Classificació de tipus de circulació atmosfèrica: proposta metodològica i aplicacions

Abstract

La classificació de la circulació atmosfèrica s’ha abordat de diferents maneres: mètodes manuals, mixtes, basats en l’estadística multivariant, entre d’altres. En aquest treball es fa un extens i actualitzat recorregut per aquests mètodes i es fa una proposta metodològica basada en l’anàlisi per components principals: el mètode de les puntuacions extremes. Aquesta metodologia, basada en l’aproximació tradicional que empra la matriu tipus S, proposa una estandardització espacial de les dades originals (malles), l’ús dels valors més elevats de les puntuacions factorials per a la determinació del nombre de grups de la classificació i els seus centroides, i finalment l’assignació dels casos a algun dels grups sense l’ús de les iteracions característiques dels mètodes de k-mitjanes. La proposta s’aplica posteriorment a diferents casos pràctics relacionats amb diferents enfocs de les ciències atmosfèriques: meteorologia de muntanya, variabilitat climàtica i canvi climàtic, cartografia climàtica i riscos meteorològics. Aquests casos pràctics es presenten a través de quatre articles publicats a diferents revistes internacionals. El primer cas fa una caracterització de les nevades intenses al Principat d’Andorra a partir de la classificació de la pressió en superfície a l’àmbit de l’Europa Occidental, obtenint-se set patrons de circulació que expliquen la varietat de situacions associades a nevades superiors a 30cm en 24 hores en algun lloc del Principat. La detecció d’aquesta variabilitat, i la detecció de situacions de la mateixa component però amb diferencies en el gradient de pressió fan del catàleg obtingut com una eina interessant en la predicció meteorològica en aquest sector del Pirineu. Aquest article va ser publicat a la revista International Journal of Climatology l’any 2005. El segon cas fa una classificació genèrica de la circulació atmosfèrica a l’Europa Occidental, entre 1960 i 2001 i emprant, com en el cas anterior, el reanàlisi de l’NCEP-NCAR (1 dada diària i 2.5º de resolució espacial). S’obtenen 20 patrons que expliquen de forma molt completa la variabilitat de la circulació atmosfèrica en aquest sector. A més, per cadascun dels patrons obtinguts s’ha calculat la seva distribució anual i la seva tendència al llarg del període. Precisament sobre aquest darrer punt, alguns patrons mostren tendències estadísticament significatives que apunten cap a un increment de les situacions de bloqueig anticiclònic durant les dècades estudiades. L’article fou publicat a International Journal of Climatology al 2006. El tercer cas aborda la obtenció de cartografia de temperatura i precipitació en zones d’orografia complexa (Andorra) relacionada amb els patrons de circulació obtinguts en el treball anterior. Els resultats, 80 mapes d’alta resolució calculats amb el mètode de la regressió múltiple, mostren la variabilitat climàtica local basada en la discriminació que estableix un catàleg de la circulació atmosfèrica. L’article fou publicat a la revista Theoretical and Applied Climatology al 2009. Finalment, el quart cas aborda l’activitat dels llamps al sector d’Andorra i Catalunya, però en aquest cas classificant una malla de pressió en superfície de més resolució temporal i espacial (dades cada 6 hores i a 1º). S’obtenen nou tipus de circulació atmosfèrica que representen situacions de caràcter advectiu (definides sobretot pel context sinòptic), dominades per la dinàmica mesoescalar (normalment efecte del dipol orogràfic pirinenc), o situacions de caràcter tèrmic dominades per la manca de gradient bàric. Aquest treball fou publicat a Physics and Chemistry of the Earth al 2010. Els resultats mostren que la proposta del mètode de les puntuacions extremes és una opció prou robusta per a la obtenció de tipus de circulació atmosfèrica i que pot ser aplicada a diferents resolucions temporals i espacials. Aquest mètode ha estat implementat al programari lliure COST733class desenvolupat en l’àmbit del projecte europeu COST733 (2005-2010) centrat en la comparació i avaluació de mètodes de classificació de la circulació atmosfèrica.

Atmospheric circulation types classification: a method proposal and applications

The classification of atmospheric circulation has been addressed via different methodological approaches: manual methods, mixed methods, based on multivariate techniques, etc. In this work we present an extensive overview of the main existing typologies of circulation type classification methods for finally propose a new approach based on principal component analysis: the method of extreme scores. This new approach highlight the spatial standardization of the original data (gridded data), the use of the factor scores for determining the total amount of circulation types and their centroids, and finally support the non use of iterations for the final classification of all the cases into the groups via the Euclidian distance. The proposal is then applied to heavy snow precipitation events in Andorra (Pyrenees), to climate variability analysis over Western Europe, to the interpolation of climate variables in mountain areas (temperature and precipitation in Andorra) based on circulation types, and for analyze relevant lightning activity over the sector of Catalonia and Andorra. These applications are presented trough the corresponding publications in international scientific journals, and exemplify the usefulness of the atmospheric circulation classification methods for the study of mountain meteorology, climate variability and climate change, climate mapping in areas of complex topography using GIS techniques, and weather hazards situations. In addition, these applications also demonstrate the goodness of the proposed method of the extreme scores. This method of the extreme scores has been included in the classification software COST733class developed by the European project COST733 that was focused on the comparison and evaluation of circulation type classification methods.