Pronóstico de ciclones tropicales

El pronóstico de ciclones tropicales es una ciencia para predecir el desarrollo de sistemas tropicales y su desplazamiento. Un ciclón tropical es una poderosa depresión meteorológica que se forma en las regiones tropicales y es impulsada por la convección atmosférica en lugar del encuentro de diferentes masas de aire como en latitudes más altas. La formación de estos sistemas depende de diferentes normas, la ciclogénesis tropical , que se han encontrado desde el XIX °  siglo . Los investigadores de la meteorología tropical y los meteorólogos de predicción han desarrollado a lo largo de los años técnicas de diagnóstico y modelos numéricos para predecir el comportamiento de estos sistemas. La principal motivación de esta previsión es minimizar los impactos sobre la población en el trayecto de estos sistemas que producen fuertes vientos, lluvias torrenciales, marejadas que inundan las costas y ocasionalmente tornados .

Historia

La primera predicción conocida del movimiento de un ciclón tropical en Occidente fue obra del teniente coronel William Reed del Real Cuerpo de Ingenieros Británicos, quien en 1847 utilizó medidas de presión atmosférica para predecir el paso de un huracán en Barbados . Benito Vines introdujo un sistema de predicción y alerta de ciclones durante la década de 1870 en La Habana, Cuba. Hasta principios del XX °  siglo , la predicción de huracanes fue la extrapolación de los sistemas de movimiento analizó de acuerdo con los datos recibidos por telégrafo desde estaciones meteorológicas en tierra. A partir de la década de 1920 , el desarrollo de la TSF permitió recibir observaciones de barcos y, posteriormente, los datos de las radiosondas permitieron tener una idea tridimensional de la atmósfera en la que se forman y se mueven los ciclones.

Durante la década de 1940 , la aviación permitió que se recibieran más datos sobre grandes áreas oceánicas, y los vuelos de reconocimiento militar buscaron estos sistemas. En 1943 , la Fuerza Aérea de los Estados Unidos realizó el primer vuelo de un huracán . En 1944 , la Fuerza Aérea de los EE. UU. Formó una sección dedicada a este trabajo, trabajo que luego sería asumido por el Servicio Meteorológico Nacional de los EE. UU . Y otros servicios meteorológicos en los trópicos. Durante la década de 1950, las redes de radares meteorológicos a lo largo de las costas permitieron ver el patrón de precipitación, y el gobierno de los Estados Unidos estableció el precursor de lo que ahora es el Centro Nacional de Huracanes y su división de investigación (Laboratorio Oceanográfico y Meteorológico del Atlántico). La llegada de los satélites meteorológicos a partir de la década de 1960, de los cuales TIROS-I fue el primero, y las boyas meteorológicas han permitido obtener aún más datos y seguir mejor el movimiento de los ciclones tropicales.

A medida que se han agregado nuevos datos al arsenal de meteorólogos, ha surgido una mejor comprensión de la estructura y las condiciones de la formación de ciclones tropicales. Las primeras técnicas de diagnóstico, derivadas de la comprensión del medio tropical, permitieron no solo extrapolar su movimiento sino también su desarrollo. Estas técnicas ponen en relación, antes del advenimiento de los potentes ordenadores modernos, la observación de la posición de los sistemas con la ubicación de las zonas favorables y desfavorables a su progresión en la atmósfera circundante. Una de las técnicas que todavía se utilizan en la actualidad es la de Dvorak, que utiliza la apariencia de los sistemas en fotografías de satélite para determinar y extrapolar su estado de desarrollo. Por otro lado, los investigadores derivaron matemáticamente la evolución del flujo atmosférico y ya en la década de 1960 intentaron producir un cálculo de su evolución que resultó en modelos numéricos de predicción del tiempo específicamente predichos para ciclones tropicales.

problemática

El motor de los ciclones tropicales es la liberación de calor latente por precipitación tormentosa . De hecho, el vapor de agua que se condensa en las gotas de las nubes libera una cierta energía que será absorbida por el vapor de agua durante la disipación de la nube. En contra, la energía utilizada para formar las gotas de lluvia , calienta el aire del nivel bajo manteniendo así el ciclo tormentoso. Por lo tanto, el aire debe ser muy húmedo en los niveles medio e inferior de la troposfera para proporcionar suficiente " combustible " para que la convección profunda mantenga el sistema.

Por otro lado, el viento es el factor crítico que controla la organización de las tormentas en una rotación ciclónica. Como existe un equilibrio entre el gradiente de presión y la fuerza de Coriolis, para que esta última sea suficiente para inducir una desviación de los vientos que genere una rotación ciclónica, es necesario alejarse del ecuador al menos 10 grados de latitud. o unos 500  km . En un área donde el potencial termodinámico es bastante alto, comenzarán a desarrollarse tormentas eléctricas. El menor monzón hueco , onda tropical , superficie de la frente muy suelta o zona de convergencia de la humedad, cuyos patrones de viento dan un giro suficiente, permiten que la convección gire alrededor de este punto focal. Sin esto último, la convección permanecerá desorganizada y sin futuro.

El cambio de vientos con la altitud, tanto de dirección como de velocidad, también debería ser pequeño entre la superficie y la tropopausa . Esto se debe a que la cizalladura más intensa lleva aire hacia arriba en las tormentas eléctricas y, por lo tanto, la precipitación, corriente abajo y seca los niveles promedio de la atmósfera. Sin embargo, el calor latente liberado por las tormentas eléctricas debe permanecer en el ciclón en desarrollo para mantener el aire caliente y húmedo a fin de perpetuar las condiciones para su reforma continua. Por otro lado, en ciclones incipientes, el desarrollo de un complejo convectivo de mesoescala en un ambiente fuertemente cizallado resultará en ráfagas descendentes que cortarán la entrada de aire húmedo cortándolo de su fuente de energía.

Si bien la formación de ciclones tropicales es todavía un vasto tema de investigación, se puede decir que de acuerdo con sus desencadenantes mencionados anteriormente, existen seis prerrequisitos para su desarrollo, divididos en dos categorías:

Termodinámica

• una temperatura de la superficie del mar suficientemente alta
• una atmósfera inestable
• una humedad absoluta más alta en la troposfera baja y media

Dinámica

• un factor de fuerza de Coriolis distinto de cero para iniciar la rotación, generalmente al menos 10 grados de latitud norte o sur del ecuador
• una zona de convergencia preexistente para servir como foco
• cizalladura vertical débil del viento .

Técnicas de diagnóstico

Camino

Las fuerzas que controlan la trayectoria de los ciclones tropicales son principalmente los sistemas de baja presión y anticiclones circundantes, así como la cizalladura del viento con la altitud. Por lo tanto, predecir la posición de estos elementos es crucial en la predicción tropical. En general, el flujo a gran escala (escala sinóptica) controla del 70 al 90 por ciento de la trayectoria.

Por lo tanto, una técnica de diagnóstico común es considerar el viento medio en la capa por debajo de 700  hPa (3000  metros ) como un predictor instantáneo de desplazamiento, al que se agrega un factor de corrección que depende de su posición con respecto a los sistemas circundantes y al hemisferio. considerado (factor de la fuerza de Coriolis ). Por ejemplo, se desviará ligeramente de la trayectoria hacia el norte de un ciclón tropical que pasa al sur de una cresta barométrica sur-tropical. Por lo tanto, las tormentas que se dirigen al noroeste se mueven más rápido y las tormentas que se dirigen al noreste se ralentizan. Cuanto mayor sea el ciclón, mayor será el impacto del ciclón . β{\ Displaystyle \ beta}β{\ Displaystyle \ beta}β{\ Displaystyle \ beta}

El pronóstico realizado con esta técnica debe utilizar la trayectoria histórica suavizada del sistema para evitar los efectos de variación a pequeña escala del mismo. De hecho, hay una precesión trocoidal del centro del ciclón cuando las bandas de tormenta no están distribuidas uniformemente. Esto generalmente se debe a la variación de la cizalladura vertical en el sistema. Para un sistema particularmente intenso, los meteorólogos a veces también usarán el viento medio en una capa más gruesa de la atmósfera.

Esta técnica y otras se derivan del conocimiento de las fuerzas que actúan sobre los ciclones tropicales, pero son solo diagnósticos. El desarrollo de modelos numéricos permitió calcular con mayor precisión las interacciones. Estos últimos dan una trayectoria que tiene en cuenta todas las observaciones cuantificadas pero están sujetas a errores inherentes a las aproximaciones de las ecuaciones que contienen, a los errores de medición de los datos y a la potencia de cálculo de los ordenadores.

Intensidad

Según los pronosticadores, predecir la intensidad de los ciclones tropicales es más difícil. Esto se debe a la naturaleza compleja de estos sistemas y su relativo aislamiento de la circulación atmosférica general. Para hacer un diagnóstico válido es necesario conocer la trayectoria que tomará el ciclón, para poder calcular el potencial termodinámico de la masa de aire a lo largo del mismo y conocer la cizalladura vertical del viento. Además, habrá que tener en cuenta el efecto inhibidor por fricción que atravesaron las costas e islas.

Se han desarrollado diferentes técnicas para evaluar la fase en la que se encuentra el ciclón, incluida la técnica de Dvorak que utiliza imágenes de satélites meteorológicos . En estas evaluaciones se debe considerar la renovación del ojo del ciclón que ocurre en huracanes / tifones / ciclones fuertes y debilita temporalmente el ciclón antes de volver a intensificarse.

El D Dr. Kerry Emanuel , del Instituto de Tecnología de Massachusetts , desarrollado en 1988 un índice llamado índice de intensidad máxima potencial para calcular la corriente máxima que puede alcanzar un ciclón. Este índice se basa en la temperatura de la superficie del mar y el perfil de temperatura vertical mediante modelos numéricos de predicción del tiempo . El meteorólogo puede crear mapas de este índice sobre los que superpone la trayectoria previamente pronosticada y deduce la intensidad futura más probable del sistema. Este método no tiene en cuenta la cizalladura vertical del viento que puede aumentar o disminuir la intensidad.

Un fenómeno a considerar, tanto por la trayectoria como por la intensidad del ciclón tropical, es el efecto Fujiwara . Esto describe la interacción entre dos ciclones que se acercan con una distancia de 1450  km entre sí. Este es un fenómeno bastante común en el Océano Pacífico Norte debido a su extensión.

Lluvia

Predecir la cantidad de lluvia que caerá con un ciclón tropical es particularmente importante ya que la mayoría de los daños y la muerte son causados ​​por este elemento. Las fuertes lluvias provocan inundaciones , deslizamientos de tierra y deslizamientos de tierra .

Las lluvias son más intensas con sistemas de movimiento lento. El huracán Wilma, de movimiento lento, causó más daños que otros huracanes de la misma intensidad porque derramó sus lluvias sobre un área más pequeña. Por otro lado, lugares como México , Haití , República Dominicana , la mayor parte de Centroamérica , Madagascar , Reunión , China y Japón son en general más afectados porque el terreno montañoso le da una elevación adicional a la tierra, aire que aumenta las precipitaciones. Eventualmente, un valle barométrico superior que se encuentre con el ciclón en latitudes medias también aumentará la elevación.

Una combinación de estos factores puede ser particularmente peligrosa y provocar efectos catastróficos, como fue el caso del huracán Mitch a su paso por Centroamérica cuando fallecieron más de 10,000 personas.

RH Kraft encontró una regla empírica en la década de 1950 para predecir la cantidad de lluvia con un huracán. Al medir las acumulaciones de lluvia (en pulgadas ) dejadas por diferentes sistemas tropicales en los Estados Unidos , utilizando datos de estaciones en las regiones afectadas, encontró que el total era igual a 100 dividido por su velocidad de movimiento en nudos . Si conocemos la velocidad de movimiento del huracán, podemos predecir la lluvia. Esta regla funciona bastante bien, incluso en otros países, siempre que el ciclón se esté moviendo y las estaciones meteorológicas principales (espaciamiento de 100  km entre estaciones) se usen para el total. Por supuesto, esta regla depende de la densidad de la red de estaciones meteorológicas, que puede subestimar la precipitación máxima, el diámetro del sistema y la topografía del terreno. En Canadá , esta regla de Kraft se ha modificado para tener en cuenta la temperatura de las aguas limítrofes de las provincias atlánticas que es más baja y la cizalladura vertical del viento que es mayor. Dividimos el resultado por dos.

El primer método semi-empírico para predecir las acumulaciones de lluvia es el de la climatología y la persistencia. Durante la década de 1950, el servicio de investigación del Laboratorio Oceanográfico y Meteorológico del Atlántico desarrolló un modelo llamado R-CLIPER (para r ainfall cli matology y por sistencia) que extrapola las cantidades indicadas actualmente en un ciclón y proyectos en el tiempo, teniendo solamente en cuenta las climatológico del terreno como modulación. Los resultados de este modelo, hasta 120 horas, todavía se utilizan como campo de prueba por los meteorólogos y para verificar la dirección de los modelos digitales desarrollados posteriormente.

Otra técnica a corto plazo, llamada TRaP (para técnica T ropical Ra infall P otential), utiliza estimaciones satelitales de la cantidad de lluvia que ha caído y las extrapola de acuerdo con la trayectoria actual durante 24 horas. Su principal debilidad es que no tiene en cuenta la evolución del ciclón tropical, pero esta suele ser mínima en un período de 24 horas.

Vientos

La fuerza del viento alrededor de los ciclones tropicales depende del cuadrante en el que se encuentre en relación con el centro del sistema. De hecho, para un ciclón con vientos promedio de 90  km / h que comienza a moverse (sea cual sea la dirección) a 10  km / h , los vientos medidos serán 100  km / h en el lado donde los vientos están en la misma dirección que en movimiento y 80  km / h en el otro lado.

Dado que en el hemisferio norte los vientos giran en sentido antihorario alrededor de un mínimo, el componente en la dirección de viaje se encuentra en el lado derecho del sistema, lo que produce los vientos más fuertes allí. En el hemisferio sur, los vientos giran en la dirección opuesta y es el lado izquierdo el que tiene los vientos más fuertes.

Los marineros llaman a este lado el "semicírculo peligroso" y tratan de evitarlo siguiendo el pronóstico del tiempo. La suma máxima en realidad ocurre en el cuadrante más frontal del sistema, como en el gráfico opuesto, y aquí es donde los mares son aún más agitados. Por el contrario, el clima se mitiga (resta) en el otro lado de la tormenta.

Tornados y marejadas ciclónicas

Los vientos empujan sobre la superficie del mar, elevando el nivel de la marea además de producir grandes olas , esto se llama marejada ciclónica. Esto será mayor en el cuadrante noreste en el hemisferio norte y el cuadrante suroeste en el hemisferio sur . Esto se debe a que los vientos alrededor del ciclón y la dirección de su movimiento se suman en estas regiones para aumentar el efecto.

Los tornados asociados con los sistemas tropicales se encuentran en las mismas áreas, ya que estos son los cuadrantes donde el aire del agua generalmente ingresa a la tierra y es desviado por la fricción. Esta desviación hace que el aire converja hacia el centro del sistema. Si hay una rotación de altitud asociada con los meso-vórtices del ojo , esta convergencia le permitirá llegar al suelo.

Modelos de previsión

Los movimientos del aire y la humedad en los ciclones tropicales se rigen por ecuaciones atmosféricas primitivas , al igual que el resto de la circulación atmosférica. Sin embargo, sus escalas se encuentran entre las de las depresiones sinópticas y las de los sistemas de mesoescala , lo que significa que algunos parámetros de estas ecuaciones no son lineales. Además, se forman sobre océanos donde los datos de observación son escasos. Por tanto, los modelos generales de predicción numérica del tiempo han tenido problemas para trabajar con estos sistemas. Es por esto que desde la década de 1970 se han desarrollado modelos de mayor resolución que incluyen parametrizaciones especiales para predecir su desplazamiento, intensidad y precipitación. El aumento de datos obtenidos por satélites meteorológicos y los vuelos de observaciones en huracanes han permitido comprender mejor el entorno de estos sistemas y afinar los modelos. En particular, la liberación de radiosondas en ciclones tropicales redujo el error en la pista entre un 15 y un 20 por ciento. Más recientemente, el uso de varios modelos, cada uno rodado varias veces con ciertas variaciones en los datos iniciales, permite obtener diferentes soluciones. Una comparación de estas soluciones proporciona estadísticas generales que permiten encontrar la solución más probable.

Modelos generales

A continuación, se muestran algunos modelos de pronóstico desarrollados en parte o en su totalidad para ciclones tropicales:

• El modelo básico utilizado para comparar los modelos entre sí es CLIPER (Climatología y Persistencia); es un modelo de regresión estadística múltiple que hace un mejor uso de la persistencia del movimiento actual y también incorpora información climatológica de ciclones pasados. Paradójicamente, hasta la década de 1980, las puntuaciones de CLIPER eran mejores que las de otros modelos de predicción numérica;
• El modelo estadístico-dinámico NHC98 utiliza como predictor el geopotencial extraído del modelo aeronáutico para producir una trayectoria predicha cuatro veces al día. Los tiempos sinópticos básicos para los pronósticos NHC98 (00 y 12 UTC) se toman del modelo anterior para la aeronáutica estadounidense (12 horas antes);
• Los modelos NCEP Aviation , GFS y MRF , modelos globales;
• El modelo Beta y Advección ( BAM ), para el cual la trayectoria sigue el viento medio extrapolado del modelo aeronáutico entre dos niveles isobáricos . Se parte de la posición inicial de la tormenta y se le aplica una corrección que tiene en cuenta el efecto beta. Hay tres versiones para este modelo:
  • uno para las capas bajas (BAMS), entre 850 y 700 hPa;
  • uno para las capas intermedias (BAMM), entre 850 y 400 hPa;
  • uno para capas profundas (BAMD), entre 850 y 200 hPa;
• Un modelo de pronóstico de trayectoria de ciclones barotrópicos anidado (VICBAR) se ha estado ejecutando cuatro veces al día desde 1989 . A las 00 y las 12 UTC , los cálculos se realizan a partir de análisis del modelo NCEP . Para la inicialización de los cálculos de las 06 y 18 UTC, se toman los pronósticos de las 6 en punto del NCEP. Otro modelo barotrópico también se utiliza operativamente, cada seis horas, el LBAR (Modelo Barotrópico de Área Limitada), un modelo barotrópico de área limitada, cuyo desempeño es menos bueno que el del VICAR pero cuyas salidas más rápidas son utilizadas por los pronosticadores del NHC;
• Un modelo 3D de malla variable, desarrollado por el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos, conocido como modelo GFDL , ha estado proporcionando pronósticos desde la temporada de huracanes de 1992;
• El modelo global de la Oficina Meteorológica del Reino Unido (de Met Office ) se utiliza para pronósticos de huracanes en todo el mundo;
• El Sistema Operativo de Predicción Atmosférica Global de la Armada de los Estados Unidos ( NOGAPS) es también un modelo global que tiene algunos buenos resultados para la predicción de la trayectoria de los ciclones;
• El HWRF ( Investigación y pronóstico del tiempo de huracanes ) es un modelo dinámico que utiliza datos del modelo NAM estadounidense a gran escala como campos de partida. Se espera que este modelo reemplace al GFDL. Predice tanto la trayectoria como la intensidad y precipitación;
• El FSSE ( Florida State SuperSet) es un modelo de conjunto utilizado en operación desde 2005 y que ha demostrado un buen desempeño en la predicción de la trayectoria. Sus especificaciones son poco conocidas porque es propiedad de una empresa privada formada por la universidad y cuyo acceso a los resultados es de pago;
• El IFS del Centro Europeo de Pronósticos Meteorológicos a Mediano Plazo , también conocido como Modelo Europeo o ECMWF Euro , proporciona una gama de productos gráficos para pronósticos de ciclones tropicales (mínimos tropicales, tormentas tropicales, huracanes y tifones). Estos productos incluyen predicciones deterministas y de conjuntos de alta resolución de los sistemas detectados y predicciones del desarrollo futuro de ciclones tropicales. El modelo se ejecuta dos veces al día desde el conjunto, dos veces por semana para un rango extendido del mes siguiente y una vez al mes para el pronóstico estacional.

Modelos de intensidad

A pesar de la variedad de modelos de predicción de la trayectoria de los ciclones citados anteriormente, solo hay unos pocos modelos de predicción de intensidad. Observamos en la cuenca atlántica:

• De manera similar al modelo de pronóstico de trayectoria de CLIPER , el modelo de estadísticas de predicción de intensidad ( SHIFOR ) se utiliza para pronosticar cambios en la intensidad, pero sigue siendo poco confiable. Es un modelo estadístico de regresión múltiple que hace un mejor uso de la persistencia e incorpora datos climatológicos. Sorprendentemente, no podemos mejorar SHIFOR proporcionándole datos de modelos numéricos;
• El modelo estadístico-sinóptico, Esquema Estadístico de Predicción de la Intensidad de Huracanes ( SHIPS ) cuyas fuentes de información sinóptica son la temperatura del agua de mar, cizalladura vertical del viento, etc. que se combina con la tendencia de la intensidad del ciclón. En 1996, por primera vez, el desempeño de BUQUES fue mejor que el de SHIFOR entre 24 y 72 horas, aunque esta diferencia fue mínima;
  • El modelo DSHP (Decay SHIP) es idéntico al SHIPS pero disminuye la intensidad cuando el ciclón pasa sobre tierra;
• El modelo GFDL , citado anteriormente, también ofrece predicciones de cambios en la intensidad. Pero hasta la fecha, sus resultados siguen siendo menos buenos que, por ejemplo, SHIFOR  ;
• El FSSE da un valor de la intensidad de los sistemas. Incorpora pronósticos del Centro Nacional de Huracanes además de datos objetivos en su ciclo de análisis ;

Patrones de olas de tormenta

El modelo principal utilizado en los Estados Unidos para predecir las marejadas ciclónicas se llama SLOSH ( S ea, L ake, O verland, S urge from H urricanes. Utiliza el diámetro del sistema, su intensidad, su velocidad de movimiento y topografía. De costas amenazadas para predecir la altura de la ola. La salida depende fuertemente de la predicción de la trayectoria y es por eso que da la probabilidad de estas alturas por zonas alrededor de la trayectoria valores bastante directos.

La D r Hassan Masquariqui de la Universidad del Estado de Louisiana ha desarrollado con su equipo un modelo que se utilizó cuando el ciclón Sidr , que ayudó a alertar a las autoridades de Bangladesh a la posibilidad de inundaciones y ahorrar cientos de miles de vida. Podemos ver claramente en la imagen de la derecha que las alturas más altas se encuentran en el cuadrante noreste de la trayectoria (línea con flecha) como se discutió anteriormente.

Modelos a largo plazo

Antes de la década de 1990 , las predicciones numéricas se limitaban a 72 horas (tres días) porque los modelos numéricos y las técnicas no eran lo suficientemente precisos. A mediados de la década de 1990 , la investigación de los sistemas tropicales aumentó el período de pronóstico. En 2001, la reducción del error de seguimiento permitió que los resultados del modelo fueran útiles hasta por cinco días. En algunos casos, este pronóstico puede haberse extendido al sexto e incluso al séptimo día.

Recientemente, investigadores de la Universidad Estatal de Colorado han encontrado correlaciones estadísticas entre el desarrollo de ciclones tropicales en el Atlántico Norte y varios fenómenos meteorológicos entre África Occidental y las Indias Occidentales. Desde 1984 emite un pronóstico estacional, cuyos resultados han demostrado ser superiores a los de la climatología . Desde entonces, otros centros de investigación han seguido el ejemplo de otras cuencas como las del Pacífico Noroeste y la Zona Australiana. Los predictores de esta última están relacionados con la circulación de Walker , ENOS , Oscilación del Atlántico Norte y Ártico (similar a la Oscilación Sur ) y el Norte. Patrón americano del Pacífico

Notas y referencias

• (fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado "  Pronóstico de ciclones tropicales  " ( consulte la lista de autores ) .

• (fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado "  Modelo de pronóstico de ciclones tropicales  " ( ver la lista de autores ) .

• (fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado "  Pronóstico de lluvia de ciclones tropicales  " ( consulte la lista de autores ) .

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Ver también

Artículos relacionados

• Pronóstico del tiempo
• Ciclón | Ciclón tropical | Advertencia de huracán
• Construcción paraciclónica

enlaces externos

• (en) Descripción de los modelos digitales utilizados por el Centro Nacional de Huracanes