CIENCIA. Acerca de la precisión de los modelos meteorológicos

Acerca de la precisión de los modelos meteorológicos

 

EURO1k - Precipitación y radiación global en resolución de 1 km

Un modelo meteorológico numérico calcula los estados actuales y futuros de la atmósfera con la ayuda de ordenadores y basándose en datos medidos, tanto localmente como teledetectados. Se utilizan ecuaciones físicas complejas, que se calculan mediante ordenadores de alto rendimiento con enorme potencia y se procesan en previsiones meteorológicas de alta resolución.

04 septiembre 2023.- Cuando se utilizan modelos meteorológicos, se hace una distinción entre resolución espacial y temporal. Una alta resolución espacial en los modelos meteorológicos significa, por ejemplo, que todos los puntos de datos no están a más de 1 km de distancia entre sí. Con una alta resolución espacial de 1 km o menos, se pueden mapear muchos efectos locales y dinámicos, refinando en gran medida y mejorando así los pronósticos meteorológicos a nivel local. Por otro lado, una alta resolución temporal significa que el modelo detecta cambios en el tiempo en intervalos de tiempo cortos, como cada 20 minutos.

En los modelos meteorológicos globales, es común un tamaño de malla de 10 a 50 kilómetros. Esto suele ser suficiente para predecir de manera óptima las condiciones en la atmósfera superior, pero la topografía por debajo de la resolución horizontal (10 a 50 kilómetros) no puede ser capturada por los modelos y, como resultado, los eventos de escala más fina, como las tormentas eléctricas, no pueden modelarse. Así, las previsiones de parámetros cercanos a la superficie terrestre, como el viento y la temperatura máxima o mínima, pueden ser inexactas a nivel local. Se requieren modelos globales de mayor resolución para cerrar estas brechas de datos.

Ejemplos de modelos meteorológicos globales son, entre muchos otros: el Sistema de Pronóstico Global Americano (GFS) con una resolución de aproximadamente 25 km y el modelo de pronóstico del Centro Europeo de Pronósticos Meteorológicos a Plazo Medio (ECMWF) con una resolución de aproximadamente 10 km.

Modelos meteorológicos locales

A diferencia de los modelos meteorológicos globales, los puntos de la cuadrícula de los modelos meteorológicos locales están mucho más juntos. La autonomía habitual es de 1 a 15 km. La regla es: cuanto más cerca, mejor será la resolución de los modelos individuales. Esto requiere mucha más capacidad de cálculo y, por lo tanto, sólo se calcula para un período de uno a tres días.

Un modelo meteorológico local a menudo sólo puede cubrir un dominio limitado. Para incluir influencias relevantes provenientes de fuera de una determinada región, se tienen en cuenta las aristas de los modelos globales. Este principio se denomina "anidamiento" y tiene como objetivo proporcionar mejores predicciones del modelo en los bordes.

El DWD-ICON EU, con una resolución de aproximadamente 5 km, es un ejemplo de modelo meteorológico local.


¿Cómo funcionan los modelos meteorológicos?

El dominio computacional está discretizado con celdas de cuadrícula. De este modo se pueden representar en el espacio tridimensional en función del tiempo variables físicas relevantes como la temperatura, la presión del aire, la humedad, la dirección y la velocidad del viento. El estado de la atmósfera y sus cambios se modelan como un sistema de ecuaciones diferenciales parciales. Se utilizan métodos numéricos para resolver estas ecuaciones complejas. Para ello se utilizan ordenadores de alto rendimiento.

Fuentes de error en los modelos meteorológicos

Generalmente existen límites a la calidad del pronóstico de los modelos meteorológicos. En este caso pueden aparecer fuentes fundamentales de error, como por ejemplo:

  • Resolución insuficiente del modelo (horizontal y vertical): los procesos que tienen lugar por debajo de la resolución del modelo no se pueden predecir de manera óptima.
  • Inexactitud en las condiciones iniciales: cuantos menos datos de observación se incluyan en el modelo en el paso de tiempo inicial, menos realista será el estado inicial del modelo y menos precisa será la predicción posterior.
  • Mala parametrización del modelo: los errores en las ecuaciones del modelo (en el código del programa) pueden dar lugar a predicciones incorrectas.
  • Error de predicción numérica: la solución de las ecuaciones contiene errores de redondeo numérico que pueden acumularse hasta generar errores mayores durante el tiempo de ejecución del modelo.

EURO1k: el modelo meteorológico a escala fina para Europa

EURO1k es un modelo meteorológico de altísima resolución para toda Europa, calculado por nuestro equipo de expertos con una resolución de 1 km. Esta resolución es única para un modelo meteorológico. De este modo, el EURO1k de Meteomatics puede generar pronósticos espaciales y temporales altamente precisos en toda Europa, y esto de forma totalmente individualizada para los sectores relevantes. Se añaden al modelo una gran cantidad de datos de medición de diferentes países europeos y se incorporan más detalles meteorológicos.

Con una alta resolución temporal conseguimos mejorar considerablemente las previsiones meteorológicas con respecto a la ocurrencia temporal de los fenómenos meteorológicos. Nuestros datos meteorológicos los proporcionan los cálculos del modelo con una resolución de 20 minutos (la resolución temporal de otros modelos suele ser de 1 hora). Mediante la interpolación de datos, los datos se pueden emitir con una resolución de tan solo un minuto.

Con el EURO1k establecemos estándares completamente nuevos en el ámbito de la precisión y actualidad de las previsiones meteorológicas, para toda Europa y, en algunas zonas, incluso más allá

Ventajas del Modelo Meteorológico Europeo EURO1k

El estándar para los modelos meteorológicos globales es una resolución de 20 km. Así, el EURO1k es el primer y hasta ahora único modelo en Europa que cubre una resolución que puede modelar incluso los fenómenos meteorológicos más pequeños (tormentas, granizo, tormentas, etc.). Utilizando algoritmos de reducción de escala basados ​​en los datos geográficos más precisos, el EURO1k con resolución de 1 km incluso alcanza resoluciones de modelo de hasta 90 metros. Para afinar aún más las previsiones, el modelo meteorológico europeo se recalcula cada hora con los últimos datos meteorológicos.


Qué hace que EURO1K sea tan especial:

  • Una resolución de 1 km.
  • Plazo de entrega de 48 horas.
  • Cobertura geográfica de toda Europa.
  • Actualización horaria del modelo meteorológico con integración de todos los datos de medición y observación disponibles en Europa
  • Uso exclusivo de drones meteorológicos
  • La reducción de escala permite una resolución de hasta 90 metros
  • Más de 1800 parámetros meteorológicos disponibles
  • Disponibilidad de datos en tiempo real
  • Condición de frontera: ECMWF-IFS

¿Cómo funciona el EURO1k?

Un modelo meteorológico es tan bueno como sus condiciones iniciales. Por tanto, las condiciones cualitativas son cruciales para el cálculo. Para las condiciones límite, el EURO1k necesita valores fuera de Europa. Aquí se utiliza el modelo ECMWF-IFS, ya que se considera líder mundial en términos de calidad de pronóstico. La representación nativa del modelo es normalmente de 9 a 14 km.

Todos los datos de medición existentes se asimilan a nuestro modelo meteorológico europeo y se calculan con una resolución de 1 km. Se utilizan tecnologías de asimilación y reducción de escala de datos altamente complejas para producir pronósticos aún más precisos.

Condición de frontera: ECMWF-IFS

  • Resolución espacial: 0,1° (~9 km)
  • Resolución de tiempo: hasta 1 hora
  • Plazo de entrega: 10 días (6 y 18 UTC hasta 90 horas)
  • Actualizaciones por día: 4

Los resultados de los cálculos del modelo se procesan posteriormente mediante reducción de escala. Los datos con una resolución de 1 km se reducen a una resolución aún más fina, en este caso a 90 m. Esto es posible gracias al modelo del terreno de la NASA, que incluimos en el cálculo. De esta manera, podemos hacer uso de datos de alta resolución sobre uso de la tierra, suelo, datos del terreno, cálculos astronómicos y otras fuentes. En el paso final, las observaciones más recientes se calibran en las predicciones.


Detalles técnicos del EURO1k

Dado que el modelo se calcula en alta resolución, necesita mucha potencia informática. Para ser precisos, se necesitan 36000 CPU (procesadores). Para ello, los ordenadores de alto rendimiento en una infraestructura a prueba de fallos proporcionan la base óptima y ponen a disposición todos los datos en tiempo real.

Especificaciones técnicas

  • Esfuerzo informático: ~40000 CPU necesarias, 300 VM HPC (nodos)
  • Capacidad de almacenamiento de datos: ~20 GB por archivo => 1,5 TB por ejecución (un cálculo de modelo de EURO1k durante 24 h) => aprox. 1000 TB por mes
  • Fuente de datos: ECMWF (fuente de datos obligatoria ya que se reconoce que el ECMWF es la mejor práctica para la modelización meteorológica global)
  • Cobertura del modelo en puntos de la cuadrícula: ~4600 (ns) x ~4300 (ew) => ~20 m puntos de la cuadrícula
  • 80 niveles verticales en pasos/intervalos de 10 a 100 m
  • Dominio: Toda Europa (más el Norte de África y extensión al Este)


Fuente: meteomatics.com


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