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METEOROLOGÍA

Previsiones detalladas

El Inpe desarrolla un modelo avanzado para el pronóstico del tiempo con alta resolución

miguel boyayanDistribución de las áreas de alta y baja presión a las 0 horas de Greenwich del día 5 de juniomiguel boyayan

Un nuevo y avanzado modelo de previsión del tiempo recibe los últimos ajustes en el Centro de Pronóstico del Tiempo y Estudios Climáticos (CPTEC), del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, sigla en portugués). Con éste, Brasil pasa a formar parte del grupo de países más desarrollados en el área de pronósticos del tiempo, junto a Estados Unidos, Canadá, Australia y nueve países europeos. Este salto de calidad, que permitirá un pronóstico más detallado a escala regional, lo proporcionó el modelo Eta (nombre de una letra del alfabeto griego), desarrollado en la Universidad de Belgrado, Yugoslavia, y perfeccionado en Estados Unidos.

En Brasil, las adaptaciones al sistema fueron coordinadas por el físico Prakki Satyamurty, jefe del Laboratorio de Meteorología y Oceanografía del CPTEC y presidente de la Sociedad Brasileña de Meteorología. La instalación del Eta es un avance en términos de confiabilidad y, fundamentalmente, de resolución, con pronósticos más detallados para toda América del Sur. El CPTEC ya abastece a todo el país con previsiones de corto plazo (72 horas), medio (entre siete y diez días) y largo plazo (hasta un trimestre). Y también, y en particular, a una cartera de 30 clientes, entre los que se cuentan Petrobras, Eletrobrás, Eletropaulo, el Operador Nacional de Sistemas Eléctricos, Cargill, Nova Dutra, Folha de S. Paulo, TV Record, TV Vanguarda y Band-Vale.

“Directa o indirectamente, todos los pronósticos del tiempo hechos en Brasil pasan por el CPTEC”, dice Satyamurty. “Nuestra homepage -www.cptec.inpe.br – actualiza más de 600 páginas de previsiones meteorológicas cada 12 horas, y suma 25 mil accesos por mes.” Al margen del pronóstico del tiempo, el equipo monitorea quemas y riesgos de quemas -especialmente en el gran arco de tala, que incluye a los estados de Rondônia, Mato Grosso, el este de Pará, Tocantins y Maranhão. Pero el principal foco de atención del grupo es el desarrollo del modelo Eta.

Seis parámetros
El objetivo de los modelos matemáticos utilizados en meteorología consiste en calcular la evolución de seis parámetros: temperatura, presión, humedad relativa del aire y viento- con tres componentes, uno para cada eje cartesiano del espacio. Conocidos los valores de estos parámetros en un determinado instante, es posible prever, por medio de extrapolaciones matemáticas, los valores futuros. Para el cálculo del llamado modelo global, se dividió la superficie del planeta en cuadrículas (cuadrados) con 100 kilómetros (km.) de lado -lo que representa un nivel de resolución de 100 km. x 100 km. Es decir que, localidades que tengan como esa distancia entre sí, reciben el mismo pronóstico.

De esta manera, lo máximo que se consigue en el campo de la previsión del tiempo es estimar valores promedio para áreas relativamente extensas.Pero con el modelo regional Eta, será posible obtener, para toda América del Sur y océanos adyacentes, una resolución de 40 km. x 40 km. -lo que, en la práctica, equivale a una ampliación de más de seis veces, es decir, un mapa meteorológico seis veces más detallado que los actuales.

Los profesionales involucrados en el proyecto fueron capacitados en Estados Unidos, en donde se produjo la primera versión del Eta, que entró en funcionamiento en 1997, pero precariamente. Desde entonces, el equipo se ha empeñado en mejorar el modelo regional, adaptando cada vez más sus parámetros a la realidad brasileña. “Así llegamos a la versión actual, cuja principal novedad consiste en la incorporación de los efectos meteorológicos producidos por la vegetación, que no formaban parte del modelo original”, informa la meteoróloga Chou Sin Chan, jefa de la división de operaciones del CPTEC. El nuevo Eta tiene también una descripción más detallada de la topografía y una evaluación más sofisticada del mecanismo de formación de las lluvias.

El modelo cubre un área que va desde los 55 grados de latitud sur (en el extremo sur del continente) hasta los 15 grados de latitud norte (en el Mar de las Antillas) y desde los 30 grados de longitud oeste (en el Océano Atlántico, un poco más allá de Fernando de Noronha) hasta los 90 grados de longitud oeste (en el Océano Pacífico, a la altura de las Islas Galápagos). Se extiende, por lo tanto, mucho más allá de las fronteras del país, y esto ayuda a detectar e incorporar las interferencias de factores externos, tales como la temperatura de los océanos.

Cálculos y fluidos
En esta escala continental, el modelo permite efectuar pronósticos a cada hora para plazos de 12, 24, 36, 48, 60 y 72 horas. “Este último intervalo de tiempo”, subraya Satyamurty, “es el límite máximo, porque, en meteorología, el precio que se paga por un mayor detalle es la disminución del plazo del pronóstico. Las previsiones de largo plazo son necesariamente genéricas -algo así como decir que, en el mes de septiembre, la región del Vale do Paraíba tendrá un clima más seco que lo normal. No es posible cuantificar ese ‘seco’, apenas se puede cualificarlo con palabras como ‘poco’, ‘mucho’ o ‘más o menos’. Cuando se pretende algo más que eso -y es eso lo que el modelo regional pretende-, se debe sacrificar el plazo”.

Dos décadas atrás, la previsión del tiempo aún tenía mucho de interpretación y dependía críticamente de la habilidad del meteorólogo para interpretar los datos disponibles. Pero la meteorología moderna se basa esencialmente en el estudio de la dinámica de los fluidos, que combina el conocimiento de las leyes físicas con las técnicas de cálculo numérico y de computación. En Brasil, ésta modalidad tuvo inicio efectivo en enero de 1995, con la llegada al CPTEC de la supercomputadora NEC SX-3, capaz de procesar diariamente el modelo global en una resolución de 200 km. x 200 km.

La computadora actual, una SX-4, aumentó la resolución a 100 km. x 100 km, y el nuevo modelo regional permitirá alcanzar la marca de 40 km. x 40 km. “Ya están siendo realizados los tests con cuadrículas de 20 km. x 20 km. Y la expectativa, para dentro de dos años, es llegar a una resolución de 15 km. x 15 km.”, estima Satyamurty. “Pero, para eso, es imprescindible construir una red de observación meteorológica más densa y, principalmente, aumentar la capacidad de procesamiento de datos.”

El país ya cuenta con cerca de 400 estaciones meteorológicas, automáticas o controladas por técnicos. Éstas son mantenidas por el Instituto Nacional de Meteorologia (Inmet), que cuenta también de 22 estaciones lanzadoras de globos o balones meteorológicos: son cerca de 15 lanzamientos por día, a un costo de cerca de 300 dólares cada uno. A las estaciones del Inmet se les suman otras 200 estaciones automáticas del Inpe y de la Agencia Nacional de Energía Eléctrica. Los datos recogidos en todos estos sondeos acaban llegando vía satélite al mismo destino: la supercomputadora SX-4 del laboratorio del CPTEC, en Cachoeira Paulista.

Esta máquina, capaz de realizar 16 mil millones de operaciones aritméticas por segundo en los momento pico y que cuesta 5 millones de dólares, ya está cerca del límite de utilización: ejecuta dos veces por día el modelo global, dos veces el modelo regional y encima es utilizada en el perfeccionamiento de modelos. Para llegar a la resolución de 15 km. x 15 km. -y el mayor detalle en el plano horizontal también implica un mayor detalle en el vertical-, es necesario un equipamiento aún más potente.

La máquina para ejecutar tal tarea será una SX-6, que alcanza en su pico una performance de 800 mil millones de operaciones por segundo. Contando todos sus accesorios, esta supercomputadora cuesta cerca de 20 millones de dólares. Su compra ya ha sido autorizada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, pero aún que se ha efectivizado. Si todo sale de acuerdo a las previsiones más optimistas, la SX-6 deberá entrar en operación en febrero de 2002.

El caos del tiempo
Resulta asombroso que una computadora de 16 gigaflops (16 mil millones de operaciones por segundo) esté siendo insuficiente para las demandas del CPTEC. Sucede que los procesos atmosféricos forman parte de la categoría de fenómenos caóticos -es decir, no totalmente previsibles, como los fenómenos periódicos, ni totalmente imprevisibles, como los aleatorios. Situados entre un extremo y otro, su evolución puede estimarse, pero solamente para un intervalo restricto de tiempo. A partir de allí, la alta sensibilidad a las pequeñas perturbaciones de un sistema caótico inviabiliza cualquier previsión (lea El control del caos, en Pesquisa FAPESP 65).

En otras palabras, los procesos atmosféricos pueden ser traducidos en ecuaciones, lo que no ocurre con los fenómenos aleatorios, pero no en ecuaciones lineales, solamente posibles para los fenómenos periódicos. Las ecuaciones de la meteorología son altamente no lineales.Todo se resume a un ejercicio de extrapolación matemática: conocidos los valores de los parámetros en el instante actual, se determinan los valores futuros. El problema es que, para extrapolar una sola variable, son necesarios cerca de mil cálculos. Y, debido a la no linealidad de las ecuaciones, o sea, a la caoticidad de los fenómenos, estas extrapolaciones solamente se pueden llevar a cabo para plazos muy pequeños.

En el modelo regional, se utilizan intervalos de tiempo de 2 minutos. Esto significa que, para una previsión de apenas 1 hora, es necesario hacer 30 x 1.000 cálculos. Para un día, la cantidad de cálculos se eleva a 24 x 30 x 1.000. Para el limite máximo de tres días, serán 3 x 24 x 30 x 1.000. Y eso para una única variable. Como las variables son seis, la cuenta tiene que crecer un poco más: 6 x 3 x 24 x 30 x 1.000. Y aún estamos lejos del número final, ya que esta cifra se refiere a una sola unidad atmosférica de investigación.

¿Cuántas unidades son? El modelo regional divide al territorio sudamericano y mares adyacentes en 40.000 cuadrículas de 40 x 40 km. Y cada cuadrícula es la base de una columna atmosférica, que es subdivida en capas de 250 metros de altura -lo que da cerca de 50 niveles en la vertical. Multiplicando el número de cuadrículas por el número de niveles, se llega a 40.000 x 50 paralelepípedos o unidades atmosféricas. Se trata entonces de multiplicar el número de unidades por la cantidad de operaciones necesarias en cada unidad, lo que da 40.000 x 50 x 6 x 3 x 24 x 30 x 1.000. Haciendo las cuentas, se llega a 25.920.000.000.000, o sea, casi 26 billones de cálculos.

Y esos cálculos no pueden ser realizados en el plazo de un año o de un mes, ni siquiera de un día. Para que el pronóstico tenga alguna utilidad práctica, es necesario que los mismos estén listo como máximo en una hora. De allí la necesidad de una máquina capaz de hacer miles de millones de operaciones por segundo. “Ninguna otra ciencia depende tanto de la computación de alto desempeño como la meteorología”, resume Satyamurty.

Un equipo integrado
Más allá de la máquina, el centro necesita contar con personal altamente calificado para operarla. Un código de previsión del tiempo generalmente tiene 200 mil líneas de instrucciones. Para dominar un conjunto de conocimientos de esa índole, es necesario estructurar un grupo de especialistas, cuya importancia se hace más evidente cuando se tiene en cuenta que los modelos meteorológicos están en permanente evolución -no solamente en resoluciones siempre más altas, sino también en representaciones cada vez más completas de los procesos físicos.El traspaso del modelo global al regional implicó una revolución en la meteorología brasileña. “Pudimos estimar mejor la influencia del relieve, de la vegetación y de los recursos hídricos”, dice Chou Sin Chan. La investigadora ejemplifica: “Aquello que, en una visión de 100 por 100, parecía ser una selva continua, reveló áreas de pastaje, ríos, lagos, etc.”

Y continúa: “En baja resolución, pronosticamos lluvias entre Cachoeira Paulista y Río de Janeiro. Cuando aumentamos la resolución, percibimos que esa lluvia, en realidad, se extiende apenas hasta Resende, y no llega a Río. En baja, somos capaces de prever que un frente frío entrará al país mañana. En alta, llegamos a un intervalo más próximo al horario real”.

“En el enfoque global no existe, por ejemplo, el Vale do Paraíba”, destaca Chou. El modelo 100 por 100 solamente considera una media entre las influencias del Vale, de la Sierra da Mantiqueira y de la Sierra do Mar. Se pierde de esa manera la información de un fenómeno típico de la región, que es la “circulación de valle”, responsable por la formación de neblina. “Este proceso es contemplado por el Eta, que permite prever también fenómenos como la helada, muy difíciles, sino imposibles de determinar a partir del modelo global. Lo mismo vale para la influencia de las montañas en el bloqueo de la entrada de la brisa marítima.”

Especialistas avanzados
“La mayor resolución es otra cuestión de ingeniería, relacionada con el desarrollo de máquinas”, dice Chou. “Otra cosa es la representación de los procesos físicos que poseen una escala mucho menor y, por eso, escapan al modelo global”. Son fenómenos como las turbulencias y el intercambio de energía entre el suelo, la biosfera y atmósfera. “Por eso tenemos un grupo especializado en convección -transmisión de calor en la atmósfera-, otro en superficie y vegetación y un tercero en orografía, para el estudio de las montañas. Junto a la adquisición de máquinas más poderosas, nuestro desafío es mejorar el conocimiento de los procesos físicos -y eso depende de la investigación y de la formación de personal.”

EL PROYECTO
Procesos Físicos en Modelos Regionales y Mejora en la Calidad de las Previsiones del Tiempo en América del Sur
MODALIDAD
Línea regular de auxilio a la investigación
Coordinador
Prakki Satyamurty – CPTEC-Inpe
Inversión
R$ 65.876,21 y US$ 163.344,79

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