La prediccio ́ del temps: de Pascal al AEMET

Víctor Homar Victor.Homar@uib.cat

Universitat Oberta per a Majors

Fenòmens meteoclimàtics extrems. Predicció i

projecció futura Diploma Sènior 2014-2015

UOM

Què volen aquesta gent?

El problema “Nada existe más complejo ni más distante

de la capacidad humana que la ciencia meteorológica” Juan B. Cambiaso República Dominicana (1960)

Índex •  Problema?

•  Breu història de la predicció (científica) del temps

•  Pre-història i saber popular

•  Mètodes actuals

•  Futur

S1

S2

El problema •  Predicció: Estimació dels valors futurs d’un paràmetre a partir dels

valors de les variables de què en depèn

•  Temps: estat a curt plaç de l’atmosfera i dels seus meteors.

•  El coneixement de l’estat de l’atmosfera en temps futurs té un valor molt alt: –  Repte científic (valor intel·lectual) –  Presa de decisions quotidianes (valor subjectiu personal) –  Presa de decisions empresarials (valor econòmic)

•  Agrícoles •  Cobertura de riscos (assegurances) •  Energètics •  Transports •  Construcció

–  Protecció civil (valor humà i econòmic) –  Gestió recursos naturals (valor humà i econòmic)

El problema

9 Març 2010

4 Octubre 2007

ALT IMPACTE SOCIAL

El problema

July 2002

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

1-7 2-7 4-7 5-7 6-7 7-7 8-7 9-7 10-7

11-7

12-7

13-7

14-7

15-7

16-7

17-7

18-7

19-7

20-7

21-7

22-7

23-7

24-7

25-7

26-7

27-7

28-7

30-7

31-7

Rel

ativ

e C

osts

Smith, Ziehmann & Altalo (2004)

ALT IMPACTE ECONÒMIC

Què volem predir? 1. Problema?

Principalment, volem predir aquells fenòmens

atmosfèrics que afecten més a l’activitat humana ! Quins són? (paràmetres arxivats al ECMWF) ! En quins abasts de predicció?

(Avui ens centrarem en les tècniques de predicció a curt i mig plaç)

Nowcasting Que passarà durant els propers minuts?

1. Problema?

2130 2200 2230 2300 2330 0000 0030 0100 0130 0200 0230 0300 0330 0400 0430 0500

Nowcasting

Nowcasting

Línea de Turbonada del 4 d’Octubre de 2007

Nowcasting Que passarà durant els propers minuts?

1. Problema?

Nowcasting Que passarà durant els propers minuts?

1. Problema?

Nowcasting Que passarà durant els propers minuts?

1. Problema?

Xarxa Balear d’EM 1. Problema?

Xarxa Balear d’EM 1. Problema?

Nowcasting

Permet fer prediccions detallades en localització I fenomenologia (a molt curt plaç)

Predicció a curt plaç Que passarà durant les properes hores?

1. Problema?

Predicció a curt plaç Que passarà durant les properes hores?

1. Problema?

Predicció a curt plaç Que passarà durant les properes hores?

1. Problema?

Predicció a curt plaç Que passarà durant les properes hores?

1. Problema?

Predicció a curt plaç Que passarà demà?

1. Problema?

Predicció a mig plaç Que passarà els propers dies?

1. Problema?

Predicció a mig plaç Que passarà els propers dies?

1. Problema?

Predicció a mig plaç Que passarà els propers dies?

1. Problema?

Predicció estacional Que passarà els propers mesos?

1. Problema?

Predicció estacional Que passarà els propers mesos?

1. Problema?

Predicció estacional Que passarà els propers mesos?

1. Problema?

Predicció estacional Que passarà els propers mesos?

1. Problema?

Predicció climàtica Que passarà els propers anys?

1. Problema?

Predicció climàtica Que passarà els propers anys?

1. Problema?

Predicció climàtica (Parèntesi: conseqüències del canvi climàtic)

1. Problema?

Kilimanjaro (Tanzania)

Predicció climàtica (Parèntesi: conseqüències del canvi climàtic)

1. Problema?

Wager Bay, Canada

Predicció climàtica (Parèntesi: conseqüències del canvi climàtic)

1. Problema?

Predicció climàtica Que passarà els propers anys?

1. Problema?

Per què perdem detall espacial i temporal com més endavant volem predir?

Naturalesa caòtica del sistema L’efecte papallona

1. Problema?

Limita la predicibilitat de l’atmosfera...

Essent un sistema caòtic... 1. Problema?

Petits errors a l’inici són crucials a la predicció: El batec de les ales d’una papallona a Pekin pot provocar canvis dràstics al pronòstic atmosfèric a Maó.

Què volem podem predir? Existeix un balanç entre l’abast temporal i l’escala

espacial de les prediccions útils. La predicibilitat atmosfèrica és finita (i molt curta

en algunes escales d’interès) Decreix la

certesa i detall

Per tant... 1. Problema?

•  Hi ha múltiples abasts de predicció

•  El detall (espacial, temporal i fenomenològic) amb que es pot predir depèn de l’interval de predicció

•  Tot això es degut al caràcter caòtic de l’atmosfera (del sistema climàtic en general)

Índex Breu història de la predicció (científica) del temps Pre-història i saber popular •  Mètodes actuals •  Futur

S. XX S. XVII S. XVIII S. XIX

El baròmetre de Torricelli (1643) Experiment de Pascal (1648)

2. Breu història

S. XX S. XVII S. XVIII S. XIX

•  Primeres Xarxes Observació basades en baròmetres i termòmetres

•  1783: Dades recollides per a l’elaboració del primer mapa del temps...

2. Breu història

S. XX S. XVII S. XVIII S. XIX

•  Brandes 1820: Dibuixa els primers mapa del temps amb les dades de 1780

•  Morse 1843: El telègraf permet la transmissió de dades a velocitats suficients per a fer l’el·laboració de mapes útil per a predicció

•  Napoleó III encomana a Leverrier la predicció del temps per a evitar pérdues com les de la guerra de Crimea (1854)

2. Breu història

S. XX S. XVII S. XVIII S. XIX

•  Richardson (1922): Primer intent de predicció numèrica (no computacional) del temps •  ENIAC (1950): Primera predicció numèrica del temps (amb fins de càlcul de tirs parabòlics en condicions de temps reals).

2. Breu història

3. Saber popular

La meteorologia popular es conserva i transmet de generació en generació a través de les dites i expressions:

Arc de Sant Martí al migdia, pluja tot el dia Aurora rogent, pluja o vent Matí de boira, tarda de sol

Boira pels tossals, aigua pels barrancs Quan el sol es pon en brut, abans de tres dies ha plogut

Llamps a llevant, vents a ponent Quan la formiga tanca el niu, el cel plora i el moliner riu

“Moixos fent molts esternuts: neu segura”

Vent de ponent, vent dolent

Sol lleganyós, pluja a l’engròs Mes...?

3. Saber popular

Algunes expressions són menys meteorològiques i recullen aspectes climàtics de la nostra regió:

Any de neu, any de Déu

Per Sant Tomàs (21 Des), neu al nas

Pel febrer, un dia al sol i l’altre al braser

Si plou pel febrer, tot l’any va bé Si la Candelera (5 Feb) plora, el fred ja és fora, si la Candelera riu, el fred és viu

Si plou per Sant Pere (29 Jun), trenta dies al darrera

Per Sant Climent (23 Nov), el fred reganya la dent Si plou entre les dues Mares de Déu, quaranta dies més d’hivern

Per Sant Bartomeu (24 Ago), pluja arreu Més...?

Índex •  Problema? •  Mètodes actuals

•  Futur

Mètodes actuals La predicció del temps es basa en:

MÈTODE

4. Mètodes actuals

Persistència i climatologia Persistència: la predicció és igual a la observació Climatologia: la predicció és igual a un valor mig observat en el passat

També a les Balears (Mallorca)…

4. Mètodes actuals Tendència La tendencia observada s’extrapola al futur:

4. Mètodes actuals Anàlegs La predicció és igual a la observació passada posterior a la situació passada més semblant a l’observació actual:

http://www.aemet.es/es/eltiempo/prediccion/precipitacion

Màxima precipitació “prevista” per al 1 de Febrer de 2014

Anàlegs La predicció probabilística depèn de la freqüència en les observacions passades posteriors a la situació passada més semblant a l’observació més recent:

4. Mètodes actuals

http://www.aemet.es/es/eltiempo/prediccion/precipitacion

Prob. Precipitació >= 2mm prevista per al 1 de Febrer de 2014

Numèrica Mètodes actuals

Consisteix en: 1.  Presa d’observacions 2. Anàlisi dels camps i assimilació de

dades 3.  Integració numèrica de les equacions

atmosfèriques 4. Postprocés per a ajustar/corregir els

resultats

Numèrica Observacions i generació de camps inicials

4. Mètodes actuals

Alguns números per començar…

Cada 12h (ECMWF):

Observacions convencionals

MSL Pressure, 10m-wind, 2m-Rel.Hum. DRIBU: MSL Pressure, Wind-10m

Wind, Temperature, Spec. Humidity PILOT/Profilers: Wind

Aircraft: Wind, Temperature

SYNOP/METAR/SHIP:

Radiosonde balloons (TEMP):

Observacions amb satèl·lits

Geostationary, 4 IR and 5 winds

5 imagers: 3xSSM/I, AMSR-E, TMI

4 ozone

13 Sounders: NOAA AMSU-A/B, HIRS, AIRS, IASI, MHS

2 Polar, winds: MODIS

3 Scatterometer sea winds: ERS, ASCAT, QuikSCAT

6 GPS radio occultation

Numèrica Integració en el temps i post-procés

? Camps inicials

Grans ordinadors Predicció post-processada

Mètodes actuals

Numèrica Integració en el temps i post-procés

? Camps inicials

Grans ordinadors Predicció post-processada

4. Mètodes actuals

Numèrica Exemples

4. Mètodes actuals

Numèrica Exemples

4. Mètodes actuals

Maó

Numèrica Exemples

4. Mètodes actuals

http://www.aemet.es/ca/eltiempo/prediccion/municipios/horas/ciutadella-de-menorca-id07015

Numèrica Exemples

4. Mètodes actuals

Numèrica Exemples

4. Mètodes actuals

Numèrica Integració en el temps? ?

El canvi de temperatura amb el temps

Processos que afecten la temperatura

T(futur) = T(present) + ∂T/∂t (*δt) Per tant, la predicció del temps es basa en:

4. Mètodes actuals

Equacions Primitives (x, y, z, t)

�

∂T∂t

= −u∂T∂x

− v∂T∂y

− w∂T∂z

+1cp

dqdt

+αcp

dpdt

+∂T∂t phys

∂u∂t

= −u∂u∂x

− v∂u∂y

− w∂u∂z

−α∂p∂x

+ fv + Frx

∂v∂t

= −u∂v∂x

− v∂v∂y

− w∂v∂z

−α ∂p∂y

− fu + Fry

−α∂p∂z

= g

p = ρRdT

∂w∂z

= −∂u∂x

+∂v∂y

⎡

⎣ ⎢ ⎤

⎦ ⎥

∂qv∂t

= −u∂qv∂x

− v∂qv∂y

− w∂qv∂z

+ S

Thermodynamic Energy Equation

East-West equation of motion

North-South equation of motion

Vertical equation of motion

Equation of state

Continuity equation

Moisture continuity equation

(Incompressible assumption)

Mètodes actuals

Grans centres de predicció actuals •  Centre de predicció europeu a plaç mig (www.ecmwf.int) •  National Center for Environmental Prediction

(www.ncep.noaa.gov) •  Meteorological Service of Canada

(www.weatheroffice.ec.gc.ca) •  Japan Meteorological Agency (www.jma.go.jp)

FUNCIONA?

Predicció numèrica

La qualitat de les prediccions es quantifica en l’anomenat procés de verificació. Índex de verificació = f (Observacions, Prediccions)

Per exemple: •  Correlació (espacial i/o temporal)

•  Error quadràtic mig

Verificació ECMWF

Verificació ECMWF

ROYAL NETHERLANDS METEOROLOGICAL INSTITUTE

Verificació ECMWF Verificació de prediccions probabilistes:

Centres de predicció regional

•  La predicció mesoescalar (estructures típiques del ordre de 100 km) es realitza en centres regionals que utilitzen models d’àrea limitada, alimentats pels models globals: – Serveis meteorològics nacionals/regionals

(INM, MeteoFrance, MetOffice, MeteoCat, MeteoGalicia,…)

– Universitats (UIB, UPV, UTL, …)

Prediccions a la UIB http://mm5forecasts.uib.es

Prediccions a la UIB http://mm5forecasts.uib.es/OCLIBlocal

Punts importants de la sessió •  Existeix un balanç entre l’abast de la predicció i el detall.

Creixement temporal dels errors. •  El caràcter caòtic dels nostres models de predicció del

temps n’és la causa principal. •  La predicció meteorològica es composa de: presa

d’observacions, generació de camps en malla, integració de les equacions físiques (Navier Stokes simplificades) i adaptació del resultat a l’aplicació

•  Models globals -> Prediccions a mig plaç en resolucions efectives de ~50-100 km

•  Models regionals -> Prediccions a curt plaç amb major detall espacial i temporal

•  Recerca actual en predicció del temps: •  Prediccions per conjunts: incorporació incerteses •  Observacions “a la carta”: optimització recursos

Predicció científica…?

A veure si el frare encara tendrà raó?

Qüestions ?