MODELOS NUMÉRICOS DE PREDICCIÓN METEOROLÓGICA

1.- Que es un modelo del tiempo.
2.- Como se construye un modelo.
3.- Las observaciones iniciales.
4.- Análisis y mapas previstos.
5.- Modelos globales.
6.- La degeneración del modelo proviene del caos.
7.- La fiabilidad de una predicción y la predicción por conjuntos (cluster).
8.- Los modelos de área limitada.
9.- Las imágenes.
10.- Otras predicciones, otros procedimientos.
11.- El predictor humano.
12.- Un poco de historia.
13.- Final.

RESUMEN.- Se describe de forma sencilla, sin el empleo de ningún tipo de formulación matemática ni vocabulario científico, el procedimiento de cómo se confecciona en el momento actual una predicción meteorológica a partir de los modelos numéricos, los súper ordenadores y las telecomunicaciones.

1.- QUE ES UN MODELO DEL TIEMPO

1.1.- Realizando un producto de predicción como el que mostramos en esta página, no podíamos dejar de exponer, aunque sea de una forma elemental, los procedimientos modernos de predicción. Es conveniente que el ciudadano medio pueda tener una idea realista y lo más exacta posible, de cómo se configura una predicción del tiempo, con el fin de poder comprender lo que una predicción es y lo que significa. Sabemos que nuestro empeño no es fácil ya que las predicciones meteorológicas están basadas en los modelos numéricos del tiempo y éstos son complejos, por lo que una explicación sencilla puede adolecer de múltiples inexactitudes por lo cual anticipadamente pedimos disculpas. A pesar de ello, consideramos que es infinitamente mejor tener una idea científica aunque pudiera ser algo inexacta, a seguir alimentando ideas exotéricas de adivinanzas pueriles.

1.2.- Empezaremos diciendo que, actualmente las predicciones meteorológicas están basadas en los MODELOS NUMÉRICOS, cuyo procedimiento consiste en pronosticar mediante cálculos matemáticos las situaciones atmosféricas para los próximos días a partir de las observaciones del estado actual del tiempo o estado inicial; estas situaciones atmosféricas, de tratamiento informático, se conocen con el nombre de "modelos numéricos del tiempo".

1.3.- Realmente: ¿Qué es un modelo?.
Se nos ocurre para empezar, que deberíamos imaginarnos algo que hemos visto muchas veces, una maqueta de un edificio; en muchas de ellas, aparecen una cantidad increíble de pequeños detalles, ventanas, puertas, escaleras,... el aparcamiento, la piscina, campos de tenis,... normalmente vienen representados hasta los árboles, los automóviles e incluso las personas. En esta maqueta física sin embargo, no podemos ver el interior del edificio; nos lo impide la fachada, aunque realmente el interior no está, no se han tomado el trabajo de representarlo por el sencillo motivo de que no se puede ver, a no ser que la maqueta sea transparente o se pueda desmontar el techo o las paredes. Si hiciéramos de este pequeño edificio una maqueta matemática por ordenador, podríamos ver todos estos detalles ocultos tras la fachada de una forma muy parecida a la realidad. Algo similar, es lo que hacen los modelos del tiempo pero del edificio enorme que es la capa gaseosa que envuelve la Tierra; la atmósfera, o de otra manera; todo lo que existe a grandes rasgos, desde la superficie terrestre hasta, pongamos, unos treinta kilómetros de altura.

1.4.- Esta es una maqueta maravillosa, en ella se incluyen, la luz solar, o si lo prefieren el calentamiento del suelo por el sol, las nubes, y sus diversas clases; el suelo, y el subsuelo; su temperatura, y su humedad; la escorrentía, el intercambio capilar, las montañas, los mares, los bosques, las praderas,... y hasta el manto de nieve si lo hay, y su fusión,... y así una cantidad interminable de detalles, pero todo naturalmente de forma virtual y por tanto matemática.

1.5.- Estos modelos, realmente no fueron siempre tan perfectos; al principio, como en todo comienzo, la representación era sumamente esquelética y por supuesto modelos siempre de "noche cerrada", esto es: no existía el sol en ellos. A pesar de todo, hay que reconocer que con el uso de los primeros modelos y a pesar de todos sus defectos, se marcó un antes y un después en las predicciones meteorológicas. Poco a poco se fueron perfeccionando y se siguen perfeccionando, día a día, año tras año, haciéndose cada vez más exactos y fiables.

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1.6.- Para exponer las ideas básicas diremos que el aire, como cualquier fluido o materia, es atraído por la gravedad terrestre, es decir, pesa y por tanto se cumple que los puntos que están más abajo, en la atmósfera, soportan el peso de los que están encima, por lo que cuanto más abajo estén soportarán más peso, en otras palabras, hay más presión. Este concepto de la presión atmosférica es importante, ya que para todos es familiar hablar de anticiclones y borrascas. Intuitivamente deberemos figurarnos a los anticiclones como verdaderas montañas de aire, de la misma forma nos figuraremos a las borrascas como verdaderos valles. De otra manera, sería muy útil representarnos la atmósfera como un paisaje terrestre con sus montañas y valles, collados, mesetas,... con la única diferencia es que no hay nada estático, como ocurre en el paisaje terrestre (realmente tampoco la superficie terrestre es estática, sus movimientos sólo son percibidos en instantáneas de miles o millones de años), sino que por el contrario, todo está en continuo movimiento, tanto horizontales y rápidos, como verticales y muchísimo más lentos pero no menos importantes.

2.- COMO SE CONSTRUYE UN MODELO

Vamos a pedirles un esfuerzo de imaginación. Para construir una maqueta ideal de la atmósfera empezaremos por cubrir la superficie de La Tierra con un enorme tablero de ajedrez, pero no de madera, sino de alambre, y de tal forma que estos vértices disten entre sí unos 50 km.. En cada uno de ellos, esto es, en los vértices de cada cuadro, escribiremos los datos de presión, temperatura y humedad, que realmente hay en ese punto, para cuyo menester se hacen observaciones, llamadas de superficie, en todo el Globo. Por encima de este primer tablero, a una cierta distancia, pongamos 600 ó 1000 metros, vamos a colocar otro tablero similar en el cual escribiremos de nuevo los datos que caracterizan la nueva capa de aire, y así, iremos incluyendo tableros tras tablero; tantos cuantos necesitemos. En definitiva, lo que obtenemos es una retícula tridimensional sobre toda la superficie terrestre o lo que es lo mismo, una malla de cubos, en cada uno de cuyos vértices colocaríamos los datos citados de presión, temperatura y humedad. Es fundamental que esta imagen sencilla en tres dimensiones quede perfectamente clara, ya que la atmósfera igual que el edificio citado anteriormente, nos puede representar la estructura y los detalles de las diversas capas de aire.

3.- LAS OBSERVACIONES INICIALES

Antes nos hemos referido a los datos que se inscriben en cada vértice de la retícula, valores que se obtienen como es natural de las observaciones en la atmósfera real realizadas por personal adecuado y en un momento determinado, el mismo para todo el Globo, y que como es lógico se corresponde con una hora local distinta en cada punto de la superficie terrestre. Idealmente, el procedimiento consiste en que en un momento determinado y al grito de "ahora", personas especializadas lanzan desde los lugares donde se encuentran, unos grandes globos llenos de helio, que suben a velocidad constante y que arrastran tras si unos pequeños aparatos llamados radiosondas, que disponen de unos sensores que miden los parámetros antes citados de presión, temperatura y humedad, y que durante su ascenso los transmiten al observatorio de tierra mediante una determinada frecuencia de radio, de ahí su nombre. Por el seguimiento desde tierra, sabemos también su posición en cada instante, ya que conocemos sus coordenadas, con lo que podemos deducir otros valores, tales como el viento a diferentes alturas.

4.- ANÁLISIS Y MAPAS PREVISTOS

4.1.- Además de éstos datos se obtienen otros muchos provenientes de observatorios en tierra, boyas oceanográficas, satélites, buques, aviones, etc. Con todos ellos, se confecciona ésta maqueta ideal que llamamos MODELO. En ella, debemos distinguir dos partes bien diferenciadas: Una, que responde a los datos reales y que sirve de punto de partida, a la que llamaremos "modelos de análisis", y otra, derivada de ella, que constituyen los "modelos de datos previstos".

4.2.- Esto es, una vez que se ha conseguido la maqueta con los datos, que para no complicar las cosas vamos a llamar reales, se la hace evolucionar de acuerdo con las leyes físicas, en especial de la dinámica y termodinámica, en forma de ecuaciones matemáticas que tienen en cuenta los cambios de las magnitudes antes expresadas. La resolución de estas ecuaciones en derivadas parciales dan por resultado el poder predecir el estado futuro de la atmósfera; en otras palabras, a partir de un estado inicial podemos obtener un estado final, pero este estado final al que nos estamos refiriendo, es un estado final matemático, que va a servir a su vez de estado inicial del paso siguiente, y que, de un paso inicial al siguiente inicial solamente media un tiempo de unos 15 minutos. Dicho de otra forma, cada 15 minutos se inicia un nuevo paso; a este avance se le llama "paso de tiempo". En cada uno de estos pasos aparecen las pequeñas variaciones de los parámetros citados, variaciones que vienen estructuradas por las ecuaciones de la física. Pero no se piense que este pequeño cambio en las variables meteorológicas es trivial, para ello, es necesario realizar unas 100.000.000.000 de operaciones que, por supuesto, no van a ser posibles sin la ayuda de un súper ordenador, pues como es evidente el cálculo es necesario realizarlo en un tiempo muy inferior a estos 15 minutos, ya que de tardar más, la realidad se adelantaría a la predicción, con lo que "veríamos" la realidad de lo que está ocurriendo antes de que la maqueta nos diera el resultado o predicción, por tanto nuestro modelo resultaría superfluo y nuestro esfuerzo inútil.

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5.- MODELOS GLOBALES

5.1.- Como se ve, con cada paso de tiempo obtenemos una nueva maqueta muy parecida a la anterior, y como hemos dicho, cada una de ellas sirve de "campo inicial" a la siguiente, cubriéndose así las sucesivas etapas en la que se hace exactamente algo muy similar. En resumen, podemos decir que en los modelos de escala global, nosotros podíamos seguir llamándolo maquetas globales, se obtienen evoluciones de la atmósfera para 15 minutos mas tarde y después se hace lo mismo para otros 15 minutos y después otros y otros,... así 24 horas, 48h, 72h,..., diez días,... y todo el conjunto se hace hoy día en un tiempo récord, un tiempo que puede oscilar solamente entre tres y cuatro horas, con lo cual sí es posible aprovechar las predicciones obtenidas con una perspectiva de varios días vista.

5.2.- No entramos a mostrar la complejidad de la red de comunicaciones necesaria para el transporte de esta impresionante cantidad de datos, en los que 1 seg. es un tiempo vital, ya que en un solo día se pueden mover un número de caracteres similar al que contienen 8000 volúmenes de la enciclopedia Espasa.

6.- LA DEGENERACIÓN DEL MODELO PROVIENE DEL CAOS

6.1.- En este procedimiento de predecir un estado final a partir de uno inicial, va inevitablemente implícito un notable deterioro con el paso del tiempo ya que las pequeñísimas e inevitables variaciones pueden amplificarse de una manera extraordinaria. Estas ideas fueron someramente estudiadas ya hacia 1890 por Poincaré, Zermelo y otros. (El más conocido de todos los estudios fue el llamado "Problema de los tres cuerpos" que se resume en que, una pequeñísima variación de las condiciones iniciales de un pequeño satélite que se moviera en torno a dos planetas de mayor tamaño, se producirían  grandes cambios en las diversas órbitas efectuadas ). Para comprender el deterioro de un sistema con el paso del tiempo, permitasenos poner un ejemplo; observemos el humo un cigarrillo colocado sobre un cenicero. En unas condiciones de quietud absolutas, veríamos subir el humo como un fino pincel que sigue una trayectoria más o menos suavemente ondulada y que se va ensanchando a medida que se aleja del punto de ignición del cigarrillo (condiciones iniciales); pero observamos también, que a la menor perturbación, cambia de dirección por otra más difusa y completamente impredecible, es lo que constituye la moderna teoría del caos (Edward Lorenz: Donde estados que parecen idénticos, pero que en realidad no lo son, pueden evolucionar hacia estados claramente diferentes. Año 1961).

6.2.- De una forma similar es el comportamiento del tiempo, a medida que nos alejamos de las condiciones iniciales o punto de partida, se van produciendo "ruidos" o errores de incertidumbre o perturbaciones, que hacen cada vez más diferente la evolución de la maqueta con la evolución real que posteriormente va a tener lugar en la atmósfera, tanto, que a diez días, estas diferencias pueden ser disparatadas; este fue precisamente el genial descubrimiento de Lorenz. Afortunadamente los patrones básicos de la circulación atmosférica no son constantes, es decir, no siempre hay remolinos indeseables "en la trayectoria del humo del cigarrillo", con lo que las situaciones no son tan complicadas y se hacen algo más predecibles, lo que viene a explicar los motivos por los que, a veces, hay equivocaciones notables a muy pocos días vista y en otras, a más largo plazo, su coincidencia es casi mágica.

7.- LA FIABILIDAD DE UNA PREDICCIÓN Y LA PREDICCIÓN POR CONJUNTOS (CLUSTER).

7.1.- Como se ve, y según esto, la "sabiduría" científica del profesional predictor no consiste sólo en interpretar correctamente el mapa, sino en detectar por algún procedimiento la bondad misma de éste mapa. (Un mapa es una salida o subproducto muy particular de un modelo)

7.2.- Existen algunas herramientas que nos dan, por decirlo de alguna manera, la fiabilidad del mapa y por tanto de la predicción a realizar, y aunque no es sencillo, no creemos conveniente pasarlo por alto, se trata de la "predicción por conjuntos" (EPS cluster), de práctica cotidiana en muchos de los Servicios Meteorológicos especialmente los de Europa. Consiste en esencia, en estudiar y sopesar otras 51 (en este momento) maquetas que se hacen evolucionar de forma paralela a la maqueta principal o maqueta operativa o modelo operativo, que antes hemos descrito.

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7.3.- Estas 51 maquetas secundarias se fabrican para recoger el abanico de las posibles evoluciones que podría sufrir la maqueta principal, en el caso de que se amplificaran ciertas anomalías. Es decir, nuestro cenicero, nuestro cigarrillo, nuestra habitación, se han convertido en 51 habitaciones, con 51 cigarrillos y 51 ceniceros,... sólo hay una diferencia, en estas habitaciones nos hemos gastado un poquito menos de dinero en "amueblarlas" que en las otras; son más económicas, o en otras palabras; son modelos con menor precisión que el operativo. Por parte del lector sería lógico pensar a que viene esa persistencia en recalcar el 1, por que no 50 en números redondos. ¡Ah! es que en ese 1, en esa primera maqueta, no se ha tocado nada y la maqueta operativa es idéntica. Entonces se podría pensar que va a suceder lo mismo, y así es generalmente, pero no siempre, ya que es menos precisa o para seguir con el ejemplo "nos hemos gastado menos dinero y los muebles son más baratos". Este 1 nos sirve de "control" y se llama precisamente así.

7.4.- Tal vez con este ejemplo no hayamos sido capaces de expresar el paralelismo intuitivo entre la atmósfera y la habitación; la evolución del tiempo y la del humo del cigarrillo, pero con el fin de simplificar, al final, lo que queremos decir, es que estas 51 maquetas nos pueden dar algunas de las posibles variaciones reales del tiempo. Es claro que si, por ejemplo, para dentro de siete días las 51 maquetas coinciden con la maqueta operativa, la confianza en acertar es mucho mayor que si ninguna de las 51 maquetas coincide ni entre sí, ni con la maqueta operativa, en cuyo caso la confianza sería mínima. Entre estos dos casos extremos se encuentran infinidad de ellos con situaciones aunque no idénticas si muy parecidas. La confianza de acertar más o menos dependerá, por tanto, del número de maquetas más o menos parecidas que apoyen a la maqueta operativa.

8.- LOS MODELOS DE ÁREA LIMITADA

Una vez obtenida la maqueta global, es decir, de todo el Globo Terráqueo, podemos hacer con ella, y así se hace, infinidad de maquetas más pequeñas y manejables. Cada nación hace su maqueta local o Modelo de Área Limitada (LAM) que es la herramienta que normalmente emplea para hacer sus predicciones del tiempo.

9.- LAS IMÁGENES

Otro de los procedimientos que se suele emplear en las maquetas locales o modelos locales, para confirmar su fiabilidad, se obtiene de la exhaustiva comparación de las imágenes (fotografías) de vapor con los mapas, fundamentalmente de altura. Las fotografías de satélite evidentemente representan la verdadera situación de la atmósfera, aunque para ello no se emplean las fotos visibles tan conocidas de la "tele" sino otras prácticamente desconocidas para el gran público, que representan el vapor de la atmósfera, y en las que sólo se ven sombras y claros. El procedimiento se basa en que las diferencias detectadas entre ambos, van a constituir los núcleos de discordia para el futuro en horas y tal vez, días sucesivos; la concordancia absoluta de fotografía y mapa, aumenta el grado de confianza en relación a la predicción a realizar.

10.- OTRAS PREDICCIONES, OTROS PROCEDIMIENTOS

10.1.- No queremos terminar esta exposición sin citar otras predicciones importantes: Mapas de olas, estudios de gases, gases residuales en la alta atmósfera (pérdida de ozono), trayectorias tridimensionales especialmente de contaminantes,... etc.

10.2.- Una vez en posesión de la maqueta para un determinado momento, por ejemplo, para la predicción de dentro de tres días, se pueden hacer "cortes" tanto horizontales (como quien corta el pan para hacer un bocata), así como verticales (como quien corta un queso, sólo utilizados por los profesionales), aunque también se hacen inclinados, según convenga. Los más conocidos son los cortes horizontales que dan lugar a los "mapas del tiempo", tanto de superficie como de altura, cuando los cortes son en la superficie o a cierta altura del suelo respectivamente.

11.- EL PREDICTOR HUMANO

11.1.- Con estos mapas y con estos datos, son con los que ha de enfrentarse un meteorólogo para hacer una predicción. Vamos a suponer dos predictores encerrados en sendas habitaciones, aislados del exterior, que ambos disponen de la información que precisen y exactamente la misma. En este caso, el predictor más preparado y con más experiencia hará mejores predicciones, tomando una muestra suficientemente amplia.

11.2.- Pero aparte de la "sabiduría" del predictor influyen otros factores en una predicción, como las posibles "equivocaciones" del modelo. Nos estamos refiriendo a la idea del caos, o si prefieren, a la degeneración del modelo. En este caso, un predictor "mediocre" con un buen modelo, acertaría más que un predictor "excelente" con un modelo malo. Debemos añadir que dentro de cada predicción y para una determinada región, las cosas tampoco son drásticas en el sentido de cumplimiento de la predicción o no, nos estamos refiriendo, por ejemplo, que dada una probabilidad muy alta de nubes de gran desarrollo e incluso de frentes, ello no garantiza la precipitación en un determinado lugar. Con esto, no queremos justificar los muchos errores cometidos por los meteorólogos, sino que pueda entenderse las innumerables dificultades que pueden aparecer en una predicción atmosférica.

12.- UN POCO DE HISTORIA

12.1.- El primero que resolvió las ecuaciones hidrodinámicas por métodos numéricos fue Lewis Fry Richardson en 1922, y como en todos los principios, los resultados obtenidos fueron realmente malos, muy diferentes a los observados en la realidad, que como es lógico y al no existir ordenadores, se obtuvieron varios meses más tarde, por lo que la predicción no pasó de la mera anécdota; fundamentalmente por el excesivo tiempo empleado para el cálculo. Esto hizo que pasara al olvido hasta el momento en que las maquinas fueron capaces de veloces operaciones.

12.2.- Este es el motivo por el que las predicciones meteorológicas de tipo numérico van desarrollándose paralelamente al de los primeros súper ordenadores, por ejemplo, el CRAY de la serie uno de 1977 empleado por el Centro Europeo (CEPPM en inglés ECMWF) supuso un claro avance, pero quedando anticuado en poco tiempo ya que su potencia de calculo fue mejoranda rápidamente, de tal manera, que unos pocos años más tarde comienzan a funcionar los llamados (MPP) procesadores masivamente paralelos, basados en el acoplamiento de cientos e incluso miles de ordenadores. Para hacernos una idea, en la actualidad, y ésta cambia con gran rapidez, para una predicción a diez días son necesarias no menos de 20.000.000.000.000 operaciones.

12.3.- La primera predicción meteorológica de plazo medio fue realizada en septiembre de 1979, a partir de los trabajos de un Centro de Cooperación Europea que había sido creado en 1973, con un Órgano de Gobierno formado por una serie de Estados Miembros, que en la actualidad está compuesto por 18 países, con cuotas de participación diferentes.

13.- FINAL

13.1.- No sabemos si con lo expuesto hemos sido capaces de dar una idea de los procedimientos modernos de predicción. Su desarrollo es llevado a cabo por los meteorólogos (Físicos y otros titulados superiores, con la especialidad de meteorología), que a su vez y respecto a la predicción, se clasifican en dos grandes grupos: Por una parte los que se dedican a la PREDICCIÓN OPERATIVA cuyos profesionales tienen por misión la interpretación de los mapas, y también, la de cargar con nuestras bromas e ironías. Por otra, existe la denominada PREDICCIÓN NUMÉRICA, detrás de la cual trabajan también magníficos profesionales, en una labor sumamente complicada y completamente callada y desconocida, pero sin cuya participación la predicción no sería posible, ya que tienen por misión la fabricación del MODELO.

13.2.- Este es el procedimiento, sin el cual, no es posible hacer una predicción seria. Quede bien claro, por tanto, que no hay nada en la predicción meteorológica que esté sujeta a mágicos conjuros, druidas de pócimas físicas, químicas o mentales, sujetas a leyes mágicas, sólo por ellos conocidas.

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