Dissertations / Theses on the topic 'Predicción meteorológica'

El propósito de esta investigación es maximizar el impacto de la asimilación de datos radar sobre el pronóstico de precipitación a muy corto plazo usando el modelo Weather Research and Forecasting (WRF), de tal manera que pueda ser implementado de modo operativo en los Servicios Meteorológicos Nacionales. En una primera fase se utiliza un episodio de precipitación extrema que tuvo lugar en Cataluña (NE de España) para probar varias configuraciones de predicción inmediata, basadas en el modelo WRF con la asimilación de datos radar, y en una segunda fase, se profundizan los resultados a través de una serie de experimentos basados en diez eventos de precipitación extrema ocurridos en Cataluña en el periodo 2015 - 2017. Las configuraciones consideradas se generan modificando: 1) el ciclo de inicialización del WRF, 2) los procedimientos de preprocesamiento de datos radar utilizados por el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR) y por el Servicio Meteorológico de Cataluña (SMC), 3) datos convencionales y de radar asimilados dentro del sistema variacional tridimensional (3DVAR), y 4), otros parámetros tales como la escala de longitud de las observaciones, el número de bucles externos y la parametrización de la convección húmeda. El efecto de los anteriores parámetros se evalúa mediante la habilidad de una serie de experimentos para simular la cantidad y localización de la precipitación usando técnicas estadísticas convencionales, índices categóricos y el Receiver Operating Characteristic (ROC). Sin embargo, en este estudio la construcción de las tablas de contingencia está condicionada al desplazamiento del patrón de precipitación y la cercanía entre los valores observados y pronosticados, sin considerar los umbrales de precipitación. El método de control de calidad desarrollado por el SMC es confiable y en el caso particular del 12 de octubre de 2016, produjo mejores resultados que el método de NCAR. La predicción inmediata de precipitación logra mejores resultados cuando el modelo WRF es ejecutado con dos ciclos de asimilación, uno en frío y otro en caliente con un length scale de 0.75 y 0.50 respectivamente, asimilando en cada ciclo datos radar y datos convencionales en un mismo momento y con el error del background CV7. Los largos ciclos de inicialización, las actuales parametrizaciones usadas en el SMC y el uso de tres bucles externos no mejoran los resultados del pronóstico.
The purpose of this research is to maximize the radar data assimilation impact on precipitation nowcasting using the Weather Research and Forecasting (WRF), in such a way that it can be implemented operationally in the National Meteorological Services. In a first phase is used an episode of extreme precipitation that took place in Catalonia (NE Spain) to test several nowcasting system configurations, which are based on the Weather Research and Forecasting (WRF) model with radar data assimilation, and in a second phase, the results are deepened through a series of experiments based on ten extreme precipitation events that occurred in Catalonia in the period 2015 - 2017. The configurations considered are generated by modifying the following elements: 1) the WRF initialization cycle, 2) the radar data preprocessing procedures used by the National Center for Atmospheric Research (NCAR) and by the Meteorological Service of Catalonia (SMC), 3) conventional and radar data assimilated within the three dimensional variational system (3DVAR), and 4), other parameters such as the observations length scale, number of outer loops and the cumulus parameterization. The effect of the previous parameters is evaluated through the skill of the different experiments to simulate both the amount and location of precipitation using conventional statistical techniques, categorical indices and the Receiver Operating Characteristic (ROC). However, in this study the construction of the contingency tables has been conditioned to the precipitation pattern displacement and the closeness between the observed and forecast values without considering precipitation thresholds. The quality control method developed by the SMC is trustworthy and in the particular case occurred on October 12, 2016, it produced better results than the NCAR method. The precipitation nowcasting achieves better results when the WRF model is executed with two assimilation cycles, one in cold and another in warm with a length scale of 0.75 and 0.50 respectively, assimilating in each of these cycles radar data and conventional data (METAR and SYNOP) at the same time and with the background error CV7. The long initialization cycles, the current parameterizations used in the SMC and the use of three external loops do not improve the forecast results.

Implementa y pone operativo el modelo númerico acoplado de predicción meteorológica y química Global Forecast System (GFS) - Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem), para evaluar los niveles de contaminantes atmosféricos existentes en Lima, comprendiendo los procesos físicos y químicos que ocurren en la naturaleza. Compara los niveles de contaminantes con los estándares de calidad emitidos por el Ministerio del Ambiente de Perú.
Tesis

In this work, a subsynoptic characterization of tropopause fold structures is derived from one-year of global, high resolution GFS (Global Forecasting System, 0.3 degrees) data analyses and 10 years of daily WRF (Weather Reasearch and Forecasting) mesoscale simulations at 30 km resolution initialized with the Japanese 25-year Re-Analysis (JRA-25, 1.125 degrees). The dynamical tropopause, defined as a constant potential vorticity surface (2 PVU), is an important meteorological concept that under adiabatic and frictionless conditions acts as a material barrier between the troposphere and the stratosphere. Deformations of this layer such as foldings have a relevant influence on midlatitude weather systems and are a major mechanism of extratropical stratosphere-troposphere exchange. In the vicinity of these stratospheric intrusions, large vertical and horizontal gradients of Potential Vorticity (PV) are found, so that high resolution data is required for a direct characterization of these structures. Based on a geometric definition of tropopause folds, a novel objective algorithm has been developed and applied over the 6-hour meteorological fields to unambiguously detect the presence of a folded dynamical tropopause. The methodology applied requires no assumptions on the dynamical origin of the folding, and it registers the main geometric features of each individual folded grid structure such as its horizontal dimensions, depth of penetration, thickness or the gap relative to the upper tropopause. The application of the fold detection algorithm has served to characterize the geographical distribution of folding features on a global basis using one year of GFS data, and on a regional basis using a more robust 10-year WRF climatology over Southwest Europe. The analysis corroborates the differences between subtropics and extratropics in tropopause fold characteristics and formation, and serves to identify the main synoptic upper-level scenarios that drive the intensification of these structures. The geographical distribution and annual variability of stratospheric intrusions detected with the GFS analyses are in line with existing climatologies, supporting the competence of the fold searching algorithm, but providing a more detailed portrait through the higher resolution of the GFS data. The 10-year WRF tropopause fold climatology shows a general good agreement with the one-year GFS observations, although WRF tropopause fold frequencies appear to be lower on average. This can be partly attributed to interannual variability, and partly to underestimation of the total folded area simulated by WRF relative to that observed by GFS, as revealed in individual tropopause fold case studies. Additionally, a product that uses a combination of geometric tropopause fold parameters has been generated (Stratosphere-Troposphere Transport Folding Index, STTFI) to estimate the regions of the globe where the largest amounts of stratospheric air are most likely to be irreversibly transferred into the troposphere due to deep tropopause fold intrusions. Despite its simplicity, the STTFI reproduces the most important features captured in existing Stratosphere-Troposphere Transport (SST) climatologies based on Lagrangian trajectory techniques. Finally, a detailed evaluation on the WRF model ability to simulate tropopause folds has been performed over an entire year (December 2007 - November 2008), with an eye at establishing the role of resolution enhancements at improving their simulation. Qualitative and quantitative comparisons between WRF results and both the initial JRA data and the GFS analyses have been performed over tropopause fold frequencies and individual tropopause fold events. The comparison demonstrates that the WRF forcing is in general able to forecast the main mesoscale features of the tropopause folds, significantly improving their representation with respect to the JRA coarse description of the initial state, particularly at midlatitudes. However, it has been observed that a poor definition of the initial conditions can be an important obstacle in tropopause fold performance, particularly under certain circumstances (e.g. rapidly traveling perturbations entering the domain) in some specific areas (e.g. close to the border of the simulation domain).
En aquesta tesi s'ha realitzat una anàlisi i una caracterització detallada sobre les estructures de plegament de la tropopausa (Tropopause Foldings en la literatura anglesa) utilitzant, per un costat, un any de dades globals de relativa alta resolució (0.3 graus) d'anàlisis del model GFS (Global Forescating System), i per l'altra, 10 anys de dades de simulacions numèriques diàries realitzades amb el model de mesoescala WRF (Weather Research and Forecasting) amb una resolució aproximada d'uns 30 km i inicialitzades amb les dades JRA-25 (Japanese 25-year ReAnalysis) que tenen una resolució grollera d'1.125 graus. La tropopausa és una capa fina de l'atmosfera que separa la troposfera de l'estratosfera, dues capes molt diferents en la seva estructura tèrmica, condicions dinàmiques i composició química. A la troposfera, per exemple, la temperatura disminueix amb l'altitud, els moviments verticals i la barreja hi són relativament freqüents, i l'aire pot contenir grans quantitats de vapor d'aigua mentre que l'ozó n'és generalment escàs. En canvi, a l'estratosfera la temperatura augmenta amb l'altitud, els moviments són bàsicament horitzontals, i l'aire està estratificat per capes, pobres en vapor d'aigua i relativament riques en concentració d'ozó, provinent de la capa d'ozó que es troba precisament en els primers 25 km de l'estratosfera. Per tant, la tropopausa representa una zona de transició i canvis abruptes entre aquestes dues capes, cosa que fa que jugui un paper molt important en l'intercanvi de substàncies i que presenti una gran sensibilitat a possibles canvis atmosfèrics. Tenint en compte les característiques dinàmiques, es pot definir la tropopausa com una superfície de valor constant de vorticitat potencial, típicament la superfície de 2 PVU (unitats de vorticitat potencial, on 1 PVU = 10' m2 s-1 K kg-1). D'aquesta manera l'aire troposfèric queda definit per valors baixos de vorticitat potencial (PV < 2) i l'estratosfèric per valors alts (PV > 2). Sota condicions de conservació adiabàtiques i sense fricció, aquesta tropopausa dinàmica actua com a una barrera física entre les dues capes. Deformacions importants d'aquesta superfície, com per exemple els plegaments de tropopausa, poden tenir una gran influència en el desenvolupament de fenòmens meteorològics a la troposfera i poden ser un dels mecanismes més importants d'intercanvi i transport de substàncies entre la troposfera i l'estratosfera als extratròpics. Aquests plegaments de tropopausa o intrusions estratosfèriques es caracteritzen per la presència de forts gradients de vorticitat potencial, especialment a les zones properes que limiten amb els seus contorns. Per aquest motiu és de suposar que per a una bona detecció i caracterització d'aquestes estructures, és necessària una bona resolució horitzontal i vertical de les dades. S'ha creat un algoritme objectiu per a la detecció d'aquests plegaments basant-se només en una definició purament geomètrica d'aquestes estructures i, per tant, sense fer cap suposició d'entrada sobre el seu origen dinàmic. D'aquesta manera l'algoritme, aplicat sobre els camps tridimensionals de les principals variables meteorològiques, és capaç de detectar la presència d'una tropopausa dinàmica plegada, i d'enregistrar-ne les seves principals característiques geomètriques com són: les dimensions horitzontals, el gruix de la intrusió, la profunditat de penetració o l'amplitud de l'arc (distància vertical entre les dues tropopauses que defineixen la presència d'un plegament). L'algoritme s'ha aplicat primerament sobre un any (desembre 2007 - novembre 2008) de dades d'anàlisi globals del model GFS amb el que s'ha pogut fer una caracterització geogràfica completa de plegaments de tropopausa per a l'hemisferi nord i sud. Els resultats, per una banda, es corresponen molt bé amb les climatologies existents, el que corrobora el bon funcionament de Seguidament, l'algoritme també s'ha aplicat sobre els 10 anys de simulacions realitzades amb el model de mesoescala WRF i s'ha construït una climatologia de plegaments molt més robusta sobre una regió força extensa del sud-oest d'Europa, amb la Península Ibèrica al centre del domini. Aquesta climatologia mostra una bona concordança amb els resultats obtinguts durant un any d'estudi amb les dades GFS, tot i que les freqüències de plegaments observades són en general més petites. Aquesta disminució és deguda, per una banda, a la variabilitat interanual, i per l'altra, a una subestimació generalitzada de l'àrea total detectada en els diferents casos de plegaments de tropopausa simulats amb el model WRF respecte dels observats amb les dades GFS. Tant l'anàlisi global com la climatologia regional corroboren les diferències entre els subtròpics i els extratròpics en la formació i característiques dels plegaments de tropopausa, i serveixen per a identificar els principals escenaris sinòptics que governen la intensificació d'aquests fenòmens. També s'ha generat un producte que utilitza una combinació dels diferents paràmetres geomètrics dels plegaments de tropopausa per a estimar les regions on és més probable que grans quantitats d'aire estratosfèric siguin transferides irreversiblement a la troposfera degut als casos més intensos de plegaments de tropopausa (STTFI: Stratosphere-Troposphere Transport Folding Index). Tot i la simplicitat del producte, l'STTFI reprodueix molt bé els trets més importants observats a les climatologies existents de transport estratosfera-troposfera basades en tècniques més complicades de trajectòries lagrangianes. Finalment, s'ha efectuat una avaluació detallada sobre la capacitat del model WRF per a simular plegaments de tropopausa, i amb l'objectiu d'avaluar també la importància dels increments en la resolució de les dades a l'hora de millorar la representació dels plegaments de tropopausa. S'han realitzat comparacions durant un any sencer (desembre 2007 - novembre 2008), tant qualitatives com quantitatives, dels resultats del WRF amb, per una banda, les dades de baixa resolució JRA utilitzades com a inicialització de les simulacions, i per l'altra banda, amb les dades GFS que tenen una resolució semblant a la de les simulacions WRF. A part de comparar les freqüències de plegaments i les seves característiques estacionals, també s'ha analitzat un ampli ventall de diferents casos d'estudi individuals. Els resultats demostren que el model WRF és en general capaç de pronosticar els principals trets mesoescalars dels plegaments de tropopausa, millorant significativament la seva representació en comparació amb la descripció més grollera que ofereixen les dades d'inicialització JRA, especialment a les latituds mitjanes. Tot i aquesta millora significativa, s'ha observat que una definició pobra de les condicions inicials pot ser un obstacle important per a un complet desenvolupament de les intrusions estratosfèriques, especialment en algunes circumstàncies (p.e. pertorbacions ràpides entrant en el domini de simulació) i en algunes regions concretes (p.e. prop dels límits del domini).

Catalunya, i en concret el Pla de Lleida, són zones sovint afectades per les pedregades. En general, els episodis més severs i freqüents es produeixen des de finals de la primavera fins a principis de la tardor. Aquest període coincideix amb el moment en què determinats cultius de la zona són altament vulnerables, degut al seu cicle vegetatiu. La importància a nivell econòmic i social que tenen les pedregades al territori català, com també la complexitat del fenomen, ha comportat que nombrosos científics hagin estudiat el tema des de diferents punts de vista. En aquesta tesi s'ha aprofundit en temes de diagnosi i predicció, amb una fase preliminar d'anàlisi per conèixer la distribució espacial i estacional de les pedregades a la zona. En temes de diagnosi, i amb l'objectiu de conèixer el diàmetre de la pedra obtinguda en indrets sense possibilitat d'observació directa, s'ha aplicat un mètode d'estimació de la mida de la pedra. Els resultats més òptims s'han aconseguit a partir del mètode cokriging universal, combinant poques dades puntuals, les observacions en superfície, amb una variable contínua secundària, que en aquest cas es tracta d'informació radar. Els valors estimats més propers a la realitat s'han aconseguit utilitzant el producte vertically integrated liquid (VIL) de la imatge no corregida del radar de la Panadella (CDV). Pel que fa al camp de la predicció, s'ha aplicat l'algorisme lightning jump (LJ), amb importants modificacions respecte a la metodologia original i adaptant-lo a les necessitats operatives del Servei Meteorològic de Catalunya (SMC), amb l'objectiu de pronosticar temps sever a curt termini al nostre país. El percentatge d'encert d'aquesta eina davant aquests fenòmens és molt elevat. A més, un altre fet important és que el percentatge d'error és molt baix. La distància de temps en què s'alerta de possible temps sever, coneguda com a lead time, inicialment, s'ha mogut entre 15 i 45 minuts amb un pic als 20 minuts. Posteriorment, a partir de la incorporació del paràmetre de la multiplicitat en l'algorisme, aquesta distància temporal s'ha incrementat fins a 120 minuts. L'anàlisi de la predicció segons la severitat de la tempesta o, altrament dit, segons el diàmetre de la pedra ha estat costosa i se n'han extret poques conclusions discriminatòries, a partir dels casos estudiats. En conjunt, l'activitat elèctrica i el comportament d'alguns paràmetres radar no han mostrat diferències significatives per arribar a determinar si una tempesta va acompanyada de pedra grossa o petita, en el moment que salta una alerta de LJ. Només el perfil de reflectivitat seria considerat una característica determinant que pot facilitar aquest tipus de pronòstic. Durant les campanyes més recents, l'eina de LJ ha estat aplicada en l'operativa de l'Equip de Predicció i Vigilància (EPV) de l’SMC. Inicialment, es va posar en mode de prova, i va passar, vistos els bons resultats, a l'operativa en temps real. Aquest seguiment ha permès portar un control diari de l'eina i trobar millores en l'algorisme. Per tant, es demostra l'aplicabilitat de la present tesi en tasques del dia a dia. La multiplicitat, esmentada prèviament, ha estat una característica afegida recentment, la qual ha permès pronosticar pedregades de mida inferior als 2 cm, precipitacions intenses, com també millora la predicció de temps sever. Finalment, per cobrir la manca d'observacions en determinades situacions de severitat, s'ha dut a terme la campanya de ciència ciutadana Plega/Caça la pedra. S'han obtingut uns resultats satisfactoris triplicant quasi el nombre d'observacions respecte d'anys anteriors. Aquesta quantitat d'observacions ha permès fer un millor control i validació de l'eina de LJ.
The hail is a common severe weather phenomenon in Catalonia, producing important damages in different society environments. Nowadays, there are a lot of doubts about its forecast and, although, on respect the diagnosis of size hail. Both uncertainties are due to the high variability of hailstorms. This PhD is based on the analysis of thunderstorms associated to severe weather (large hail, tornados or waterspout, downburst and strong wind gust). The PhD has been focus on answering some of the existent doubts. On one hand, a diagnosis forecast tool has been applied to obtain information about hail diameter recorded after that one thunderstorm had affected an area without any direct measure instrument. On the other hand, a severe forecast tool named “Lightning jump” has been studied, adapted and put in operational. This algorithm permits to do a nowcasting forecast about severe weather phenomena in one hour in advance. It is an innovation PhD considering the incorporation of diagnosis and forecast new tools. Moreover, some of them are used currently in the Servei de Meteorològic de Catalunya for severe weather forecasting purposes.

Natural disasters of hydro-meteorological origin are the biggest risk worldwide. In Catalonia (NE of the Iberian Peninsula), severe weather and flash floods occur each year, resulting in major damage to property, losses in agriculture, and also of human lives. To reduce its impact, we need to improve the early warning systems and storm short-term forecasting. There’s a need to gain in-depth knowledge of severe thunderstorm dynamics, since the current accused conditions of global warming can impact in factors triggering these storms. The main objective of the present thesis is to enhance the knowledge of severe storms dynamics and to improve their identification and monitoring in real time, in order to help prevent their surface effects on the citizens. The project addresses the unresolved problem of storm anomalous motion, as it becomes a great challenge to predict their evolution and impact in the next few hours. For this purpose, the area of Catalonia has been chosen as the study region of this project, due to the proximity to the sea and complex topography, which are often key factors in varying the weather at a local scale. There is also the advantage of having good radar coverage, which will be the essential tool for characterizing storms. We first propose a methodology that identifies potentially convective days from daily cumulative rainfall fields, selects them to search for storms, and determines if their motion is anomalous. We have found that the area with the highest convective activity between 2008-2015 in Catalonia was located in the eastern Pre-Pyrenees, due to the possible creation of a convergence line. It has also been identified that there are more convective structures with possible anomalous propagation in summer and spring, with the main patterns being related to splitting, merging, stationarity and elongated storms. Once the study sample is defined, we have developed an algorithm to improve the identification and tracking of these thunderstorms, especially those with anomalous propagations. The keys of improvement have been based on proposing new techniques in the three main modules; 2D, 3D identification and tracking. In addition, it incorporates alerts before possible cell splitting or merging. These changes have shown that the algorithm is able to faithfully reproduce storm life cycle, correctly identify in advanced anomalous motion, and correctly distinguish storms in highly dense convective situations. The algorithm has been verified first over 30 severe cases, proving that it can identify anomalous movements with a mean 30-min lead-time, being the splitting, the easiest one to do. It has also been demonstrated a good ability at not only identifying these movements but also separating cases with and without anomalous motion. On the other hand, the algorithm has demonstrated a good performance in cases of heavy rainfall on a Catalan flood-prone coastal area of touristic interest. It is identified that storms are usually organized in convergence lines, and that topography and the sea play a very important role, whether affecting the movement, the time of exposure, or the amount of precipitable water causing flash floods. Finally, the dual-Doppler technique is applied in Catalonia for the first time. This allows getting complete information of the internal dynamics of a thunderstorm, without the need of running idealized models, and then, getting to know the local topographic influence on the evolution and organization. It is demonstrated that the complex local topography changes and/or amplifies the wind flow inside and near thunderstorms, modifying completely their life cycle and their possible interactions with their neighbor cells. It is also shown that this qualitative improvement into storm-scale dynamic knowledge can improve the nowcasting techniques and the early warning systems in the future.
Els desastres naturals d’origen hidro-meteorològic constitueixen el major risc a nivell mundial. A Catalunya, cada any es succeeixen diferents episodis de temps advers i inundacions, provocant també danys importants en béns materials, pèrdues en l’agricultura, o pèrdua de vides humanes. Aquestes dades poden augmentar en les condicions cada cop més acusades d’escalfament global. Per reduir l’impacte d’aquest fenòmens és necessari millorar els sistemes d’alerta primerenca a molt curt termini, així com la monitorització dels sistemes meteorològics causants d’aquests fenòmens. En aquest context l’objectiu principal d’aquesta tesi doctoral es millorar el coneixement profund de la dinàmica de les tempestes severes, la seva identificació, predicció a molt curt termini, i monitoratge a temps real. Assolir aquest objectiu implica millorar la prevenció dels seus efectes en superfície. La tesis aborda una problemàtica encara no resolta sobre el moviment anòmal d’aquestes tempestes, que esdevé un gran repte a l’hora de pronosticar-ne la seva evolució en les properes hores, i per tant, el seu impacte. A més, es centra a Catalunya, degut a la seva proximitat al Mar Mediterrani i la complexa topografia, factors claus resultants en una meteorologia variada quasi a nivell de municipi, on hi ha l’avantatge de disposar d’una bona cobertura radar, eina essencial per la caracterització de les tempestes. Primer, es proposa una metodologia que permet identificar les situacions potencialment convectives a partir de camps de precipitació acumulada diària, seleccionant aquestes per cercar les tempestes i determinar si el seu moviment és anòmal (del Moral et al., 2017). Definida la mostra d’estudi, es desenvolupa un algoritme que permet millorar la identificació i seguiment d’aquestes tempestes, sobretot quan es tracta d’aquelles amb moviment anòmal (del Moral et al., 2018a). El funcionament de l’algorisme es verifica en dos règims de convecció diferent: casos severs d’interior (del Moral et al., 2018b), i pluges intenses a la costa (del Moral et al., 2020a). Finalment, s’introdueix per primer cop en un país sud-Europeu la tècnica dual-Doppler: obtenció de variables dinàmiques dins de les pròpies tempestes a partir d’observacions radar, per a l’estudi de les interaccions de més petita escala (del Moral et al., 2020b).

El Niño Southern Oscillation arises in the tropical Pacific due to coupled atmosphere-ocean interactions. The nature of the dynamical system of the atmosphere is chaotic and its predictability is sensitive to initial conditions, which constraints our ability to foresee the evolution of ENSO for very long time in advance. This dissertation is dedicated to extending the state-of-the-art prediction of the phenomenon. It focuses on the identification of precursory signals in the ocean and atmosphere that improve the understanding and long-lead forecasts of ENSO. A new statistical modelling technique based on dynamic components and state-space methods is developed. Very early premonitory signals that are a result of an in-depth analysis of the processes accompanying the origin and evolution of El Niño, especially in the subsurface ocean, which is less impacted by initial conditions, are established. These tracers are defined in the far western and central tropical Pacific and are shown to anticipate El Niño two and a half years before its peak. Initial intensification of the easterly winds at this time is associated with convergence of mass, downwelling and warming of the subsurface ocean layers in the far west. Thus the South Equatorial Current and the Equatorial Undercurrent are strengthened, which leads to the propagation of warm subsurface anomalies eastward. These anomalous patterns later lead to changes in the circulation and warming of the surface of the ocean in the central tropical Pacific, which leads to the suppression of the easterly winds. The area of tropical convection shifts to the east, which weakens the Walker circulation and triggers the Bjerknes feedback. This allows the further propagation of the subsurface warm anomalies, which reach the eastern Pacific and are upwelled to the surface, which marks the onset of an El Niño . Warm anomalies in the subsurface equatorial ocean have been previously used as precursors in statistical ENSO models via the integration of the upper ocean heat content or the incorporation of anomalies of the 20°C isotherm. In this way the propagation feature of the anomalies is not considered, and no direct connection is made between the first anomalous patterns and the occurrence of a warm event. Hence, the predictive potential of the incipient warming in the western Pacific is not harnessed. Thus, the work presented in the dissertation provides implications for the possibility to improve the long-lead capabilities of other models. The definition of ENSO predictors at specific depths and regions in the ocean and atmosphere requires the reliable surface and subsurface measurements of various climate variables. Regular measurements have only begun with the satellite era in the 1980s, and with the placement of an observation system after the Tropical Ocean Global Atmosphere Program (1985-1994). Forecasts with the model developed here substantially improve after 1994, and the change is distinct for the long-lead forecasts that rely on good-quality subsurface information about the ocean thermal structure. Therefore, the higher temporal and spatial resolution data sets of key variables are now long enough for statistical forecasting models to make better use of. The practical utility of multi-year forecasts is also explored. A well established link exists between ENSO and local climate in the coastal areas of Ecuador. Following El Niño is a warmer surface temperature and enhanced precipitation. These two variables control the dynamics of mosquito population, and in this way affect the incidence of dengue. An experiment is performed where long-lead forecasts of El Niño are used within a dengue model and the prospects for developing an early warning system is investigated.
El Niño Oscilación Sur (ENSO) es un fenómeno climático interanual que surge en el Pacífico tropical como resultado de las interacciones acopladas entre la atmósfera y el océano. Es el modulador más prominente de la variabilidad climática en esta escala del tiempo. La naturaleza del sistema dinámico de la atmósfera es caótica y su predictibilidad es sensible a las condiciones iniciales, lo que limita nuestra capacidad de prever la evolución del ENSO por un período de tiempo ilimitado de antemano. Esta tesis se dedica a explorar la posibilidad de extender y mejorar la predicción de última generación. En particular, se centra en la identificación de señales precursoras en el océano y en la atmósfera que mejoran la comprensión y los pronósticos a largos plazos de los eventos. Además, se desarrolla una nueva técnica de modelación estadística basada en componentes dinámicos y métodos de modelos de espacio de estado, y las covariables precursoras seleccionadas se incorporan en su diseño. Esta metodología extremadamente flexible ha sido probada y verificada en otras áreas de la ciencia como la ingeniería y la econometría, pero está comenzando a entrar en el campo de la ciencia del clima. En esta tesis se demuestra que en cierta medida esta estrategia metodológica puede unir los conceptos puramente dinámicos y puramente estadísticos de un ejercicio de pronóstico. También se explora la utilidad práctica de los pronósticos multi-anuales de El Niño. Un vínculo bien establecido es el existente entre ENSO y el climá local en las zonas costeras de Ecuador. Después de un evento de El Niño hay una temperatura superficial más cálida y una precipitación intensificada. Estas dos variables controlan la dinámica de la población de mosquitos y de esta manera afectan la incidencia de dengue. Se realiza un experimento en el que las predicciones de largo plazo de El Niño se utilizan en un modelo de predicción del dengue en el sur de la costa de Ecuador. El análisis sirve como una demostración del potencial para un servicio climático operacional en apoyo de la comunidad de salud pública en Ecuador.

Current technology allows the proliferation of multiple forecast systems developed by different research institutions from all over the world. However, most decision makers need a reliable probabilistic prediction instead of a set of predictions to take an action given the probability of an event to occur. Several studies have shown that the merging of predictions derived from several forecast systems with equal weights yields on average better predictions than the best single forecast system. This approach has been referred to as the simple multimodel (SMM). Nevertheless, none of these studies has shown the existence of a combination method that systematically produces the best predictions. Therefore, this thesis aims at applying different statistical techniques to combine predictions derived from different statistical and dynamical forecast systems to assess whether the performance of the SMM can be improved. These techniques combine the predictions assigning unequal weights to the different forecast systems based on their past performance. A unique feature of this study is the broad nature of the forecast quality assessment, performed using multiple deterministic and probabilistic verification measures and the same verifying observations. This allows comparing the predictions produced by the different combination methods and forecast systems in a coherent way. Besides, most of the forecast systems used in this study are either publicly available or could be easily implemented by the user. This thesis focuses on seasonal prediction of sea surface temperature (SST), near-surface temperature and precipitation in tropical and extratropical regions. It is shown that the predictions of the SMM are often better than the combination methods that assign unequal weights. The difficulty in the robust estimation of the weights due to the small samples available is one of the reasons that limit the potential benefit of the combination methods that assign unequal weights. However, some of the results illustrate under which conditions combination methods that assign unequal weights improve with respect to the SMM predictions. For instance, the combination methods that assign unequal weights improve over the SMM predictions when only a fraction of all single forecast systems have skill as shown for some of the predictions of SST. On the other hand, it is shown that there are cases when combining many forecast systems does not lead to improved forecasts when compared to the best single forecast system. This suggests that a multimodel approach is not necessarily better than a highly skillful forecast system, which highlights the importance of continuously assessing the forecast quality for the specific application of the user.
La tecnología existente permite la proliferación de varios sistemas de predicción, desarrollados por diferentes instituciones de investigación de todo el mundo. Sin embargo, la mayoría de los tomadores de decisión generalmente necesitan una única predicción probabilística fiable para tomar una acción dada la probabilidad de ocurrencia de un evento. En este sentido, varios estudios han demostrado que la combinación de predicciones derivadas de varios sistemas de predicción resulta, en promedio, en una mejor predicción cuando se compara con la predicción del mejor sistema de predicción. No obstante, ninguno de estos estudios ha demostrado la existencia de un método de combinación que produzca las mejores predicciones. Por lo tanto, esta tesis tiene el objetivo de aplicar diferentes técnicas estadísticas para combinar predicciones climáticas estacionales derivadas de diferentes sistemas de predicción. Algunas de estas técnicas ponen pesos desiguales a los diferentes sistemas de predicción teniendo en cuenta su calidad en un período pasado y una de ellas combina todos los sistemas de predicción sin poner pesos. Esta última será referenciada como "simple multimodel" (SMM). Un punto importante de este estudio es el amplio carácter de la verificación de la calidad de las predicciones, ya que se usan varias métricas deterministas y probabi I ísti cas y las mismas observaciones. Esta tesis se centra en la predicción estacional de la temperatura de la superficie del mar (TSM), la temperatura atmosférica próxima a la superficie y la precipitación, en regiones tropicales y extratropicales. Pudimos comprobar que las predicciones de la SMM son frecuentemente mejores que las que derivan de métodos de combinación con coeficientes desiguales a los sistemas de predicción. La dificultad a la hora de estimar pesos robustos, debido sobre todo a las pequeñas muestras disponibles, es una de las razones que limita la robustez de las medidas que estiman el beneficio relativo de los métodos de combinación. Sin embargo, hay algunas situaciones en las que los métodos de combinación con coeficientes desiguales son mejores. Se encontró también situaciones específicas en las que la combinación de predicciones de varios sistemas de predicción no mejora la predicción del mejor sistema.

The atmospheric boundary layer in stably-stratified conditions and over non-homogeneous terrain becomes a complex system with many interactions of physical processes occurring in a wide range of different spatial and temporal scales. During clear sky night-time or in any stably-stratified conditions intermittent turbulent events and gravity waves are usually present in the stable boundary layer (SBL), which can substantially modify the flow structure. In addition, the circulations in stable flows can be strongly driven by the underlying and surrounding topography, generating katabatic winds, density currents and low level jets, which in turn, trigger gravity waves and turbulence. This thesis aims to contribute to a better comprehension of some of the processes and phenomena occurring in the SBL and over complex terrain areas. In order to understand and quantify the unknown atmospheric processes one can distinguish three different procedures that are very well connected: theoretical descriptions, experimental campaigns and numerical modeling. The numerical models allow us to further understand the experimental data, to test the theoretical relationships or to simulate processes which are very difficult to measure. Principally, in this thesis we have used numerical models to deal with the uncertainties that arise in stably-stratified flows and over heterogeneous terrain and to explore the model capabilities and limitations to resolve them. These numerical weather prediction models (NWP) contain the primitive equations of the atmosphere to describe and forecast the flow motions and properties. In this thesis we have employed one of the worldwide known NWP model, the Weather Research and Forecasting (WRF) model, using two different approaches: the mesoscale approximation and the large eddy simulation (LES). While the mesoscale methodology has allowed us to investigate the flow circulation patterns in a wide range of scales, the LES approximation has enabled us to explicitly resolve the turbulence and describe its structure. In this thesis each methodology has been applied to investigate these different purposes. Using the WRF model with the mesoscale approach we have determined the origin of a density current that generated internal gravity waves over the "Centro de Investigaciones de la Baja Atmosfera"(CIBA) site. We have seen that the long distance mesoscale sea-breeze circulation and the night-time katabatic flows originated at the surrounding complex topography were the origin of the density current which generated displacement in the air parcels and periodic oscillations. In this thesis we have also investigated the vertical turbulence structure using the LES approximation of the WRF model. As a previous step, we have first validated the WRF-LES model in the SBL with a reference case by a comparison of the first and second order moments profiles. Using different wind speed initial conditions we reproduce neutrally and stably stratified flows. However, different from the reality, stably stratified flows are strongly coupled with the surface and turbulence is always maintained. We have shown how the turbulence intensity increases sharply with the wind speed at each height above ground but the rate of increase (slope) is not maintained, as we would expect. It seems that the the top domain potential temperature inversion affects the flow turbulence structure over the whole domain. Finally, we have studied topographically generated gravity waves over the Pyrenees and specifically simulated a trapped lee wave event using the mesoscale approximation with WRF. We have seen that the model is able to reproduce the gravity waves at the lee side of the mountain range with periodic oscillations in all magnitudes. We have seen that 1-km horizontal resolution is necessary to capture the wave field. We have also showed that upstream conditions have to be well represented to capture the adequate wave characteristics.
La capa límit atmosfèrica és la part més baixa de l'atmosfera terrestre on s'hi desenvolupa la vida humana. En condicions d'estratificació estable i sobre terreny no homogeni esdevé un sistema molt complex amb múltiples interaccions dels processos físics que hi tenen lloc. Per a entendre i quantificar algunes de les incerteses que planteja l'atmosfera a la capa límit en aquesta tesi principalment hem utilitzat eines de simulació numèrica. Els models numèrics permeten la comprensió més enllà de les dades experimentals, així com testejar les descripcions teòriques, a més de simular fenòmens que són molt difícils de mesurar. L'objectiu és, doncs, contribuir a la comprensió dels fenòmens que tenen lloc a la capa límit en condicions d'estratificació estable i sobre àrees de terreny complex i explorar les capacitats i les limitacions de la seva modelització numèrica. D'entre els principals resultats, fent ús del model WRF en l'aproximació de mesoscala, hem determinat l'origen d'una corrent de densitat que va donar lloc a ones de gravetat interna en la zona del Centro de Investigaciones de la Baja Atmósfera (CIBA). Hem vist que una massa d'aire amb origen de brisa marítima juntament amb els vents catabàtics originats a les cadenes muntanyoses del voltant són l'origen de la corrent de densitat que genera ones de gravetat al seu pas per l'àrea del CIBA. Per altra banda, hem explorat l'estructura vertical de la turbulència en condicions neutrals i estables fent ús del model WRF en l'aproximació LES (WRF-LES). S'han investigat els règims de intensitat de turbulència en funció de la velocitat del vent i s'ha obtingut una relació semblant a les observacions en situació de forta turbulència. Veiem les condicions de contorn del model a la superfície i al límit superior poden afectar molt significativament l'estructura dels remolins. Finalment, l'estudi de les ones de muntanya sobre la orografia complexa del Pirineu amb el model WRF en el mode mesoscalar ha permès avaluar la capacitat del model per a representar l'esdeveniment i la variació en els resultats en funció de les seves diferents opcions físiques i de configuració.

In order to mitigate the climate change effects, the world is undergoing an energy transition from polluting sources towards renewable energies. This transition is turning the electricity system more dependent on atmospheric conditions and more prone to suffer the effects of climate variability. The atmospheric circulation is changing in certain aspects due to increasing concentrations of greenhouse gases in the atmosphere, but it also varies from year to year due to natural variability processes occurring in the Earth system at timescales of weeks, months and years. The atmosphere interacts with other components of the Earth System such as the ocean, the cryosphere or the continental surface, that evolve more slowly than the atmosphere and drive the low-frequency variability. The natural climate oscillations that occur at those timescales impact wind speed and wind power generation. Therefore a better knowledge of how the wind resource varies at sub-seasonal, seasonal and decadal time scales is key to understand the risks that the electricity system is facing. Anticipating this variability would also be helpful to many stakeholders in the energy sector to take precautionary actions. Forecasts at sub-seasonal, seasonal and decadal timescales are starting to be possible recently thanks to advances in climate modelling capabilities. Because climate variability is partly driven by coupled physical processes occurring in the Earth, numerical models that represent the interaction between different components of the Earth system can be employed to produce forecasts at these scales. The science of climate prediction deals with the challenge of producing predictions beyond meteorological timescales (i.e. weeks, months and years ahead) although not reaching the centennial timescales, which are studied with scenario-based climate projections. Climate predictions employ the current state of the atmosphere, the ocean, the cryosphere, and the land surface to produce numerical integrations of each component and the forcings and interactions between them to model the evolution of the Earth system as a whole. However, the usage of climate predictions in the wind power sector (or more generally in any specific decision-making context) poses a series of difficulties due to many complex aspects of this type of predictions. The efforts devoted in many initiatives to bring the needs of the users to the center of the discussion have given rise to the field of climate services. In order to assist decision-making, it is not only desirable to have the best predictions available but also to tailor them to the specific needs of each user. To achieve this goal, a dialogue with stakeholders needs to be established, and a trans- disciplinary approach needs to be set up to take advantage of the developments in many research fields regarding knowledge transfer and communication. The work presented in this dissertation advances the knowledge required to produce and successfully apply climate predictions to decision-making in the wind power sector and deals with the three aforementioned challenges: a) understanding the impact of climate oscillations at sub-seasonal and seasonal timescales on wind resource; b) developing methods to produce forecasts of wind speed and wind power generation at this scales; and c) facilitating the uptake of those predictions by means of a climate-services-based approach.
Per tal de mitigar els efectes del canvi climàtic, tots els països del món estan duent a terme una transició energètica de fonts contaminants cap a energies renovables. Aquesta transició està incrementant la sensibilitat del sistema elèctric a les condicions atmosfèriques i fent-lo més vulnerable als efectes de la variabilitat climàtica. A escales de setmanes, mesos i anys, l'atmosfera interacciona amb altres components del sistema Terra com l'oceà, la criosfera o la superfície continental, que evolucionen més lentament que l'atmosfera, condicionant-ne la seva variabilitat a baixa freqüència. Al seu torn, les oscil·lacions que tenen lloc a aquestes escales temporals impacten el vent i la generació d'energia eòlica. Per tant, un millor coneixement de com varia el recurs eòlic a escales sub-estacionals, estacionals i decadals permetrà anticipar els riscs a què el sistema elèctric està sotmès. En segon lloc, anticipar aquesta variabilitat climàtica seria de gran utilitat a diversos actors del sistema energètic. L'ús de models climàtics que representen les interaccions entre les diferents components del sistema Terra permet abordar el repte de produir pronòstics més enllà de l'escala meteorològica (és a dir, a setmanes, mesos i anys vista). Malgrat tot, l'ús de les prediccions climàtiques en el sector de l'energia eòlica presenta una sèrie de dificultats degut a les complexitats d'aquest tipus de previsions. Per tal d'assistir la presa de decisions, no només és necessari disposar de les millors prediccions possibles sinó que cal també ajustar-les a les necessitats específiques de cada ús. Aquest objectiu només es pot assolir amb un diàleg constant i transdisciplinari entre els científics i les parts interessades que integri els avenços en diferents àmbits respecte la transferència de coneixement i la comunicació. Aquesta tesi avança el coneixement necessari per tal de produir i aplicar prediccions climàtiques a la presa de decisions per part de la indústria eòlica, abordant tres reptes: a) avaluar l'impacte d'oscil·lacions climàtiques sub-estacionals i estacional en el recurs eòlic; b) desenvolupar mètodes per produir prediccions de vent o de generació eòlica a aquestes escales; i c) facilitar l'adopció d'aquestes previsions mitjançant una aproximació basada en els serveis climàtics.

Aquesta tesi té per objectiu avançar en el coneixement de la dinàmica de les allaus, i en concret, de les allaus majors, al Pirineu de Catalunya i, per extensió, als Pirineus, tot entenent per allau major l’allau la mida de la qual excedeix l’abast de les allaus habituals (freqüents), causant danys en cas que hi hagi infraestructures a la seva proximitat. La base del treball, i font de dades, és una base de dades d’allaus majors. Aquesta, parteix de la informació provinent d’enquestes a la població, del seguiment hivernal de l’activitat d’allaus, completada amb una cartografia realitzada a partir de fotointerpretació, amb inspeccions de camp d’estiu i d’hivern, i amb informació històrica-documental. D’aquest treball, s’han elaborat i publicat dos articles en revistes indexades. En l’article 1, els esdeveniments d’allaus majors de la base de dades van ser usats per quantificar la magnitud dels episodis en que es van produir. Per a tal finalitat, es va concebre un índex de l’activitat d’allaus majors (MAAMI). Aquest índex està basat en el nombre d’allaus majors registrades, la seva magnitud, i la seva freqüència estimada, en un període de temps determinat. Per tant, quantifica la magnitud d’un episodi d’allaus majors o hivern d’allaus majors. El treball ha permès reconstruir en detall els episodis majors dels hiverns 1995/96 a 2013/14. Per analitzar tot el segle XX, amb un conjunt de dades menys complert es va definir un índex simplificat SMAAMI. Amb menys precisió, es van obtenir els mateixos paràmetres a resolució de temporada hivernal al llarg del segle XX. L’anàlisi de l’extensió espacial dels diferents episodis ha permès conèixer millor i precisar la delimitació de les regions nivològiques establertes, i millorar el coneixement sobre els patrons atmosfèrics que causen els episodis majors i la seva interpretació climàtica. S’ha obtingut també la probabilitat d’ocurrència d’episodis que poden afectar a zones urbanitzades i, per tant, que suposen un risc. En l’article 2, les dades de la base de dades han estat usades per a ajustar el model empíric noruec α−β, que s’utilitza internacionalment per a calcular distàncies d’abast d’allaus “extremes”, aplicant el coneixement actual de l’activitat d’allaus majors per a tot el Pirineu català, i usant les eines actuals de cartografia. Això ha permès millorar significativament el primer model obtingut només per al Pirineu occidental català ja fa més de 25 anys. El model s’ha obtingut a partir d’una mostra de 97 esdeveniments d’allaus “extremes” que es van produir del final del segle XIX fins a l’inici del segle XXI. A partir de la Regressió Lineal Múltiple s’ha obtingut una equació usant 3 variables independents: pendent de la zona d’allaus (β), distància horitzontal (Hβ), i àrea de la zona de sortida (Azs), amb un considerable ajust (R2=0.81). La nova equació actualitzada prediu l’abast d’allaus per un període de retorn de l’ordre dels 100 anys. Per estudiar quines variables del terreny expliquen els valors extrems de la mostra d’allaus, es va realitzar una anàlisi comparativa de variables que influencien un major o menor abast. Seleccionant un conjunt més extrem d’allaus, es va observar que la mida de la zona d’allaus i l’orientació de la zona de sortida mostraven certa associació amb distàncies d’abast menors i majors a les predites amb el model. En resum, a partir d’una base de dades d’allaus majors en l’àmbit del Pirineu català, alimentada per dades d’allaus individuals, s’ha avançat en la caracterització dels episodis d’allaus majors, tant en la seva intensitat i causes com en la seva extensió geogràfica; per altra banda, gràcies a la utilització conjunta de les dades d’allaus majors, s’ha establert un model de càlcul que s’aplica a la predicció de l’abast d’allaus centenàries en zones d’allaus particulars. Els resultats obtinguts permeten avançar en el coneixement de la dinàmica de les allaus al Pirineu català i, per tant, en el coneixement de la perillositat i del risc que suposen.
This thesis aims to advance in the knowledge of the dynamics of avalanches and, specifically, of major avalanches, in the Catalan Pyrenees, understanding by major avalanche the avalanche whose size exceeds the size of the usual (frequent) avalanches, causing damage if there are infrastructures nearby. The basis of the work, and data source, is a database of major avalanches. From this work, two research papers have been elaborated and published in indexed journals. In paper 1, the events from the database were used to quantify the magnitude of the episodes in which they occurred. For this purpose, a major avalanche activity index (MAAMI) was defined. This index is based on the number of major avalanches recorded, their magnitude, and their estimated frequency, in a given period of time. Therefore, it quantifies the magnitude of a major avalanche episode or major avalanche winter. To analyse the entire 20th century, with a less complete data set, a simplified SMAAMI index was defined. The analysis of the spatial extension of the different episodes made it possible to better understand and specify the delimitation of the established snow regions, and to improve the knowledge about the atmospheric patterns that cause major episodes and their climatic interpretation. The probability of occurrence of episodes that can affect urbanized areas and, therefore, that pose a risk, was also obtained. In paper 2, the data from the database was used to fit the Norwegian empirical model α−β, which is used internationally to calculate “extreme” avalanche runout distances, applying current knowledge of the activity of major avalanches for the entire Catalan Pyrenees, and using current tools of cartography. This made it possible to significantly improve the first model obtained only for the Western Catalan Pyrenees more than 25 years ago. The model was obtained from a sample of 97 “extreme” avalanche events. From the Multiple Linear Regression, an equation was obtained using 3 independent variables: slope of the avalanche path, horizontal distance, and area of the starting zone, with a considerable adjustment (R2=0.81). The new updated equation predicts avalanche runout for a return period of the order of 100 years. A comparative analysis of variables that influence a greater or lesser runout was carried out. It was observed that the size of the avalanche area and the aspect of the starting zone showed some association with shorter and larger runout distances than predicted with the model.

This thesis studies the benefits of different calibration approaches on seasonal forecasting and the improvement of seasonal prognosis of water resources and forest fires. Droughts and wildfires are an inherent problem to the Mediterranean and are likely to worsen if climate change continues. Both hazards are a source of important economic costs, environmental damage and, in the case of wildfires, even life losses. These impacts have encouraged policy- and decision-makers to reduce vulnerability by placing great efforts in the development of mitigation and adaptation strategies. Seasonal forecasting could help with this task by foretelling the behaviour of water resources and wildfire with months in advance. Furthermore, it has the capacity to provide operational frameworks that can work both in present and future climate conditions.However, seasonal predictability in extra-tropical latitudes is usually considered rather limited and, consequently, seasonal forecasts are seldom used in decision-making. There are studies, though, suggesting that calibration methods could help improving current model's output. Thus, the existing gap between end-user goals and theoretical research needs more work to demonstrate the utility of seasonal forecasts. To achieve this objective this study has been divided in three sub-objectives: skill assessment, seasonal forecast of water resources and seasonal forecast of forest fires.The skill assessment comprises an evaluation of the skill of the raw ECMWF System-4 output in Europe, Spain, Catalonia and the Muga river basin; and the study of the impact on the ECMWF System- 4 performance of the MOS-analog and linear regression calibrations in comparison to mean bias correction. As for the seasonal forecast of water resources the application began with the modelling of the Boadella reservoir in-flow, out-flow and volume anomalies through a Multiple Linear Regression (MLR) procedure. Afterwards, the seasonal predictability of the Boadella predictands has been evaluated through several seasonal forecast approaches. Finally, regarding the seasonal forecast of wildfires the first step has been to model summer (JJAS) burned area in Catalonia through a MLR with antecedent and current year drought conditions. Subsequently, the MLR performance has been tested under different seasonal forecast configurations.Among the results obtained it has been found that most of the skill of the ECMWF System-4 is focused in the first lead. At this horizon deterministic forecasts improve climatology and persistence in the majority of months and for all the variables considered. The probabilistic assessment, on the other hand, showed this skill was mainly centred in the winter months. Also, the added value of calibration post-processing techniques has been checked. These techniques always ameliorate the skill of the original model output by correcting first order biases. Nevertheless, the MOS-analog outcome has also hinted the possibility to go beyond these results if the analog pool was sufficiently increased.In reference to the reservoir's applications the perfect prognosis approach revealed that in-flow, volume and out-flow anomalies can be modelled through multiple linear regression (MLR). In all three cases summer months showed enhanced predictability way beyond the first lead, a significant result for water managers. Moreover, the results proved that volume anomaly seasonal forecasts could begin the operational switch from customary climatology to another forecast strategy based on MLR models. This is also true for some months in theoutflow’s modelling. For the in-flow case, though, there is still further research needed before reaching that sate. Finally, regarding forest fires, exploiting the relationship between summer burned area and preceding drought conditions can lead to MLR models that provide a seasonal estimate of the expected above/below-normal summer fire burned area in Mediterranean-type regions.
En aquesta tesi s'estudien, d'una banda, els avantatges de diferents mètodes de calibratge sobre la predicció estacional; de l'altra, la millora del pronòstic estacional dels recursos hídrics i els incendis forestals. A l'ecosistema Mediterrani les sequeres i els incendis són problemes endèmics que, any rere any, causen importants pèrdues econòmiques, d'altres de tipus ambiental i que, en el cas dels incendis, fins i tot poden comportar pèrdues personals.La previsió estacional és una eina que pot ésser de gran utilitat per estimar el comportament d'aquests fenòmens amb mesos d'antelació. Això no obstant, avui en dia la seva aplicació operativa en camps com el dels recursos hídrics o els incendis forestals és bastant limitada. Per mostrar la seva utilitat i així poder eixamplar les possibilitat d'ús futur, aquest projecte focalitza el seu treball en els àmbits següents: avaluació del rendiment del model estacional ECMWF System-4, anàlisi de la millora assolida amb calibratges diversos (MOS-analog, regressió lineal i correcció del biaix mitjà) i el desenvolupament d'aplicacions que permetin la previsió estacional de recursos hídrics i incendis forestals (a través de models de regressió múltiple o MLR).D'entre els resultats obtinguts s'ha observat que gran part de la predictabilitat del model ECMWF System-4 es concentra a un mes vista. A aquest horitzó la previsió determinista del ECMWF System-4 millora les previsions basades en climatologia i persistència per gairebé tots els mesos de l'any; pel que fa a la previsió probabilista, millora fonamentalment les dels mesos d'hivern. Pel que fa a les tècniques de calibratge es pot dir que totes milloren les previsions de sortida, corregint biaixos de primer ordre i, en el cas de la tècnica MOS-analog, albirant la possibilitat d'anar més enllà si s'eixampla suficientment la base d'anàlegs històrics.En referència a l'aplicació de la previsió estacional als recursos hídrics, els pronòstics de les anomalies de cabal d'entrada, sortida i volum de l'embassament de la Boadella milloren la climatologia a horitzons de previsió que van més enllà del primer mes. D'altra banda, l'aplicació d'incendis forestals ha permès estimar anticipadament l'anomalia d'àrea cremada a Catalunya a l'estiu (JJAS) sobrepassant, també, el valor del pronòstic climatològic.

Les oscil·lacions atmosfèriques, que s'associen majoritàriament a patrons climàtics, influeixen molt en les variables climàtiques globals i solen conduir a condicions i esdeveniments climàtics extrems, els quals causen molts impactes adversos sobre el nostre estatus ambiental i socioeconòmic. L'objectiu d'aquesta tesi és identificar els principals esdeveniments de pluges torrencials a la façana oriental del litoral peninsular ibèric a partir de dades instrumentals, dades de reanàlisi i dades predictives mitjançant el càlcul del valor de l'índex de l'Oscil·lació de la Mediterrània Occidental (WeMOi). Els signes i la magnitud del valor de l'índex reflecteixen les relacions de l'esmentat patró de variabilitat amb les precipitacions i la seva quantia a la conca de la Mediterrània, i s'usen com a eina de suport per a la predicció de pluges torrencials en aquesta àrea. Part dels resultats de l'anàlisi de components principals coincideix bé amb la comprensió general sobre l'impacte d'aquest patró amb les pluges torrencials. A més, les relacions entre la precipitació i el WeMOi s'estudien, a escala diària, a partir de dades meteorològiques instrumentals, de models atmosfèrics de reanàlisi i prediccions, tant del clima passat com del present. Els mètodes estadístics utilitzats reforcen el pes d'aquest patró de teleconnexió atmosfèrica en diverses finestres d'estudi i, per tant, la persistència d'aquesta configuració atmosfèrica. Això suggereix que el mètode predictiu que es proposa és capaç de representar la relació entre el patró climàtic i la intensitat de la precipitació i és, doncs, una eina de planificació clau atenent la localització, la força i la persistència d'episodis torrencials a l'est peninsular. Es tracta d'àrees densament poblades on factors geogràfics com la proximitat al mar i l'orografia tenen un paper important i on els efectes del canvi climàtic es manifestaran i es veuran reforçats negativament.
Atmospheric oscillations, which are mostly associate with climate patterns, have great influences on global climate variables and often lead to extreme weather conditions and events, which cause lots of adverse impacts on our environmental and socioeconomic status. The aim of this thesis is to identify the main events of torrential rain on the eastern façade of the Iberian Peninsula coast based on instrumental data, reanalysis data and predictive data by calculating the value of the Western Mediterranen Oscillation and its index (WeMOi). The signs and magnitude of the value of the index reflect the relationships of climate patterns with rainfall and their strength on the western façade of the Mediterranean basin and are used as a support tool for predicting torrential rains in this area. Part of the results of the main component analysis agrees well with the general understanding of the impact of this pattern with torrential rains. In addition, the relationships between precipitation and the WeMO index are studied on a daily basis based on instrumental meteorological data, atmospheric models of reanalysis and predictions, both past and present climate. The statistical methods used reinforce the weight of this atmospheric teleconnection pattern in several study windows and, therefore, the persistence of this atmospheric configura­tion. This suggests that the proposed predictive method is able to represent the teleconnection between the climate pattern and precipitation intensity being a key planning tool considering the location, strength and persistence of torrential episodes in the eastern peninsula. Highly dense areas where geographical features such as proximity to the sea and topography play an important role and where the effects of climate change will be reflected and severely damaged.

Els episodis de precipitació intensa en zones de muntanya sovint es veuen afavorits pels efectes orogràfics que actuen com a mecanismes que modifiquen la precipitació. Aquest treball vol contribuir a millorar el coneixement dels processos fonamentals que afecten la precipitació quan aquesta té lloc en una zona d'orografia complexa com és el cas de la zona oriental dels Pirineus, situada a la Mediterrània nord-occidental. En aquest treball de tesi, a partir de modelitzacions numèriques d'alta resolució realitzades amb els models WRF i MESO-NH de nou casos d'estudi diferents, s'investiguen les condicions sinòptiques i mesoescalars que afavoreixen el desenvolupament dels sistemes de precipitació als Pirineus Orientals. Entre d'altres, s'ha analitzat l'episodi del 7 novembre de 1982, que es troba entre els més intensos a Europa durant el període 1950-2005, en concret a Andorra, aquest ha estat l'episodi de risc que ha causat més morts al país. Els resultats obtinguts de les simulacions amb passos de malla horitzontal a 2,5 i 2 km reprodueixen estructures de precipitació amb una distribució i intensitat en concordança amb les observacions. Tot i això, també s'ha examinat la incertesa associada a la sensibilitat que mostra la modelització a variacions en les condicions inicials i a la microfísica. L'anàlisi mesoescalar s'ha dut a terme tant per a episodis caracteritzats per fluxos estables com condicionalment inestables. A la primera part del treball s'ha examinat l'efecte de l'orografia en la localització i intensitat dels sistemes de precipitació. L'anàlisi s'ha fet a partir de l'aplicació dels resultats extrets tant de simulacions numèriques idealitzades com de casos d'estudi en altres regions muntanyoses. Pels episodis condicionalment inestables amb condicions atmosfèriques que evolucionen molt ràpidament com és el cas de les ciclogènesis mediterrànies, l'anàlisi de dos dels paràmetres adimensionals (activació de la convecció i el nombre de Froude humit) reflecteix la complexitat d'aplicar aquests resultats teòrics. En canvi, pels episodis hivernals de nord sota condicions estables, el camp de precipitació mostra una dependència segons el nombre de Froude representatiu del flux incident. Els comportaments identificats s'han resumit en forma de model conceptual. A la segona part, l'anàlisi mesoescalar centrat en la descripció de la interacció entre el flux i la complexa orografia dels Pirineus ha permès identificar diferents factors tant dinàmics com microfísics que contribueixen a reforçar la precipitació orogràfica. Les retrotrajectòries basades en els traçadors eulerians passius, indiquen que l'ascens orogràfic directe és el principal mecanisme que desencadena la formació dels sistemes de precipitació als Pirineus. Mentre que, sota condicions atmosfèriques estables, les simulacions detecten la formació d'un màxim de vent al vessant nord paral•lel a la serralada a causa del marcat efecte de bloqueig exercit pels Pirineus. En canvi, per certes situacions mesoescalars, a l'extrem est de la serralada es forma una zona de confluència molt marcada que al mateix temps afavoreix la formació d'un corrent de densitat molt ben organitzat. La influència dels processos microfísics implicats en el reforç de la precipitació s'ha estudiat per mitjà de l'anàlisi de la distribució vertical dels hidrometeors. Les estructures verticals descrites són coherents amb els models conceptuals proposats a partir de les campanyes observacionals realitzades en altres regions muntanyoses com poden ser els Alps. Un dels mecanismes suggerits com a dominants en el procés d'intensificació de la precipitació està relacionat amb la formació del calabruix. S'ha realitzat l'anàlisi lagrangiana del flux d'alimentació dels sistemes de precipitació en episodis condicionalment inestables. Els resultats de les simulacions indiquen una important dependència de la intensitat de la precipitació als Pirineus amb dos factors: el component del vent perpendicular a la serralada i el transport d'humitat cap als Pirineus a la baixa troposfera. S'han suggerit diferents rangs de valors per tal de discriminar els episodis segons la intensitat de la precipitació orogràfica. En conjunt, i d'acord amb els resultats obtinguts a partir de simulacions idealitzades, es pot dir que com més fort sigui el camp de vent incidint perpendicular a la serralada i més elevada l'advecció d'humitat, més intensa serà la precipitació als Pirineus. Per l'episodi hivernal estudiat més intens, la detecció d'un corrent atmosfèric en forma de banda estreta i allargada amb un transport molt elevat d'humitat provinent de latituds equatorials (550 kg/m•s; atmospheric river en anglès) va contribuir clarament en la forta nevada. Una situació similar però molt més perillosa, va succeir el 1982 quan gràcies a la presència d'un màxim de vent de 30 m/s a 1500 m, la part càlida i molt humida situada davant una pertorbació Atlàntica va incidir directament sobre els Pirineus Orientals i va persistir durant més de 10 h. Per aquest darrer episodi, també s'ha comprovat la contribució limitada del Mediterrani com a font local d'humitat (2-3 g/kg), en contraposició a l'elevada quantitat d'humitat (7-9 g/kg) provinent de les fonts remotes (latituds subtropicals Atlàntiques i nord d'Àfrica).
Heavy precipitation events over complex terrain are often favoured by enhancement mechanisms of precipitation. The windward slopes of the Eastern Pyrenees, as other mountainous Mediterranean regions, are regularly affected by heavy precipitation events (HPE). This present work benefits from high resolution numerical simulations of several case studies to investigate the synoptic and mesoscale environment favourable to precipitating systems development over the Eastern Pyrenees. The mesoscale models WRF and MESO-NH run at horizontal grid-lengths of 2.5-2 km have reproduced realistic precipitation structures over the Pyrenees but the uncertainty associated to sensitivities to initial conditions and microphysics has also been highlighted. The analysis has been done for both stable and conditionally unstable conditions. The former part of the analysis has explored the application of the results from purely idealized simulations or previous studies in other mountainous regions to the case study simulations. For conditionally unstable events with dynamic evolving conditions (Mediterranean cyclogenesis), the analysis of a triggering term and the moist Froude number reflects the complexity of applying theoretical results. On the other hand, for winter northerly stable flows the precipitation field reveals a dependency on the upstream Froude number. These patterns are synthesised in a conceptual model. Backward trajectories based on Eulerian on-line passive tracers indicate that the direct orographic lifting is the main forcing mechanism which triggers precipitating systems over the Pyrenees. For stable conditions, the simulations capture the formation of an along barrier flow in the north slope due to the blocking effect exerted by the Pyrenees. Under specific mesoscale configurations, a distinct confluence zone is also formed in the easternmost part of the massif, which in turn favours the generation of a well developed density current. The understanding of the microphysical processes involved in precipitation enhancement has been examined by means of the hydrometeor vertical distribution. The dominant mechanisms for intense precipitation are associated with graupel. From the lagrangian analysis of the feeding flow in the conditionally unstable episodes, the simulations indicate a marked dependence of the precipitation intensity over the Pyrenees on two factors: the cross-barrier wind intensity and the moisture advection towards the Pyrenees in the lower atmosphere. Different ranges have been suggested to discriminate the orographic precipitation intensity over the Pyrenees. In general, the stronger the cross-barrier component wind and the water vapour flux the more intense the orographic precipitation will be. During the most intense winter event, the detection of a narrow corridor of strong water vapour transport (atmospheric river; 550 kg/m•s) contributed to the generation of persistent precipitation. A similar situation occurred during the 1982 HPE when the Atlantic moist and warm conveyor belt combined with a LLJ (30 m/s) impinged over the Eastern Pyrenees more than 10 h. For this last episode, it has been also proved the limited role of the Mediterranean as local moisture source (2-3 g/kg) as the moisture coming from remote source regions (subtropical Atlantic and Africa) is larger (7-9 g/kg).

Ingeniero Civil
Actualmente, los Modelos de Circulación Global, MCG, intentan simular series de tiempo de las forzantes meteorológicas con precisión; sin embargo, la representatividad de estos modelos a nivel de cuencas puede no ser adecuada, debido principalmente a su baja resolución espacial. Para llevar a cabo el proceso de escalamiento de las proyecciones del MCG a nivel local, se requiere la existencia de datos concurrentes entre estaciones de medición locales y las proyecciones del MCG en un periodo de línea base, con el fin de determinar una relación estadística entre lo observado y lo simulado, mediante dicha relación, se aplica una corrección al período futuro, considerando además que las series son estacionarias. Sin embargo, la hipótesis básica del cambio climático es precisamente que existe una tendencia, lo que significa un cambio ya sea en la media o en la varianza de la serie temporal, contradiciendo la existencia de estacionareidad. Este trabajo de investigación consistió en plantear un procedimiento para proyectar datos de precipitación y temperatura, las forzantes meteorológicas más utilizadas en hidrología, a una escala local, es decir al nivel de una cuenca considerando un escenario no estacionario, adoptando en esta etapa una tendencia en la media de la variable en estudio. Para dichos efectos se consideraron los resultados de un modelo de circulación global, seleccionado considerando como criterio apropiado el análisis de la estacionalidad. Teniendo además como base la existencia de información de larga data, entre 100 a 150 años de información, en tres estaciones meteorológicas de la Dirección Meteorológica de Chile, DMC: Aeropuerto La Florida en La Serena, Quinta Normal en Santiago y Aeropuerto Carriel Sur en Concepción. Considerando el hecho de que existen evidencias de tendencia a la disminución de precipitación y al aumento de temperatura en cuencas de chile central, se crea una oportunidad para desarrollar una metodología que incorpore la existencia de la no estacionareidad y así mejorar las proyecciones futuras de las forzantes. Los resultados obtenidos, permiten verificar que la metodología resulta ser certera cuando los tipos de tendencia, ya sean al aumento o la disminución de la media de la forzante, coinciden entre las proyecciones del MCG y las observaciones locales.

Propone una metodología para la predicción y estimación de áreas degradadas a partir del análisis de las tendencias lineales de las series de tiempo de los productos MOD13Q1-índice de Mejorado de Vegetación (EVI) y MOD11A2-Temperatura de la Superficie de Suelo (LST) del sensor MODIS. Descargados los datos, se filtraron los píxeles contaminados debido a los artefactos atmosféricos mediante la capa de fiabilidad y se completaron las series con interpolaciones en función al tiempo. Luego, se generaron los máximos compuestos anuales (MCA), cuyas tendencias se determinaron píxel por píxel con su respectivo test de significancia. Se obtuvieron mapas de tendencias de la degradación en base al EVI, mostrando un total de 26.97% de área degradada con significancia (p < Ͳ.Ͳͷ) y 34.97% con significancia (p < Ͳ.ͳ). A su vez, este resultado se relacionó con el mapa de tendencias de la temperatura superficial (Tୱ ), basado en el balance de energía entre el calor sensible y el calor latente de vaporización, mostrando un 26.59% de área de estrés hídrico con significancia (p < Ͳ.ͳ). El mapa de tendencias de la temperatura superficial permitió observar un estrés hídrico en la cobertura del bosque seco y usos. Esto fue relacionado con el mapa de tendencias de degradación del EVI en el cual, los resultados de degradación en el valle para ambas variables fueron debido al problema de la salinización, y en el bosque seco por el estrés hídrico y la deforestación. La degradación obtenida guarda relación con los llamados síndromes de la degradación, mostrando tendencias negativas para el EVI y tendencias positivas para la temperatura de superficie de suelo de acuerdo al balance de energía.
Tesis

Tesis (DCI)--FCEFN-UNC, 2016
Centra modelos predictivos basados en redes neuronales destinados a pronosticar datos históricos de lluvia observados para la toma de desiciones. Estos algoritmos de aprendizaje automático pueden mejorarse en numerosos aspectos y son una herramienta muy promisoria en el ámbito agropecuario.

En esta tesis se aborda la puesta operativa del modelo numérico acoplado de predicción meteorológica Global Forecast System - Weather Research and Forecasting (GFS-WRF), con el objetivo de satisfacer la necesidad de contar con datos de predicción meteorológica, para ser utilizados en sistemas de alerta temprana a emergencias desarrollados dentro de la CONAE, y para potenciales usuarios externos. La automatización completa de los procesos involucrados culmina en la publicación diaria de los datos generados en un servidor web. Se ofrece la opción de descarga en distintos formatos comúnmente utilizados en sistemas, modelos o algoritmos. Esta última modalidad no se brinda actualmente desde ninguna institución pública. Finalmente cabe destacar que las herramientas computacionales utilizadas en esta tesis son de acceso libre y gratuito.

[ES] Las sequías provocan graves daños sociales, económicos y ambientales en extensas superficies debido a la disminución de los caudales que discurren por los cauces y a la reducción de los volúmenes embalsados. Se han realizado muchos esfuerzos para poder minimizar los impactos de estos fenómenos naturales y sin lugar a dudas, las medidas anticipadas son, o debieran ser, la mejor herramienta para retrasar o evitar la aparición de sequías hidrológicas en fases más severas y disminuir sus efectos. En las últimas dos décadas, los modelos climáticos estacionales han tenido una evolución importante, generando un gran volumen de información a escala global. A raíz del surgimiento de estos modelos y de su rápido crecimiento, se han realizado investigaciones en las que se evalúan las posibilidades de emplear sus pronósticos en diversos campos como en la gestión de los recursos hídricos. En esta investigación se ha abordado el uso de dichos pronósticos en la gestión de cuencas o sistemas de recursos hídricos. Como resultado, se propone una metodología para corregir el sesgo sistemático de los pronósticos climáticos estacionales de precipitación y temperatura. Por otra parte, se plantea una metodología para evaluar la capacidad predictiva de eventos de sequías meteorológicas e hidrológicas de modelos climáticos. La metodología propuesta se basa en la generación de un índice agregado único para evaluar los pronósticos a escala de cuenca, haciendo con ello que la decisión sobre la utilidad del modelo climático sea simple. Los resultados obtenidos demuestran que los modelos climáticos a escala estacional pueden tener una gran aplicación en la previsión de sequías tanto meteorológicas como hidrológicas. Al poder emplear los modelos climáticos para pronosticar estos eventos, se puede tener la capacidad de tomar medidas de mitigación de forma anticipada. Los pronósticos climáticos se evaluaron en la cuenca del río Júcar, donde mostraron tener mejor desempeño que las series condicionadas obtenidas con un modelo estocástico clásico.
[CA] Les sequeres provoquen greus danys socials, econòmics i ambientals en extenses superfícies a causa de la disminució dels cabals que discorren pels llits dels seus rius i a la reducció dels volums embassats. S'han realitzat molts esforços per a poder minimitzar els impactes d'estos fenòmens naturals i sense cap dubte, les mesures anticipades són, o deurien ser, la millor ferramenta per a retardar o evitar l'aparició de sequeres hidrològiques en fases més severes i disminuir els seus impactes. En les últimes dos dècades, els models climàtics estacionals han tingut una evolució important, generant un gran volum d'informació a escala global. Arran del sorgiment d'estos models i del seu ràpid creixement, s'han realitzat investigacions en les quals s'avaluen les possibilitats d'emprar els seus pronòstics en diversos marcs, com en la gestió dels recursos hídrics. En esta investigació s'ha abordat l'ús d'estos pronòstics en la gestió de conques o sistemes de recursos hídrics. Com a resultat, es proposa una metodologia per a corregir el biaix sistemàtic dels pronòstics climàtics estacionals de precipitació i temperatura. D'altra banda, es planteja una metodologia per a avaluar la capacitat predictiva d'esdeveniments de sequeres meteorològiques i hidrològiques de models climàtics. La metodologia proposada es basa en la generació d'un índex agregat únic per a avaluar els pronòstics a escala de conca, fent amb això que la decisió sobre la utilitat del model climàtic siga simple. Els resultats obtinguts demostren que els models climàtics a escala estacional poden tindre una gran aplicació en la previsió de sequeres tant meteorològiques com hidrològiques. Emprant els models climàtics per a pronosticar aquests esdeveniments, es pot tindre la capacitat de prendre mesures de mitigació de forma anticipada. Els pronòstics climàtics es van avaluar en la conca del riu Xúquer, on van mostrar tindre millor rendiment que les sèries condicionades obtingudes amb un model estocàstic clàssic.
[EN] Droughts produce severe social, economic and environmental damages over extensive areas due to water flow decrease in rivers and water volume reductions in reservoirs. Many efforts have been made to minimize the impacts of these natural phenomena and without doubt, early measures are, or should be, the best tool to delay or prevent the appearance of hydrological droughts in more severe phases and reduce their effects. In the last two decades, seasonal climate models have developed significantly, generating a large amount of information on a global scale. As a result of the emergence of these models and their rapid growth, a lot of researches have been conducted to assess their potential use of their forecasts in various fields such as water resources management. This research is focused on the use of such forecasts in basins management or water resource systems. As a result, a methodology is proposed to correct the systematic bias of seasonal climate forecasts of precipitation and temperature. Furthermore, a methodology is proposed to evaluate the predictive capacity of climate models for meteorological and hydrological drought events. The proposed methodology is based on the generation of a single aggregate index to evaluate forecasts at the basin scale, thus making the decision on the usefulness of the climate model simple. The results obtained show that climate models on a seasonal scale can have a great application in the forecast of both meteorological and hydrological droughts. The capacity to use climate models to predict these events can provide the ability to take mitigation measures in advance. The climate forecasts were evaluated in the Jucar River basin, where they showed better performance than the conditioned series obtained with a classical stochastic model.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACYT) y a la Secretaría de Innovación, Ciencia y Desarrollo Tecnológico del Estado de Michoacán (SICDET), por el apoyo económico otorgado para la realización de mis estudios de doctorado.
Madrigal Barrera, JJ. (2020). Análisis de pronósticos climáticos para la previsión de sequías meteorológicas e hidrológicas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153151
TESIS