En la anterior reseña correspondiente a la parte I de esta serie de entradas sobre el radar meteorológico y sus aplicaciones se habló sobre la posibilidad de monitorizar a alta resolución la precipitación asociada a tormentas y sistemas convectivos capaces de generar inundaciones de carácter fluvial o pluvial. Hicimos asimismo hincapié en que el análisis de grandes cantidades de datos y de distintas fuentes de información de medida o estimación de variables físicas puede aportar interesantes aproximaciones en la caracterización y distribución espacial de variables atmosféricas. En el caso del radar generamos millones y millones de datos diarios ya que cada radar regional cubre áreas de 240 km de radio a un kilómetro de resolución, las exploraciones se repiten cada diez minutos y se cuenta con numerosos productos en función de la elevación de la antena o magnitud física de medida. Precisamente esta capacidad tan potente y continua de monitorización atmosférica permite realizar estudios y análisis climatológicos, al estilo de los que hacemos con otras variables medidas en superficie como por ejemplo aquellos basados en series de temperatura por estaciones.
Continuación de la primera parte disponible en: https://aemetblog.es/2023/02/25/el-radar-meteorologico-y-sus-potenciales-aplicaciones-en-la-estimacion-y-pronostico-de-la-precipitacion-convectiva-parte-i/
Un artículo de nuestro compañero Peio Oria Iriarte , Delegado de AEMET en la Comunidad Foral de Navarra
Introducción
Consideramos un fenómeno meteorológico adverso como aquel evento atmosférico capaz de producir, directa o indirectamente, daños a las personas o daños materiales de consideración. Un tipo particular de estos fenómenos que se produce muy especialmente en el semestre cálido del año son las tormentas severas, a las que asociamos impactos en forma de precipitaciones y chubascos de alta intensidad, fuertes vientos, elevado número de descargas eléctricas, granizo de gran tamaño o incluso, en ocasiones, tornados. La zona de la Península donde se produce un mayor número de este tipo de fenómenos, que de forma técnica denominamos convectivos, se corresponde con todo el cuadrante nororiental de la península, muy especialmente las comunidades de Cataluña, Aragón y el norte de Valencia y las unidades de relieve de la Ibérica, el Prepirineo y el Pirineo.
En la anterior entrada de esta serie se mostraron algunos ejemplos de cómo el radar meteorológico puede contribuir a construir y generar campos de precipitación de alta o muy alta resolución en combinación con datos de satélite o de pluviometría en superficie, lo que se podría traducir en una información de gran valor e importancia en la prevención y alerta ante inundaciones. Se pretendía además poner de relevancia el uso a gran escala de datos geoespaciales así como técnicas basadas en la estadística o en el aprendizaje automático de datos. Como se introdujo en la citada entrada, la variable de partida que miden los radares meteorológicos es la reflectividad, que corresponde a la radiación retrodispersada por una variedad de objetos que se encuentran en la atmósfera (ocasionalmente también en la superficie), entre ellos los llamados blancos de precipitación, que pueden ser gotas de agua, copos de nieve o partículas de granizo. Esto permite situar en el espacio y cuantificar la intensidad de los sistemas de precipitación en un radio de hasta 240 km desde el emplazamiento del radar. De hecho, el campo de reflectividad en dos dimensiones es una de las herramientas más útiles para los predictores operativos de los Servicios Meteorológicos como AEMET de cara a realizar la vigilancia y seguimiento de fenómenos como las tormentas y células convectivas. En la presente entrada vamos a mostrar como haciendo uso de mapas de reflectividad del radar meteorológico de Zaragoza se construye una climatología de esta variable entre los meses de abril y octubre de los años comprendidos entre 2008 y 2018. Para ello se han analizado más de 300000 imágenes radar con periodicidad diezminutal, discriminando aquellas que contienen estructuras convectivas cuya reflectividad radar presenta probabilidad de ocasionar efectos severos en superficie debido a fuertes tormentas. Para ello es necesario el tratamiento masivo de imágenes para lo que se emplean la librería de imágenes del lenguaje de programación Python (PIL), que posibilita el reconocimiento de las estructuras.
El cuadrante nororiental peninsular: una zona especialmente activa a nivel convectivo
Geográficamente el cuadrante nororiental peninsular destaca por su cercanía al mar Mediterráneo y su compleja orografía, caracterizada por la vertebración que marca el valle del Ebro y las distintas direcciones y orientaciones que presentan las cadenas de relieve como son los subsistemas riojano, zaragozano, turolense y castellonense del Sistema Ibérico, cuyo eje principal se extiende de noroeste a sureste, las comarcas montañosas prepirenaicas del Sobrarbe, la Ribagorza, la Noguera Ribagorzana y Pallaresa, cuyas alineaciones montañosas no poseen una dirección predefinida, la cordillera prelitoral catalana, paralela a la línea costera y, por supuesto, el eje axial de los Pirineos, en sentido oeste – este.
Además, durante los meses de la primavera, verano y otoño es relativamente frecuente una configuración atmosférica que ejerce un forzamiento sinóptico y que contribuye al inicio de la convección y las tormentas en toda la zona nororiental de la Península, bien sea por el paso de una vaguada atlántica o por el acercamiento de una depresión aislada en niveles altos (DANA) -https://meteoglosario.aemet.es/es/termino/219_dana-o-gota-fria-. Sobre todo en la estación de verano la baja térmica peninsular suele impulsar flujos de levante canalizados por el valle del Ebro o forzados a elevarse por las montañas que distan pocas decenas de kilómetros de la costa. Es habitual que las brisas de mar, de montaña o las convergencias de viento locales den lugar al disparo de la convección. La convección que se desarrolla en esta zona de la Península es, con relativa frecuencia, organizada y profunda -https://meteoglosario.aemet.es/es/termino/956_conveccion-atmosferica-, con tormentas y efectos severos en superficie como lluvias torrenciales, elevado número de descargas eléctricas, granizadas, rachas fuertes de viento e incluso tornados de cierta magnitud. Así mismo en las climatologías de rayos de la Península Ibérica destacan zonas del cuadrante nororiental peninsular como las sierras turolenses de Gúdar y Maestrazgo así como el pirineo oriental (https://www.aemet.es/documentos/es/conocermas/recursos_en_linea/publicaciones_y_estudios/publicaciones/Climatologia_de_descargas_electricas/Climatologia_de_descargas_electricas.pdf).
En resumen, por tanto, hay cuatro características esenciales que explican buena parte de la convección que se produce en la zona nororiental (especialmente la que se considera severa). Dos atañan a la configuración geográfica y de las unidades de relieve: la presencia de una gran masa de agua como es el mar mediterráneo, a menudo muy caldeada durante los meses de verano y otoño (con un aumento muy importante de la temperatura en su superficie en las últimas décadas https://www.aemet.es/gl/noticias/2018/08/temperatura_mar) y un relieve complejo con multitud de cadenas montañosas y orientaciones que van desde sierras litorales de modestas altitudes a macizos alpinos como el Pirineo central. Los otros dos se asocian a elementos atmosféricos en una variedad de escalas. La primera de ellas es que aparezca inestabilidad en la columna atmosférica (https://meteoglosario.aemet.es/es/termino/1016_inestabilidad-atmosferica) para forzar la elevación de las masas de aire y la segunda que se produzca transporte de aire húmedo y cálido desde el Mediterráneo hacia el interior, muchas veces ayudado de las brisas marinas o, a mayor escala espacial, de la canalización por el eje del valle del Ebro.
El radar, una ayuda estimable para los predictores meteorológicos
Para el seguimiento de la iniciación y del desarrollo de la convección los predictores operativos poseen distintas herramientas de trabajo como son las imágenes de satélite, la distribución de las descargas eléctricas, los datos procedentes de estaciones de observación en superficie o las cámaras web y la información disponible a tiempo real en las redes sociales. Pero el radar meteorológico constituye sin lugar a dudas el apoyo indispensable para la vigilancia, seguimiento y estudio de las estructuras de precipitación. Como vimos en la anterior entrada, el radar meteorológico es un sistema de teledetección activo basado en la emisión de pulsos en forma de ondas de radio o microondas a través de una antena parabólica en una determinada dirección. Mediante los sucesivos volúmenes de exploración del haz de radiación es posible construir distintas representaciones de los parámetros radar. El denominado PPI –Plane Position Indicator- muestra la distribución de la reflectividad radar 2D para un ángulo de elevación constante respecto a la superficie. Para el presente análisis se han empleado datos de los volúmenes de exploración haciendo uso de las elevaciones más bajas en rango largo (240 km).
La actual red de radares de AEMET consta de 15 aparatos que emiten en banda C (longitud de onda aproximada de 5 cm y frecuencia 5.6 GHz) y utilizan procesado Doppler en todos sus modos de operación. Está previsto además que, en el marco de la estrategia española para distribuir los fondos europeos Next Generation EU, se les dote de polarización dual a todos los radares actuales de la red, circunstancia especialmente importante para poder cuantificar mejor la precipitación
En este trabajo se han empleado exclusivamente datos del radar regional de Zaragoza, ubicado a 833 metros de altitud en el Monte Oscuro, perteneciente al término municipal de Perdiguera y cercano a la capital aragonesa.
Climatología de células convectivas, metodología de construcción
Como se ha comentado en la introducción se ha analizado la distribución espacial y temporal de las estructuras convectivas cuya reflectividad radar es compatible con la probabilidad de ocasionar efectos severos en superficie. El periodo temporal estudiado va desde abril de 2008 a octubre de 2018, exceptuando los meses que van desde noviembre a marzo, puesto que la convección y la posibilidad de registrarse altas reflectividades son mucho menos probables durante la época fría del año en esta zona de la Península. Para ello se cuenta con un archivo histórico de más de 300000 imágenes de radar entre los años de 2008 y 2018.
Para efectuar el análisis es preciso contar con un método que sea capaza de extraer y discriminar las estructuras convectivas y asociarles atributos como un centroide o el perímetro del polígono espacial que ocupan, y que a su vez darían una indicación de su localización geográfica o de su tamaño. A través del registro y clasificación de estos atributos a largo plazo es posible obtener mapas de reflectividad que sirven como una primera aproximación a una “climatología de tormentas con probable severidad asociada”.
Para la determinación de estructuras convectivas tormentosas en las imágenes radar se emplean los dos siguientes criterios:
1) Inicialmente se seleccionan y enumeran las células tormentosas que comprenden más de 3 pixeles contiguos (3 kilómetros cuadrados) cuya reflectividad en modo PPI supera los 54 dbZ. Se han eliminado las células cuyos pixeles se orientan únicamente en estructuras a lo largo de una dirección radial desde el radar. Así mismo para delimitar una estructura convectiva se comprueba que el gradiente de reflectividad en su entorno es suficientemente suave. Aplicando lo anterior se eliminan la mayor parte de ecos no meteorológicos como los asociados a aves, insectos, parques eólicos o interferencias de cualquier otro origen.
2) Cada estructura convectiva se clasifica por sus parámetros temporales y espaciales (hora y minuto de exploración y latitud y longitud del centroide del polígono que delimita la estructura) y por la intensidad, que se obtiene sumando las reflectividades en cada uno de los píxeles contenidos en la estructura convectiva de acuerdo a los siguientes criterios, cuyos umbrales están escogidos de manera arbitraria con objeto de caracterizar de una forma sencilla la mayor o menor severidad de las células:
· A los píxeles cuyo valor de reflectividad PPI está comprendido entre 54 y 59 dbZ se les asigna un valor de 0.25.
· A los píxeles cuyo valor de reflectividad PPI está comprendido entre 60 y 65 dbZ se les asigna un valor de 0.5.
· A los píxeles cuyo valor de reflectividad PPI es mayor o igual a 66 dbZ se les asigna un valor de 1.
Se obtiene de este modo un listado con las estructuras convectivas y atributos relativos a su intensidad y extensión espacial. Finalmente una vez extraídas todas las células de las imágenes de reflectividad radar se genera una rejilla de 5 x 5 km en el área escaneada por las sucesivas exploraciones. En cada punto de rejilla se suman las intensidades totales de las células cuyos centroides son los más cercanos a ese punto. De aquí resulta la climatología de reflectividad 2D cuyos máximos se asocian a las zonas con mayor probabilidad de registrarse fenómenos convectivos severos en superficie.
Por último se lleva a cabo un kriging ordinario, que es un método geoestadístico de interpolación que permite suavizar la variación espacial del campo de reflectividad.
Para las tareas anteriores se ha automatizado el proceso de búsqueda, extracción y tratamiento de imágenes que contienen células convectivas mediante las siguientes tareas:
· Descarga y descompresión de los archivos de imágenes de radar del portal interno Big Data de AEMET.
· Determinación de los contornos de las células convectivas que cumplen los criterios anteriormente citados y asignación de los parámetros espacio-temporales e intensidad mediante la librería PIL (librería de imágenes de Python).
· Asignación de las células convectivas al punto de rejilla más cercano y aplicación del kriging ordinario.
Como ejemplo en la figura 1 se muestra la imagen radar que contiene la estructura convectiva con mayor intensidad del conjunto de las imágenes analizadas. Corresponde al 5 de junio de 2009 a las 08.30 locales. Se ha delimitado la estructura convectiva con su centroide. La suma de las intensidades de los píxeles contenidos en la estructura de acuerdo al criterio introducido en el punto 2) de este apartado es de 144,25 y la extensión espacial de la misma es de 780 km2.
Figura 1: Estructura convectiva con intensidad y área máxima en el periodo estudiado. Se han delimitado los píxeles contiguos con reflectividades superiores a 54 dbZ. El centroide de la estructura se ha señalado con una cruz como se aprecia en el zoom de la estructura de la parte derecha.
Para la representación de la climatología de células convectivas se emplea un software GIS. Se obtienen resultados para el periodo completo de estudio (figura 2) y también estratificado por trimestres (abril, mayo y junio para el periodo primaveral, junio, julio y agosto para el estival y agosto, septiembre y octubre para el otoñal). Los mapas de las climatologías trimestrales se muestran en la figura 3.
Figura 2. Climatología de células convectivas de acuerdo a la metodología descrita en la sección 2 para el periodo entre los meses de abril y octubre entre 2008 y 2017 (en 2018 también se han incluido abril, mayo, junio y julio). La escala de colores responde a los criterios introducidos en el texto.
Figura 3. Climatología de células convectivas con efectos severos de acuerdo a la metodología descrita en la sección 2 para: a) Periodo de los meses de abril, mayo y junio entre 2008 y 2018 (para la explicación de la imagen de la parte superior derecha véase el texto). b) Periodo de los meses de junio, julio y agosto entre 2008 y 2017. c) Periodo de los meses de agosto, septiembre y octubre entre 2008 y 2017. La escala de colores responde a los criterios introducidos en el texto.
Algunas de las conclusiones principales extraíbles de la figura 2 para el periodo completo de estudio (meses comprendidos entre abril y octubre de los años 2008 y 2018) son:
– Los máximos absolutos de intensidad se dan en la Ibérica turolense y castellonense (Sierras de Gúdar, Javalambre y comarcas del Maestrazgo y Puertos de Morella) y en las comarcas catalanas de Berguedà y Ripollès mientras que los máximos relativos secundarios se producen en las comarcas prepirenaicas oscenses del Sobrarbe y Ribagorza, Cinco Villas de Aragón y zonas de la Ribera de Navarra e Ibérica riojana y zaragozana.
– Existe un claro bloqueo orográfico al norte de los macizos montañosos pirenaicos de más de 3000 m (Ordesa-Monte Perdido, Aneto-Maladetas, Vall de Boí). También se observa un bloqueo parcial por la sierra de Guara, relativamente cercana al emplazamiento del radar por el norte y cuyas cumbres principales rondan los 2000 m de altitud.
-Los mínimos de intensidad están situados en zonas de Castilla, valle del Ebro, interior y costa de Tarragona y Noguera leridana.
En los meses otoñales se da un máximo relativo en el mar Balear entre el Cabo de Tortosa y Barcelona (figura 3.c) claramente asociado a la mayor actividad tormentosa debido a un mar Mediterráneo más cálido y a la formación de la baja del golfo de León. También en el tercio centro-oriental de Navarra y en el sur de las Cinco Villas de Aragón aparece un máximo relativo en esta época del año.
En distintas épocas del año es frecuente encontrar que las tormentas se forman en ciertas zonas y siguen determinadas trayectorias (la asignación de centroides en imágenes radar sucesivas permite identificar el movimiento de las células). Por ejemplo en primavera algunas zonas propicias a la formación de tormentas y las trayectorias que siguen posteriormente son señaladas con flechas en la imagen de la parte superior derecha de la figura 3 (en la que se ha variado la escala respecto al resto de imágenes de la figura):
– Ibérica Riojana – Rioja Baja – oeste/suroeste de Navarra
– Comarca del Moncayo – Ribera de Tudela
– Campo de Daroca – valle del Jiloca
Es frecuente además que estas tormentas presenten alta probabilidad de dejar granizo en esa época del año.
Tendencias temporales
Además de los mapas que muestran la distribución espacial de las estructuras convectivas se ha analizado la evolución temporal de la intensidad total de las células por años en el periodo comprendido entre abril y octubre.
El año 2017 y 2014 son los años con una mayor actividad asociada a la convección severa. Es significativo que la intensidad del año con la suma más baja (2012) es un orden de magnitud menor a la suma de 2014.
Figura 4. Evolución de la suma de intensidades por años y para el conjunto de las células convectivas.
Conclusiones
De modo similar a las climatologías de rayos y tormentas elaboradas mediante la información de los eventos obtenidos a través de las redes de detección de descargas, en esta contribución se construye una climatología de células convectivas cuyos efectos tienen alta probabilidad de ser severos. La climatología se restringe al noreste peninsular y para ello se ha hecho uso exclusivo de los datos del radar de Zaragoza en el período comprendido entre los meses de abril y octubre del periodo de 2008 a 2018. De hecho, los resultados son congruentes con los obtenidos en la climatología de rayos en la Península, dando muestra de que las tormentas severas llevan asociado un elevado número y frecuencia de descargas eléctricas. Algunas zonas del Sistema Ibérico turolense y castellonense así como otras del Pirineo y Prepirineo oriental son las que presentan un máximo en la distribución anual. También se observan máximos secundarios en el Mediterráneo a finales de verano y otoño así como otros más locales en distintas épocas del año. En ocasiones los máximos se alinean en una determinada dirección constituyendo trayectorias o corredores definidos de tormentas. Es el caso de las células que se gestan en la Ibérica riojana y que, muy a menudo, se dirigen en sentido noreste hacia la Rioja baja o la Ribera y oeste de Navarra. El hecho de poder clasificar las células convectivas por su intensidad o su distribución espacio-temporal permite ampliar el alcance de este trabajo. Por ejemplo se pueden buscar las situaciones con una mayor severidad y tratar de ligarlas con campos meteorológicos de reanálisis u observaciones en superficie. Otra posibilidad es seleccionar células convectivas semiestacionarias (extraíbles con un criterio que discrimine centroides lentamente móviles en imágenes consecutivas de radar), capaces de presentar una alta probabilidad de causar inundaciones rápidas. Para esto último se podría complementar la información obtenida del radar con otra procedente de modelos numéricos o del reanálisis tal y como sondeos, salidas de campos de viento, etc.
Por último se ha analizado la evolución anual de la intensidad total del sumatorio de todas las células convectivas. El año 2014 presenta un máximo absoluto y el 2012 un mínimo si bien la climatología es de sólo 10 años. En cualquier caso podría ser interesante ligar la evolución temporal del número anual de tormentas severas en el cuadrante noreste peninsular con patrones y tendencias climáticas a través de índices como el de la NAO, la circulación de las ondas de Rossby, los patrones de bloqueo, estructuras omega, etc. Por otro lado sería deseable examinar las tendencias con los datos obtenidos de otros radares regionales.