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Pregunta de investigación
¿Cómo caracterizar las estructuras atmosféricas relevantes para su detección y extracción automática en grandes volúmenes de datos climáticos (Simulaciones WRF, imágenes satelitales, etc.)?
Estado del arte
El clima es el sistema que resulta de la interacción de distintos componentes de la atmósfera y de la superficie terrestre, cuya dinámica determina las condiciones atmosféricas en escalas grandes de tiempo, esto es, “de 30 años o más "[monkhouse1978diccionario]. En escalas cortas de tiempo, el estudio de los fenómenos atmosféricos y los eventos resultantes de su interacción se conoce como meteorolog\'{i}a, siendo la predicción climática de corto plazo una de sus tareas más relevantes y complejas. Tanto la climatología como la meteorología tienen múltiples aplicaciones en campos tan diversos como la aeronáutica, la agronom\'{i}a, la medicina, entre otras.
2.1 Modelos del clima
Dada su complejidad, el modelado del clima implica el uso de una combinación de distintos modelos de diferentes características y de acuerdo a la complejidad y alcance de cada simulación o aplicación. Dependiendo de factores como el tamaño del dominio bajo estudio, los modelos generales para la representación del comportamiento del clima se clasifican en: modelos globales y modelos regionales. Un modelo global permite el análisis de la dinámica atmosférica y oceánica a en grandes escalas espaciales y temporales, mientras que los modelos regionales se enfocan en la reproducción detallada de los fenómenos atmosféricos presentes en una zona geográfica específica. Existen, además, modelos de acoplamiento, de uso frecuente en el estudio del cambio climático; tal es el caso del modelado de la relación entre la temperatura superficial promediada y la temperatura al interior del océano descrito en [tello2001modelo], o estudios sobre el monzón sudamericano [burgoa2008escenarios], basados en el modelo Ukmo_HadCM3.
A diferencia de los modelos globales, los modelos regionales permiten la generación de datos climáticos en zonas geográficas delimitadas, con el objetivo de reproducir comportamientos atmosféricos observables a escalas más pequeñas. Algunos modelos como el Modelo Climático Regional (RegCM) del Instituto de Física Teórica de Trieste [pal2007regional], o el modelo PRECIS [jones2004generating], y otros meteorológicos como el Weather & Research Forecasting [skamarock2005description], han sido utilizados en la última década para simular la variabilidad climática y el cambio climático y su impacto diversos aspectos biogeofísicos y socioeconómicos. El modelo WRF es uno de los más extendidos por la variedad de submodelos provenientes de la literatura para implementar diferentes fenómenos e interacciones, además del manejo de múltiples escalas espaciales, como se menciona en [ruiz2011cambio]. %L %Leer y cambiar
2.2 Estructuras atmosféricas
Es la representación de la dinámica que se observa en la atmósfera en consecuencia a las variaciones que hay entre los elementos que la conforman, estos elementos son:
• Variaciones de presión atmosférica: Es el peso que realiza las masas de aire que se encuentran en la atmósfera sobre la superficie, tomando en cuenta que la atmósfera se divide en capas, la presión atmosférica varia dependiendo de la altitud y de los cambios de temperatura.
• Variaciones de temperatura atmosférica: Es el grado de calor especifico que se presenta en el aire en un momento y lugar determinado. Se considera la variable meteorológica más importante por que con ella se puede realizar una delimitación de la mayoría de tipos de climas que se pueden presentar.
• Humedad: Es la cantidad de vapor de agua que se presenta en el aire que determina la comodidad térmica que puede tener un cuerpo vivo en cierto ambiente.
• Vientos: Se considera la variable de estado de movimiento de masas de aire que se presenta de manera horizontal y vertical de acuerdo a unas diferencias presión, esta variables es importante en la caracterización de fenómenos atmosféricos locales, por que describe el comportamiento.
Una caracterización consistente del clima en la región geográfica correspondiente a Colombia debería reproducir consistentemente estas estructuras.
2.3 Estructuras conocidas atmosféricas en Colombia
Colombia se encuentra ubicada en la zona intertropical, lo que se traduce e la presencia de diferentes fenómenos y estructuras debidas a elementos como las corrientes del Océano Pac\'{i}fico y del Océano Atlántico, entre otros; algunas de las estructuras más relevantes son las siguientes:
• Zona de confluencia intertropical (ZCIT): Es una franja de bajas presiones en la zona Ecuatorial que se forma debido a la confluencia de corrientes de aire que entran en los trópicos procedentes del hemisferio norte y sur. Esta zona inicia su recorrido de sur a norte entre enero y febrero, y cambia de orientación de norte a sur entre los meses julio y agosto, produciendo las temporadas lluviosas en gran parte de país. Debido a las altas temperaturas que se presentan, las masas de aire se ven forzadas a ascender ocasionando abundante nubosidad acompañada de fuertes precipitaciones y algunas descargas eléctricas [poveda2004hidroclimatologia]. %La zona de confluencia intertropical no es uniforme ni continua, se puede interrumpir en zonas marítimas y continentales, y al mismo tiempo puede variar su grosor de un sitio a otro. Algunas veces la presencia de bajas presiones, restos de frentes frios y el paso de perturbaciones tropicales (tormentas, ondas, depresiones y huracanes) pueden aumentar los efectos que produce la zona de confluencia intertropical
• Chorro del Choco: El chorro del Choco es un jet del oeste de bajo nivel, los vientos de este jet están casi ausentes durante febrero-marzo, y el viento máximo núcleo está presente durante octubre-noviembre (8.6 m / s) situado en torno a los 5^{\circ}N. Estos vientos provenientes del Océano Pacífico son más frías y húmedas de los vientos alisios que vienen del Atlántico y el Caribe. El chorro del Choco provoca fuerte advección de humedad sobre el norte de América del Sur para octubre, mostrando una gran cantidad de entrada de humedad desde el Océano Pacífico hasta el continente [poveda1999corriente]. %La alta divergencia, en el campo de viento horizontal en 700 y 200 hPa, confirma que la convergencia de humedad se ve limitada a la atmósfera más baja (hasta 850 hPa).
• Jet de la Guajira: La corriente en Chorro de niveles bajos en el Caribe (Low Level Jet-LLJ) es un fenómeno meteorológico que se deriva de la influencia de la circulación Subtropical en niveles altos, que genera un movimiento de los vientos alisios en superficie con velocidades de 20 y 30 nudos. Está localizada en la ZCIT. Cuando esta corriente se encuentra con contenidos altos de humedad en las capas bajas genera una formación de nubes y precipitaciones [mora2000enos].
2.4 Relación de estructuras atmosféricas con predicción o caracterización de clima
Las estructuras atmosféricas al ser una representación de la dinámica de la atmósfera permite generar un entendimiento del sistema, existe una correlación entre las estructuras atmosféricas y los fenómenos atmosféricos [poveda2004hidroclimatologia] y esto da lugar a un proceso de predicción que busca analizar un comportamiento ha corto plazo. Aunque este proceso no es trivial se han usado modelos de simulación que tratan de aproximarse a ese tipo de comportamientos pero al ser un sistema complejo, la interpretación de las relaciones entre las variables no es sencilla. En estos modelos matemáticos se debe considerar la confiabilidad de los datos, algunos art\'{i}culos [katz2013uncertainty, fyfe2013overestimated] menciona el uso de protocolos que ayuden a reducir la incertidumbre que presentan estos modelos ya sea por la naturaleza no lineal del modelo y/o a la negligencia que tienen algunos experto al momento de presentar los datos .
2.5 Trabajos para la caracterización y extracción de estructuras
La caracterización de estructuras en fluidos se ha abordado desde campos como la visión por computador y la CFD (Dinamica de fluidos computacional) [bertalmio2001navier]. Técnicas como el Flujo Óptico permiten medir el movimiento local de partículas fluidas en determinado tipo de adquisiciones, p.ej. vídeo digital [barron2005tutorial]. Esta aproximación se utilizó en el trabajo de Cheung et al. [cheung2012application] para el análisis del clima a corto plazo utilizando un algoritmo de flujo óptico que combina medidas globales (Horn & Schunck) y locales (Lucas Kanade) robustecía el sistema SWIRL (Short-range Warning of Intense Rainstorms in Localized Systems) basado en RADAR y de uso exitoso en la ciudad de Hong Kong; igualmente, en el estudio de los vientos se han usado medidas de flujo óptico combinadas con lógica difusa para la extracción de información relevante de datos reales [fernando2013wind].
Desde el punto de vista de la caracterización y análisis de la ocurrencia de determinados fenómenos atmosféricos, técnicas basadas en Wavelets (como en [graps1995introduction]) permiten estudiar la variabilidad espacio--temporal del comportamiento atmosférico a diferentes escalas. Técnicas de este tipo se emplearon en [janicke2009visual] para la propia visualización de datos provenientes de simulaciones (IPCC AR4 con el modelo ECHAM5/MPI--OM) como aporte al seguimiento del Fenómeno del Niño (ENSO). También en el campo de la visualización soportada en Wavelets se encuentra el trabajo de Gruchalla et al. [gruchalla2009visualization], en el que se propone un marco de trabajo para la extracción y rendering 3D de estructuras turbulentas en fluidos mediante el realce de ciertas zonas de interés detectadas en el dominio Wavelet. .
2.6 Aplicaciones del Aprendizaje de Máquina en la detección de estructuras
El uso de aprendizaje de máquina para la reconstrucción de volúmenes ha permitido obtener buenos resultados sobre datos 4--D (3D más tiempo) como se presenta en [ma2007machine]; en este trabajo, se usa el conocimiento de expertos para detectar, mediante clasificación de regiones de interés, las regiones que contienen con mayor probabilidad una estructura determinada en un dominio fluido. Las anotaciones de los expertos permiten así inferir una función de transferencia que realce las estructuras dentro del citado dominio.
Avances
- Modificación de la herramienta de anotaciones con el proceso de visualización de un campo vectorial y presentación de las lineas de corriente por nivel
Observado en el nivel 1
Vorticidades en Costa Rica, Venezuela, Colombia (Caqueta) y en Brasil y la posible presencia de la ZCIT en el Choco
Observado en el nivel 18
Posibles vorticidades en el pacifico y anomalías en las costas venezolanas
- Proceso de anotaciones asesorados por un experto
- Exploración de la caracterización utilizando "Phase portrait" en el campo de vientos
- Extracción de anotaciones
