Figura 1: Distribución de temperaturas mínimas de brillo.
Durante la primavera y el verano es habitual la aparición de nubes y chubascos de origen convectivo asociados principalmente a las zonas montañosas. Como se muestra en esta comunicación las imágenes IR de Meteosat son una buena herramienta para la detección y el seguimiento de las estructuras convectivas, tanto cualitativa como cuantitativamente: Se definen ciclos de vida, tipos de estructuras, trayectorias recurrentes, etc. Para su mejor interpretación se utilizan datos de radiosondeos y de la red de detección de descargas eléctricas. Tras realizar el estudio sobre Cataluña queda patente el importante papel que juega el Pirineo en el desarrollo de la convección.
1. Introducción
Durante los meses de la campaña se han ido almacenando imágenes del Meteosat con el objeto de tratarlas y obtener de ellas una serie de parámetros relacionados con las nubes de origen convectivo y con las características particulares de la convección en Catalunya.
Generadas unas bases de datos a partir de estos parámetros y otros derivados, se ha procedido a caracterizar, desde el punto de vista de la teledetección satelitaria, la convección de este período estival. Además de esta caracterización básica se ha ensayado una posible clasificación de las células convectivas, relacionándola con el número de rayos diario.
A la hora de estimar las alturas de los topes nubosos se ha utilizado una base de datos de sondeos.
2. Bases de datos disponibles
2.1 Imágenes de satélite
Se dispone de imágenes IR de 57 días de los meses de junio, julio y agosto. Estos 57 días han pasado una nueva selección quedando reducido el número de días de los que se obtienen parámetros nubosos.
2.2 Datos de la red de descargas eléctricas
Se contabilizan y localizan los rayos en una ventana centrada en (41.5.,-2.) y de dimensiones 3. de latitud y 4 . de longitud. La variable NRAYOS , número de rayos diario, es la única que se utiliza aquí para caracterizar la actividad eléctrica de un determinado día.
2.3 Datos de sondeos
Los sondeos más cercanos de que se dispone son el de Zaragoza y el de Palma de Mallorca. En el caso de que se disponga de los dos utilizamos el primero, por ser el más utilizado en el GPV, al igual que ocurre si se dispone del sondeo de las 0000Z y del de las 1200Z.
3. Análisis básico de parámetros nubosos
Teniendo en cuenta una cierta sobrevaloración de las TMINMIN se observa que las más frecuentes están comprendidas entre -42.C y -50.C y esta frecuencia disminuye rápidamente a medida que TMINMIN disminuye.
Las TMINMIN absolutas se dan en el mes de agosto y además el valor modal de agosto es el más bajo de los tres. La gráfica de junio es bimodal, con el valor
más frecuente para temperaturas entre -36.C y -40.C, ligeramente superior al de TMINMIN comprendidas entre -44.C y -48.C, que es el intervalo modal de julio.
Si se representa EXTMAX en una escala logarítmica se ve que existe una relación aproximadamente lineal entre estas dos variables, de manera que a TMINMIN menores corresponden extensiones máximas mayores. En la gráfica hay la elipse que contiene el 90% de los casos. Hay 9 casos con una EXTMAX menor de la esperada por su temperatura. Estos casos se podrían corresponder con situaciones con relativamente poco viento en altura con lo cual el yunque cirroso se extendería poco.
Estas gráficas no muestran a que hora se produce la extmax(1 ó 7) para cada célula sinó, a una hora determinada, que tamaño tienen las células presentes.
Las células mayores se concentran en dos intervalos horarios bien diferenciados: Entre las 0000Z y las 0700Z y entre las 1300Z y las 2100Z aprox., para la primera gráfica, y entre las 0000Z y las 0600Z y entre las 1300Z y las 1900Z para la segunda.
Entre las 0600Z y las 1200Z nunca se encuentran células con EXT1 no nulo y EXT7 no supera nunca los 20000Km2. Entre las 0700Z y las 1200Z ninguna célula sobrepasa los 10000Km2 mientras que las únicas que superan los 40000Km2 se detectan entre las 1430Z y las 1930Z.
Las TMINMIN comprendidas entre -38.C y -50.C se producen a cualquier hora y es por debajo de -50.C en donde se observa la distribución bimodal de las gráficas anteriores.
De los 31 casos con TMINMIN por debajo de -50.C sólo 3 se encuentran entre las 0600Z y las 1200Z, y un único caso entre las 0730Z y las 1200Z, como hora más temprana.
Se detectan por primera vez células a todas las horas, pero el máximo aparece entre las 1200Z y las 1800Z, claramente asociado al ciclo diurno de la radiación solar.
Entre las 0000Z y las 0600Z, se registra el mínimo de primeras detecciones, de lo cual se puede deducir que la mayoría de las tormentas que se registran a estas horas se han originado en horas muy anteriores. El máximo entre 0000Z y 0100Z se corresponde con la primera detección para una fecha determinada de células originadas el día anterior.
El intervalo horario entre 0600Z y 1200Z, que correspondía a un mínimo tanto para EXT1 como para EXT7, se puede asociar ahora a una fase de inicio de convección que alcanza su apogeo en la fase siguiente.
Entre 1200Z y 1800Z hay un máximo destacado de primeras detecciones que llevaría a pensar que el máximo de EXT7 estaría desplazado hacia el siguiente intervalo, sin embargo, no ocurre exactamente así. Más allá de las 2100Z sólo hay 3 casos con EXT7 superior a 10000Km2. Este hecho daría cuenta bien de una evolución relativamente rápida más que una traslación relativamente lenta o bien de que las células surgidas en las últimas tres horas de este período alcanzan menor extensión (y menor profundidad), por ejemplo, por menor calentamiento solar.
Se han detectado rayos a partir de temperatura s iguales o inferiores a -38.C. En general, y por razones que se comentarán en otro lugar, no parece que exista una buena correlación entre estas dos variables.
El mayor número de células se registra entre las 1600Z y las 1800Z para todos los meses.
Entre las 1200Z y las 2000Z se detectan la mayoría de las células, mostrando claramente que la convección está asociada principalmente al ciclo diurno. Agosto es el mes que aporta casos al intervalo 1200Z-1400Z, señalando quizás un adelanto de la convección en este mes. Entre las 0000Z y las 0700Z las relativamente pocas células que se detectan son de gran tamaño, lo cual lleva a concluir que se trata de tormentas ya maduras surgidas en horas muy anteriores.
Los topes comprendidos entre los 8Km y 11Km de altura se alcanzan, durante los meses estudiados, a cualquier hora.
Los valores modales son: Junio---8,5Km-9Km (19%)
Julio---9,5Km-10Km (17%)
Agosto---10Km-10,5Km (37%)
Durante el mes de junio solamente en dos ocasiones se superan los 11Km de altura mientras que en julio ocurre en 8 células. En el mes de agosto es cuando se produce la convección más profunda sobrepasándose en 25 casos los 11Km de altura, y llegándose en dos casos hasta los 16Km.
4. Clasificación de células convectivas
Los parámetros que se tienen en cuenta para hacer esta clasificación son la TMINMIN observada durante el ciclo de vida y el valor máximo de las variables RAREAS y RAREAS2.
El código de identificación de cada tipo viene dado por tres caracteres.
El primero puede adaptar los siguientes valores:
1.-TMINMIN inferior o igual a -46.C. Tipo A
2.-TMINMIN inferior o igual a -50.C. Tipo B
3.-TMINMIN inferior o igual a -54.C. Tipo C
4.-TMINMIN inferior o igual a -58.C. Tipo D
5.-TMINMIN superior a -46.C. . Tipo 0
El segundo:
1.-Si máx(AF2/AC2)<1. Tipo 0.
2.-Si máx(AF2/AC2) es igual o mayor que 1. Tipo 1.
El tercero:
1.-Si máx(AF1/AC1)<1. Tipo 0.
2.-Si máx(AF1/AC1) es igual o mayor que 1. Tipo 1.
En la clasificación de 108 células se han obtenido los siguientes resultados:
casos de 000 7 casos
casos de A00 23 casos
casos de A10 2 casos
casos de B00 23 casos
casos de B10 22 casos
casos de B11 1 casos
casos de C10 7 casos
casos de C11 11 casos
casos de D11 12 casos
Los tipos A10 y B11 tienen también muy pocos casos. El caso A10 tiende casi siempre al B10, es decir, si el area bajo -46.C se hace suficientemente grande acaban por aparecer temperaturas iguales o inferiores a -50.C. El segundo tipo tiende al C11 por una razón parecida.
Los 30 casos de los tipos C10,C11 y D11 se distribuyen solamente en 16 días,
lo cual muestra que es más fácil que aparezcan varias células potentes un mismo día a que surjan en días con relativamente pocos factores favorezcan la convección. En junio no se da ningún caso de tipo D11 y el tipo más abundante es el A00. Julio tiene como valor modal B10 y tiene tres casos de D11. Agosto también tiene como valor modal B10 y hasta 9 casos de D11 mostrando la mayor profundidad de la convección en este mes.
4.1 Relación entre el número de rayos diario y los tipos de células.
Se tienen 43 días con rayos de esta campaña. De los 15 días con mayor número de rayos en 11 se dan células de tipo D ó C, y para uno de ellos no se dispone de imágenes de satélite. En los tres restantes solamente llegan a aparecer células de tipo B10.
Hay que señalar que existen varios días con convección potente que dan un número relativamente pequeño de rayos. Además de la potencia de la convección entran en juego muchos otros factores como la extensión total cubierta por la convección, el número de células convectivas, la duración de la convección, el estado eléctrico de la atmósfera,etc.
5. Ciclo de vida de células convectivas
Para caracterizar los ciclos de vida mediante las gráficas se puede utilizar la definición clásica para una célula ordinaria: Una fase de crecimiento, una fase de madurez, y una fase de disipación, gobernada por corrientes descendentes y por la evaporación de las nubes residuales.
A partir del momento inicial(HORAINI), se produce un aumento rápido de todas las extensiones. El máximo para las temperaturas más bajas se produce antes que el máximo de extensión de la estructura debido a que el yunque, bajo la inversión, aún se extiende con los vientos, generalmente importantes, de su nivel.
En la mayoría de los casos el período de tiempo entre la HORAINI y el máximo de extensión de la isoterma más baja está comprendido entre 30' y 1h (siempre para lo que se consideran células ordinarias).
Las gráficas 11 son más ilustrativas del ciclo de vida, ya que hacen una función de filtro separando células que inicialmente estaban contempladas como una sola.
El ciclo de vida de una célula se puede describir así a partir de estas gráficas:
-Fase de aumento de RAREAS y RAREAS2, cuando las corrientes ascendentes se extienden a un ritmo mayor que el conjunto de la célula.
-Una vez se ha alcanzado la madurez (máximo de RAREAS y RAREAS2), en la que el area fría puede llegar a ser significativa, estas dos variables comienzan a disminuir rápidamente por el efecto combinado de la disminución de las corrientes ascendentes y la extensión del yunque.
-Finalmente el yunque también se evapora, lo que puede hacer que se aminore algo el ritmo de disminución de RAREAS y RAREAS2.
El efecto de fusión completa de células, es decir, de sus zonas más activas, lleva generalmente a la reactivación de una de las dos;sin embargo, la mayoría de las veces lo que se produce es una fusión de los topes cirrosos sin más consecuencia que el aumento de las extensiones máximas y el enmascaramiento de los desarrollos inferiores .
Merecen mencionarse aparte las superestructuras, con dimensiones máximas muy grandes, mayores que 10.000Km2, con un ciclo de vida muy largo y atípico, en el cual la máxima potencia de la estructura (extmax de la isoterma más fría) se alcanza después de varias horas. Es en el seno de estas superestructuras donde se alcanzan las TMINMIN más bajas.
Excepto en algún caso concreto, como sistemas convectivos de mesoescala, estas células responden más a la metodología utilizada que a una realidad meteorológica. Es decir, están compuestas por varios núcleos convectivos independientes cuyo ciclo de vida es similar al definido anteriormente. Sin
embargo, al menos desde el punto de vista del canal IR del satélite METEOSAT, se puede afirmar que guardan una cierta unidad estructural.
Algunas de estas superestructuras surgen en el Pirineo en situaciones muy favorables a la convección orográfica llegando a configurarse areas muy extensas con temperaturas de brillo muy bajas. En otros casos se trata realmente de sistemas convectivos surgidos a partir de un único núcleo inicial.
Ambos tipos de superestructuras se pueden llegar a distinguir con ayuda de los datos de rayos. En el primer caso se producirán descargas en diferentes centros simultaneamente llegando a la larga a solaparse éstos. En el segundo caso se trata más bien de un único centro aunque extenso.
6. Movimiento de tormentas
Se dispone de las coordenadas del centro del cursor que engloba a cada célula el cual no coincide en muchos casos con el centro geométrico de la célula convectiva ni con la posición del núcleo más frío de la célula. Sin embargo, a grandes rasgos y tras una cuidadosa interpretación, el movimiento de estos centros da una visión del movimiento de la estructura convectiva. Para corregir este mapa de trayectorias se han utilizado los datos de la red de detección de descargas eléctricas.
Otra fuente de error en la determinación del movimiento de las células convectivas es el rápido desplazamiento de las cimas cirrosas de los cumulonimbos con el viento en niveles altos, desviando sistemáticamente los centros en la dirección de estos vientos. También hay que tener en cuenta el error de paralaje.
Debido a estas impresiciones en la determinación de las trayectorias se ha dado más credibilidad a la tabla de las direcciones preferentes de desplazamiento que a la trayectoria propiamente dicha.
También se ha calculado un Parámetro de Movilidad(VDES) de las estructuras convectivas, a partir de la duración de su ciclo de vida y de la distancia aproximada recorrida por la célula durante este período de tiempo. Se han agrupado las estructuras según su grado de movilidad.
Se ha dividido el total de células convectivas en cuatro clases según el valor de su parámetro de movilidad. Van desde las células prácticamente estacionarias hasta las que tienen un desplazamiento muy rápido.
Concretamente las clases definidas, después de hacer varias pruebas de agrupamiento, son:
-clase 1: VDES entre 0 y 1.9. Células cuasiestacionarias.(MOV=1)
-clase 2: VDES entre 2 y 4.9. Células poco móviles.(MOV=2)
-clase 3: VDES entre 5 y 8.9. Células móviles.(MOV=3)
-clase 4: VDES mayor o igual 9. Células de gran movilidad.(MOV=4)
Una vez se ha calculado el coeficiente VDES para cada célula y se ha estudiado cada mapa de trayectorias por separado se ha visto que de los doce casos del grupo 4, 6 tiene una duración de solamente 30' lo cual dispara el valor del coeficiente a pesar de que las distancias recorridas también son muy cortas. En estos casos es erróneo considerar que se trata de células de desplazamiento muy rápido. Cuando se intenta definir el grado de movilidad de una célula se ha de tener en cuenta tanto el coeficiente VDES como la distancia recorrida. En la gran mayoría de los días hay tormentas que se desplazan hacia el primer o segundo cuadrantes, lo cual no sorprende en absoluto dada la situación en latitudes medias de Cataluña.
6.1 Mapas de trayectorias.
Después del análisis de cada fecha se han extraído algunas conclusiones:
- Se puede distinguir entre células cuyo lugar de origen y posterior desplazamiento está directamente ligado a una estructura sinóptica o mesoescalar en altura y células desarrolladas en un marco indefinido y cuyo origen y movimiento está determinado por la orografía y los flujos en niveles bajos.
- Así como las células "conducidas desde arriba" tienen unas trayectorias más o menos recurrentes en función de la recurrencia de la situación sinóptica, el otro tipo tendrá unas trayectorias determinadas por la orientación de los valles, cadenas montañosas, distribución de masas de agua y de vegetación, etc. -El movimiento aparente de las células vistas desde el satélite está muy influido por el viento a 300hPa y niveles superiores, por el arrastre del yunque corriente abajo. Este efecto se puede corregir delimitando la zona donde se han producido descargas eléctricas asociadas a dicha célula. -En la ventana utilizada se han llegado a dar simultanemente 2 zonas con características del flujo en niveles medios y altos bien diferenciadas. Por ejemplo, flujo del SW fuerte sobre el mar y calmas sobre el extremo noroccidental, lo que implica dos tipos diferenciados de tormentas: de gran movilidad y cuasiestacionarias respectivamente.
-Mar adentro, donde no existen factores orográficos que puedan focalizar o dirigir la convección, las trayectorias son generalmente más regulares y por tanto mejor predecibles, sobre todo si existe un marco sinóptico bien definido.
Mediante el análisis realizado se ha podido asignar la convección a rasgos geográficos generales: Pirineos, Serralada Prelitoral, litoral ,etc.
Como ejemplo parece insinuarse un camino preferente de translación de tormentas: Avance de tormentas originadas en el Pirineo Oriental (Garrotxa, Ripollès, Cerdanya) hacia el sur y sureste por el Prepirineo y la Cordillera Transversal, afectando a las cuencas del LLobregat y del Ter, y llegando en algunas ocasiones hasta la Costa Brava.
7. Conclusiones
La convección se muestra especialmente profunda en el mes de agosto y a lo largo del día se distribuye muy claramente en dos intervalos: por la noche y horas de la madrugada y sobre todo después del mediodía hasta anochecer. En el primer caso la convección está asociada a estructuras en fase avanzada nacidas el día anterior.
Existe una buena correlación entre la altura del tope nuboso ( o su TMINMIN) y la extensión del yunque, debido a que a mayor altura sobre el nivel de los cirros más se intercepta el flujo y mayor divergencia al nivel del yunque. Sin embargo es difícil relacionar el número de rayos diario con la información extraida de las imágenes IR directamente. Las estructuras más potentes (potencia que viene definida a partir de las areas encerradas bajo determinadas isotermas) aparecen en días con un alto número de rayos diario. Determinando el número de descargas asociado a una estructura en concreto se podría precisar esta correlación.
En los Pirineos aparecen a menudo superestructuras que, aun siendo claramente resultado de la fusión de muchas células individuales, parecen tener una evolución de conjunto. En un estudio más avanzado se debería determinar cuales son las interrelaciones entre las células surgidas en los diferentes macizos.
Una trayectoria es el resultado final de componer el movimiento asociado a las estructuras sinópticas en niveles medios y altos y los flujos de calor y humedad de niveles bajos, regidos estos últimos por el relieve. Debido a ésto las trayectorias sobre el mar aparecen casi rectilíneas. En situaciones sinópticas poco definidas las tormentas tienden desplazarse siguiendo formas del relieve: valles, cordales, hondonadas,etc. La llegada a la Costa Brava de algunas tormentas se podría explicar por este tipo de trayectorias.
Abreviaturas, siglas o unidades.
TMINMIN: Temperatura de brillo mínima alcanzada por una estructura en su ciclo de vida.
TMINABS: Temperatura de brillo mínima absoluta diaria.
EXTENSIÓN: Area, para una determinada célula, cuya temperatura de brillo a una hora dada es igual o inferior a -34.C(EXT7), -38.C(EXT6), -42.C(EXT5),
-46.C(EXT4), -50.C(EXT3), -54.C(EXT2), -58.C(EXT1).
ALTMAX: Altura máxima alcanzada por una estructura en su ciclo de vida.
EXTMAX: Extensión máxima alcanzada durante el ciclo de vida de la estructura por el area con temperaturas inferiores a -34.C.
HORAINI: Hora en que aparece individualizada por primera vez, para un día fijado, una célula convectiva, bien por nacimiento en el campo de la imagen bien por penetración desde el exterior.
AF: Area, para una determinada célula, cuya temperatura de brillo a una determinada hora(TMIN) es inferior a -46.C (AF2) o a -50.C (AF1).
AC: Area, para una determinada célula, cuya temperatura de brillo está comprendida entre -34.C y -46.C (AC2) o entre -34.C y -50.C (AC1).
RAREAS: AF1/AC1;RAREAS2: AF2/AC2
Se entiende por ciclo de vida el proceso que sigue la célula convectiva desde la HORAINI hasta la HORAFIN, u hora última en que se considera que aparece la célula perfectamente individualizada en el campo de la imagen.
Referencias
Heymsfield, Gerald M.; Blackmer JR, Roy H. 1988. Satellite-Observed Characteristics of Midwest Severe Thunderstorm Anvils. Monthly Weather Review.
Martín, F.; de Esteban, L.; Riosalido, R. 1993. Caracterización de la convección estival en la zona centro. Campaña 1992. Nota técnica núm.13 S.T.A.P. I.N.M.
Riosalido, R.; Rivera, A.; Martín, F. 1989. Desarrollo de un sistema convectivo de mesoescala durante la campaña PREVIMET Mediterráneo-87. Primer Simposio Nacional de Predictores del I.N.M.