De las investigaciones realizadas en el Hemisferio Sur se

De las investigaciones realizadas en el Hemisferio Sur se

IDENTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE SITUACIONES DE BLOQUEO A TRAVES DE UN MAPA
AUTO ORGANIZADO DE REDES NEURONALES
Adelia P. A.Alessandro - Darío Huggenberger
Facultad Regional “Delta” UTN [email protected]
Dto. de Cs. de la Atmósfera y los Océanos FCEN-UBA [email protected]
RESUMO
Implementa-se uma rede neuronal esférica sobre a base de um mapa auto organizado de redes neuronales
com treinamento por recirculación para a caracterização e classificação de campos de alturas geopotenciales,
com o objectivo de identificar e qualificar situações de bloqueio no cone sul de Sudamérica. Observa-se que
a localização e desenvolvimento dos processos de bloqueio no marco da rede, permite diferenciar situações
sinoticas em termos da localização zonal e meridional de bloqueios. Observa-se também uma discriminação
entre situações de bloqueios invernais e estivales em localizações quase antípodas na rede. A caracterização
dos processos temporários de evolução de situações de bloqueio oferece potenciais aplicações como
ferramenta de diagnóstico, de caracterização e análise de variabilidad climática e de prognóstico
RESUMEN
Se implementa una red neuronal esférica sobre la base de un mapa auto organizado de redes
neuronales con entrenamiento por recirculación para la caracterización y clasificación de campos de
alturas geopotenciales, con el objetivo de identificar y tipificar situaciones de bloqueo en el cono
sur de Sudamérica. Se observa que la ubicación y desarrollo de los procesos de bloqueo en el marco
de la red, permite diferenciar situaciones sinópticas en términos de la ubicación zonal y meridional
de bloqueos. Se observa también una discriminación entre situaciones de bloqueos invernales y
estivales en ubicaciones casi antípodas en la red. La caracterización de los procesos temporales de
evolución de situaciones de bloqueo ofrece potenciales aplicaciones como herramienta de
diagnóstico, de caracterización y análisis de variabilidad climática y de pronóstico.
INTRODUCCIÓN
De las investigaciones realizadas en el Hemisferio Sur se desprende que en las proximidades del
territorio argentino existen dos zonas con mayor probabilidad de formación de bloqueos, una
ubicada en el Pacífico sur entre los 90º y 120O y entre 50º y 70 S, y otra de menor intensidad en
el Atlántico suroccidental, en las mismas latitudes y entre 40º y 50º O.
Según Trenberth y Mo (1985), entre otros, la máxima frecuencia de casos de bloqueo se halla entre
los 45º y 60º S en el sudeste de Nueva Zelanda, con un máximo secundario en la región sudeste de
Sudamérica, y un máximo débil en el Océano Indico. Posteriormente Sinclair (1995) confirmó otra
zona en el Pacífico sur, al oeste de Sudamérica. Otros autores, tal como Higgins (1997), también
llegaron a resultados similares.
Varios autores analizaron la influencia sobre la precipitación y la temperatura, tales como Rutlland
y Fuenzalida (1991) y Márquez y Rao (1999) estudiaron un bloqueo persistente, ocurrido sobre el
sudeste del Océano Pacífico cerca de la costa oeste de Sudamérica desde el 29 de julio al 14 de
agosto de 1986. Ellos analizaron su influencia sobre la precipitación en Sudamérica, la cual
aumentó hacia el norte de la ubicación de la alta presión de bloqueo, y disminuyó por debajo de la
misma. Este incremento fue asociado a la deflexión hacia el norte de las bajas migratorias mientras
que la disminución fue asociada al efecto de la subsidencia.
Alessandro (2003 a y b; 2005 a y b) estudió la frecuencia de acciones bloquentes (B) en el período
1988-1998 en el extremo sur de Sudamérica utilizando un índice zonal I, definido como:
I=U(30S)+U(60S)-2U(45S), donde U es la componente zonal del viento en m/s en 500 hPa, en
las longitudes 100°O, 70°O y 40ºO. Cuando la componente zonal en 45º S es anormalmente débil, I
es positivo. Si esta condición permanece durante al menos cinco días consecutivos se define un caso
de acción “bloqueante¨.
Los mayores índices positivos se registraron en 100ºW, con máximos valores en el invierno y
septiembre, y los más persistentes en invierno y primavera. En los 70 W los valores medios
arrojaron intensidades mayores en invierno y primavera, y un número mayor de períodos de menor
duración. En 40ºW la frecuencia es baja y se observó en estas dos últimas estaciones del año un
ligero predominio.
También analizó la influencia de las mismas sobre la temperatura y la precipitación en la Argentina
encontrando una buena correlación. La probabilidad de obtener temperaturas por debajo de los
valores normales en el momento de producirse B en 70 ó 40ºO oscila entre un 60 y un 80 %. Las
frecuencias de días de precipitación fueron mayores al norte de los 45ºS, cuando los bloqueos se
produjeron en 70ºO, y al sur de esta latitud cuando se produjeron en 100ºO. La misma autora
analizó la incidencia sobre ambas variables con mayor precisión geográfica alrededor de los 70ºW
(2005 b) y caracterizó a las situaciones de acción bloqueante más probables aplicando el análisis de
componentes principales. Posteriormente (2009) evaluó nuevamente la incidencia de estas
situaciones sobre ambas variables pero en un período mayor (1960-2006).
De acuerdo con la preferente ubicación y con los resultados obtenidos, donde se evidenció la
influencia ejercida por los bloqueos en el cono sur de Sudamérica, en este trabajo se utiliza una red
neuronal esférica para la caracterización y clasificación de campos de alturas geopotenciales con el
objetivo de poder identificarlos y tipificarlos.
El uso de redes neuronales tiene como planteo conducente es el de simular aspectos de la fisiología
del sistema nervioso, en especial de los órganos sensoriales y los procesos de alto nivel como el
funcionamiento de la corteza cerebral. Entre las aplicaciones más relevantes se encuentran el
desarrollo de técnicas de clasificación de patrones y de ajuste en procesos no lineales. La
implementación de mapas auto organizados han resultado ser una de las herramientas más
extendidas (Kohonen, 2001).
DATOS
Se utilizaron salidas gráficas de alturas geopotenciales en 500 hPa del NCEP de 12 Z y datos
horarios extraídos de la misma fuente. Las fechas de acciones bloqueantes producidas en 100ºO y al
oeste de 70º O para el período 1995-2006 se toman de un trabajo de Alessandro (2009). Dado que
éstas incluyen a las situaciones de bloqueo, se extraen de ellas y se comparan manualmente con las
cartas sinópticas del SMN. Se considera bloqueo si al menos permanece una cuña profunda o un
centro de alta presión durante 5 días. Se contabilizaron 43 casos que responden a tales condiciones.
El ambiente de estímulos o base de datos de la red neuronal consiste en campos de geopotenciales en 500hPa
configurados a partir de reanálisis entre 100°W y 40°W, y entre 65°S y 25°S en intervalos de seis horas
obtenidos del NCEP-NOAA a través de uno de los servidores NOMAD durante el año 2008
(http://nomad1.ncep.noaa.gov:9090/dods/reanalyses/reanalysis-2/6hr/pgb/pgb).
METODOLOGÍA
En el presente trabajo se ha aplicado un método de entrenamiento por recirculación (Hinton, G. –
McClelland, J, 1988) a una red esférica de 64 neuronas, lo que en un marco más teórico pretende
simular aspectos relativos a los procesos sensoriales de la percepción y abstracción (Vargas, W. –
Huggenberger, D, 2009). En la presente aplicación se comprime en los patrones sinápticos de una
única neurona que, de esta manera, representa por sí misma un campo típico en sus pesos
sinápticos. La distribución de neuronas se configuró sobre la base de una distribución uniforme en
la superficie de una esfera unitaria de modo que las neuronas se ubican a distancias angulares
uniformes y sus posiciones se identifican por medio de los ángulos cenital y acimutal evitando los
efectos de borde en redes planas.
La red se configura sobre 64 neuronas sensibles que reciben estímulos de 43832 campos de
reanálisis de geopotenciales con resolución de 2.5° en latitud y longitud a través de 425 entradas (25
en longitud y 17 en latitud) y temporal de seis horas entre 1979 y 2008, analizando visualmente
casos seleccionados en el período comprendido entre 1995 y 2006 con el objetivo de caracterizar la
tipificación y clasificación establecida en la red.
La estructura de la los campos típicos se encuentra sintetizada en los patrones vectoriales de pesos
sinápticos inversos (Wi) que reconstruyen la señal original. La determinación del conjunto de
patrones de entrada mejor representados por cada neurona se realiza por medio de una medida de
distancia euclidiana.
RESULTADOS
Se realiza una primera clasificación considerando que el campo de geopotenciales identificado por
la neurona 39, ubicada en la parte central superior de la red en su proyección cilíndrica (fig. 1),
caracteriza una situación típica de bloqueo en el Pacífico sur expresada en el campo de geopotenciales,
con una cuña centrada en 100°W y 50°S. La neurona 28, próxima a la 39, caracteriza una cuña entre 75°W y
80°W curvada hacia el oeste en altas latitudes. La neurona 64, también vecina de la 39, presenta en cambio
una cuña más hacia el oeste entre 90°W y 100°W. La neurona 3 caracteriza un campo con una cuña aún más
desplazada hacia el oeste y todavía más al oeste el que es representado en la neurona 46. La neurona 11 tiene
asociado un campo con una cuña entre 85°W y 90°W mientras que la neurona 43 contiene un campo con una
definida cuña en 85°W.
A modo de ejemplo de la caracterización de un proceso de bloqueo en la red, se presenta en la
figura 2 la situación correspondiente al período entre el 27 de julio de 2006 y el 1 de agosto de
2006, donde el trazo grueso identifica el período de bloqueo y los números pequeños junto a los
números de neurona en la red indican el tiempo de permanencia en el estado.
El proceso se describe a partir de la neurona 54, que caracteriza una baja presión al sur de Tierra
del Fuego entre la mañana del 21 de julio y la madrugada del 23 de julio con ocho campos
asociados, y continúa en la neurona 46 observándose un desplazamiento de la baja presión hacia el
este y un ingreso de una cuña en el Pacífico durante el resto del día 23 con tres campos asociados a
la neurona. El proceso de bloqueo (figura 3) se inicia en la neurona 64 con la cuña aproximándose a
la costa de Chile entre el 24 de julio y la madrugada del día 28 con 17 campos vinculados al estado.
El pasaje rápido al estado caracterizado por la neurona 43, con la cuña próxima a la costa chilena,
donde permanece hasta el 30 de julio, recorre la red sobre la neurona 39 sin ser caracterizado por
ella ninguno de los campos de geopotencial, pero en el campo caracterizado por la neurona 28,
donde permanece hasta el 1° de agosto, se observa que la cuña se ha desplazado sobre la Cordillera
hacia el territorio argentino. La salida del proceso de bloqueo se identifica, en esta situación, por
medio de la neurona 21, que muestra que la cuña se ha desplazado hacia el Atlántico y, en nueve
campos en la secuencia temporal, permanece hasta la madrugada del 4 de agosto. La neurona 44,
con nueve campos asociados, muestra que la cuña se ha desplazado hacia el Atlántico e ingresa una
vaguada desde el Pacífico, situación que persiste hasta la mañana del 6 de agosto.
Figura 1: Red neuronal donde se identifica la
región que caracteriza situaciones de bloqueo
.
Figura 2: Red neuronal donde se identifica al
bloqueo del período 27/07 al 1/08 de 2006
Figura 3: Geopotencial asociado con las neuronas 46 (arriba izquierda), 64 (arriba centro), 39 (arriba derecha), 43
(abajo izquierda), 28 (abajo centro) y 21 (abajo derecha)
An
CI
C
CD An
C
CD
CI
CN
Figura 4 : a) Red neuronal subdividida, y campos medios de alturas neopotenciales en 500 hPa , de bloqueos
correspondientes a C, CD, CI y CN.
En general los procesos de bloqueo se presentan de modos más complejos y variados. Se discrimina
situaciones (Fig. 4) ubicadas a la derecha (CD) de la neurona 39 (C) de las trayectorias que quedan
a la izquierda (CI) mientras que otras trayectorias se ubican desplazadas por encima (N) o por
debajo (S) de la neurona 39 (CDN, CDS), así también como las que se sitúan en los bordes derecho
e izquierdo de la grilla en proyección cilíndrica, por lo tanto en la antípoda del hemisferio superior
en la red esférica (An). De los 43 casos estudiados no se han podido clasificar sólo 5 (11,5%)
dentro de estas regiones en la red. De la comparación entre los distintos grupos formados de
acuerdo a esta clasificación, se observa que las ubicadas en C, CD y CI (27 en total), a excepción
de dos situaciones de bloqueos que se produjeron en primavera, todas corresponden al invierno y al
otoño, y las once ubicadas en An se producen en verano, a excepción de una correspondiente al
otoño.
Luego se obtiene para las distintas situaciones bloqueantes correspondientes a cada grupo obtenido
de la clasificación, los campos medios de alturas geopotenciales en 500 hPa de 12 z obtenidos de las
salidas gráficas del NCEP. De acuerdo a esta primera aproximación, ya que sólo se toman los
campos de 12 Z y los campos medios de cada situación de bloqueo, se advierte que los casos C
poseen una vaguada o un baja entre los 45°S y los 35ºS, y 80ºO, con la cuña bloqueante al oeste de
esta longitud. Las CD poseen características similares a las C pero los sistemas se hallan mas hacia
el oeste, en aproximadamente 100ºO y el eje de cuña en dirección NO-SE. Las CI muestran una alta
presión en el Pacífico o una cuña con dirección SO-NE. Las CN, presentan los centros de alta y de
baja presión desplazados hacia el sur en 90ºO, respecto a los C y CD. Las situaciones ubicadas en
An caracterizan bloqueos en el período estival con un desplazamiento meridional de las posiciones
de los centros de alta presión conservando características de los bloqueos correspondientes a C. En
la Figura 4, por problemas de espacio solo se muestran algunos campos medios de alturas
geopotenciales en 500 hPa de situaciones de bloqueos, correspondientes a las clasificaciones.
CONCLUSIONES
Se ha observado que la caracterización de situaciones de bloqueo por medio de una red neuronal
permite identificar patrones típicos de acuerdo con su ubicación en la red y reconocerlos como parte
de una trayectoria en el mapa de red. La ubicación de estas trayectorias se vincula con situaciones
diferenciadas en términos de la posición zonal y meridional de los procesos de bloqueo, pero
también permite distinguir situaciones invernales de estivales. El 62.8% de los casos se ubica en la
región de la red que mejor tipifica las situaciones de bloqueo, mientras que el 25.6% corresponde a
situaciones estivales (AN) y sólo el 11.5% de los casos no pudo ser clasificado.
De esta manera es posible utilizar un mapa auto organizado como herramienta de diagnóstico en la
caracterización de situaciones explorando la posibilidad de aplicarlo a un análisis en términos de
climatología sinóptica y de variabilidad climática, tareas que se encuentran en desarrollo por parte
de los autores.
De manera prospectiva, se ha observado cierta sistematicidad en el ingreso a la zona de la red que
caracteriza situaciones de bloqueo al igual que a la salida de tales situaciones expresada en
trayectorias en el mapa de red. Es posible que la exploración de estos comportamientos sistemáticos
provea elementos de juicio para una herramienta de pronóstico de bloqueos.
La identificación de los campos de vientos asociados es probable que provea elementos de juicio
para la caracterización de índices de circulación zonal asociados a la clasificación de bloqueos.
Agradecimientos a la AGENCIA y a la UBA por financiar este proyecto a través de los subsidios
PICT 38277 y X 228 .
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