ICON

Del GME al ICON

El Deutscher Wetterdienst (DWD), el servicio meteorológico nacional de Alemania, con sede en Offenbach, ejecuta un modelo global sobre una malla icosaédrica desde diciembre de 1999. Aquel modelo, el GME, fue el primer modelo meteorológico operativo que dividió el globo en celdas construidas a partir de un icosaedro, un sólido de 20 caras triangulares, en lugar de en casillas de latitud y longitud que se apiñan en los polos. Sus celdas eran hexágonos, su malla de unos 20 km y sus ecuaciones hidrostáticas, es decir, despreciaban las aceleraciones verticales: un atajo aceptable a esa escala, pero que cierra la puerta a las mallas finas.

ICON, por ICOsahedral Nonhydrostatic, lo desarrollaron conjuntamente el DWD y el Instituto Max Planck de Meteorología de Hamburgo como un marco único para el tiempo y el clima. Sus diseñadores querían una conservación exacta de la masa, la posibilidad de refinar la malla sobre una región y unas ecuaciones válidas hasta el kilómetro e incluso por debajo. ICON pasó a ser el modelo global operativo del DWD el 20 de enero de 2015, en sustitución del GME, con una malla de 13 km y 90 niveles. En el verano de 2015 se añadió una región refinada sobre Europa, ICON-EU, que funciona de forma rutinaria desde el 21 de julio de 2015 y tomó el relevo del modelo regional COSMO-EU.

Desde entonces el sistema ha crecido paso a paso. En enero de 2016 el análisis pasó del 3D-Var a un esquema híbrido variacional por conjuntos; en enero de 2018 entró en servicio el conjunto global de 40 miembros ICON-EPS; el 10 de febrero de 2021 ICON-D2, una versión de área limitada a unos 2 km sobre Alemania y sus vecinos, sustituyó a COSMO-D2, de modo que toda la cadena de previsión del DWD descansa ahora en ICON. En noviembre de 2022 el modelo global pasó de 90 a 120 niveles y el anidamiento europeo de 60 a 74, situados en su mayoría en la estratosfera, mientras que la resolución del conjunto se afinó de unos 40 a unos 26 km.

Hoy ICON lo desarrollan el DWD, el Instituto Max Planck de Meteorología, el Centro Alemán de Computación Climática (DKRZ), MeteoSwiss y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe. MeteoSwiss también hace sus previsiones con él, y el Instituto Max Planck lo utiliza como núcleo de su modelo climático. Su código fuente está publicado bajo una licencia de código abierto desde el 31 de enero de 2024.

Triángulos, un núcleo no hidrostático y 120 niveles

La malla de ICON parte de un icosaedro proyectado sobre la esfera. Cada arista de sus 20 triángulos se divide primero en n partes iguales (la división «raíz», Rn); después los triángulos resultantes se cortan en cuatro k veces uniendo los puntos medios de sus lados (bisecciones, Bk). La malla global, R3B07, consta de 2.949.120 triángulos con un tamaño medio de 13,2 km, medido como el lado de un cuadrado de la misma superficie. No hay ningún polo donde se amontonen las celdas, y la resolución es casi la misma en toda la Tierra.

El núcleo dinámico, la parte que resuelve las ecuaciones del movimiento, utiliza las ecuaciones no hidrostáticas totalmente compresibles: las aceleraciones verticales se calculan, no se suponen nulas, y eso es lo que permite que el mismo código funcione a 13 km o a unos pocos cientos de metros. Sus variables pronósticas son el viento normal a cada arista de triángulo, el viento vertical, la densidad del aire y la temperatura potencial virtual. Los escalares se sitúan en el centro de cada triángulo y los vientos normales en el punto medio de cada arista, una disposición llamada malla C. La integración temporal utiliza un esquema predictor-corrector de dos niveles de tiempo, explícito en la horizontal e implícito en la vertical para las ondas sonoras, y el esquema conserva la masa exactamente.

En la vertical, el modelo global tiene 120 niveles desde la superficie hasta 75 km, muy dentro de la mesosfera, lo que ayuda a asimilar los datos de satélite. Los niveles siguen el relieve cerca del suelo y se aplanan poco a poco con la altura, mediante una coordenada suave llamada SLEVE, hasta ser perfectamente planos por encima de 16 km. Sobre el mar la capa más baja tiene unos 20 m de espesor, de modo que el primer nivel del modelo queda cerca de la altura a la que se da el viento a 10 m. El anidamiento europeo tiene 74 niveles hasta 22,8 km, los mismos que los 74 más bajos de la malla global.

Los procesos más pequeños que una celda se parametrizan, es decir, se representan por su efecto medio. Los chubascos y las tormentas se tratan con un esquema de convección de flujo de masa, una rama del esquema Tiedtke-Bechtold del IFS del ECMWF, porque a 13 km, e incluso a 6,5 km, una célula convectiva es mucho más pequeña que un triángulo. La turbulencia de la capa límite la rige un esquema pronóstico de energía cinética turbulenta heredado de COSMO; las nubes y la lluvia, un esquema de microfísica de un momento; el arrastre de las montañas no resueltas, el esquema de Lott y Miller; las superficies terrestres, el modelo de suelo TERRA; los lagos, FLake, y el hielo marino, un modelo de hielo sencillo.

El océano no se modeliza. La temperatura de la superficie del mar se analiza una vez al día y se mantiene constante durante toda la previsión, así que ICON no ve cómo una borrasca enfría el mar a su paso ni cómo se desarrolla un afloramiento durante la pasada. Tampoco se calcula el oleaje: el DWD ejecuta sus modelos de olas por separado, forzados por los vientos de ICON.

Cómo se calcula una pasada

El análisis de ICON, la mejor estimación del estado actual de la atmósfera de la que parte una previsión, se renueva cada 3 horas, a las 00, 03, 06 y así hasta las 21 UTC. Cada análisis combina una previsión a 3 horas del anterior, llamada primera estimación, con las observaciones de una ventana de 3 horas centrada en la hora del análisis: estaciones de superficie, barcos, boyas, radiosondeos, aviones y satélites. El peso que se da a cada una depende del error que se espera de cada una.

Desde el 20 de enero de 2016 lo hace un sistema híbrido variacional por conjuntos, EnVar. Un análisis variacional busca el estado atmosférico que mejor se ajusta a la vez a la primera estimación y a las observaciones con la resolución completa de 13 km; «híbrido» significa que los errores esperados de la primera estimación proceden en parte de estadísticas fijas y en parte de la dispersión de un conjunto de 40 previsiones a 3 horas, de modo que siguen el tiempo del día. Ese conjunto se actualiza a su vez con un filtro de Kalman por transformada de conjunto localizado (LETKF), que corrige cada miembro usando solo las observaciones cercanas, y proporciona los estados iniciales del conjunto ICON-EPS.

Para no sacudir el modelo con ondas espurias, las correcciones no se añaden de golpe, sino que se introducen gota a gota durante 3 horas centradas en la hora del análisis, un método llamado actualización incremental del análisis: el modelo arranca en realidad 90 minutos antes de la hora nominal. Análisis aparte actualizan la temperatura de la superficie del mar y la humedad del suelo una vez al día, y la capa de nieve cada 3 horas.

A partir de estos análisis arrancan cuatro previsiones al día, a las 00, 06, 12 y 18 UTC. Las de las 00 y 12 UTC llegan a 180 horas (7,5 días) y las de las 06 y 18 UTC a 120 horas, con salidas horarias hasta 78 horas y trihorarias más allá. El anidamiento europeo funciona dentro del modelo global con un acoplamiento en ambos sentidos: el modelo global alimenta los bordes del anidamiento en cada paso de tiempo, y el anidamiento devuelve su solución más fina a la malla global. El anidamiento ejecuta además cuatro previsiones más cortas, a las 03, 09, 15 y 21 UTC, hasta 51 horas.

Desde que el 25 de julio de 2017 entró en vigor una modificación de la ley del DWD, este publica gratuitamente las salidas de sus modelos en su servidor de datos abiertos, opendata.dwd.de, en formato GRIB2, reutilizables bajo la licencia CC BY 4.0 siempre que se cite al DWD. El modelo global se ofrece en sus triángulos nativos, e ICON-EU e ICON-D2 en mallas regulares de latitud-longitud de 0,0625° y 0,02°. Según el DWD, más de 30 servicios meteorológicos nacionales alimentan sus propios modelos regionales con las salidas de ICON.

En el mar

Para un navegante, el principal valor de ICON es que es una opinión independiente. Procede de un centro distinto del IFS del ECMWF o del GFS de la NOAA, con su propia malla, su propia física y su propia asimilación, de modo que sus errores no son los de los demás. Cuando ICON, el IFS y el GFS sitúan una borrasca o un frente en el mismo lugar, la previsión merece más confianza; cuando discrepan, el propio desacuerdo indica que la situación es incierta y que una ruta que dependa de una ventana estrecha es arriesgada.

A 13 km, el modelo global dibuja bien las borrascas, los frentes, los alisios y las grandes sombras de viento de las islas, pero no el viento a lo largo de una costa concreta: un cabo, un estrecho o una bahía de unos pocos kilómetros de ancho no son más que un puñado de triángulos. Sobre Europa, el anidamiento de 6,5 km se defiende mejor con los vientos modelados por el relieve, como el mistral y la tramontana en el golfo de León, la bora en el Adriático, el meltemi entre las Cícladas o el levante en el estrecho de Gibraltar, pero una brisa marina que solo alcanza unos pocos kilómetros mar adentro sigue fuera de su alcance. Cerca de la costa, un modelo de escala kilométrica como AROME es mejor guía.

La convección está parametrizada en el modelo global y en ICON-EU, de modo que una línea de turbonada o el frente de racha de una tormenta aparece allí como una zona suavizada de chubascos y no como el role de viento que de verdad se encuentra una tripulación; ICON-D2 calcula él mismo los chubascos y las tormentas, aunque su momento y su lugar siguen siendo inciertos. El viento a 10 m es un viento medio sobre una celda y en el tiempo: las rachas, que pueden ser mucho más fuertes bajo una nube o en una aceleración brusca, no están incluidas. La pared del ojo de un ciclón tropical es más estrecha que unos pocos triángulos de 13 km, por lo que sus vientos máximos suelen estar subestimados; ante un ciclón, los avisos oficiales de los centros de alerta tienen prioridad.

Como la temperatura del mar queda congelada en su valor del día del análisis, el modelo puede ir con retraso cuando es la temperatura del mar la que rige el viento, por ejemplo en una irrupción de aire frío sobre una corriente cálida o sobre un mar enfriado por una borrasca anterior. En las travesías largas, el horizonte de 7,5 días de las pasadas de las 00 y 12 UTC es más corto que el del IFS o el GFS y, como en toda previsión determinista, sus últimos días deben leerse como una tendencia, no como un viento preciso.

En Saily WR

Saily WR utiliza ICON tres veces, como tres modelos distintos: el ICON global, el europeo ICON-EU e ICON-D2 sobre Alemania y sus mares. Cada uno calcula su propia ruta siempre que su zona cubra a la vez la salida y el destino, y esa ruta se navega con el viento a 10 m del modelo, interpolado en el espacio y en el tiempo, y se muestra junto a las rutas de los demás modelos para poder compararlas.

Para el modelo global, la aplicación descarga los datos abiertos del DWD en los triángulos nativos y los coloca ella misma en una malla regular de 0,25°, tomando para cada punto el valor del triángulo más cercano. No se suaviza nada, pero con un punto cada 0,25°, unos 28 km en latitud, se pierde parte del detalle de la malla de 13 km. La aplicación toma las cuatro pasadas del día, en pasos horarios hasta 78 horas y luego trihorarios hasta 180 horas para las pasadas de las 00 y 12 UTC o hasta 120 horas para las de las 06 y 18 UTC; más allá de una pasada de las 06 o las 18 UTC, una ruta continúa en la pasada anterior de las 00 o las 12 UTC.

Para ICON-EU, la aplicación utiliza la malla de 0,0625° del DWD (unos 6,5 km) tal como se publica, sobre 29,5–70,5°N y 23,5°W–45°E. Toma las ocho pasadas del día: las de las 00, 06, 12 y 18 UTC hasta 120 horas, en pasos horarios hasta 78 horas y luego trihorarios, y las intermedias hasta 51 horas, más allá de las cuales una ruta continúa en la pasada principal anterior.

Para ICON-D2, la aplicación utiliza la malla de 0,02° del DWD tal como se publica, sobre 43,18–58,08°N y 3,94°W–20,34°E, y toma sus ocho pasadas del día, en pasos horarios hasta 48 horas. Ese rectángulo es más amplio que el dominio del modelo: los puntos que quedan fuera no llevan ningún valor en los archivos del DWD, así que la aplicación traza a partir de ellos el borde real del dominio y solo calcula una ruta ICON-D2 cuando la salida y el destino están ambos dentro. Un servidor descarga cada nueva pasada en cuanto el DWD la publica, y la página Datos muestra en directo en qué pasada está cada uno de los tres modelos, hasta dónde llega y la zona que cubre.