) utilizando datos históricos de perfiles de temperatura sobre la Cordillera de Talamanca, además de datos paleoglaciológicos para el estudio del clima pasado en esa región y su relación con el tipo de plantas a diferentes alturas. El estudio del CLLJ está basado en los principios y métodos del análisis sinóptico, de los modelos teóricos y numéricos (por ejemplo, modelación teórica y reducciones de escala dinámica), la estadística multiparamétrica, el análisis satelital y la percepción remota. Se planean varias publicaciones específicas para revistas indexadas, la postulación de un modelo conceptual cuatridimensional del CLLJ, la creación de bases de datos y la generación de escenarios climáticos dinámicos con resoluciones adecuadas para Costa Rica y la Isla del Coco para el 2025, 2030 y 2035. La formación profesional de varios estudiantes (en equidad de género) ligados a algunas de sus componentes será parte integral de la ejecución del proyecto y de su evaluación posterior. El grupo de investigación cuenta con recursos básicos de infraestructura para cursos, reuniones y talleres, con laboratorios computacionales, con instrumental meteorológico, con un radar y con el cluster “Tsaheva” (oscura en bribri) de alto rendimiento con alrededor de mil núcleos para procesamiento lineal y en paralelo de los modelos dinámicos e hidrológicos, entre otros elementos de investigación. El recurso humano es de muy alto nivel en dónde todos los investigadores tienen doctorados académicos de universidades de reconocido prestigio con amplia experiencia previa en investigación, en difusión y divulgación de resultados a nivel local e internacional (por ejemplo como para la creación de una aplicación de nivel social sobre clima y cambio climático regional).Universidad de Costa Rica/[805-B9-454]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Básicas::Centro de Investigaciones Geofísicas (CIGEFI)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ciencias Básicas::Facultad de Ciencias::Escuela de Físic