la predicció del temps: de pascal al aemet -...
TRANSCRIPT
La prediccio ́ del temps: de Pascal al AEMET
Víctor Homar [email protected]
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 ?