Pronóstico del tiempo - Universidad Nacional de La Plata

Pronóstico del tiempo
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ciencias Astronómicas y
Geofísicas
Cátedra:
Introducción a las ciencias Atmosféricas
Adquisición de la información meteorológica
• El pronóstico del tiempo implica predecir como habrán
de variar las condiciones presentes del tiempo, en una
región y un futuro cercano.
• Esto implica conocer esas condiciones iniciales o
presentes en un área muy extensa.
• Para obtener esa información existe una extensa red de
estaciones meteorológicas en los distintos países y en
todo el mundo.
• Más de 10.000 estaciones de superficie, cientos de
barcos en navegación proveen información de superficie
al menos 4 veces por día.
• En los aeropuertos las observaciones se realizan en
forma horaria.
• Información adicional es obtenida de la atmósfera superior a través
de radiosondeos, aviones y satélites.
• Los radiosondeos usualmente se realizan a las 0000 y 12:00 UTC (en
Argentina sólo a las 12:00 UTC).
Distintas fuentes que proporcionan información de las variabes del tiempo
• La WMO esta formada por 185 países y es responsable
por el intercambio internacional de datos y certifica que
los mismos han sido obtenidos por metodologías
normalizadas, de modo que sean directamente
comparables.
• Hecha una observación completa en una estación, los
datos son enviados en forma inmediata a un centro
regional por medios electrónicos, internet, satélites, etc.
• De allí es enviada a centros internacionales en
Melbourne (Australia), Moscú (Rusia) y Washington D.
C. (USA).
• Estos revisan la información, consistiendo los datos y
luego la procesan utilizando modelos de pronóstico
globales y regionales.
• Los modelos generan “salidas” o “cartas” que son enviadas a
numerosos servicios meteorológicos y centros de pronóstico
en el mundo.
• Muchos países tienen la capacidad de correr sus propios
modelos regionales.
• Toda esa información es utilizada en oficinas de pronóstico
especializadas para realizar pronósticos bastante fiables a
corto plazo (máximo 5 días), avisos especiales y alertas de
tiempo severo inminente.
• Los avisos de alerta abarcan regiones en particular y en un
período de tiempo determinado pero la exacta ubicación y
momento del evento meteorológico es desconocido.
• Estas oficinas de pronóstico pueden cubrir áreas que abarcan
parte de un país o bien un país entero.
HERRAMIENTAS DE PRONÓSTICO
Modelos numéricos
• Son una de las herramientas más potentes para la
elaboración de pronósticos meteorológicos.
• Pueden proveer de información estimada tanto en regiones
donde existen redes de estaciones como donde no es posible
obtener datos.
• Estos modelos consisten es sistemas de ecuaciones que
describen los movimientos del aire en la atmósfera además
de los intercambios de calor y humedad.
• Las ecuaciones son organizadas en forma de algoritmos.
• Los modelos convierten datos dispersos y obtenidos de
puntos irregularmente espaciados en una red o grilla de datos
equidistantes.
Retícula horizontal equiespaciada del modelo ETA - SMN en un mapa de proyección
estereográfica polar tangente en 60° S con una distancia entre nodos de 150 Km y un
total de puntos de 63 por 49.
• Con los dato procesados se construyen mapas basados
en isolíneas para las distintas variables.
• Los modelos no representan exactamente a la
atmósfera pero retienen los rasgos más importantes y
dan una aproximación muy fiable al estado real.
• Son programados en computadores y se ingresan los
datos obtenidos por la observación de las variables
meteorológicas.
• Cada conjunto de ecuaciones es resuelto para varios
niveles de la atmósfera.
Meteograma
•
Se trata de un gráfico que muestra como evolucionan una o más variables
meteorológicas en un periodo de tiempo dado y en distinto niveles.
Meteograma que muestra la evolución en 30 horas de precipitación, espesores 1000/500,
temperatura en 850 hPa, Temperatura y punto de rocío en superficie y presión a nivel del mar
Radiosondeos
• Proveen perfiles verticales de temperatura, punto de
rocío y vientos. Son muy útiles en el pronóstico a corto
plazo.
• A partir de ellos se calculan una diversidad de índices
que permiten estimar las condiciones de la estabilidad
vertical de la masa de aire.
• Esto puede facilitar el pronóstico de fenómenos de
menor escala como tormentas convectivas, granizo y
eventualmente tornados o tiempo severo.
• También pueden ayudar en el pronóstico de nieblas,
alertas de contaminación, vientos fuertes, etc.
Radiosondeo de la estación Ezeiza – Aero, 20/06/15 - 12
Perfiladores de vientos:
• Son sistemas basados en radares Doppler.
• Proveen información sobre la variación con la altura de la velocidad
y dirección del viento.
• Dan información en varios niveles de la troposfera y son de gran
aplicación en aeropuertos, aportando información adicional a pilotos
(briefing) sobre áreas de fuertes vientos o cortantes verticales.
Imagen de un radar perfilador de vientos
Satélites
• Aportan datos sobre variables meteorológicas como
temperatura, contenido de vapor de agua, vientos entre otras.
• Las imágenes son en el espectro visible, infrarrojo (realzado o
no) y vapor de agua.
• Proveen información en áreas donde no hay otros sistemas
de observación y que puede utilizarse en modelos.
• Los hay de distintos tipos según la orbita que lleven:
- Geoestacionarios: su orbita esta a 36.000 km de altura y
tienen la misma velocidad angular que a Tierra, de modo que
enfocan siempre el mismo sector del planeta.
- De orbita polar: se desplazan a una altura de 1.440 km
yendo de polo a polo. Pasan dos veces al día por cada región
que cubren.
Orbita relativa de los satélites geoestacionario y de orbita polar
Cartas de superficie
• Representan la configuración de la atmósfera a nivel del
mar.
• Cuando corresponde al día en curso se la denomina
“Análisis”
• En ellas se plotean los campos de presión, mostrando
los sistemas ciclónicos y anticiclónicos.
• Permiten el seguimiento de dichos sistemas y su
evolución a través del tiempo.
• También se aplican en diagnosticar y pronosticar la
ubicación de sistemas frontales en superficie.
• Usualmente se combina su uso con cartas de altura y
espesores.
Carta meteorológica de superficie (análisis) – Sur de Sudamérica, 20/06/2015
Cartas de altura
• Representan la configuración de la atmósfera en niveles
altos de la atmósfera.
• Se construyen para niveles estándar de 1000, 900, 850,
700, 600, 500, 300 y 200 hPa.
• En ellas se plotean las alturas geopotenciales del nivel
isobarico que representen, mostrando los patrones de
ondas que definen las vaguadas y cuñas en altura.
• Permiten se aplican en diagnosticar y pronosticar la
ubicación de altas, bajas y sistemas frontales en
superficie dada la influencia que tienen sobre ellos.
• Usualmente se combina su uso con cartas de superficie y
espesores.
Carta meteorológica de 500 hPa – Sudamérica, 20/06/2015
Cartas de espesores
• Muestran los espesores de atmósfera entre dos
niveles isobáricos estándar.
• Se trata de la diferencia en metros
geopotenciales de las alturas respecto del suelo
de esos dos niveles.
• Usualmente se utiliza el espesor 1000/500 hPa.
• Se aplican para diagnosticar y predecir las
temperaturas en un región.
Carta de espesores de 1000/500 hPa – Sudamérica, 20/06/2015
Métodos de pronóstico
• Antes de 1950 (y en Argentina antes de 1994) los mapas del
tiempo y las cartas meteorológicas eran ploteadas a mano.
Se utilizaban reglas relacionadas a sistemas en particular.
• Para pronósticos de 6 horas o menos se consideraba que los
sistemas se movían a ritmos constantes.
• Las cartas de altura eran utilizadas para predecir tormentas
en superficie y como se profundizarían o debitarían los
sistemas en altura.
• Las posiciones de esos sistemas se predecían aplicando
técnicas de extrapolaciones gráficas lineales y mapas de
corrientes.
• La experiencia jugaba e papel más importante. El
advenimiento de las computadoras mejoró los pronósticos.
Predicción numérica del tiempo
• Las computadoras modernas pueden procesar inmensos
volúmenes de información en tiempos cada vez más cortos.
• Los modelos ofrecen como salida gráficos y cartas de
superficie y altura, las cuales son interpretadas por los
meteorólogos.
• Eventualmente se corrigen errores en los datos iniciales.
• La carta final quedescribe la situación inicial se denomina
Análisis.
• Los modelos también ofrecen cartas de pronóstico,
obtenidos por rutinas de predicción numérica.
• Estas cartas de pronóstico pueden hacerse para 6, 12, 24, 36
y hasta 96 hs en el futuro y dan la posible posición de los
sistemas en esos tiempos.
• En la actualidad hay gran variedad de modelos.
• Suelen presentar ligeras diferencias que dependen del
modo en que aplican las ecuaciones o la distancia entre
los puntos de la grilla (resolución del modelo).
• Los pronosticadores usan estas salidas de los modelos
como guías para su trabajo.
• La experiencia les permite reconocer que modelos
representan mejor cada región o que niveles. Y la
experiencia es un factor fundamental.
• Los modelos tienden a pronosticar mejor las
temperaturas, presiones y los patrones de los Jets que
la precipitación.
Algunas reglas prácticas de diagnóstico y pronóstico
Situación a pronosticar
¿Cielo nublado o despejado?
Pronostico de lluvia
¿Será lluvia o nieve?
Intensificación de bajas en superficie
Uso de cartas de pronostico
En la carta de pronóstico de 700 hPa, el contorno
de humedad relativa correspondiente al 70 %
separa las zonas más nubosas de las más
despejadas.
En la carta de pronóstico de 700 hPa, el contorno
de humedad relativa correspondiente al 90 %
separa las zonas con más probabilidad de
precipitación.
En la carta de pronóstico de 850 hPa, al sur de la
isoterma de -5 °C , mientras que al norte de la
misma es más probable que a precipitación sea
en forma de lluvia.
Para una tormenta intensa, una zona de
divergencia en niveles altos debe estar encima de
una tormenta ciclónica en superficie. En una carta
de pronóstico de 500 hPa que muestra la
vorticidad, la divergencia en niveles altos se da al
este del máximo de vorticidad ciclónica, habrá
ascenso en esa columna de aire y desarrollos
ciclónicos en superficie.
Humedades relativas en 700 hPa – Sudamérica, pronostico para las 12 Z del 22/06/2015
Sudamérica, imagen satelital de las 21 Z del 22/06/2015
Temperaturas en 850 hPa – Sudamérica, pronostico para las 12 Z del 22/06/2015
Vorticidad absoluta en 500 hPa – Sudamérica, pronostico para las 12 Z del 22/06/2015
Otros métodos de pronóstico
Persistencia
• La atmósfera tiene cierta “memoria” de sus estados
anteriores y cercanos, esto se define como “persistencia”.
• Es una característica que ayuda a la hora de hacer un
pronóstico.
• Las condiciones del día siguiente tendrán alta correlación con
las del día anterior.
• Es particularmente útil en condiciones regulares de la
atmósfera, en áreas lejos de sistemas activos como ciclones
o frentes.
• Requiere por parte del pronosticador un seguimiento de las
situaciones sinópticas a través de los días.
Estado continuo de los movimientos atmosféricos
• Es un concepto según el cual los sistemas en la atmósfera
tienden a moverse a velocidades regulares, más o menos
constantes y en la misma dirección en las que se vienen
desplazando.
• Esto permite calcular esas velocidades (observando mapas en
distintos tiempos) y predecir el tiempo de arribo de los sistemas
a una región.
Método análogo
• Se basa en la comparación de situaciones actuales con potras
similares que hayan ocurrido en el pasado.
• De este modo se puede esperar que las evolución de las
condiciones atmosféricas sigan un patrón similar.
• Para aplicar esto se requiere de un amplio banco de datos y
mucha experiencia por parte del pronosticador.
• El problema es que nunca serán exactamente las mismas
situaciones, esas diferencias iniciales pueden causar
importantes diferencias en las situaciones posteriores.
Modelos estadísticos de pronóstico
• Son modelos a los que se les han aplicado correcciones
estadísticas “pesadas” o “ponderadas”, basando en
situaciones análogas.
• Esto es principalmente aplicado en pronósticos a mediano
plazo, de 10 días o más.
• Este tipo de pronóstico se lo denomina también “pronóstico
climatológico”.
• El ejemplo de la figura da la probabilidad de ocurrencia de
nieve en el día de navidad y está basada en la estadística de
30 años.
Tendencias climáticas de
Precipitación, Temperaturas
medias, Temperaturas máximas
Medias y Temperaturas mínimas
Medias para Argentina (1961 –
2014)
Pronósticos climáticos de Temperaturas medias y Precipitación
para Argentina, válido para junio, julio y agosto de 2015
Tipos de pronóstico
Nowcasting
• Pronóstico a muy corto plazo, no más de 6 u 8 horas.
• Se basa, además del uso de modelos, en la fina observación
de las cartas de superficie, imágenes de satélite y radar
Doppler, radionsondeos y la apreciación personal.
Pronósticos a corto plazo
• Normalmente realizados a 12 horas o unos pocos días en el
futuro.
• Se aplican hache además de las otras fuentes de
información, las cartas de altura, con especial foco en los
vientos.
Pronósticos a mediano plazo:
• A menudo llamado también “pronóstico extendido” se realiza
de 3 a 8 días en el futuro.
• En algunos casos se puede extender a 15 o 16 días,
utilizando modelos específicos (basados en tecnicas
estadisticas y por analogía).
• A mayor extensión se reduce la precisión.
Pronósticos a largo plazo:
• Se basan en modelos que predicen para más de 15 días.
• Estos modelos no pueden pronosticar temperaturas o
precipitación y sólo muestran las características del tiempo a
grandes rasgos.
• Pueden utilizarse para dar las condiciones de tiempo en un
mes en particular.
• No se trata de pronósticos estrictamente, simplemente
permiten
comparar
patrones
esperados
con
los
climatológicamente establecidos.
• Son utilizados por ejemplo para el caso de El Niño y La Niña.
Errores en los pronósticos
• Los modelos tienen fallas inherentes a su diseño, las
cuales limitan su precisión.
• Cada modelo idealiza a la atmósfera real y hace ciertas
asunciones con respecto a varios aspectos.
• Estas asunciones pueden hacer enfoque en ciertos
procesos atmosféricos y dejar de lado otros.
• Un problema típico ocurre en los modelos regionales, los
cuales tienen dificultad para tratar los datos en los bordes
de su retícula, por tanto tienden a representar mal o no
representar los sistemas que pasan por esas “fronteras”.
• En ocasiones, modelos globales de menor resolución que
los regionales describen mejor esas mismas áreas y los
sistemas que por ellas circulan.
• Pero el uso de estos modelos globales con la misma
resolución que los regionales implicaría la necesidad de
sistemas de computación mucho más sofisticados y costosos.
• En las latitudes medias, el problema se acentúa en la región
oeste del modelo, que es por donde ingresa el flujo medio.
• Pese a que diariamente se hacen mies de observaciones
meteorológicas, existe una gran escasez y dispersión de
datos en grandes áreas como lo océanos y las regiones
polares.
• Para solucionar eso se están utilizando datos obtenidos de
los satélites GOES, los cuales pueden proveer de perfiles de
temperatura y humedad para ser utilizados en los modelos.
• Los perfiles de vientos se obtienen de varias fuentes como los
radares Doppler e incluso satélites.
• Otra fuente de error es la escala misma de los modelos.
• Si la distancia entre puntos de grilla es de 80 o 100 km,
se representarán bien sistemas de escala sinóptica
como ciclones y anticiclones, pero sistemas de escala
menor como las tormentas escaparán a la “visión” del
modelo.
• Los modelos de mesoescala predicen mejor estos
aspectos, con puntos de grilla de 0,5 a 1 km, pero esa
resolución es muy costosa para modelos globales.
• Otra fuente de error es que muchos modelos no
reproducen adecuadamente factores como la influencia
de las grandes superficies de agua o hielo, la fricción
con el terreno y las características del mismo.
• Las regiones montañosas a menudo son difíciles de
representar y se acude a formatos “cuasi” regulares.
• Estos factores se tratan “parametrizandolos”, es decir,
introduciéndolos como factores constantes.
• Las fluctuaciones aleatorias que tiene la atmósfera y que
están implícitas en el “caos” natural de la misma,
tampoco pueden ser tratadas por los modelos.
• Estas fluctuaciones introducen cambios en la evolución
de las condiciones atmosféricas, de modo que en unos
días hay una notable diferencia entre la situación real y
a pronosticada por los modelos.
• Para acotar los efectos del
natural caos de la atmósfera, se
están usando técnicas de
“pronósticos por ensambles”.
• Esto se basa en correr varios
modelos (o distintas versiones
del mismo modelo) comenzando
con leves diferencias en los
datos iniciales, o que se reflejará
en errores inherentes a esas
diferencias.
• Haciendo las sucesivas corridas
y superponiéndolas en una
misma carta se podrá aprecias
las regiones donde el modelo es
convergente y las que no.
Pronóstico por ensamble del nivel de 500
hPa, Hemisferio Norte, 21 de julio de 2005
Pronósticos usando cartas de superficie
• Para hacer un pronóstico con cartas de superficie es
deseable disponer no sólo del análisis de ese momento
sino de las cartas anteriores.
• Esta cartas pasadas permiten determinar la posición y
velocidad que los sistemas han tenido e inferir su
evolución.
Determinando el movimiento de los sistemas del
Tiempo.
• Hay varios métodos para pronosticar el movimientos de
los sistemas de presión y frentes en superficie. He aquí
algunas reglas principales.
• 1.- Para cortos intervalos de tiempo los ciclones de
latitudes medias y los frentes tienden a moverse
aproximadamente en la misma dirección y velocidad que
en las 6 horas previas (a falta de una evidencia clara de lo
contrario).
• 2.- Los sistemas de baja presión tienden a moverse
paralelamente a las isobaras en el sector del aire caliente,
por delante del frente frío.
• 3.- Las bajas tienden a moverse hacia las regiones donde
se registran las caídas de presión más marcadas, por lo
tanto es importante seguir la tendencia “trihoraria” de la
presión. Lo contrario ocurre con las altas migratorias.
• 4.- Los sistemas de presión en superficie tienden a
moverse en la misma dirección que el viento en el nivel de
500 hPa. La velocidad con la que se mueven en superficie
es aproximadamente la mitad de ese viento en altura.
Carta de isalobaras para América del Norte
Desplazamiento de los sistemas de Alta y Baja presión
para USA aplicando la carta de isalobaras
• Cuando los mapas de superficie son examinados
cuidadosamente y se aplican las reglas 1 y 2, pareciera que
los sistemas de baja presión tienden a moverse al Noreste en
el hemisferio Norte y al Sudeste en el hemisferio Sur.
• Si las tendencias de la presión son ploteadas en un mapa y
se trazan las isolíneas correspondientes (isalobaras), se
verán con claridad las regiones proclives a los descenso y
ascensos de la presión, por lo tanto las posiciones de los
sistemas de baja y alta presión en el futuro cercano.
• Las tendencias de la presión no sólo pueden dar información
del movimiento de los sistemas, también pueden indicar
como cambiarán con el tiempo.
• Una rápida caída de la presión indicará que las tormentas se
profundizarán en esa dirección.
• Esa profundización será más importante cuanto más
cercanas sean las isalobaras.
• Por otro lado, una caída de la presión en las cercanías
de un anticiclón es indicativa de que este se estará
debilitando, mientras que un aumento de la presión
indicará que el Alta se profundizará.
• Si no se tiene acceso a las cartas de isalobaras o la las
cartas de superficie de las horas previas, se puede
recurrir a mapas de trayectorias “promedio” calculadas
climatológicamente.
• La carta de 500 hPa y los pronósticos de este nivel son
un buen instrumento para predecir la evolución de los
sistemas en superficie.
Referencias
• Ahrens, C. D. Meteorology Today, 9º edición, año
2009.
• Servicio Meteorológico Nacional, imágenes de la página
web: http://www.smn.gov.ar/
• Universidad de Wyoming, imágenes de la página web:
http://weather.uwyo.edu/models/fcst/index.html?MODEL
=gfs003