Fundamentos de modelos numéricos meteorológicos

Previsión con modelos numéricos meteorológicos: fundamentos, ecuaciones y tecnología

Las previsiones meteorológicas actuales se basan principalmente en modelos numéricos meteorológicos que simulan la atmósfera utilizando ecuaciones físicas fundamentales.

Estas herramientas son capaces de predecir cómo evolucionará el tiempo en función de las condiciones iniciales y las leyes físicas que gobiernan los movimientos atmosféricos.

A continuación, vemos en detalle cómo funcionan estos modelos, las ecuaciones que utilizan, el tipo de ordenadores necesarios para ejecutarlos y las diferencias entre los distintos tipos de ellos.

¿Cómo se realizan las previsiones meteorológicas con modelos numéricos?

Los modelos numéricos meteorológicos se basan en la simulación computacional del estado futuro de la atmósfera. El proceso básico incluye los siguientes pasos:

1. Recopilación de datos iniciales: Se recopilan enormes cantidades de datos meteorológicos, que incluyen la presión atmosférica, temperatura, velocidad y dirección del viento, humedad y otros parámetros a través de observaciones en estaciones meteorológicas, globos sonda, aviones, satélites y boyas oceánicas. Estos datos representan el «estado inicial» de la atmósfera.
2. División de la atmósfera en una cuadrícula: La atmósfera y la superficie terrestre se dividen en una cuadrícula tridimensional (latitud, longitud y altura). Cada celda de esta cuadrícula tiene datos meteorológicos iniciales.
3. Aplicación de ecuaciones físicas: Las ecuaciones que describen la dinámica atmosférica se aplican en cada celda de la cuadrícula para calcular cómo evolucionarán las variables atmosféricas con el tiempo. Esto se hace a través de múltiples pasos temporales, simulando el estado futuro de la atmósfera.
4. Integración temporal: A medida que se resuelven las ecuaciones para cada celda, se va construyendo una predicción del estado de la atmósfera en el futuro (generalmente a intervalos de horas).
5. Interpretación y ajuste: Los resultados del modelo son interpretados por meteorólogos, que pueden ajustar o corregir la predicción en función de sus conocimientos y experiencia.

Ecuaciones utilizadas en los modelos numéricos

Las ecuaciones de la dinámica de fluidos que gobiernan los movimientos de la atmósfera son fundamentales para los modelos numéricos. Estas ecuaciones están basadas en principios físicos como la conservación de la masa, el momento y la energía. Las principales ecuaciones son:

1. Ecuaciones de Navier-Stokes (para fluidos en movimiento):
   • Conservación del momento: Describe cómo se mueve el aire en respuesta a las fuerzas que actúan sobre él (como la gravedad y las fuerzas de presión).

2. Ecuación de continuidad (conservación de masa):
   • Asegura que la masa de aire se conserva en un sistema cerrado.

3. Primera ley de la termodinámica (conservación de la energía):
   • Describe cómo cambia la temperatura del aire en función de los procesos de calentamiento o enfriamiento.

4. Ecuación de estado del gas ideal:

Relaciona la temperatura, presión y densidad del aire.

5. Ecuaciones de la humedad (conservación de vapor de agua):
   • Permiten calcular la evolución del vapor de agua, las nubes y las precipitaciones en función de los cambios en la humedad.

Cómo se utilizan estas ecuaciones para obtener un pronóstico

Para predecir el tiempo futuro, se aplican estas ecuaciones a las condiciones iniciales de la atmósfera en cada celda de la cuadrícula y luego se resuelven numéricamente, utilizando métodos de aproximación como las diferencias finitas.

1. Dividir el tiempo en pasos: Se divide el tiempo en pequeños incrementos (por ejemplo, cada 10 minutos). En cada paso temporal, se recalculan las variables atmosféricas (como temperatura, presión, velocidad del viento) usando las ecuaciones mencionadas.
2. Proyección a largo plazo: Este proceso se repite sucesivamente, proyectando el estado de la atmósfera hacia el futuro en intervalos regulares (horas, días).
3. Ensamblaje de resultados: Al final, se generan mapas meteorológicos que muestran las condiciones esperadas para distintas horas y días.

Ordenadores necesarios para ejecutar estas herramientas

Los modelos numéricos requieren una enorme capacidad de procesamiento debido a la gran cantidad de cálculos involucrados. Los ordenadores que se utilizan son superordenadores especializados en computación de alto rendimiento (HPC por sus siglas en inglés). Las características de estos superordenadores incluyen:

• Miles de procesadores trabajando en paralelo, lo que permite procesar millones de celdas en la cuadrícula atmosférica de manera eficiente.
• Memoria masiva, ya que los modelos numéricos generan cantidades enormes de datos en cada paso de la simulación.
• Velocidad de procesamiento extremadamente alta para poder ejecutar pronósticos en tiempos razonables (de horas a días).

Por ejemplo, el Centro Europeo de Previsiones Meteorológicas a Medio Plazo (ECMWF) cuenta con uno de los superordenadores más potentes del mundo dedicados a la meteorología, que permite ejecutar el modelo IFS (Sistema de Previsión Integrado) con una resolución muy alta.

¿Todos los modelos meteorológicos son iguales?

No, no todos los modelos meteorológicos son iguales, y pueden diferir en varios aspectos clave:

1. Resolución espacial y temporal: Algunos modelos tienen una cuadrícula más fina, lo que les permite captar detalles más pequeños (fenómenos locales), mientras que otros tienen resoluciones más amplias, lo que es más eficiente para predicciones globales. Modelos con alta resolución espacial y temporal pueden detectar fenómenos locales, como tormentas severas, pero requieren más potencia computacional.
2. Alcance temporal: Algunos modelos están diseñados para predicciones a corto plazo (de horas a pocos días), mientras que otros están optimizados para predicciones a medio plazo (hasta 15días) o incluso para climatología a largo plazo (meses a años). Por ejemplo:
   • Modelos globales como el GFS (Global Forecast System) o el ECMWF ofrecen predicciones a gran escala para varios días o semanas.
   • Modelos regionales como el WRF (Weather Research and Forecasting Model) o HARMONIE-AROME se utilizan para predicciones detalladas a nivel local o regional.
3. Procesos físicos parametrizados: Los modelos numéricos no pueden resolver explícitamente todos los procesos atmosféricos, especialmente los fenómenos de pequeña escala como la formación de nubes o la turbulencia. Por ello, utilizan aproximaciones conocidas como parametrizaciones. Diferentes modelos emplean diferentes esquemas de parametrización, lo que puede llevar a diferencias en los resultados.
4. Modelos deterministas vs. probabilísticos: Algunos modelos ofrecen una única predicción (determinista), mientras que otros utilizan métodos probabilísticos como los modelos de conjunto (ensemble models). En estos últimos, se ejecutan múltiples simulaciones con ligeras variaciones en las condiciones iniciales para evaluar el rango de posibles resultados, lo que ayuda a estimar la incertidumbre del pronóstico.