Santiago Gaztelumendi, Euskalmet - Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET
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Martes de Innobasque - Innobasqueren Astearteak ...

Martes de Innobasque - Innobasqueren Astearteak
Soluciones innovadoras desde las matemáticas
1 - Basque Meteorology Agency (EUSKALMET).
2 - TECNALIA, Energy and Environment Division, Meteorology Area.

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Santiago Gaztelumendi, Euskalmet - Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET Santiago Gaztelumendi, Euskalmet - Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET Presentation Transcript

  • Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. Santiago Gaztelumendi Coord Agencia Vasca de meteorología (EUSKALMET). Dtor Área Meteorología – División Energía y MA - TECNALIA.
  • Contenido - Introducción. - Matemáticas vs Meteo operativa. - La predicción del tiempo. - Técnicas de predicción numérica. - Predicción del tiempo en Euskalmet. - Retos futuros. 2 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Introducción. 3 La atmosfera de forma descriptiva es la envoltura gaseosa de la tierra. Es el medio en el que la energía solar se transforma en movimiento dando lugar a lo que conocemos por tiempo. El tiempo es en la práctica y en un instante dado la resultante de un conjunto de variables (temperatura, viento, precipitación, presión etc..) que caracterizan el medio atmosférico. Así pues cuando se pretende describir (pasado, presente o futuro) una situación atmosférica determinada (tiempo) debemos referirnos al valor que adquieren esas variables (magnitudes o variables meteorológicas) en un periodo o instante de tiempo dado. Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014 View slide
  • Introducción. 4 Estas variables pueden ser expresadas y relacionadas matemáticamente a través de un conjunto de ecuaciones que incluyen al tiempo como variable independiente. De forma que podemos considerar a la atmosfera como un fluido gaseoso que envuelve la tierra y que responde a las diferentes leyes físicas de la termodinámica y de la dinámica atmosférica. Es decir el sistema atmosférico puede describirse de acuerdo a relaciones matemáticas entre las diferentes variables meteorológicas incluyendo el espacio y el tiempo, estas ecuaciones son resueltas por los modelos de predicción del tiempo. Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014 View slide
  • Introducción. 5 Magnitudes más relevantes -Temperatura. - Humedad. - Presión. - Viento. - Precipitación. - Radiación. -- etc… Observación y registro. - Estaciones meteorológicas. - Redes de estaciones. - Radiosondeos. - Radares. - Satélites. - …. Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • - El uso de las matemáticas en meteorología esta tan ampliamente extendida cómo en cualquier otra rama de la física, sino más. PE: basta con pensar en la meteorología como aquella ciencia que pretende estudiar el comportamiento de la atmósfera, y en esta cómo ese gas que puede ser caracterizado por el conocimiento de ciertas variables fundamentales que responden a ecuaciones físico-matemáticas. - Es prácticamente imposible encontrar una tecnología dentro del campo de la meteorología operativa que no tenga una fuerte dependencia de principios matemáticos y/o de leyes físicas. PE: Tecnología radar, satelital, modelización, computación, instrumentación, etc… - El día a día de un centro meteorológico operativo esta lleno de datos numéricos, tablas, gráficos, diagramas, ecuaciones y formulas varias, divergencias, gradientes y otros “especímenes matemáticos”. Matemáticas vs meteorología operativa. 6 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • ALGUNAS RAMAS RELEVANTES - Análisis numérico. - Ecuaciones diferenciales. - Estadística. - Cálculo vectorial. - Algebra lineal. - Trigonometría. - Algorítmica. - .... ALGUNAS HERRAMIENTAS DE USO HABITUAL - Hojas de cálculo. - Software representaciones gráficas. - Software análisis estadístico. - Software de simulación. - Bases de datos. - Lenguajes de programación. - …… Matemáticas vs meteorología operativa. 7 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • La predicción del tiempo. 8 A la hora de estudiar y comprender el comportamiento dinámico de la atmósfera, que constituye la base de la predicción del tiempo, es necesario proceder a la definición de diferentes sistemas y a un proceso de categorización de los distintos fenómenos atmosféricos en base a ciertas escalas. La identificación y clasificación de los sistemas se hace generalmente en base a su escala espacial y su escala temporal. En la atmósfera están representados casi todos los tamaños, desde los pequeños remolinos hasta las enormes oscilaciones con longitudes de onda de cientos de kilómetros. Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • La predicción del tiempo. 9 Escalas espacio/temporales: Macroescala, mesoescala, microescala. Global-planetaria, sinóptica, regional, local. Técnicas de predicción: Patrones, climática, persistencia, estadística, numérica ….. Técnica Nowcasting Predicción meteorológica Predicción climática Resultado Información cuantitativa (datos) Información cualitativa (tendencias) Tipo Muy corto plazo Corto plazo Medio plazo Largo plazo Mensual Estacional Climático Horizonte Horas 1-4 Días Semana Semanas Mes Meses Años Decenas de años Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • El tiempo meteorológico debe ser entendido en este contexto por el valor que toman las diferentes variables meteorológicas fundamentales en un determinado instante de tiempo en un lugar determinado. Predecir el tiempo no es más que asignar en el presente un valor futuro a ese conjunto de variables (temperatura, humedad, presión, viento, etc) . Las técnicas de predicción numérica se basan en el uso de modelos numéricos que permiten obtener un pronóstico objetivo del estado atmosférico futuro mediante la resolución de un conjunto de ecuaciones que describe la evolución de las diferentes variables. Técnicas de predicción numérica. 10 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 11 CONJUNTO DE ECUACIONES TÉCNICAS DE RESOLUCIÓN CONDICIONES INICIALES CONDICIONES DE CONTORNO CODIFICACIÓN EJECUCIÓN POSTPROCESO PREDICCIÓN NUMÉRICA Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 12 Las leyes físicas que rigen el sistema atmosférico (principios básicos de conservación) una vez que se aplican ciertas técnicas matemáticas ( pueden convertirse en las denominadas ecuaciones primitivas. En este ejemplo expresadas como un conjunto de ecuaciones no-lineales de derivadas parciales con 11 variables dependientes que deben ser resueltas en el proceso de diagnóstico y pronóstico. t V x u y v z w=   . t S u x v y w z S   V.        V t V V p gk V. 1 2 q t V q S u q x v q y w q z Sn n q n n n qn n   . p RdTv T q Tv ( . . )1 0 61T p p Rd Cp0 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • dzdydzdt z y z t z z+ z y y+ y x x+ x t t+ t o 0 dydx y+Dyx+Dx yx DxDy o 13 Este conjunto de ecuaciones no tiene solución analítica y debe ser simplificado y resuelto por vía numérica mediante la aplicación de ciertas técnicas de resolución. Técnicas de predicción numérica. 13 t t x x 0 Técnicas de promediado, adecuación de escala, discretización, parametrizaciones ……….….. Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 14 La mayor parte de los modelos numéricos resuelven las ecuaciones de pronóstico empleando formulaciones de “punto de rejilla” mediante técnicas de diferencias finitas. (en el caso de algún modelo global formulaciones “espectrales”). • Resuelven las ecuaciones en puntos de rejilla regularmente espaciados. Las diferentes variables se especifican en un conjunto de puntos de rejilla. • Las derivadas se aproximan en cada punto de rejilla empleando ciertas técnicas aritméticas denominadas diferencias finitas. • La elección del tipo de técnica de diferencias finitas afecta tanto al error computacional cómo al tiempo de computación. • Todos los modelos de área limitada emplean diferencias finitas. Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 15 Todos los modelos atmosféricos tienen dos componentes fundamentales: La dinámica del modelo – Básicamente las ecuaciones de movimiento La física del modelo – Representa los procesos de forzado físico, muchos del os cuales ocurren a escalas pequeñas por lo que sus efectos deben sr incluidos de forma aproximada (parametrizada) Los modelos no pueden resolver los procesos que ocurren a una escala no resuelta por la rejilla del modelo, los ocurren por debajo de la resolución de una celda del modelo. La técnica que se emplea para tener en cuenta estos efectos sin predecirlos de forma directa se denomina parametrización. Permite incluir esos efectos de forma implicita ya que no podemos hacerlo de forma explicita. Podemos entenderlo como un proceso de emulación (modelado de los efectos de un proceso) más que cómo una simulación (modelado del proeso en si). La parametrizaicón es esencial debido a que la capacidad de computación no es suficiente para tratar todos los procesos de forma explicita bien por que :  se producen a escala sub-rejilla  son demasiado complejos para ser modelizados explicitamente (no son comprendidos en su totalidad y/o no se disponen de los datos adecuados) Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Las condiciones iniciales, es decir el estado inicial del que parte toda simulación, se obtiene mediante diferentes técnicas de análisis que emplean tanto información de anteriores pasadas del modelo como información de la red mundial de observación, interpolada a la malla del modelo. Las condiciones de contorno establecen como interactua con el modelo lo que queda fuera de sus límites. 16 Técnicas de predicción numérica. 16 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 17 CONDICIONES INICIALES ( observaciones abundantes, representativas y de calidad, convertidas en “first guess”). La técnica de análisis objetivo: permite trasladar las observaciones al modelo en cada punto de rejilla, generando un análisis . La técnica de asimilación de datos permite mejorar el análisis incluyendo gran cantidad de datos en el modelo produciendo el mejor “first guess” posible. Las técnicas de análisis variacional permiten incorporar información sobre variables no directas (pe: irradiancias satelitales directamente en vez de transformalas en temperaturas) Las tecnicas de asimilación continua (pe: al análsis variacional 4- D o 4-D Var) permite crear un análisis lo más compatible posible con el conjunto total de observaciones y sus cambios durante todo el periodo de análisis. Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • El conjunto de ecuaciones debe ser codificado y programado para su ejecución mediante supercomputadores. 18 Técnicas de predicción numérica. 18 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Los sistemas de postproceso posibilitan la generación de productos de diferente tipo, para multitud de aplicaciones. 19 Técnicas de predicción numérica. 19 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 20 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 21 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 22 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Técnicas de predicción numérica. 23 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Podemos visualizar el proceso en tres fases: Fase 1: Análisis - Diagnóstico. Red meso CAPV, Radar, perfilador, boyas, meteosat, sist detección rayos etc. Fase 2: Pronóstico - Predicción. Modelos numéricos mesoescalares aplicados a la CAPV, MOS, empíricos, nowcasting, etc. Fase 3: Formateo – Comunicación. Mapas, meteogramas, textos, web, radio, twiter, etc. Predicción del tiempo en Euskalmet 24 Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  •  Predicción local, nowcasting.  Red de observaciones densa.  Capacidades de Teledetección (Radar, rayos, perfilador, etc..)  Monitorización tiempo real.  Servicio 24/7 basado en profesionales con amplia experiencia.  Comunicación.  Meterología adversa.  Protección civil y emergencias Predicción del tiempo en Euskalmet 25 50% TECNOLOGIA 50% PERSONAS Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Retos futuros. 26 DRIVERS : - Rápido progreso científico tecnológico en este ámbito (modelización, teledetección, computación, TICs, etc) - Demanda de servicios más sofisticados , y de mayor calidad TECNOLOGIA USUARIOS Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Retos futuros. 27 INNOVACIÓN TECNOLÓGICA Nuevas tecnologías Cambios de paradigma ……….. INNOVACIÓN SOCIAL Democratización Socialización ……..… Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Retos futuros. 28 TECNOLOGIA USUARIOS CORE INSTRUMENTACIÓN Nueva instrumentación satelital, radares, drones … Redes sociales, sensores low cost,…. PREDICCIÓN Modelos integrales atmos- oceano-crio-bio, sist modelización multiescala por conjuntos, asimilación 3.0, … Open source, desarrollos colaborativos,… SOPORTE COMPUTACIÓN GPU vs CPU, Cambio paradigma -computación cuántica, … Computación distribuida, cloud computing,..… TICS Big Data, Internet de las cosas, realidad aumentada,….. Conectividad total, Internet como derecho….. Santiago Gaztelumendi. Matemáticas y meteorología operativa : La predicción del tiempo en EUSKALMET. 29 Abril 2014
  • Gracias santiago.gaztelumendi@tecnalia.com 29