Análisis Estadísticode

Datos Climáticos

Análisis Estadísticode

Datos Climáticos

Facultad de Ciencias – Facultad de Ingeniería2009

M. Barreiro – M. Bidegain – A. Díaz

Objetivo del curso

Desarrollar habilidades para identificar y describir estructuras de datos climáticos, tanto en sus valores medios como en su variabilidad espacial y/o temporal.Realizar aplicaciones al diagnóstico de relaciones entre distintas variables climáticas, y al pronóstico.

Temario• Introducción

– Clima, Climatología y variabilidad climática (espacial y temporal). Escalas– Datos climáticos. Revisión sobre el concepto de probabilidad.

• Datos univariados– Análisis exploratorio aplicado a datos climáticos. – Descripción de poblaciones por medio de distribuciones empíricas. Histogramas. Datos

apareados. Diagramas de dispersión. Coeficientes de correlación. Aplicaciones al diagnóstico y pronóstico.

– Distribuciones paramétricas. Distribuciones discretas y continuas. Distribuciones de probabilidad frecuentes en variables climáticas. Estimación de parámetros.

– Pruebas de hipótesis. Aplicaciones. – Modelos paramétricos de relaciones entre variables climáticas. Regresión lineal simple y

múltiple. Regresión no lineal. Análisis de estratificación y composición. Aplicaciones en diagnóstico y en pronóstico.

– Series temporales o cronológicas.

• Datos multivariados– Revisión de conceptos fundamentales sobre estadística multivariada. – Algebra de matrices. Distribución normal multivariada. – Análisis de componentes principales. Ejemplos y aplicaciones.– Análisis de correlación canónica. Aplicaciones a diagnóstico y pronóstico.– Análisis de agrupaciones (cluster analysis).

• Verificación y valor de los pronósticos

Bibliografía• Wilks, D., 2006: Statistical Methods in the

Atmospheric Sciences, Academic Press, 627 pp.

• Necco, G.V. 1984. Estudio del clima sobre la base de las estadísticas. Métodos de análisis de series en climatología. Universidad de Buenos Aires.

• Thom H.C.S. Some methods of climatologicalanalysis. Technical Note N°81 WMO N°199

• Von Storch and F.W.Zwiers. 1999. StatisticalAnalysis in Climate Research. CambridgeUniversity Press, 484 pp.

Introducción

• Clima

• Climatología

• ¿Por qué los métodos estadísticos?

• Variabilidad climática

• Escalas

Clima (según la RAE)(Del lat. clima, y este del gr. ???µa).

1. m. Conjunto de condiciones atmosféricas que caracterizan una región.

2. m. Temperatura particular y demás condiciones atmosféricas y telúricas de cada país.

Clima...

Es el conjunto de estados de tiempo atmosférico que se producen en una determinada región y que otorgan a ésta una particular idiosincrasia. El concepto de clima incluye no sólo los valores medios de las variables meteorológicas, sino también sus extremos.

Prof. Gustavo Necco.

Clima(según la American Meteorological Society)

•AMS Glossary: climate—The slowly varying aspects of the atmosphere–hydrosphere–land surface system.

Está caracterizado típicamente en términos de promedios adecuados del sistema climático en períodos de un mes o más, tomando en consideración la variabilidad temporal de los valores promediados. La clasificación climática incluye la variación espacial de estas variables promediadas en el tiempo. En un principio, se consideraba el clima local como poco más que el transcurso anual de promedios de largo plazo de la temperatura en superficie y la precipitación. Actualmente, el concepto de clima se ha ampliado y evolucionado in décadas recientes en respuesta a la comprensión creciente de los procesos subyacentes que determinan el clima y su variabilidad. See also climate system, climatology, climate change, climatic classification.

Clasificación de Climas según Köppen

Clima…

• Climate may be defined as the multivariate, multiple-time probability distribution of status of the ocean-ice-atmosphere system. (North et al. 1982)

Climatología

• Descripción y estudio científico del clima (según la AMS)

• Según la RAE:

1. f. Tratado del clima.2. f. Conjunto de las condiciones propias de un

determinado clima.

Climatología

Hay otro uso de la palabra, que refiere a valores estadísticos descriptivos de alguna variable.

P. ej. medias mensuales de temperaturas en un cierto lugar

¿Por qué los métodos estadísticos para analizar datos climáticos?

Los procesos climáticos presentan irregularidades que son fuente de incertidumbre.

La estadística permite:

• describir los datos • cuantificar la incertidumbre• realizar inferencias.

Aplicación de métodos estadísticos

• La aplicación de métodos estadísticos adecuados debe ayudar a la comprensión de los fenómenos físicos subyacentes

• Valoración de hipótesis

• El análisis estadístico de los datos puede sugerir la existencia (o no) de relaciones entre variables

• Pero…¡¡no confundir relaciones estadísticas con relaciones causa-efecto!!

• La descripción de los datos observados puede ayudar a la predicción

Pero, ¿y los modelos numéricos determinísticos…?

En primer lugar, no son perfectos.

Y en segundo lugar…

1963: La atmósfera como sistemacaótico (Ed. Lorenz)

Sistema de Lorenz

Sensibilidad a las condiciones iniciales

Modelo simplificadode convección

Deterministic Non-Periodic Flow

El “Efecto Mariposa”

• Luego de tener éxito en escribir ecuaciones determinísticas para el flujo atmosférico y logrado integrarlas numéricamente, surgió un obstáculo no previsto: La predictibilidad del sistema es de solamente 2 a 3 semanas

El mundo después de Lorenz

• Consecuencias del caos determinístico:

– El pronóstico del tiempo (determinístico y limitado en su horizonte temporal) se separa conceptualmente del pronóstico climático (necesariamente probabilístico).

– Se abandona el objetivo de “controlar del tiempo”.

– La predictibilidad del clima debe tener otros orígenes que el atmosférico (otros subsistemas climáticos con mayor “memoria”).

Se puede mejorar la performance de los modelos numéricos, postprocesando sus salidas, utilizando “ensembles”.

simulación con la “mejor” condición inicial

evolución real

“Ensemble” de Pronósticos del Clima

– Las series de datos no son suficientemente largas.

– El clima puede cambiar y las series largas pueden no representar adecuadamente el clima presente.

Pero también hay que tener en cuenta que…

Variabilidad climática (espacial)

Los valores dependen del período! Aquí es 1961-1990

Temperatura Precipitación

Climatología temperatura agosto

Fuente: IRI - USA

Regionalización

343 divisiones climáticas

14 Regiones o “clusters”

Variabilidad climática (variabilidad temporal)

Pluviómetro Rivera (1914-1997)

Precipitación agosto

La variabilidad interanual es muy relevante

Variabilidad interanual

Temperatura media en Paysandú: 1951-2002

Ciclos anuales de precipitaciones enSalto, Melo, Montevideo

Pisciottano et al1994

Ciclo anual de temperaturas

Regionalización de la precipitación en Uruguay según su ciclo anual

Terra y Pisciottano1994

Temperaturas deSuperficie del Mar (TSM)

Presión atmosféricaen superficie

El Niño – Oscilación Sur (ENOS)

Modo de variabilidad cuasi-periódica del sistema acoplado atmósfera-océano en el Pacífico ecuatorial

Índices de ENOS

“Ensemble” de Pronósticos del Clima

Tendencias en precipitaciones

1901-2005

1979-2005 IPCC 2008

“Tendencias” en las TSM“Tendencias” en las TSM

AtlánticoSud-Occidental

(Noviembre)1960-1997

Genta et al, 1998Medias Móviles Centradas de 30 años

-1

0

1

2

3

4

5

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

-0 .4

-0 .3

-0 .2

-0 .1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

1 8 8 0 1 9 0 0 1 9 2 0 1 9 4 0 1 9 6 0 1 9 8 0 2 0 0 0

Paraná

ParaguayUruguayNegro

TSM Pacífico

TSM Pacífico

Caudal Medio

Nor

mal

izad

osV

al./D

esv.

Tip

.“Tendencias” en caudales de ríos “Tendencias” en caudales de ríos

Escalas (espaciales y temporales)

• Son magnitudes (o rangos de magnitudes) que sirven para describir algunos fenómenos

• La escala espacial es una longitud característica del fenómeno; (ej., de una tormenta extratropical)

• La escala temporal está asociada a la duración y da idea de la “memoria” o “persistencia” del proceso (ejs. presión a nivel del mar)

• Ambas suelen crecer o decrecer juntas.

Escalas espaciales y temporales de fenómenos meteorológicos

(WMO No. 993, 2006)

PRONÓSTICO A LARGO PLAZO

PRONÓSTICO A CORTO PLAZO

PRONÓSTICO A MEDIANO PLAZO

(Tormenta severa)

Escalas de movimientos atmosféricos