La ciencia que precede a la tormenta

Guillermo Cárdenas Guzmán

Imagen: SMN

Los pronósticos meteorológicos se sustentan en modelos computacionales y pronósticos numéricos basados en ecuaciones

Cuando la mayoría de la población de México se disponía a celebrar la Independencia la noche del 15 de septiembre de 2013, el huracán Manuel, formado a partir de una tormenta tropical al suroeste de Guerrero, tocó tierra en las costas de Manzanillo. Quince horas después, otro huracán de categoría 1, que también se formó a partir de una tormenta tropical pero en las costas del Atlántico, entró a la comunidad de La Pesca, en el estado de Veracruz. La fuerza combinada de ambos huracanes desató lluvias intensas durante varios días en los que hubo muchos deslaves e inundaciones. Resultaron afectados 18 estados con un balance inicial de más de 150 muertos.

El estado más azotado fue Guerrero, donde a la pérdida de 615 000 hectáreas de cultivo se sumó el drama de decenas de desaparecidos en poblados pequeños cuyas precarias construcciones quedaron anegadas de lodo. La entidad fue declarada zona de desastre. Los reclamos a las autoridades por la falta de acciones de prevención no se hicieron esperar. Muchas personas se preguntaban por qué no se dio una alerta oportuna para evacuar a la gente. Sin embargo, las proyecciones de los meteorólogos anticipaban que desde el día 14 de ese mes habría intensas precipitaciones en los estados de Guerrero y Tamaulipas. Ellos hicieron bien su trabajo y difundieron la información, pero el trágico episodio posterior suscitó desconfianza y escepticismo respecto a la confiabilidad de los pronósticos del tiempo. Nada más injustificado. La ciencia de los pronósticos ha cambiado mucho.

El Servicio Meteorológico Nacional vigila la atmósfera para identificar fenómenos que puedan poner en riesgo a la población o a la economía, como tormentas, huracanes o frentes fríos. Imagen: SMN.

Una Estación Sinóptica Meteorológica (ESIME) tiene sensores para medir: temperatura y humedad relativa, presión atmosferica, dirección y velocidad del viento, radiación solar, precipitación y visibilidad. Imagen: SMN.

Torrentes de datos

Todos hemos oído alguna vez los reportes del Servicio Meteorológico Nacional (SMN), el organismo de México, dependiente de la Comisión Nacional del Agua, encargado de vigilar la atmósfera para identificar fenómenos que puedan poner en riesgo a la población o a la economía, como tormentas, huracanes o frentes fríos. Pero muchos desconocemos cómo hace sus pronósticos ese organismo. En lugar de observaciones aisladas de patrones en las nubes, de la trayectoria del Sol o de otros astros como en la antigüedad, los meteorólogos usan el conocimiento de muchas disciplinas científicas para recopilar, organizar e interpretar sus datos.

El primer paso es la recolección de una gran cantidad de información cuantitativa sobre las condiciones de la atmósfera en un espacio y tiempo determinados. Para ello se emplean instrumentos ubicados tanto en estaciones terrenas como en el espacio: barómetros, anemómetros, pluviómetros y radiómetros —que miden respectivamente la presión atmosférica, la dirección del viento, la lluvia y la temperatura del aire—, radares, satélites e incluso aviones caza-huracanes en los países con mayores recursos. La información que se obtiene se analiza y se procesa con herramientas matemáticas y de cómputo para pronosticar o proyectar la probable evolución del fenómeno que se esté observando.

En el caso del Servicio Meteorológico Nacional, esta labor se realiza sobre una plataforma de observación que incluye una red sinóptica de superficie, integrada por 79 observatorios meteorológicos, y una red sinóptica de altura con 16 estaciones de radiosondeo (con sondas-globo) para las altas capas de la atmósfera. Cada una de estas estaciones realiza a diario mediciones de presión, temperatura, humedad y viento.

Además de esta infraestructura hay un conjunto de 13 radares meteorológicos distribuidos en todo el territorio nacional que dan seguimiento a los sistemas nubosos y recolectan información sobre la intensidad de las precipitaciones, la altura y la densidad de las nubes, sus desplazamientos y la velocidad y dirección de los vientos. El SMN posee también una estación que recibe imágenes captadas por satélites meteorológicos de las agencias estadunidenses NASA (del espacio) y NOAA (del océano y la atmósfera) que proveen datos adicionales sobre todo de la zona del Atlántico.

Los radares meteorológicos dan seguimiento a los sistemas nubosos y recolectan información sobre la intensidad de las precipitaciones, la altura y la densidad de las nubes, sus desplazamientos y la velocidad y dirección de los vientos. Imagen: SMN.

Los radares meteorológicos dan seguimiento a los sistemas nubosos y recolectan información sobre la intensidad de las precipitaciones, la altura y la densidad de las nubes, sus desplazamientos y la velocidad y dirección de los vientos. Imagen: SMN.

Los pronósticos y el billar

Para describir la ciencia que hay detrás de un pronóstico meteorológico podemos imaginar una jugada de billar: si conocemos la velocidad y la posición de las bolas, entonces podemos predecir con escaso margen de error adónde se dirigirán. Pero para determinar la trayectoria y destino de las bolas, hay que tomar en cuenta varios factores: la fuerza con la que son golpeadas con el taco, la fricción del aire, si la mesa tiene alguna inclinación respecto al piso o si el paño que la cubre es completamente liso o rugoso. Esto último equivaldría, por ejemplo, a la orografía de la zona por donde pasa un huracán.

El investigador Jorge Zavala Hidalgo, del Centro de Ciencias de la Atmósfera (CCA) de la UNAM, dice: “Tienes que contar con información de lo que entra y sale del sistema. Es un fenómeno de tres dimensiones donde además de la mecánica, se deben considerar aspectos de termodinámica; es decir, la interacción de la energía solar con la atmósfera”. Para conocer estos factores es necesario describir primero las condiciones iniciales del sistema, pero después hay que emplear modelos globales de análisis para conocer los extremos a los que un fenómeno podría llegar y para esto se usan otras proyecciones a mayor escala.

Los datos extraídos en forma separada al principio deben integrarse después en modelos tridimensionales de lo que sucede en la realidad. En esta etapa los expertos aplican diversas herramientas matemáticas para afinar los modelos y resuelven inconsistencias o datos que se contradicen. Pueden, por ejemplo, describir con las ecuaciones de física clásica de Isaac Newton, las fuerzas que afectan a una masa de aire polar o calcular si un ciclón se moverá en línea recta cuando no actúe sobre él otra fuerza que lo desvíe de su trayectoria original. Volviendo a la analogía con la mesa de billar, según la manera en que la golpee el jugador con el taco, se hará un pronóstico de la dirección en que se moverá la bola, a qué velocidad y si rebotará en algunas de las bandas de la mesa. Pero hay que decir que esta analogía resulta muy limitada, en la realidad los fenómenos atmosféricos son sumamente complejos y los factores a considerar, y las interacciones entre ellos, son muy numerosos.

Predecir fenómenos caóticos

A diferencia de otros científicos, como los químicos o astrónomos —que pueden predecir con exactitud las reacciones que obtendrán en el laboratorio al mezclar ciertos elementos o anticipar las trayectorias de los planetas en el firmamento—, los meteorólogos no pueden realizar pronósticos completamente exactos. Pero esto no le resta validez a su labor ni la hace menos rigurosa. Los fenómenos atmosféricos tienen una naturaleza caótica (ver ¿Cómo ves? Núm. 22). En la física se abordan como sistemas en los que una mínima perturbación en las condiciones iniciales puede dar lugar a grandes perturbaciones más adelante. Esto lo descubrió para el caso de la meteorología el científico estadunidense Edward Lorenz a principios de los años 60, cuando realizaba una simulación en computadora de patrones meteorológicos. Para su simulación introdujo datos de 12 variables, entre ellas la velocidad del viento y la temperatura. Al cambiar el valor de una variable en una cantidad ínfima, de 0.506127 a 0.506, esto es, al redondear ese valor, el resultado de la simulación fue muy diferente. Lorenz publicó este resultado y sus implicaciones en un famoso artículo en 1963, en el Journal of Atmospheric Sciences. Esta dependencia tan sensible a los valores iniciales de los fenómenos atmosféricos es una de las cosas que hacen que la meteorología no sea una ciencia exacta, la otra, como ya se mencionó, es que la atmósfera es un sistema de enorme complejidad. El hallazgo de Lorenz se popularizó con el nombre de “efecto mariposa”, por el título de una conferencia que él impartió en 1972, en la reunión anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia: “¿Puede el aleteo de una mariposa en Brasil llevar a que se desate un tornado en Texas?”. Curiosamente, no fue Lorenz quien eligió este título, sino un colega suyo. Lorenz había pensado más bien en el aleteo de una gaviota como metáfora de su descubrimiento.

Por la naturaleza de los fenómenos atmosféricos, los pronósticos meteorológicos no se dan como datos fijos o absolutos, sino dentro de un intervalo de valores y con un margen de error que aumenta conforme a la escala de tiempo. “Si tenemos buena información, podemos pronosticar cómo va a evolucionar el fenómeno; pero a medida que avanza el tiempo, los errores crecen”, reconoce el doctor Zavala Hidalgo. El mejor ejemplo es el estudio del cambio climático: modelar el comportamiento de los gases de efecto invernadero que producen el calentamiento en la atmósfera durante varios años o décadas es extremadamente complejo debido a la cantidad de factores y variables que deben considerarse. Éste es el tipo de labor científica que se realiza cotidianamente en el CCA. En cambio, hacer los pronósticos del día a día es relativamente más sencillo, pero no por ello menos importante. Sin embargo, aunque haya una metodología bien definida, en la práctica es imposible conocer con absoluta certeza las condiciones iniciales (temperatura, humedad, presión) en cada punto de la atmósfera. Además hay otros factores que influyen en el grado de incertidumbre de los pronósticos: errores en la medición de las condiciones iniciales, falta de un entendimiento completo de los fenómenos atmosféricos e incluso carencia de equipos de súper cómputo para procesar los torrentes de datos que se recolectan. “Idealmente quisiera afirmar que mañana la temperatura (para una localidad dada) será de 19.5º C más menos 1.2 grados con un margen de 99% de confianza. Eso sólo puede lograrse después de hacer una gran cantidad de estudios y acotar los datos”, comenta Zavala Hidalgo. Si, por ejemplo, se busca alertar sobre la entrada de un huracán a las costas, hay un tiempo limitado para hacer modelos y análisis detallados. También hay grandes diferencias en la complejidad de los modelos. Los que describen una gran cantidad de procesos e involucran vastas áreas —y por tanto requieren efectuar más cálculos físicos— tienen menor resolución, son como una foto panorámica. En cambio, los que están dedicados a una región poseen mayor resolución y resultan menos complicados. De cualquier modo, el empleo de predicciones numéricas —basadas en ecuaciones y otras herramientas de análisis matemático para describir los fenómenos— junto con el procesamiento de cúmulos de datos observacionales en equipos de cómputo cada vez más poderosos, ha permitido a los meteorólogos hacer pronósticos más acertados.

Imagen del Satélite GOES Este de la Península de Yucatán. Imagen: SMN.

Modelo de pronóstico numérico. Imagen: SMN.

Imagen: SMN.

Los retos

La meteorología ha cambiado radicalmente sus métodos e instrumental desde sus orígenes como ciencia en el siglo XIX, cuando floreció como servicio a la navegación mercante en las costas inglesas. En el siglo XX, los avances en el estudio de la física atmosférica condujeron a las modernas predicciones numéricas. Hoy, en un entorno globalizado, el intercambio de información entre cientos de estaciones meteorológicas en todo el mundo permite recolectar grandes cantidades de datos sobre el estado del tiempo. Éstos a su vez dan lugar a análisis climatológicos de mayor alcance en el tiempo y el espacio. Mie

tras el estado del tiempo se refiere a periodos cortos, normalmente días, el análisis del clima busca las tendencias por meses o años. Pero los expertos aún tienen mucho que hacer. Uno de los retos es mejorar la exactitud de los pronósticos y medir su confiabilidad no sólo por la posibilidad de salvar vidas y evitar mermas en la agricultura, sino por sus repercusiones en muchos otros sectores. En el Reino Unido, por dar un ejemplo, las previsiones del estado del tiempo en la estación meteorológica de Heathrow (donde se ubica un aeropuerto internacional) influyen en la fijación de los precios locales del gas. Por ello en ese país las sociedades reales de Meteorología, Estadística y Astronomía diseñaron junto con la cadena de televisión BBC una prueba para comparar la exactitud de los pronósticos de fuentes públicas y privadas.

Por su parte, la Organización Meteorológica Mundial ha advertido en un informe que más del 70% de los países requiere desarrollar o fortalecer sus redes de observación hidrometeorológicas, sistemas de pronóstico y de comunicación para establecer Sistemas de Alerta Temprana (SAT) eficaces.Víctor Manuel Velasco, del Instituto de Geofísica de la UNAM, comenta que si bien existen SAT para fenómenos como sismos, volcanes y tsunamis en América, sería deseable contar con uno enfocado a monitorear huracanes en el Atlántico. Este sistema, argumenta el investigador, podría ser coordinado por varios países del continente, e implicaría ampliar la red de satélites meteorológicos de nuestro país.

Según Velasco, los SAT servirían también para alertar de heladas, granizadas, sequías o inundaciones que pudieran afectar los cultivos, también fortalecerían la conservación de las reservas ecológicas y la gestión del medio ambiente.

Jorge Zavala señala por su parte que en México hay tres grandes aspectos que debemos mejorar en esta materia: el monitoreo de los fenómenos meteorológicos, el pronóstico numérico y, finalmente, el conocimiento sobre la forma en que funcionan estos sistemas. “Un objetivo que se ha planteado el National Forecast Center, de Estados Unidos, es mejorar o disminuir el error en el pronóstico de trayectorias e intensidad de los huracanes hacia el 2020. De ese tamaño son las escalas de tiempo”, concluye el doctor Zavala.