Anlisis Estadstico de

Datos Climticos

Anlisis Estadstico de

Datos Climticos

Facultad de Ciencias Facultad de Ingeniera2013

Marcelo Barreiro lvaro Daz- Juan Badagian

Objetivo del curso

Desarrollar habilidades para identificar y describir estructuras de datos climticos, tanto en sus valores medios como en su variabilidad espacial y/o temporal.

Realizar aplicaciones al diagnstico de relaciones entre distintas variables climticas, y al pronstico.

Temario Introduccin

Clima, Climatologa y variabilidad climtica (espacial y temporal). Escalas Datos climticos. Revisin sobre el concepto de probabilidad.

Datos univariados Anlisis exploratorio aplicado a datos climticos. Descripcin de poblaciones por medio de distribuciones empricas. Histogramas. Datos

apareados. Diagramas de dispersin. Coeficientes de correlacin. Aplicaciones al diagnstico y pronstico.

Distribuciones paramtricas. Distribuciones discretas y continuas. Distribuciones de probabilidad frecuentes en variables climticas. Estimacin de parmetros.

Pruebas de hiptesis. Aplicaciones. Modelos paramtricos de relaciones entre variables climticas. Regresin lineal simple y

mltiple. Regresin no lineal. Anlisis de estratificacin y composicin. Aplicaciones en diagnstico y en pronstico.

Series temporales o cronolgicas.

Datos multivariados Revisin de conceptos fundamentales sobre estadstica multivariada. Algebra de matrices. Distribucin normal multivariada. Anlisis de componentes principales. Ejemplos y aplicaciones. Anlisis de correlacin cannica. Aplicaciones a diagnstico y pronstico. Anlisis de agrupaciones (cluster analysis).

Verificacin y valor de los pronsticos

Bibliografa

Wilks, D., 2006: Statistical Methods in the Atmospheric Sciences, Academic Press, 627 pp.

Von Storch and F.W. Zwiers. 1999.

Statistical Analysis in Climate Research.

Cambridge University Press, 484 pp.

Introduccin

Clima

Climatologa

Por qu los mtodos estadsticos?

Variabilidad climtica

Escalas

Clima (segn la RAE)(Del lat. clima, y este del gr. ).

1. m. Conjunto de condiciones atmosfricas que caracterizan una regin.

2. m. Temperatura particular y dems condiciones atmosfricas y telricas de cada pas.

Clima...

Es el conjunto de estados de tiempo atmosfrico que se producen en una determinada regin y que otorgan a sta una particular idiosincrasia. El concepto de clima incluye no slo los valores medios de las variables meteorolgicas, sino tambin sus extremos.

Prof. Gustavo Necco

Clima(segn la American Meteorological Society)

AMS Glossary: climateThe slowly varying aspects of the atmospherehydrosphereland surface system.

Est caracterizado tpicamente en trminos de promedios adecuados del sistema climtico en perodos de un mes o ms, tomando en consideracin la variabilidad temporal de los valores promediados. La clasificacin climtica incluye la variacin espacial de estas variables promediadas en el tiempo. En un principio, se consideraba el clima local como poco ms que el transcurso anual de promedios de largo plazo de la temperatura en superficie y la precipitacin. Actualmente, el concepto de clima se ha ampliado y evolucionado in dcadas recientes en respuesta a la comprensin creciente de los procesos subyacentes que determinan el clima y su variabilidad. See also climate system, climatology, climate change, climatic classification.

Clasificacin de Climas segn Kppen(basada en temperatura y precipitacin)

Clima

Climate may be defined as the multivariate,

multiple-time probability distribution of status of

the ocean-ice-atmosphere system. (North et al.

1982)

El clima puede definirse como la disribucin de

probabilidad multivariada y multi-temporal del

estado del sistema ocano-hielo-atmsfera

Climatologa

Descripcin y estudio cientfico del clima (segn la AMS)

Segn la RAE:

1. f. Tratado del clima.2. f. Conjunto de las condiciones propias de un

determinado clima.

Climatologa

Hay otro uso bastante frecuente de esta palabra, que refiere a valores estadsticos descriptivos de alguna variable.

P. ej. medias mensuales de temperaturas en un cierto lugar

Por qu los mtodos estadsticos

para analizar datos climticos?

Los procesos climticos presentan irregularidades

que son fuente de incertidumbre.

La estadstica permite:

describir los datos

cuantificar la incertidumbre

realizar inferencias.

Aplicacin de mtodos estadsticos

La aplicacin de mtodos estadsticos adecuados debe ayudar a la comprensin de los complejos fenmenos fsicos subyacentes

Valoracin de hiptesis

El anlisis estadstico de los datos puede sugerir la existencia (o no) de relaciones entre variables

Perono confundir relaciones estadsticas con relaciones causa-efecto!!

La descripcin de los datos observados puede ayudar a la prediccin

Pero, y los modelos numricos determinsticos?

En primer lugar, no son perfectos.

Y adems

Los modelos numricos son modelos matemticos,

que se corren en computadoras y se basan en las

ecuaciones de los fluidos, la termodinmica y la

qumica, aplicadas a la atmsfera y/o los ocanos.

1963: La atmsfera como sistemacatico (Ed. Lorenz)

Sistema de Lorenz

Sensibilidad a las condiciones iniciales

Modelo simplificadode conveccin

Deterministic Non-Periodic Flow

El Efecto Mariposa

Luego de tener xito en escribir ecuaciones

determinsticas para el flujo atmosfrico y

logrado integrarlas numricamente, surgi un

obstculo no previsto: La predictibilidad del

sistema es de solamente 2 a 3 semanas

El mundo despus de Lorenz

Consecuencias del caos determinstico:

El pronstico del tiempo (determinstico y limitado en su horizonte temporal) se separa conceptualmente del

pronstico climtico (necesariamente probabilstico).

Se abandona el objetivo de controlar del tiempo.

La predictibilidad del clima debe tener otros orgenes que el atmosfrico (otros subsistemas climticos con

mayor memoria).

Se puede mejorar la performance de los modelos numricos, post-procesando sus salidas, utilizando ensembles.

simulacin con la mejor condicin inicial

evolucin real

Ensemble de Pronsticos del Clima

Las series de datos no son suficientemente largas.

El clima puede cambiar y las series largas pueden no representar adecuadamente el clima presente.

Pero tambin hay que tener en cuenta que

Variabilidad climtica (espacial)

Los valores dependen del perodo! Aqu es 1961-1990

Temperatura media anual (C) Precipitacin media anual (mm)

Variabilidad climtica (temporal)

Pluvimetro Rivera (1914-1997)

Precipitacin agosto

La variabilidad interanual es muy relevante

Variabilidad interanual

Temperatura media anual en Paysand: 1951-2002

En el curso veremos un mtodo para analizar

simultneamente la

variabilidad espacio-temporal de variables

climticas. (Mtodo de componentes principales.)

Ciclo anual de temperaturas

Ciclos anuales de precipitaciones enSalto, Melo, Montevideo

Pisciottano et al1994

Regionalizacin de la precipitacin en Uruguay segn su ciclo anual

Terra y Pisciottano1994

La variabilidad climtica en una regin puede estar influida por fenmenos climticos (forzantes) que ocurren en otras regiones.

Un forzante del clima del sudeste de Amrica del Sur, al que pertenece Uruguay, es el fenmeno de El Nio Oscilacin Sur (ENOS).

Temperaturas deSuperficie del Mar (TSM)

Presin atmosfricaen superficie

El Nio Oscilacin Sur (ENOS)

Modo de variabilidad cuasi-peridica del sistema acoplado atmsfera-ocano en el Pacfico ecuatorial

ndices de ENOS

Tendencias en precipitaciones

1901-2005

1979-2005 IPCC 2008

% por siglo

% por dcada

Genta et al, 1998Medias Mviles Centradas de 30 aos

-1

0

1

2

3

4

5

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

-0 .4

-0 .3

-0 .2

-0 .1

0

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

1 8 8 0 1 9 0 0 1 9 2 0 1 9 4 0 1 9 6 0 1 9 8 0 2 0 0 0

Paran

ParaguayUruguayNegro

TSM Pacfico

TSM Pacfico

Caudal Medio

Normalizados

Val./Desv.Tip.

Tendencias en caudales de ros Tendencias en caudales de ros

Concentracin del CO2 atmosfrico

en Mauna Loa, Hawai

Escalas (espaciales y temporales)

Son magnitudes (o rangos de magnitudes) que sirven para describir algunos fenmenos

La escala espacial es una longitud caracterstica del fenmeno; (ej., de una tormenta extratropical)

La escala temporal est asociada a la duracin y da idea de la memoria o persistencia del proceso (ejs. presin a nivel del mar)

Ambas suelen crecer o decrecer juntas.

Escalas de movimientos atmosfricos

Escalas espaciales y temporales de fenmenos meteorolgicos

(WMO No. 993, 2006)

PRONSTICO A LARGO PLAZO

PRONSTICO A CORTO PLAZO

PRONSTICO A MEDIANO PLAZO

(Tormenta severa)