An integrated methodology for post-processing ensemble prediction systems to produce more representative extreme water level forecasts: the case of the Río de la Plata estuary

The effects of weather extreme events can pose a threat to life and property, which is why proper prediction systems take on superlative importance. Despite the significant scientific advances in the field during the last decades, due to the intrinsic imperfections of prediction systems there will always be unavoidable uncertainties. To deal with them, deterministic prediction systems have been extended to “ensemble prediction systems” (EPS), defined as a composition of several simulations under different forcings, boundary conditions, parameters, models, etc., designed to represent the uncertainties. The mean of the EPS is often used for deterministic guidance to report the prediction but, in the presence of large differences among ensemble members, the average generates skewness that might underestimate the magnitude of the forecasts. In this paper, two techniques are revisited and readapted to improve the EPS forecasts. Firstly, it is proposed to partition ensemble forecasts into sub-ensemble forecasts, using cluster analysis to produce more representative predictions; this technique seeks to eliminate from the ensemble members which occurrence is considered unlikely. Secondly, it is suggested to associate to the ensemble forecast a complementary phase-aware ensemble (PAE) forecast, which computes the ensemble mean and spread separating the signal into carrier and modulated waves using the Hilbert transform. This integrated post-processing methodology was assessed with extreme storm surges that took place at the Río de la Plata estuary (Argentina) during this century with amplitudes exceeding ± 2 m (being the tidal range of about 0.75 m), for which the EPS presents large dispersion. Results show that, in the analyzed cases, the post-processing filters out the unlikely dynamical states, adjusts the mean ensemble to the observations and significantly reduces the uncertainty; the spread is reduced from 3 m to less than 1 m. The probability was also improved; for the analyzed cases, calibrated forecasts could anticipate peak events 4 days in advance with a relatively small uncertainty in both time and amplitude (one standard deviation). Additionally, the technique does not harm the forecast in cases when the dispersion between members of the ensemble is low. These results, together with the low computational cost of applying the technique, support incorporating our post-processing methodology as part of the EPS for storm surges, in which uncertainty is paramount for issuing warnings to face the effects of extreme weather events.Fil: Dinapoli, Matias. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos; Argentina. Instituto Franco-Argentino sobre Estudios del Clima y sus Impactos; ArgentinaFil: Simionato, Claudia Gloria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos; Argentina. Instituto Franco-Argentino sobre Estudios del Clima y sus Impactos; Argentin

Towards a tidal loading model for the Argentine-German Geodetic Observatory (La Plata)

We present a regionalized model of ocean tidal loading effects for the Argentine-German Geodetic Observatory in La Plata. It provides the amplitudes and phases of gravity variations and vertical deformation for nine tidal constituents to be applied as corrections to the observatory’s future geodetic observation data. This model combines a global ocean tide model with a model of the tides in the Río de la Plata estuary. A comparison with conventional predictions based only on the global ocean tide model reveals the importance of the incorporation of the regional tide model. Tidal loading at the observatory is dominated by the tides in the Atlantic Ocean. An additional contribution of local tidal loading in channels and groundwater is examined. The magnitude of the tidal loading is also reviewed in the context of the effects of solid earth tides, atmospheric loading and non-tidal loadsFacultad de Ciencias Naturales y Muse

Towards a tidal loading model for the Argentine-German Geodetic Observatory (La Plata)

We present a regionalized model of ocean tidal loading effects for the Argentine-German Geodetic Observatory in La Plata. It provides the amplitudes and phases of gravity variations and vertical deformation for nine tidal constituents to be applied as corrections to the observatory’s future geodetic observation data. This model combines a global ocean tide model with a model of the tides in the Río de la Plata estuary. A comparison with conventional predictions based only on the global ocean tide model reveals the importance of the incorporation of the regional tide model. Tidal loading at the observatory is dominated by the tides in the Atlantic Ocean. An additional contribution of local tidal loading in channels and groundwater is examined. The magnitude of the tidal loading is also reviewed in the context of the effects of solid earth tides, atmospheric loading and non-tidal loadsFacultad de Ciencias Naturales y Muse

Towards a tidal loading model for the Argentine-German Geodetic Observatory (La Plata)

We present a regionalized model of ocean tidal loading effects for the Argentine-German Geodetic Observatory in La Plata. It provides the amplitudes and phases of gravity variations and vertical deformation for nine tidal constituents to be applied as corrections to the observatory’s future geodetic observation data. This model combines a global ocean tide model with a model of the tides in the Río de la Plata estuary. A comparison with conventional predictions based only on the global ocean tide model reveals the importance of the incorporation of the regional tide model. Tidal loading at the observatory is dominated by the tides in the Atlantic Ocean. An additional contribution of local tidal loading in channels and groundwater is examined. The magnitude of the tidal loading is also reviewed in the context of the effects of solid earth tides, atmospheric loading and non-tidal loadsFacultad de Ciencias Naturales y Muse

The effect of long-term and decadal climate and hydrology variations on estuarine marsh dynamics: an identifying case study from the Río de la Plata

The vertical growth of coastal wetlands is known to primarily be controlled by local tidal range and sediment availability as well as the occurrence of storm events. In estuaries, sediment availability additionally depends on riverine sediment input, the effect of which may be more pronounced in some parts of the estuary, thereby introducing a distinct spatial pattern that depends on the estuary's shape as well as the riverine sediment input and the hydro-meteorological regime. In the present study, we investigate how estuarine marshes along the whole Rio de la Plata (RdlP) are affected by decadal and long-term variations in river discharge and storm activity. The El Nino Southern Oscillation (ENSO), in this context, appears to introduce a pronounced decadal variability on sediment loads brought into the RdlP. Based on 15 sediment cores, recovered along the RdlP and adjacent Atlantic coast, vertical marsh growth rates were studied using radionuclide dating (210Pb and 137Cs) and grain size distributions. By comparing these sedimentological records with historic river discharge and storm surge data, we spatially interpret the relative importance of temporal variations in river discharge and storm activity on estuarine marsh growth. By delivering the first estimates for vertical growth rates of the RdlP marshes, we conclude that with average vertical marsh growth rates between 0.4 and 2.6 cm year− 1, the RdlP marshes are highly resilient against drowning under present and future sea-level rise (SLR) conditions. Furthermore, our results confirm a large spatial variability of the drivers for vertical marsh growth; extreme storm surges appear to play a role in the development of the outer RdlP marshes whereas the temporal variations in river discharge seem to be hierarchically more important for the marshes in the inner estuary.Facultad de Ciencias Naturales y Muse

Modelado y análisis de la marea inducida en acuíferos costeros del río de la Plata

El presente trabajo de tesis se centra en el estudio de la interacción entre las aguas superficiales y subterráneas con el objetivo de caracterizar hidráulicamente acuíferos costeros empleando una novedosa técnica hidrogeofísica basada en el fenómeno de marea inducida. La estimación de parámetros hidráulicos suele realizarse mediante ensayos de bombeo, que consisten en la extracción de agua en un pozo y la medición de los descensos de niveles que se producen en pozos de monitoreo cercanos. Una de las desventajas de esta técnica es el enorme volumen de agua que debe ser extraído lo que limita severamente su aplicación en acuíferos contaminados o afectados por intrusión salina. Como alternativa a los ensayos de bombeo en zonas costeras, se propone la utilización de la señal natural generada por la marea oceánica o de río. Este método se basa en la relación existente entre la señal de marea y las fluctuaciones inducidas en el acuífero. Estas fluctuaciones presentan una disminución en amplitud y un desfasaje temporal respecto a las señales que las originan. El análisis de este fenómeno permite estimar los parámetros hidráulicos del acuífero de manera no invasiva, es decir sin perturbar el flujo de agua en el subsuelo. Para analizar este fenómeno se ha adquirido una gran cantidad de datos en el marco de dos proyectos de investigación: “Aguas Subterráneas en la Cuenca Matanza Riachuelo” (ACUMAR-CIC) y “Dinámica del Acuífero Puelche en la Planicie Costera del Río de La Plata” (PIO YPF-CONICET). Para estudiar la interacción entre el Río de La Plata y los acuíferos de la zona (Puelches, Paraná y superficial) se utilizaron tanto métodos numéricos como soluciones analíticas clásicas. Generalmente, se considera que la interacción entre las aguas superficiales y subterráneas es hidráulica. Sin embargo, cuando el acuífero se prolonga por debajo del río/océano y están separados por material de baja permeabilidad, la interacción es mecánica. La marea produce una diferencia de presión que comprime y descomprime al acuífero induciendo una señal que posee la misma frecuencia que la marea. Los resultados del trabajo de Tesis realizan aportes en dos campos del conocimiento. Por un lado, en el campo de las ciencias aplicadas, se ha realizado una caracterización hidráulica de los acuíferos costeros del Río de La Plata utilizando una metodología que no presenta las desventajas asociadas a los ensayos de bombeo. El análisis de los datos permitió estimar parámetros hidráulicos y definir un modelo conceptual del sistema acuífero costero, estableciendo de este modo el tipo de interacción que existe entre los acuíferos y el Río de La Plata. Por otro lado, en el campo de la ciencia básica, se han desarrollado nuevas soluciones analíticas para el fenómeno de marea inducida que consideran espesores variables del acuífero. En base a estas soluciones se definieron criterios que permiten inferir eventuales variaciones en el espesor del acuífero así como diseñar estrategias para evaluar correctamente los parámetros hidráulicos de acuíferos costeros.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica

Determinación precisa y nuevas aplicaciones del contenido troposférico cenital a partir de observaciones GNSS con TOMION

El retardo troposférico cenital (ZTD, por sus siglas en inglés -Zenith Tropospheric Delay-) es una de las variables que puede estimarse con GPS de mayor importancia a escala global por su estrecha relación con los parámetros atmosféricos que se involucran en el desarrollo del clima y del tiempo. Su correcta estimación depende de muchos factores tales como, la metodología utilizada y el modelo aplicado a las observaciones. En esta tesis abordamos la determinación de los parámetros de segundo orden dentro del término que modela al ZTD y su implementación en el programa TOMION v2. Las actualizaciones hechas con éxito comprenden desde la inclusión de nuevas incógnitas, la calibración de procesos estocásticos hasta el modelado del reloj del receptor GPS. El procesado de datos fue posible gracias a redes de estaciones de operación continua, lo cual ha mejorado drásticamente la habilidad de sensar la atmósfera de manera remota, sobre todo bajo el efecto de sistemas sinópticos, como por ejemplo un huracán. En este caso, hemos estudiado el huracán Harvey, que causó destrozos en Texas, EEUU, durante agosto de 2017. La aplicación sobre esta tormenta da resultados novedosos en relación a la orientación y la distribución de gradientes troposféricos de gran intensidad durante la evolución y desvanecimiento. También analizamos en detalle hasta donde los gradientes troposféricos estimados representan variables atmosféricas, haciendo una extensiva com- parativa con datos recolectados de ERA5, un repositorio de los más usados en el ámbito atmosférico. Finalmente, utilizamos la actualización al programa para estudiar la evolución de una Sudestada en el Río de La Plata en febrero de 2017 y su impacto sobre la coordenada vertical, el error del reloj del receptor y el ZTD. Concluimos que cuando queremos estimar cambios de corto período, es necesario que la estación cuente con un reloj atómico ligado al receptor GPS. En general, podemos decir que las actualizaciones en el marco de esta tesis al programa TOMION v2, fueron fructíferas para el estudio de eventos climáticos extremos, donde la determinación de los parámetros es aún más sensible al modelado. TOMION v2 puede ser utilizado para el modelado troposférico de alta precisión y bajo situaciones climáticas extremas.Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica