Técnicas de Técnicas de pronóstico del pronóstico del tiempotiempo

Taller de Introducción a las Ciencias de la AtmósferaTaller de Introducción a las Ciencias de la AtmósferaPrimer Semestre 2016Gustavo V. Necco Carlomagno

IMFIA – FING/ IF - FCIEN

Tipos de pronósticoTipos de pronóstico

•PERSISTENCIA

•ESTADISTICO (climatología, análogos)

•SINOPTICO (tendencias, modelos conceptuales)

•NUMERICO

Periodos de pronósticoPeriodos de pronóstico

•PRONOSTICO INMEDIATO (“NOWCASTING”): de 0 a 2 horas (monitoreo horario, tendencias)

•DE CORTO PLAZO: de 6 a 60 horas(PNT, MOS, experiencia)

•MEDIO PLAZO: de 3 a 10 días (PNT)

•LARGO PLAZO (“Outlooks”-”Perspectivas”): mensual, estacional (modelos climáticos, análogos)

Etapas de un pronósticoEtapas de un pronóstico

•ANALISIS (OBSERVACION)

•DIAGNOSIS

•PROGNOSIS

•VERIFICACION

•REANALISIS

Tendencias

Desplazamiento de frentes

(Supone movimiento estacionario)

Campos isalobaricos

p1 = p0 + (tendencia) dt

AYERHOY MAÑANA

Movimiento en las últimas 24 hs

Movimiento previsto en las próximas 24 hs

La presión aumenta en 2 mb cada 3 hs

Reglas empíricas (“Rules of thumbs”)

Ejemplos

Cartas previstas de 700 HPa- Las regiones con HR > 70% alta prob, de nubes- Las regiones con HR > 90% alta prob, de precipitación (tanto más si hay movimientos ascendentes)

Depresiones- Se intensifican (profundizan) con divergencia en altura por sobre la depresión. Ver también máximos de vorticidad ciclónica.

Pronóstico numéricoPronóstico numéricoUn poco de historiaUn poco de historia

• Primera experiencia (fallida) por L. W. Richardson (1922) narrada en su libro “ Predicción del tiempo por procesos numéricos”.

• El Pronóstico Numérico del Tiempo moderno (PNT) nació en el Institute for Advanced Study , Princeton, en los años 40: primera computadora electrónica

• Desde entonces el PNT ha sido uno de los usuarios más exigentes de supercomputadores.

Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC)

¿Que es un modelo?¿Que es un modelo?

• Tomar las ecuaciones de la mecánica de fluidos y termodinámica que describen los procesos atmosféricos .

• Convertirlas a una forma en la que se puedan programar en una computadora potente.

• Resolverlas de manera que esta representación de software de la atmósfera se desarrolle dentro de la computadora .

• Esto se llama un "modelo " de la atmósfera

Escalas de los modelos– Escalas de los modelos– cobertura espacial y resolucióncobertura espacial y resolución

• Los modelos globales - abarcan el planeta , representan los procesos atmosféricos a gran escala

• Modelos en escala sinóptica de área limitada y en la mesoescala – comprenden áreas continentales a regionales; representan los procesos atmosféricos de menor escala

• Modelos Computacionales de dinámica de fluidos (CFD) - determinación flujos alrededor de los edificios, áreas urbanas , aviones , etc.

Escala de Escala de procesos/modelosprocesos/modelos

•Corrientes en chorro

•Centros de alta y baja presión

•Cuñas y vaguadas

•Frentes

•Tormentas•Complejos convectivos•Tormentas tropicales•Brisas de mar y tierra•Brisas de valle y montaña

•Vientos catabáticos•Chorros nocturnos en capas bajas

•Bandas de nieve en lagos

Sinóptica MesoGlobal

•Ondas largas

•El Niño

•Flujos en cañadas

•Canalización alrededor de los edificios, estelas

• Transporte vertical en las caras cálidas y a sotavento de edificios

Urbana

Ecuaciones básicasEcuaciones básicas

• Se aplican a tipos diferentes de modelos atmosféricos

- modelos de predicción meteorológica operativa - modelos climáticos globales - creación de modelos a escala urbana - modelos atmosféricos de investigación - modelos de flujo sobre un perfil aerodinámico

• En todos los casos son las ecuaciones de la dinámica de fluidos que se aplican a la atmósfera

EcuacionesEcuaciones• Conservación del impulso (2a. Ley de Newton)

– 3 ecuaciones para las aceleraciones de la velocidad 3D (F = Ma)

• Conservación de la masa– 1 ecuación para conservación del aire (continuidad)– 1 ecuación para la conservación del agua

• Conservación de la energía– 1 ecuación para la primera ley de la termodinámica

• Relación entre p, y T– 1 ecuación de estado (ley de gases ideales)

Siete ecuaciones para siete variables:Siete ecuaciones para siete variables: u, v, wu, v, w, , p, p, , T y q (humedad), T y q (humedad)

Más sobre las ecuacionesMás sobre las ecuaciones

• Casi todos los modelos utilizan un conjunto ligeramente diferente de ecuaciones.

• ¿Por qué? Aplicación a diferentes partes del mundo

Enfoque en diferentes procesos atmosféricos

Aplicación a diferentes escalas espaciales y temporales

Ambigüedad e incertidumbre en las formulaciones

Adaptación a diferentes usos

¿Qué entendemos por " resolver las ecuaciones " ?Qué entendemos por " resolver las ecuaciones " ? - Un enfoque conceptual

Las ecuaciones describen cómo el ambiente cambia con el tiempo . Por ejemplo, una ecuación para la temperatura T sería

Cambio temporal de T = solar + IR (ganancia) + IR (pérdida) + conducción + convección + evaporación + condensación + advección

Como pronostica un modeloComo pronostica un modelo

Tiempo

Te

mp

era

tura

T ahora (observada)

X

Cambios en T previstos por el modelo

X

XX

XX

Esta ecuación se resuelve para una

"matriz " tridimensional de puntos (o una rejilla, retículo o

“grilla” ) que cubre la atmósfera desde la superficie hasta un nivel cercano a la

parte superior de la atmósfera.

En la diapo siguiente un corte en 2 dimensiones a través del retículo .....

Suelo

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

100 milibares

Puntos del retículo

Niv

eles

de

cál

culo

Distancia Oeste – este

Alt

ura

Estructura horizontal del retículoEstructura horizontal del retículo

MM5 and others WRF and others

From Randall (1994)

Hexagonal Triangular

From ccrma.standford.edu/~bilbao

No estructurado: Omega Model

From Boybeyi et al. (2001)

DominiosDominios

Formas

From Rife et al. (2004)

From mitgcm.org (2006)

Esféricos

Nested gridsRetículos anidados

X X X

Espaciamiento de los puntos el retículo

Un concepto importanteUn concepto importante

Los procesos de menor escala necesitan una distancia entre puntos más pequeña:

5-10 puntos de la malla por longitud de onda

Un ejemplo de ecuación diferencial: Un ejemplo de ecuación diferencial: la tasa de cambio de la componente este-

oeste del viento

u = componente zonal del viento , hacia el este positivo

v = componente meridional del viento , positivo hacia el norte

w = componente vertical de la velocidad , hacia arriba positivo

P = presión, ρ = densidad , f = parámetro de Coriolis ( 2 x frecuencia de rotación de la Tierra x seno de latitud), Fr = fuerza de fricción en la dirección x

yz

x

N

E

up

Ejemplo de coordenada vertical = p/ psup

Ecuaciones básicasEcuaciones básicas

Ejemplo de una ecuación de movimiento : Viento unidimensional acelerado por sólo la fuerza

del gradiente de presión

D u

D t

1

p

x

Las computadoras no pueden resolver analíticamente ¡incluso esta ecuación muy simple !

El problema: las computadoras pueden realizar operaciones aritméticas , pero no el cálculo diferencial

La solución: Métodos numéricos

d f d x

f d x

Integración de las ecuacionesIntegración de las ecuaciones

11 1

2

k k k kki i i ii

U U U UU

t x

++ -æ ö- -

= ç ÷D Dè ø

U UU

t x

¶ ¶æ ö= ç ÷¶ ¶è ø

Elegir el paso temporal sobre la base de las velocidades del viento esperadas y el espaciado de la cuadrícula

ki

xtU

DD <

Advección no lineal

Paso temporal

Fuentes de error en el modeloFuentes de error en el modelo

• Numéricos • Físicos (radiación , la turbulencia , los procesos

húmedos ) • Las condiciones iniciales - definen el estado

actual de la atmósfera ... el punto de partida • Las condiciones de contorno laterales - definen

el estado de la atmósfera en los bordes de los dominios

• Las condiciones de contorno más bajas - en la superficie de la Tierra

Ejemplo de crecimiento

del error

Parametrizado (representación de procesos físicos)

Las parametrizaciones aproximan los efectos de los procesos físicos que son demasiado pequeños , demasiado complejos , o demasiado poco comprendidos para ser representados de forma explícita

ParameterizationsEn el modelo WRF , las parametrizaciones

incluyen : – Convección de cúmulos – Microfísica de nubes y precipitaciones – Radiación ( onda corta y onda larga ) – La turbulencia y la difusión– La capa límite planetaria y la capa superficial – La interacción con la superficie de la Tierra

Algunas de las mayores mejoras futuras en el modelo WRF estarán en las parametrizaciones

Campos derivados de relaciones estadísticas con las salidas de distintas variables de modelos numéricos

Generalmente de campos en superficie (p.e. meteogramas)

MOS (Model Output Statistics)MOS (Model Output Statistics)

NGM: Nested Grid Model

El desarrollo de los modelos numéricosEl desarrollo de los modelos numéricos 2000

Numerical solution to the equations

Evolución de la habilidad (skill) de pronóstico en las gamas de tres, cinco , siete y diez días , computado en los hemisferios norte y sur extra- tropicales

La habilidad de pronóstico (skill) es la correlación entre las previsiones y el análisis observado de la altura del nivel de 500 hPa , expresada como la anomalía con respecto a la altura climatológica . Los valores superiores al 60 % indican previsiones útiles