Figura 1 Errores máximos en la localización de los rayos y ubicación de las antenas
El objetivo de este trabajo es el de caracterizar la actividad tormentosa durante el período estival (Junio,Julio y Agosto) de 1994 en una gran parte la península Ibérica y zonas limítrofes. Se estudiaran en esta nota el papel del ciclo diurno en la generación de los rayos, su distribución espacial y su evolución temporal, se analizarán algunos resultados obtenidos al trabajar con parte de la muestra al considerar sólo algunos tipos de rayos que cumplan ciertas condiciones en cuanto a especificaciones de su localización. Por último, y a la vista de los resultados, se dan algunos consejos prácticos sobre el uso de estos datos. No se hará referencia a las causas meteorológicas que condicionan y controlan dicha actividad.
1.Introducción
Durante el período estival (Junio,Julio y Agosto) de 1994, se trató de caracterizar la actividad tormentosa de una gran parte la península Ibérica y zonas limítrofes, cuya ventana quedaba limitada por las siguientes coordenadas: LATN=44. LATS=36. y LONO=9. LONE= -4.. Quedó fuera de ella, las zonas más occidentales de Galicia, gran parte de la isla de Menorca, Ceuta y Melilla. Destacar que es durante este período cuando se concentra la mayor cantidad de rayos de todo el año (Manso, 1992) aunque el porcentaje puede ser aún significativo en Septiembre y Octubre, preferentemente en las zonas mediterráneas.
Los parámetros de interés recayeron en los básicos que definen al rayo: posición y momento de la descarga, así como los asociados a los parámetros relativos a los errores de localización debido a que la ventana de estudio corresponde a una amplia zona donde los errores y fiabilidad del datos varían de forma considerable de un lugar a otro. De los 92 días de la campaña se eliminaron aquellos de menos de 10 rayos diarios y los que presentaban descargas en zonas relativamente alejadas de la península. De esta forma obtuvimos 65 días con tormentas (17 en Junio, 22 en Julio y 26 en Agosto). En la referencia bibliográfica específica se trata y se detalla más ampliamente este trabajo (Martín, 1995b).
2.Algunas consideraciones previas sobre la red INM.
La red del INM está formada por 14 antenas (en 1994), Figura 1, distribuidas estratégicamente por el territorio peninsular (trece) y balear (una) que hacen que la cobertura teórica sea muy buena en la zona peninsular y mediterráneo catalano-balear, y en menor medida en el resto.
Los parámetros disponibles de una descarga, que ha sido validada como tal, son: localización temporal y espacial más probable, polaridad (negativa o positiva), número de subdescargas, intensidad normalizada, método de localización empleado, datos sobre errores de posicionamiento y antenas que lo detectaron. El sistema sólo es capaz de detectar rayos (descargas de Nube a Tierra, NT).
2.a Sobre la localización de los rayos y parámetros asociados.
De la muestra de trabajo consideramos, básicamente, dos tipos de rayos: los triangulados, son aquellos que para su localización han intervenido solamente dos antenas, y los optimizados, rayos que para su localización intervienen tres o más antenas. En este caso la localización se lleva a cabo por un método más complejo pero más exacto que el primero (Gutiérrez y Pérez,1992; Pérez, Gutiérrez y otro,1992)
2.b Sobre la exactitud de la localización.
El sistema de detección de rayos suministra un conjunto de parámetros relativos al grado de exactitud de la localización de cada rayo (en paréntesis encontramos sus nombres en SAIDAS). De todos ellos nos vamos a concentrar en:
- Elipse de error. Es la región donde la probabilidad de encontrar al rayo es de un 39%. Los elementos que la definen son: el semieje mayor (A, en Km) y menor (B,en Km) de la elipse, orientación de dicha elipse (ELA, en grados).
-Valor de CHI2 . Cuando tres o más antenas localizan a un rayo (optimizado), el proceso de localización consiste en un ajuste por mínimos cuadrados de las diversas intersecciones que se producen entre pares de antenas. La mejor localización es aquella que minimiza la función chicuadrado de Pearson (CHI2 en SAIDAS). Para los triangulados (detectados por solo dos antenas) este proceso no se puede llevar a cabo y su valor se pone a cero.
Durante 1994 la ingestión de los datos de rayos en SAIDAS se realizó de forma que para todos los triangulados los datos de la elipse de error fueron cero (A=B=ELA=0). A partir de Junio de 1995 los triangulados poseen ya información sobre su elipse de error.
3. Distribución temporal y espacial de los rayos.
Se tomaron todos los rayos de la muestra y se analizaron su distribución temporal y espacial, separando los negativos (mucho más numerosos y en primera instancia) de los positivos, obteniéndose los siguientes resultados:
3.a Distribución temporal.
En la figura siguiente, Figura 2, podemos observar dos paneles . El superior nos muestra la evolución diaria de los rayos en toda la campaña. Se observa la gran variabilidad diaria y el porcentaje elevado de negativos, mientras que el inferior nos apunta el papel del calentamiento diurno, de forma que la mayoría de los rayos se generan después del mediodía.
3.b) Distribución espacial de días de tormentas y rayos.
Todas las distribuciones espaciales de la muestra se obtuvieron para cajas de 0.4.x0.4. y sin someterlas a ningún proceso de depuración. Los resultados los pasamos analizar seguidamente.
*Días con tormentas. En la Figura 3a, observamos el influjo de la orografía y continentalidad en la distribución de los días con tormentas y del número de rayos. Se consideró un día con tormenta, en una cuadrícula determinada, cuando se detectó al menos un rayo en dicha rejilla. Es importante comparar las distribuciones de días con tormentas y la distribución de rayos con objeto de discriminar entre zonas muy eficientes y poco eficientes en la generación de rayos o por contra áreas de mínimos relativos de días pero con máximas concentraciones de descargas.
El influjo terrestre (sobre todo orográfico) es notorio como corresponde a la inestabilidad convectiva que se genera sobre la península durante los días estivales. Por contra, las zonas marítimas y zonas de influencia, donde la inestabilidad en capas bajas se ve amortiguada al efecto regulador y estabilizador del agua, dan los mínimos en especial las zonas atlánticas.
*Distribución de rayos negativos y positivos. Las mismas consideraciones anteriores valen aquí, Figura 3b y 3c, pero con ciertas matizaciones ya que, aunque en las zonas altas se dieron las mayores concentraciones de días con tormentas, y a la vez la máxima actividad tormentosa, también existen otras donde esto no ocurrió. El caso más llamativo es el área comprendida por la región oriental de la Comunidad de Cantabria, NE de Castilla-León y zona occidental del País Vasco, que se debió a la existencia de varios sistemas convectivos que se formaron en dicha región durante los primero días de Agosto. Estos debieron presentar un elevado grado de organización, que los hacen acreedores de ser unos elementos que más rayos pueden generar durante ciertos períodos de su ciclo de vida (Martín y Carretero, 1994). Los rayos positivos (con una escala asociada diferente a los negativos) parecen mostrar un apego orográfico mucho más acentuado que los negativos y, en general, se concentraron ligeramente en las proximidades de las máximas concentraciones de los negativos aunque con una notable diferencia en la zona pirenáica.
Todas las referencias sobre rayos que se hagan a partir de aquí se harán de forma que se tenga en cuenta a ambos tipos de descargas.
4. Características de la muestra en relación con los parámetros de exactitud de posicionamiento.
Hasta ahora se han considerado todos los rayos que fueron detectados por la red sin excluir ninguno, pero se ha observado que algunos de ellos llevaban valores asociados altos de CHI2 y A, relativos al bajo grado de confianza y alto error de su posición, respectivamente. Este hecho es muy importante no sólo en las labores operativas de vigilancia y seguimiento de fenómenos tormentosos sino en los estudios más generales de caracterización de la convección en períodos más amplios. La idea de caracterizar ciertos parámetros sobre la localización de los rayos es importante ya que la eliminación o filtrado de ciertos rayos nos puede llevar a otro tipo de resultados y conclusiones. Vamos a mostrar sólo algunos resultados que se obtuvieron durante la campaña.
4.a Distribución espacial de A y CHI2.
Con toda la muestra se analizó la distribución espacial de los valores medios de A y CHI2 así como las desviaciones típicas de ambos. Antes de analizar los resultados debemos de tener en cuenta de que existen zonas en las que:
-No se detectaron rayos y por tanto los valores resultantes van a ser cero. No podremos sacar conclusiones en dichas áreas (Figura 3).
-Existen muy pocos rayos y las contribuciones de alguno de ellos, con valores muy altos, pueden producir los llamados "ojos de buey" al ser representado con el resto de la muestra. Este hecho también se puede producir en zonas donde, aún existiendo muchos rayos, aparecen algunos con valores de un parámetro muy elevado.
En la Figura 4 se representa los valores medios de A de todos los rayos de la muestra. Comparando esta figura con la asociada a los valores máximos de los errores de posición de la Figura 1 (aunque en si misma no son iguales) suministrada por la empresa, podemos ver que:
-La zonas con mejor resolución fueron : la Meseta Norte, Valle del Ebro, Pirineos, Comunidad valenciana,zonas orientales de Castilla-La Mancha, parte central y oriental de la cornisa cantábrica y algunas zonas marítimas del mar catalano-balear, con valores del semieje mayos del orden de 3-4 Km, en incluso menos en el interior península.
-Los valores medios de los semiejes mayores de los rayos de la muestra aumentan al alejarnos de la red, como era de esperar, en: Galicia, norte de Portugal y sur de Francia.
-Se han obtenido valores relativamente más altos en ciertas zonas donde la cobertura de la red era teóricamente mejor y que pueden estar asociadas a posibles problemas intrínsecos de alguna de las antenas de la red (caídas durante largos períodos de tiempo, falta de línea telefónica, calibración, perdida de la eficiencia de detección, ubicación de alguna antena en zona no óptima, etc). Como ejemplos más significativos y para este estudio, tenemos:
* La zona oriental de Cataluña, que incluso se prolonga hacia Francia en forma de lengua muy marcada. Posible causa, problemas de la antena que se encuentra en Reus (Ta).
* Zona septentrional de las Islas Baleares. La falta de datos desde la antena del aeropuerto de Palma de Mallorca, por problemas de líneas, pudo ser la causa de esta singularidad.
* Gran parte de Andalucía oriental, sur de Castilla-La Mancha y zonas costeras de Murcia y Almería. Posibles antenas causantes de estas singularidades: la Hinojosa del Duque (Co) que funcionó con algunas irregularidades y la de Armilla (Gra), que al encontrarse situada en una zona rodeada de montañas, puede repercutir en una menor capacidad de detección y localización de rayos.
*En general casi todas las zonas costeras y marítimas.
Otras zonas singulares son los llamados "ojos de buey": estructuras concéntricas a un punto dado con un fuerte gradiente de isolineas. Estas se deben a la presencia de algún rayo con valores muy elevados respecto al resto de la zona.
Respecto a CHI2, figuras que no se muestran, la distribución espacial de sus valores medios y desviaciones típicas no ofrecen una estructura fácilmente identificable y asimilable con la cobertura de la red, como es el caso del parámetro "A".
5 Distribución temporal y espacial de rayos que cumplen ciertos requerimientos en la exactitud de su posicionaminto.
Al comienzo del estudio se tomó toda la muestra sin tener en cuenta las características de posicionamiento de los rayos. Cabría preguntarse si la eliminación de los rayos que no cumplen ciertas limitaciones respecto a la calidad o confianza de su posicionamiento podrían alterar los resultados del trabajo de forma notable. Para éllo se repitió los procesos del apartado 3, imponiendo ciertas limitaciones a la base de datos. Como el número de gráficas es muy elevado, sólo se mostrarán los resultados más significativos y algunas de ellas.
Con este fín se separaron y analizaron:
-Sólo los triangulados.
-Sólo los optimizados, tales que 0 < A. a1 y 0 . CHI2 . c1 siendo a1 y c1 unos parámetros que nos ofrezcan cierta fiabilidad en el posicionamiento del rayo.
5.a Distribución temporal.
La distribución temporal de los rayos, en nuestra ventana de estudio, esta ligada íntimamente al ciclo diurno durante la época estival, como quedó de manifiesto en las gráficas correspondientes del apartado 3 .a, por lo que, independientemente de la forma en que el sistema detecte a los rayos, las gráficas de la distribución temporal para las distintos tipos de descargas coinciden con las presentadas en la Figura 2, con las diferencias lógicas de tipo cuantitativo, por lo que no se van a mostrar aquí. Las posibles diferencias y matizaciones pueden provenir de las distribuciones espaciales que pasaremos a analizarlas.
5.b. Distribución espacial de rayos.
1.- Triangulados. En la Figura 5, tenemos la distribución de los rayos y número de días de los triangulados, donde se ha mantenido la escala de referencia inicial. Podemos observar que la distribución espacial se parece a la asociadas a la muestra total, salvo que los valores de los máximos relativos es mucho menor que la total, como era de esperar. Lo más significativo es que en el interior de la península, y por tanto en zonas de buena cobertura de la red existe una gran cantidad de rayos cuya localización se realizó por tan sólo dos antenas (más de 62.000, frente a los más de 121.000 optimizados).
2.- Optimizados. Se tomaron, de toda la muestra, aquellos rayos que cumplieran ciertas especificaciones que nos garantizarán cierta fiabilidad en la localización del rayo, tomando como base los valores de A y CHI2, dados por las relaciones:
La muestra que vamos a estudiar estaba caracterizada por los rayos optimizados
con los siguientes valores de A y CHI2 que la delimitaban:
En la Figura 6 podemos observar la distribución de los rayos optimizados con diferente intervalo de contornéo que el utilizado con anterioridad (de 25 en 25, con una máximo de 574 rayos en el Pirineo central). Si lo comparamos con la figura equivalente de la muestra total (Figura 3b, aunque en ella sólo se han utilizado los negativos, que son la amplia mayoría) podremos ver que las zonas más importantes donde se generaron rayos se mantienen (sistemas montañosos) aunque sus valores cuantitativos disminuyen. Por contra las zonas más alejadas y con peor cobertura teórica desaparecen o disminuyen llamativamente: aéreas marítimas del Cantábrico, casi todo el sur y sureste de Francia, zonas marítima de la región catalano-balear (muy especialmente la parte más oriental de la provincia de Gerona), Meseta sur, Comunidad Valenciana, Andalucía y Galicia.
Las mismas consideraciones valen cuando consideramos los días de tormentas con tan solamente los optimizados de cierta confianza, Figura 6b inferior con un intervalo de contornéo de 2 en 2, y la comparamos con la Figura 3. Existen lugares donde los valores de días con tormentas caen más del 50%, como ocurre en las tierras altas de Andalucía oriental donde se pasa de 12-13 a 4-5 días. El máximo se sigue manteniendo en el Pirineo Central con 20-21 días, cuando era de 30-32 en la muestra total.
Por lo tanto las variaciones más significativas se aprecian allí donde la cobertura teórica de la red es más pobre (en general en Galicia, Andalucía, zonas marítimas) o donde existió una discontinuidad en el funcionamiento de ciertas antenas que afectaron durante ciertos períodos a la calidad de los datos ( Gerona, en Andalucía oriental en particular).
6. CONCLUSIONES
De este estudio, podemos observar que existe una gran variabilidad diaria en cuanto a la generación de rayos. Es notoria la influencia del ciclo diurno en la desarrollo, mantenimiento y disipación de los focos tormentosos,aún siendo importante existe una contribución significativa de rayos ligados a convección nocturna. El carácter orográfico en cuanto elemento modulador en la distribución espacial de los máximos y mínimos de rayos y días con tormentas. De esta forma podemos observar que las máximas concentraciones se encuentran en la vertiente nordeste y en particular focalizada en los grandes sistemas montañosos: Pirineos (destacando las zonas más elevadas de éste) y el Sistema Ibérico en la vertiente aragonesa. Por contra, el efecto estabilizador de las grandes masas de agua, que en esta época del año se encuentran más frías que las zonas continentales, y sus efectos sobre zonas terrestres de su influencia, que introduce unos mínimos muy definidos sobre gran parte del Mediterráneo, Andalucía, Extremadura, Portugal y zonas del mar Cantábrico. En estas zonas marítimas destacan ciertas singularidades, en cuanto al número de días de tormentas y rayos, como son las zona catalano-balear y el Golfo de Vizcaya.
Cuando se tienen en cuenta los errores de posicionamiento y confianza en la localización de los rayos se observan diferencias cualitativas y cuantitativas en los errores máximos de localización teóricos, suministrado por la empresa, y los valores medios del semieje mayor, A y siempre y cuando se suponga un grado de relación entre estas magnitudes, que se agudizan en ciertas zonas de la península debido a posibles causas enumeradas en el trabajo. En terminos generales nuestra red posee una buena resolución espacial, ya que gran cantidad de rayos tienen un A.4 Km. Se deberían fijar o aconsejar unos valores de "corte" o filtrado de rayos para eliminar, según las circunstancias en las que se vaya a emplear los datos, rayos defectuosamente localizados por el sistema, en función de A y/o CHI2, sobre todo cuando se requiere cierta precisión o se realizan estudios muy locales. Rayos con valores de A y CHI2 superiores a unos limites lógicos deberían ser eliminados antes de su ingestióna la SAIDAS.
Notas.
-Aunque durante 1994 no se dispusieron de parámetros que cuantificaran la calidad del dato de los rayos triangulados, a partir de mediados de 1995 éstos ya disponen de valores de A,B y ELA distintos de cero.
-Algunos valores puntuales (valor probabilistico y significado de la elipse de error, singularidades en el funcionamiento de las antenas,etc) fueron suministrados por el personal del Servicio de Teledetección del INM
-El el futuro, datos de las antenas del Sur de Francia pueden ser incluidos en nuestra red, con la consiguiente mejora en la calidad de los datos de rayos en algunas zonas de nuestra cobertura.
Referencias.
Gutiérrez J.M.,Pérez F.,1992: Evolución temporal de las descargas Nube-Tierra en las células tormentosas. III Simposio Nacional de Predicción del INM (en prensa) Publicación interna del INM.
Manso M., 1992: Análisis del resumen diario de la información proporcionada por la red de detección de rayos del I.N.M. III Simposio Nacional de Predicción del INM (en prensa) Publicación interna del INM.
Martín F. y Carretero O., 1994: Estudio de los Sistemas Convectivos de Mesoescala del 8-9 de Octubre de 1992. Nota Técnica del STAP N. 16. Publicación interna del INM.
Martín F. y Carretero O., 1995a: Interpretación de datos de rayos, módulo IPT3 del TEMPO. Programa de enseñanza meteorológica asistida por ordenador. STAP-INM.
Martín F., 1995b: Actividad tormentosa en la Península y áreas limítrofes durante el verano de 1994. Nota Técnica del STAP N. 23. Publicación del INM.
Pérez F., Gutiérrez J.M., Aguado F., 1992: Relación entre las ocurrencias de rayos y las características de los ecos del radar de Madrid. III Simposio Nacional de Predicción del INM (en prensa) Publicación interna del INM.