Fenòmens meteorològics extrems: de quina manera se'n pot millorar la predicció?

(Contenido en el idioma por defecto)

La tesi doctoral de Diego Saúl Carrió Carrió investiga noves metodologies que combinen l'ús de les fonts d'informació meteorològica disponibles per obtenir prediccions més fiables i anticipades sobre pluges intenses, medicans o línies de convergència 

Els fenòmens hidrometeorològics extrems (com ara, pluges intenses, inundacions, vent huracanat, calabruix o tornados) figuren entre els desastres naturals més devastadors en termes de mortalitat que afecten la conca Mediterrània. Durant el període 2000-15 es registraren 256 víctimes directament relacionades amb fenòmens meteorològics extrems a Europa Occidental. A més, a Espanya les pèrdues econòmiques superen els 600 milions d'euros per dècada. La baixa resiliència social a les falses alarmes crea una forta pressió sobre els predictors per millorar les prediccions i els avisos a la població.

Actualment, la comunitat científica internacional afronta l’ambiciós repte de generar prediccions útils, fiables i anticipades, de fenòmens severs (tornados, medicans, pluges intenses, vent huracanat...). Les deficiències en la predicció de la localització (espacial i temporal), intensitat i fenomenologia d’extrems s’originen en els errors en l’estat inicial, en mancances en els processos físics modelats i, principalment, en la inherent naturalesa caòtica dels models físics actuals de l’atmosfera. En aquest context, el problema requereix un tractament mixt dinàmic probabilista, que situaria el problema a la frontera del coneixement.

La tesi doctoral de Diego Saúl Carrió Carrió, defensada a la Universitat de les Illes Balears, ha tingut com a objectiu principal millorar les prediccions de temps d’alt impacte social a la Mediterrània Occidental, implementant un sistema d’assimilació de dades per conjunts basat en el Filtre de Kalman (EnKF). Aquests sistemes fan un ús òptim de les fonts d’informació disponibles, minimitzen els errors, però els tracten explícitament en la predicció. Aquests sistemes són especialment prometedors sobre regions amb llacunes importants d’observacions in situ, com és la mar Mediterrània i en particular la conca occidental.

Per assolir aquest objectiu, s'han realitzat diversos estudis amb els quals s’han avaluat els efectes de l’assimilació de diverses fonts d’observació sobre la predicció de fenòmens d’alt impacte que han començat principalment sobre la mar Mediterrània i que després han afectat àrees costeres poblades. A més, s’han dut a terme diversos experiments fent servir múltiples paradigmes físics i numèrics per determinar les configuracions que simulen els sistemes físics responsables dels episodis meteorològics severs a la regió occidental de la Mediterrània.

De la mar d'Alboran a Mallorca

En primer lloc, es va analitzar l’impacte d’assimilar dades convencionals/estàndard in situ a la Mediterrània Occidental amb la intenció de millorar la predicció d’una línia de convergència (squall line) que es va iniciar sobre la mar d’Alboran i que va evolucionar cap al nord-est, la qual va afectar greument les illes Balears, sobretot Mallorca. Els resultats varen mostrar que la predicció numèrica d’aquest fenomen meteorològic fent servir les observacions convencionals era capaç de representar amb més precisió la formació i evolució de la línia de convergència, que en el cas de no tenir en compte aquestes observacions addicionals.

En segon lloc, es va aplicar l’assimilació de dades convencionals juntament amb dos sistemes de prediccions per conjunts addicionals en un estudi hidrometeorològic sobre la conca del Serpis (València) per avaluar quin sistema produïa més bona estimació de la quantitat de precipitació recollida per la conca. El sistema de predicció format per l’EnKF tenia en compte incerteses associades a les condicions inicials i a les parametritzacions físiques, mentre que els altres dos sistemes per conjunts tenien en compte únicament incerteses en les parametritzacions físiques o en les condicions inicials. Malgrat que assimilava dades convencionals i tenia en compte les dues fonts d’incerteses principals, el sistema de predicció per conjunts generat per l’EnKF no va ser capaç de superar el sistema de predicció per conjunts que emprava microfísiques diferents. En aquest cas, l’error comès per la predicció dels sistemes convectius que varen produir aquestes precipitacions intenses era molt sensible a l’esquema de microfísica emprat. El sistema de predicció per conjunts en què es basava l’EnKF emprava únicament un tipus de microfísica, i limitava, doncs, la seva diversitat; en canvi, el sistema de predicció que va mostrar més bons resultats emprava diferents microfísiques. Aquest fet va demostrar que la predicció dels sistemes convectius que varen produir aquestes precipitacions intenses era molt sensible a l’esquema de microfísica emprat. El sistema de predicció per conjunts fent servir EnKF únicament emprava un tipus de microfísica, en canvi, el sistema de predicció que donava més bons resultats emprava diferents microfísiques.

En tercer lloc, es va incorporar informació amb alta resolució temporal i espacial procedent de radars meteorològics tipus Doppler, que típicament s’empren per observar sistemes convectius intensos. D’aquests tipus de radar se’n va poder extreure informació de la velocitat radial i de la reflectivitat mesurada en diferents plans d’inclinació del radar. Fent servir aquestes observacions, conjuntament amb l’assimilació de dades convencionals, es va fer un estudi per avaluar l’impacte que tenien les dades de radar per millorar la predicció d’un cas de pluges intenses que va afectar principalment el nord i la part central d’Itàlia. Els resultats varen demostrar el potencial d’aquesta font d’observacions, malgrat que el seu efecte es veia esmorteït al cap d’aproximadament 8 hores.

Satèl·lits per preveure els medicans

Finalment, en el darrer capítol de la tesi, s’aborda l’assimilació d’observacions procedents d’instruments meteorològics instal·lats sobre satèl·lits. Les observacions obtingudes a partir dels satèl·lits ens proporcionen informació a alta resolució, tant espacial com temporal, amb una cobertura global. Aquest fet ens permet tenir més informació de l’estat de l’atmosfera sobre àrees on típicament no tenim pràcticament observacions, com per exemple damunt superfícies marítimes. Entre la ingent quantitat de diferents observacions disponible es va optar per l’assimilació de la velocitat i direcció del vent a diferents nivells de l’atmosfera.

Aquest tipus d’observacions es coneixen com a vectors de moviment atmosfèric (atmospheric motion vectors). Fent servir aquestes observacions, juntament amb les dades convencionals, es va estudiar l’impacte que tenia l’assimilació d’aquestes dades per poder millorar la predicció d’un cicló mediterrani amb característiques tropicals (medicà). Els resultats varen mostrar que els experiments en què s’assimilaven aquests tipus d’observacions milloraven significativament la representació de la dinàmica de les capes mitjanes i altes de l’atmosfera, i, per tant, podien predir amb més exactitud la intensitat i la trajectòria d’aquest medicà.

Fitxa de la tesi doctoral

  • Títol: Implementation of a high-resolution ensemble Kalman filter system for the Western Mediterranean
  • Autor: Diego Saúl Carrió Carrió
  • Programa de doctorat: Física
  • Director: Víctor Homar Santaner 

Fecha de publicación: 04/06/2019