Como funciona a previsão do tempo: da coleta de dados ao seu aplicativo de previsão

Toda previsão mostrada em um aplicativo de telefone ou transmissão televisiva remonta ao mesmo sistema básico: observações entram, um supercomputador resolve equações atmosféricas, e um meteorologista ou algoritmo converte o resultado em uma previsão. A Administração Nacional Oceânica e Atmosférica dos EUA (NOAA) descreve esse processo simplesmente como previsão do tempo construída em matemática — equações que representam o comportamento físico da atmosfera, resolvidas repetidamente conforme o tempo avança.

Os seis passos por trás de uma previsão

1. As observações são coletadas em todo o mundo — de balões meteorológicos, satélites, boias, radares, sensores em aeronaves comerciais e navios, medidores de rios e costeiros, e estações terrestres — e convertidas em valores numéricos de temperatura, pressão, umidade e vento, de acordo com a NOAA.
2. A assimilação de dados mescla essas observações recentes com a previsão de curto prazo mais recente da atmosfera. O Centro Europeu para Previsões Meteorológicas de Prazo Médio (CEPMMT) diz que centenas de milhões de observações são filtradas e combinadas com previsões de curto prazo recentes todos os dias através desse processo estatístico, produzindo a melhor estimativa do estado atual da atmosfera.
3. Um modelo numérico divide o globo (ou uma região) em uma grade tridimensional de pontos. A NOAA observa que grades mais finas fornecem mais detalhes locais, mas exigem muito mais poder de computação — duplicar a resolução em cada direção aproximadamente quadruplica os cálculos necessários para a mesma área.
4. Os supercomputadores resolvem as equações de física em cada ponto da grade para pequenos passos de tempo, depois alimentam o resultado de volta como ponto de partida para o próximo passo. As máquinas da NOAA, localizadas na Virgínia e Flórida, realizam aproximadamente 2,8 quatrilhões de cálculos por segundo; o sistema do CEPMMT usa mais de um milhão de processadores entregando aproximadamente 30 petaflops.
5. O modelo é executado muitas vezes com condições iniciais ou configurações de física ligeiramente diferentes, chamado de conjunto. A NOAA diz que quando as execuções concordam, os meteorologistas têm maior confiança; quando divergem, essa dispersão comunica por si mesma incerteza ao público.
6. Meteorologistas humanos e sistemas automatizados interpretam a saída bruta do modelo — ajustando para terreno local, vieses de modelo conhecidos, ou observações recentes — antes de emitir a previsão, alerta ou aviso público.

Modelos globais vs. regionais

A NOAA distingue entre modelos globais, que cobrem todo o planeta com resolução mais grosseira, e modelos regionais, que cobrem uma área menor em maior detalhe. O CEPMMT executa seu modelo global duas vezes por dia, à meia-noite e ao meio-dia, com duas execuções intermediárias adicionais que fornecem condições de contorno aos modelos regionais próprios dos estados membros. A agência observa que um modelo global é necessário porque as perturbações meteorológicas de um lado do mundo podem influenciar condições em outros locais dias depois.

Por que as previsões perdem precisão ao longo do tempo

A atmosfera é um sistema caótico: pequenas diferenças nas condições iniciais crescem ao longo do tempo até que a previsão diverge da realidade. Este princípio, identificado pela primeira vez pelo meteorologista do MIT Edward Lorenz, é por que nenhum modelo — por mais poderoso que seja — pode fazer previsões indefinidamente para o futuro.

Um estudo liderado pela pesquisadora de Penn State Fuqing Zhang testou os dois principais sistemas de previsão global — o modelo do CEPMMT e o sistema de previsão global de próxima geração dos EUA — contra eventos reais, incluindo uma onda fria europeia e inundações na China, usando dados iniciais quase perfeitos. A equipe concluiu que as previsões confiáveis dia a dia são alcançáveis cerca de 9 a 10 dias de antecedência para as latitudes médias, onde vive a maioria da população mundial, e que isso poderia estender-se para aproximadamente 14 a 15 dias conforme a coleta de dados, algoritmos e poder de computação melhorarem.

As orientações técnicas próprias da NOAA sobre a saída do modelo fornecem um número mais conservador para previsões brutas não processadas de grade, observando que os modelos permanecem geralmente precisos até cerca de quatro dias, após o qual a variação de execução para execução aumenta significativamente — uma razão pela qual os conjuntos e os meteorologistas humanos permanecem parte do sistema para o alcance médio.

O que vem a seguir para a tecnologia de previsão

O CEPMMT diz que os ganhos futuros dependem de previsões de conjunto de resolução mais fina, melhor representação dos processos do sistema terrestre (atmosfera, terra e oceano juntos), e assimilação melhorada de observações meteorológicas — tudo isso requer mais poder de computação. O Programa de Escalabilidade do centro está se preparando para a computação exascale (um bilhão de bilhões de cálculos por segundo) e também está explorando técnicas de aprendizado de máquina como parte de seus sistemas de previsão, de acordo com sua própria ficha técnica.