La meteorología tiene a su alcance adelantar la predicción del tiempo hasta diez días

La ciencia meteorológica debe aumentar su capacidad observacional y computacional, según Francisco Valero Rodríguez, nuevo Académico Correspondiente

La meteorología tiene a su alcance adelantar la predicción del tiempo hasta diez días

Adelantar la predicción del tiempo hasta diez días, o predecir cambios climáticos cuatro semanas antes y anomalías a escala global con hasta un año de antelación son algunas de las mejoras al alcance de la investigación meteorológica si amplia su capacidad científica, tanto observacional como computacional, en el futuro inmediato, afirmó Francisco Valero Rodríguez, al tomar posesión de su plaza de Académico Correspondiente de la Sección de Ciencias Experimentales, de la Real Academia de Doctores de España (RADE), en un acto presidido por el titular de la corporación, Jesús Álvarez Fernández-Represa, acompañado por el Presidente de la citada sección, José María Teijón Rivera, y por el miembro de la misma Arturo Romero Salvador, que presentó al recipiendario.

Estudiar físico-matemáticamente un fluido dentro de un tubo o cámara es razonablemente abordable. La complejidad aumenta si se trata de gas. Pero, si ese gas es el aire de la atmósfera terrestre, de 40 kilómetros de espesor, gira con una esfera irregular de 12.800 kilómetros de diámetro a 1.600 kilómetros por hora, lo componen gases muy variados y reactivos y lo calienta un enorme reactor nuclear situado a millones de kilómetros, el sistema es de imposible control directo e inabordable tratamiento matemático. “Hemos de recurrir a su modelización numérica, nuestro laboratorio virtual, con un conjunto de algoritmos enorme para determinar su estado, comportamiento y evolución, lo que constituye un gran desafío, siempre en las fronteras del conocimiento”, añadió Valero.

Saber qué tiempo va a hacer siempre ha sido de gran interés, no solo con carácter general, sino particularmente en el de la I+D+i científica. Recorrió Valero la historia de la meteorología desde sus inicios. El término proviene del título de Meteorológica, escrito hacia el 340 antes de Cristo por Aristóteles, que especula sobre el origen de los fenómenos atmosféricos y celestes y estuvo vigente hasta casi el siglo XVII, cuando se sentaron las bases de la ciencia moderna. Se descubrió que el aire tenía masa y peso y aparecieron instrumentos para medirlos: el termómetro de Galileo (1607), el barómetro de Torricelli (1643), o el anemómetro de Hooke (1667); así como las contribuciones de Pascal (1648) sobre las variaciones de la presión con la altitud, de Boyle y Mariotte (1662) sobre la ecuación de los gases para determinar el estado de la atmósfera y su compresibilidad, y de Descartes, con su Discurso del método (1637), que rompe con la tradición escolástica y estimula la generación de ideas y conceptos sobre fenómenos atmosféricos, como la teoría de Halley (1686) sobre el origen de los vientos alisios y monzones por convección térmica, que plasma en el primer modelo de circulación atmosférica en la franja intertropical.

En 1687, Newton publicó sus Principia, con las leyes del movimiento y de la gravedad, trascendentes para la meteorología. En los albores del XVIII, Hadley propuso el mecanismo de autosostenimiento de los alisios, determinante para la circulación general de la atmósfera. D’Alembert y Euler sentaron las bases de la hidrodinámica. Incluso Kant, con su teoría de los vientos (1756), o Dalton, fundador de la teoría atómica moderna, que recuperó la olvidada teoría de Hadley, abordaron este campo.

En la primera mitad del XIX dominó la climatología y nació la cartografía sinóptica, que permitía comparar observaciones meteorológicas hechas en una amplia zona; pero solo servía como instrumento para la investigación, sin utilidad para informar de la evolución del tiempo. El telégrafo de Morse (1840) fue un hito en la meteorología, que avanzó con la teoría térmica de los ciclones y la meteorología sinóptica, que permite relacionar la presión y el campo de vientos en superficie. A finales del siglo, los pronósticos basados en mapas sinópticos se consideraban lo más exacto para predecir el tiempo, pero con graves limitaciones debido al retraso de la física atmosférica respecto a otras ramas de esta ciencia.

De disciplina teórica a científica

En 1850, continuó, nació la moderna meteorología teórica. Las ecuaciones de la hidrodinámica permitieron incorporar la física newtoniana en forma de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales a la atmósfera. Faltaba la información termodinámica, derivada del primer principio que no se formuló hasta entrado el XIX, que permitió la formulación integral de las ecuaciones y convirtió la meteorología en disciplina científica. Ferrel introdujo (1878) el concepto de viento térmico, que agregaba una nueva dimensión espacial e incorporaba una estructura en tres dimensiones a la atmósfera. Hermann von Helmholtz encauzó (1858) el estudio de la vorticidad, que introducía el concepto de temperatura potencial y un modelo de circulación atmosférica sin intercambios turbulentos.

En el tránsito al XX surgió un científico excepcional, el noruego Vilhelm Bjerknes, que trasladó a la meteorología sus conocimientos en física teórica y, especialmente, en dinámica de fluidos, base de su teorema de circulación atmosférica, que forja el concepto de circulación positiva para la ciclónica y negativa para la anticiclónica. Su teorema consagra la integración de la meteorología en la física, por lo que se le reconoce como padre de la meteorología moderna. En 1904, planteó la predicción del tiempo como un problema matemático de valores iniciales partiendo de la observación tridimensional de la atmósfera, que sería la aproximación precursora de la predicción numérica posterior.

En los 30, utilizando radiosondas transportados por globos capaces de transmitir las medidas de presión, temperatura y humedad, se crearon redes de estaciones de observación meteorológica de capas superiores del aire, y se confeccionaron mapas de los niveles superiores del hemisferio norte. Rossby (1941) introdujo su teoría del efecto centrífugo de la rotación terrestre sobre los movimientos relativos, que condujo a un modelo de circulación general del aire basado en tres células convectivas dispuestas meridionalmente para cada hemisferio, que se acepta como una descripción cualitativa de la circulación atmosférica.

En los albores del XX, Lewis F. Richardson, fue el primero en afrontar la orientación de Bjerknes para la predicción numérica con observaciones físicas, una aportación adelantada a su tiempo que, aunque inaplicable por cálculos manuales y sin datos experimentales, sentó las bases de la actual predicción numérica. Desde Richardson el interés por este tipo de predicción fue decayendo, hasta que en los años 50 se expandieron las observaciones meteorológicas y se desarrollaron los computadores. El primero fue el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), en 1946, capaz de resolver la tediosa integración matemática para predecir el tiempo. Más adelante, John von Neumann y un grupo de meteorólogos consiguieron un ENIAC mejorado que produjo el primer pronóstico del tiempo por medio de técnicas de predicción numérica. A partir de 1960, con ordenadores IBM 360 se lograron predicciones operativas en tres niveles de la atmósfera, a la vez que crecía la capacidad observacional. En 1961 surgieron los primeros satélites meteorológicos (Tiros I) y geoestacionario (ATS I), que abrían mejoras inimaginables. A partir de 1970, con los procesadores vectoriales de notoria potencia, la atención se volvió a las ecuaciones primitivas y se hizo realidad el sueño de Richardson. Se crearon redes de radares meteorológicos y la meteorología entró en una senda de enorme perfeccionamiento. Paralelamente, se íban resolviendo los problemas de falibilidad de los datos y de diseño de esquemas de integración de los modelos de ecuaciones primitivas.

El comportamiento caótico del clima

Uno de los primeros en comprender que la mecánica clásica encerraba la semilla de lo impredecible fue Edward Lorentz, creador, en 1963, de la Teoría del Caos mientras trabaja en predicción numérica del tiempo. La evolución del clima, gobernada por ecuaciones no lineales, tiene un comportamiento caótico, aunque sus leyes son plenamente deterministas, porque una diminuta modificación de los datos iniciales lleva a resultados diferentes. Cambió así el modelo epistemológico en el que el azar y lo no predecible juegan un papel fundamental. En esa línea de conocimiento se desarrollaron los sistemas de predicción por conjuntos, que aportan una serie de pronósticos equivalentes a las posibles perturbaciones del estado atmosférico inicial, y requieren una enorme capacidad computacional.

A pesar de las continuas mejoras de las predicciones meteorológicas realizadas con los modelos numéricos, hay que rendirse a la evidencia de la imposibilidad de hacer predicciones precisas más allá de un cierto límite, que viene determinado por: las imperfecciones de los modelos numéricos que simulan la atmósfera, ligadas a la computabilidad; las incertidumbres inherentes a las medidas efectuadas para determinar el estado inicial de la atmósfera, y el carácter no lineal intrínseco del modelo. Si se extrapolan las tendencias actuales, prosiguió Valero, se ve que los modelos numéricos globales han ido aumentando su tasa de alta resolución (16 kilómetros) de forma exponencial durante decenios y su capacidad predictiva a un ritmo constante de un día cada diez años.

“Aunque resulta aventurado extrapolar ambas tendencias hasta 2030, si lo hiciéramos, nos llevarían a una reducción del tamaño de malla horizontal de hasta un kilómetro, y un aumento de capacidad predictiva adicional de dos días, respectivamente”, precisó. La investigación meteorológica se encuentra en las fronteras del conocimiento, indicó Valero, y su evolución pasa por adoptar la aproximación integrada del sistema terrestre hacia un sistema de predicción numérica ambiental de formidable complejidad científica, en la que juega un papel esencial la estrategia de alineación de los nuevos sistemas de predicción numérica metereológica a un modelo terrestre global; así como la asimilación de datos meteorológicos. Con ello, la capacidad predictiva “mejorará, sin duda, permitiendo avances realmente notables, no solo en el medio plazo, hasta díez días de adelanto, sino en las escalas mensual y estacional. Y, no solo esto; si conseguimos desarrollar una aproximación sólida, conseguiremos también predecir patrones a gran escala, y, lo que es más difícil, transiciones de regímenes del tiempo o climáticos hasta con cuatro semanas de adelanto y anomalías a escala global con hasta un año de antelación, y de la meteorología de otros planetas”, señaló.

Para Valero, ese futuro exige avanzar en el conocimiento científico y en las capacidades observacional y computacional, ya que la supercomputación es la responsable de hacer andar los modelos numéricos, con un laboratorio de simulación y de previsión. “La capacidad científica observacional y la computacional son los mejores aliados para construir mejores modelos predictivos y constituyen complementos ineludibles para explicar los fenónemos meteorológicos; y su perfeccionamiento contribuirá a una ciencia meteorológica más sólida, extensa y una mayor utilidad científica y de aplicación”, concluyó.

Investigador de la atmósfera marciana

Francisco Valero se licenció en Ciencias Físicas en la Complutense, en 1975. Tras una estancia en la Universidad de California en los Ángeles, cursó la diplomatura de Óptica, y se doctoró en Ciencias Físicas en 1980. Es catedrático del Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica en la Facultad de Ciencias Física de la Complutense, donde empezó como profesor ayudante, en 1975. Trabajó para introducir enseñanzas relacionadas con la meteorología en la sanidad y, especialmente, en la modelización numérica del efecto de isla térmica urbana, y ha programado y dirigido másteres y cursos sobre temas multidisciplinares relacionados con la meteorología.

Ha intervenido en más de treinta publicaciones docentes, como editor, autor o coautor. Ha dirigido veinticinco trabajos de fin de máster o de fin de grado y quince tesis doctorales. Su investigación mayoritaria se centra en la física atmosférica y climática, con más treinta proyectos competitivos. Es autor de más de setenta artículos y ha participado en ciento setenta congresos. Ha intervenido en catorce contratos de investigación con empresas y administraciones. Colabora con el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) en proyectos con la Agencia Europea del Espacio, la NASA y otros consorcios internacionales. Ha sido el responsable de adaptar al planeta Marte el conocimiento de la capa límite atmosférica y de la radiación atmosférica desarrollado para la Tierra, que se está aplicando en la misión marciana REMS-Curiosity.

Calendario
<< MAYO 2017 >>
L M M J V S D
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31