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Laboratorio de Previsión del Tiempo 2011

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Laboratorio de Previsión del Tiempo 2011. Los principales objetivos que buscaremos alcanzar en esta materia son: Reconocer y comprender los mecanismos físicos que llevan a las principales situaciones sinópticas en nuestra región (olas de calor, lluvias intensas, nevadas, etc.).

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Presentation Transcript
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Los principales objetivos que buscaremos alcanzar en esta materia son:

  • Reconocer y comprender los mecanismos físicos que llevan a las principales situaciones sinópticas en nuestra región (olas de calor, lluvias intensas, nevadas, etc.).
  • Conocer las diversas herramientas empleadas para poder predecir la evolución del estado de la atmósfera en un momento dado (pronóstico del tiempo).
  • Aprender a verificar la calidad de los pronósticos.
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Programa

  • La información meteorológica. El Programa de Vigilancia Global de la Organización Meteorológica Mundial y sus componentes. Intercambio de información (datos, análisis y pronósticos) a través del programa de Vigilancia Global. El valor de la información en tiempo real.
  • Descripción del sistema de pronóstico.
  • a. Asimilación de datos: el proceso de generación de condiciones iniciales para los pronósticos numéricos.
  • b. El pronóstico numérico del tiempo: modelos regionales y globales, modelos espectrales y en ecuaciones primitivas. Diferentes sistemas de coordenadas verticales. Modelos operativos en Sudamérica. Evolución de la calidad de los pronósticos numéricos.
  • Discusión sobre situaciones sinópticas características de la región.
  • Confección de pronósticos generales a 24, 48 y 72 horas, a partir de los análisis y pronósticos de los modelos globales y regionales.
  • El problema de la verificación de la calidad de los pronósticos
  • Introducción a la predictabilidad de la atmósfera. Breve descripción de los conceptos fundamentales de sistemas caóticos.
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Condiciones para la aprobación de la materia:

  • Aprobar dos exámenes parciales (uno relativo a las clases teóricas y otro relativo a las clases prácticas). Cada examen tendrá un recuperatorio.
  • No superar un máximo de 4 inasistencias a las clases prácticas.
  • Entregar/presentar los pronósticos y las verificaciones que se requieran.
  • Aprobar un examen final.
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Hoy nos vamos a abocar a entender el concepto de Sistema de Pronóstico:

Un Sistema de Pronóstico es todo el proceso que se inicia con la toma de datos (sinópticos) y culmina con el pronóstico del tiempo, “traducido” a lenguaje coloquial, como el que podemos consultar a diario en la televisión, en los diarios, en internet o escuchar por radio.

Veamos cuáles son los grandes grupos en que se divide todo el proceso:

Recolección de datos (observaciones) Como en cualquier disciplina que busque predecir el comportamiento de un sistema, el proceso parte desde una descripción, lo más pormenorizada posible, del estado inicial (gran paralelismo con la medicina y el diagnóstico de la salud de un paciente).

Control de calidad de los datos Imprescindible para descartar datos falsos/erróneos que puedan contaminar el análisis del estado del cual vamos a partir.

Análisis de los datos Luego de las mediciones y la obtención de la información, la analizamos para caracterizar el estado actual de la atmósfera.

Modelo de pronóstico En base a algún modelo (estadístico, de análogos, matemático, etc.) vamos a predecir la evolución futura del estado desde el que partimos.

Post-procesamiento de la información La “traducción” de las salidas del modelo a un lenguaje comprensible.

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Recolección de datos (observaciones)

Buscamos hacer un diagnóstico del estado de la atmósfera en un momento determinado

Se realizan observaciones del estado de la atmósfera a horas prefijadas, en todo el mundo, y siguiendo las mismas normas.

Por convenciones adoptadas por la OMM, estas observaciones se realizan a las 00 UTC, 06 UTC, 12 UTC y 18 UTC. Argentina emplea el uso horario -3 (3 horas menos que en el Meridiano de Greenwich).

A esas horas principales, se busca que la mayor cantidad de estaciones posibles realicen observaciones y las vuelquen en el GTS (Global Telecommunication System).

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Recolección de datos (observaciones)

Veamos cuáles son las principales fuentes de información…

Estaciones de radiosondeo en Norteamérica

Estaciones de radiosondeo en Sudamérica

Mediciones a las 00 UTC y 12 UTC

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Recolección de datos (observaciones)

Estaciones sinópticas de superficie

Todas estas estaciones tienen la obligación de realizar las mediciones de rutina a las 4 horas principales. Desde ya, una estación puede medir las 24 horas del día, pero enviar datos a las 00, 06, 12 y 18 UTC es lo indispensable para ser considerada una estación sinóptica aceptada por la OMM.

Cada estación mide: temperatura, humedad, presión atmosférica, dirección e intensidad de viento, estado del cielo, estado del tiempo, visibilidad.

A las 00 y 12 UTC, además, se informan las temperaturas mínima y máxima de las 12 horas anteriores.

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Control de calidad de los datos

Es la etapa del ciclo en la cual se detectan y descartan datos erróneos. Generalmente, se emplean algoritmos (automatizados) para impedir que datos erróneos ingresen al sistema de análisis.

Ejemplos sencillos:

1) T siempre mayor o igual a Td

2) Magnitudes de viento razonables

3) Consistencia espacial en el campo de temperaturas (si en una región se registran temperaturas del orden de los 20ºC, si un dato indica -5ºC será dudoso y podrá ser rechazado)

4) En los perfiles termodinámicos, imposición sobre el gradiente térmico del entorno (siempre menor o igual a un gradiente adiabático seco, excepto en la capa más próxima al suelo)

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Control de calidad de los datos

Ejemplo de los datos de viento en la capa 1000/700 hPa obtenidos con radiosondeos, aceptados y rechazados

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Análisis de los datos

Para analizar los datos generalmente se recurre a herramientas gráficas, como el ploteo de datos en un mapa. Esto permite obtener una buena descripción espacial de las variables meteorológicas y ayuda en la determinación de los principales sistemas de tiempo: frentes, zonas de máxima humedad, etc., que serán los que determinen la evolución del tiempo en las horas siguientes.

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Modelo de pronóstico

Existen varios métodos para realizar un pronóstico del tiempo, de complejidad variable.

1) Pronóstico por persistencia: hoy está lloviendo, la temperatura mínima fue de 15ºC y la máxima de 22ºC, entonces mañana lloverá y las temperaturas oscilarán entre 15ºC y 22ºC.

2) Pronóstico por valores medios: este método requiere de la confección de estadísticas para los 365 días del año. En base a esas estadísticas, entonces, pronosticaremos que la temperatura mínima del día 10 de octubre será igual a la mínima climatológica, y así sucesivamente.

3) Pronóstico por tendencia: En general sirve para pronosticar a corto plazo. Analizando por ejemplo la posición de un frente o de un máximo de lluvia en el radar a una hora dada y sabiendo a qué velocidad se desplaza, determinamos a qué hora llegará a la zona de interés y en función de eso pronosticamos.

4) Pronóstico por análogos: Se basa en relacionar el escenario o patrón de circulación de las condiciones actuales con un patrón similar anterior y entonces pronosticar como si la atmósfera fuera a evolucionar como en el pasado.

5) Pronóstico numérico.

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Modelo de pronóstico

La simplicidad de algunos métodos no implica necesariamente que sean pronósticos pobres o deficientes. De hecho, hay zonas en que la variabilidad interdiurna es muy pequeña, haciendo que el pronóstico por persistencia sea aceptable.

Para el pronóstico numérico se requerirá de un modelo matemático que simule el comportamiento de la atmósfera. A estos modelos matemáticos, de ahora en más, los vamos a llamar modelos de pronóstico del tiempo, o simplemente modelos de pronóstico.

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Modelo de pronóstico

  • Un modelo de pronóstico está compuesto por:
  • Un conjunto de ecuaciones que gobiernan el sistema
  • Un dominio específico
  • Un conjunto de métodos numéricos
  • Un conjunto de parametrizaciones
  • Condiciones iniciales y de contorno
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Modelo de pronóstico

  • Un conjunto de ecuaciones que gobiernan el sistema
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Modelo de pronóstico

  • Un dominio específico

Modelo regional

Modelo global

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Modelo de pronóstico

  • Un dominio específico: resolución horizontal

Con la actual resolución de los modelos globales, para cubrir el globo se necesitan alrededor de 1.700.000 puntos (259.200 por cada nivel horizontal).

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Modelo de pronóstico

  • Un dominio específico: resolución vertical
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Modelo de pronóstico

  • Un conjunto de métodos numéricos
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Modelo de pronóstico

  • Un conjunto de parametrizaciones

La parametrización es cómo incluir los efectos de los procesos físicos implícitamente cuando los procesos no se pueden incluir explícitamente. Puede pensarse como una emulación (modelar los efectos de un proceso) en vez una simulación (modelar el proceso en sí mismo).

  • La parametrización es necesaria por varios motivos:
  • las computadoras no son todavía lo suficientemente rápidas como para poder tratar en forma explícita varios procesos físicos.
  • algunos procesos físicos no pueden modelarse explícitamente ya que aún no están lo suficientemente entendidos como para representarlos por una ecuación.
  • para modelar los procesos de subgrilla para tener en cuenta sus efectos en las variables de pronóstico de mayor escala.
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Modelo de pronóstico

  • Un conjunto de parametrizaciones

Los modelos numéricos no pueden resolver patrones del tiempo y/o procesos que ocurren dentro de cada “caja”.

  • Veamos como ejemplo el caso del flujo alrededor de una variedad de obstáculos sobre la superficie:
  • la fricción es mayor sobre árboles más altos
  • -los torbellinos creados alrededor de edificios y otros obstáculos
  • -la fricción es mucho menor sobre áreas abiertas

Un modelo no puede resolver ninguno de estos flujos locales, pero aún así debe tener en cuenta el efecto agregado de la superficie en el flujo en capas bajas a través de un solo número en el término de fricción. El método que tiene en cuenta estos procesos sin pronosticarlos directamente se llama parametrización.

En la atmósfera real hay muchos procesos que necesitan parametrizarse.

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Radiación atmosférica

Radiación solar

Formación de lluvia y nieve

Formación de nubes

Efectos de montaña

Radiación desde la superficie

Evaporación e intercambios de calor

Modelo de pronóstico

  • Un conjunto de parametrizaciones
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Modelo de pronóstico

  • Un conjunto de parametrizaciones

Procesos convectivos

Procesos microfísicos

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Modelo de pronóstico

  • Condiciones iniciales y de contorno

Especificar las condiciones iniciales significa determinar completamente el estado de la atmósfera en un tiempo inicial dado, a partir del cual se integrarán todas las ecuaciones que rigen al sistema (de movimiento, termodinámica, etc.).

Las condiciones de contorno contienen toda aquella información que un modelo no determina, pero que necesita para poder determinar la evolución de la atmósfera.

Ejemplos: Un modelo global atmosférico. Necesita como condiciones de contorno conocer el tipo de suelo, la temperatura de la superficie del mar subyacente a cada punto, etc. En el caso de un modelo regional, además se le agregaría la información de los bordes del dominio…

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Modelo de pronóstico

La atmósfera es un sistema caótico

Uno de los padres de la teoría del caos, el meteorólogo Edward Lorenz, descubrió que el grado de precisión numérica en las condiciones inicialesde la atmósfera proporcionadas a un modelo de predicción numérica del tiempo afectaba considerablemente los resultados del pronóstico a los pocos días de tiempo de pronóstico.

Lorenz (1963) también postuló que la atmósfera, tiene un límite finito para su predecibilidad, que estimó en 15 días (aún empleando un modelo “perfecto” y condiciones iniciales “cuasi-perfectas”) .

Por tal motivo, es crucial determinar el estado inicial de la atmósfera con la mayor precisión posible

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Modelo de pronóstico

Pronóstico meteorológico

Corto plazo

Mediano plazo

Largo plazo

  • Nowcasting: 0 a 6 hs (D)
  • Horas a 5-7 días (D / P)
  • 5-7 a 15 días (P)
  • estacional (P)

Salto entre los 15 días y estacional: asociado a las condiciones iniciales

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Post-procesamiento de la información

Distintas maneras de mostrar la misma información…

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Post-procesamiento de la información

Y en base al análisis de la situación actual (diagnóstico), las salidas de los modelos y su experiencia personal, el pronosticador elabora la previsión de las condiciones para las próximas horas y/o días, en un lenguaje comprensible para el público en general…

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En esta página tendremos todo lo necesario para empezar a trabajar en esta materia…

http://cablemodem.fibertel.com.ar/gustfront/

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De acuerdo a lo que vimos la clase pasada, antes de empezar a analizar cómo se comportará la atmósfera en el futuro deberemos hacer un buen diagnóstico de la situación actual

  • Imágenes satelitales
  • Imágenes de radar (si correspondiera)
  • Datos actuales de las principales variables meteorológicas
  • Estructura vertical termodinámica
  • Reportes de tiempo presente
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Comencemos viendo los datos presentes y las imágenes satelitales (y de radar, si hiciera falta)…

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Dentro del menú Satélite tenemos una gran variedad tanto de fuentes de información como de tipo de imágenes: IR, VIS, WV… Cada una de esas imágenes nos dará algo de información (muchas veces, complementarias entre sí). La próxima clase veremos qué nos dice cada uno de los distintos canales.

Dentro de Datos encontramos un link a los SYNOP ploteados del CPTEC. Esta es una muy buena herramienta como para dar un primer pantallazo a las condiciones de temperatura, humedad y presión en la región.

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También en DatosSMNMapa podemos cliquear sobre la provincia que nos interese en el mapa y obtener, en la parte inferior, el listado de las estaciones en esa provincia con los datos más recientes disponibles.

En el mismo menú encontramos otra muy buena fuerte de información: OGIMET. En la opción SYNOP ARG podemos obtener los más recientes reportes de estaciones de toda Argentina. Enseguida veremos cómo decodificar y leer los reportes SYNOP (para quienes no hayan cursado Observación de la Atmósfera).

En la opción METAR NOAA también podemos obtener las observaciones recientes de varias estaciones argentinas.

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Reportes SYNOP

El código SYNOP se utiliza mundialmente para estandarizar y enviar los reportes meteorológicos. La frecuencia con que las estaciones sinópticas globales envían reportes SYNOP a la red global puede variar de una vez por hora, hasta una vez cada 6 horas.

Estructura del reporte SYNOP:

AAXX 15124 87178 31403 10219 20199 39993 40138 52019 60014 72841 83600 333 10219 20193 56300 83708 96010 96446

15124: Reporte del día 15 (de marzo) a las 12Z. El 4 indica que la estación reportará el dato de viento en base a medición con anemómetro, en nudos.

87178: Identificador OMM de la estación. En este caso, corresponde a Posadas.

31403: El 3 indica que hay 3/8 de cielo cubierto. Varía entre 0 (despejado) y 8 (cubierto). Un 9 indica que hay cielo invisible (por niebla, humo, cenizas volcánicas…) y una barra / indica que no se realiza observación del cielo. El 14 y el 03 indica que sopla viento desde los 140º (Sudeste) a 3 nudos.

10219: El 1 indica que a continuación se informa la temperatura. El 0 nos dice que la temperatura es positiva (si hubiera un 1, el valor de temperatura sería bajo cero) y tenemos un valor de +21,9ºC.

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AAXX 15124 87178 31403 10219 20199 39993 40138 52019 60014 72841 83600 333 10219 20193

20199: Reporta la temperatura de punto de rocío. Con la misma lógica anterior, Td vale 19,9ºC.

39993: Presión al nivel de la estación: 999,3 hPa.

40138: Presión reducida al nivel medio del mar: 1013,8 hPa.

52019: Tendencia de presión. Subió (2) 1,9 hPa en las últimas 3 horas.

60014: La precipitación acumulada en las últimas 24 horas (4) es de 1 mm (001). Si fuese menor, por ejemplo 0,7 mm, se reportaría 69974. Por ende, la máxima pp que se puede reportar es de 989 mm.

72841: Tiempo presente (28) y pasado (4 y 1). El 28 corresponde a niebla y anteriormente hubo niebla (4) y cielo mayormente cubierto (1).

83600: Da información sobre la nubosidad. Hay 3 octavos (3) de stratus (6) y no hay nubes medias ni nubes altas.

Luego del 333 viene información climatológica…

10219: Indica la temperatura máxima de las 12 horas pasadas, que en este caso fue de 21,9ºC (en este caso coincide con la actual).

20193: Indica la temperatura mínima de las 12 horas pasadas. En este caso fue de 19,3ºC.

(más info en http://wxp.unisys.com/Appendices/Formats/SYNOP.html)

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Sólo cuando tengamos un buen diagnóstico de la situación actual pasaremos a analizar cómo evolucionará ese estado actual en el futuro, mediante la utilización de modelos de pronóstico

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Los modelos que normalmente se emplean para el pronóstico del tiempo (algunos de los cuales vamos a usar durante esta materia) pueden dividirse en globales y regionales. Veamos algunos ejemplos…

GFS (Estados Unidos)

UKMet (Reino Unido)

ECMWF (Reino Unido)

NOGAPS (Estados Unidos)

CPTEC-T213 (Brasil)

JMA (Japón)

GLOBALES

ETA-SMN (Argentina)

ETA-CPTEC (Brasil)

WRF-CIMA (Argentina)

BRAMS-UBA (Argentina)

MM5 (Estados Unidos)

ETA-Uruguay (Uruguay)

REGIONALES

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Es tanta la información que tenemos normalmente disponible a partir de las salidas de los modelos de pronóstico que en realidad no hay una receta que nos diga qué mirar primero y qué después. Quizá una buena manera de comenzar sea analizando el campo inicial del modelo que estemos empleando.

  • Para comenzar vamos a centrarnos en el modelo global GFS. En la siguiente dirección tenemos los campos analizados, para distintas variables y niveles verticales:
  • http://wxmaps.org/pix/sa.00hr.html
  • En orden, podemos ver:
  • El campo de altura geopotencial y vorticidad relativa en 500 hPa,
  • El campo de presión al nivel del mar y espesor 500/1000.
  • Omega en 700 hPa.
  • Temperatura, humedad relativa y viento en 850 hPa.
  • Líneas de corriente e isotacas en 200 hPa.
  • CAPE (sombreado) y agua precipitable.
  • En base a estos campos, hagamos un diagnóstico de la situación…
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