Lluvias localmente intensas asociadas con tormentas locales severas. Condiciones sinópticas y mesoescalares

La región de estudio seleccionada en esta investigación, comprendió las provincias desde Sancti Spíritus hasta Guantánamo, abarcando así casi toda la región central y oriental del archipiélago cubano, teniendo en cuenta un período entre los años 2011 y 2017. Los casos de estudio seleccionados se limitaron, además, al período lluvioso del año puesto que es, según Alfonso (1994), en el que con mayor frecuencia se observan los fenómenos de tiempo severo, incluyendo la lluvia localmente intensa.

Para la selección de los casos de estudio se consultaron, los resúmenes mensuales confeccionados por los Centros Meteorológicos Provinciales (CMP) de cada una de las provincias, los informes del Estado General del Tiempo, elaborados por el Centro de Pronósticos del Instituto de Meteorología, así como la información trihoraria de la precipitación, registrada en los pluviómetros de la red nacional de estaciones del Instituto de Meteorología de Cuba (INSMET).

Finalmente, se encontraron 30 casos en los que ocurrió en el mismo lugar, lluvia localmente intensa con acumulados de 50 mm o más de precipitación en menos de 3 horas y a su vez, una o más manifestaciones de TLS (figura 1).

Las condiciones a escala sinóptica fueron analizadas a partir de una malla limitada en el plano horizontal entre los 10º y los 40º de latitud norte y entre los 60º y 110º de longitud oeste, área lo suficientemente amplia para considerar la evolución a corto plazo (24-36 horas) de los sistemas de escala sinóptica que intervienen en las condiciones del tiempo sobre Cuba.

De forma individual, se analizaron las situaciones sinópticas para los 30 casos de estudio en los horarios de las 0000 UTC y las 1800 UTC, considerando los campos de presión atmosférica en la superficie a nivel medio del mar y la altura geopotencial en cuatro niveles de la tropósfera (850, 700, 500 y 200 hPa). Los mapas fueron extraídos del sitio web http://www.cdc.noaa.gov, el cual contiene datos diarios del Re-análisis del Nacional Center of Environmental Prediccion (NCEP), con una rejilla de 2,5 grados de resolución.

Se tuvo en cuenta los valores medios diarios de la humedad relativa (%) y la temperatura del aire (ºC), a partir del análisis de cortes verticales en la tropósfera que tomaron toda la región de estudio longitudinalmente (72ºW-87ºW) para cada una de las configuraciones sinópticas identificadas.

Se utilizaron imágenes desde el satélite GOES 13, en el canal visible obtenidas del sitio http://www.nsof.clases.noaa.gov/sala/productos/welcome. Este canal tiene una resolución de 1 km, lo que permitió detallar la nubosidad imperante en los casos de estudio, así como su evolución.

Se utilizaron las observaciones digitalizadas del radar de Camagüey con un intervalo máximo entre cada observación de 15 min, factor que determinó que a solo 15 casos de estudio se le pudiera realizar el análisis utilizando esta herramienta. Dichas observaciones fueron analizadas con la utilización de la versión 5.3.19.4 del Vesta Proceso.

Las variables analizadas fueron las propuestas por Gamboa (2004), las cuales de entrada permiten caracterizar de forma cuantitativa y cualitativa el comportamiento de una tormenta. Estas variables fueron: altura del tope máximo (km) (TM), reflectividad máxima (dBz) (ZM), altura de la reflectividad máxima (km) (HZ) y contenido de agua líquida verticalmente integrada (kg/m²) (VIL).

Para el análisis de los casos se tomaron en cuenta además, las salidas del modelo Weather Research and Forecasting (WRF) bajo el sistema de predicción a muy corto plazo (SisPi), desarrollado por el Centro de Física de la Atmósfera del INSMET, tomando las resoluciones de 3 km y 1 km, lo que resulta completamente aceptado de acuerdo con el fenómeno que se está tratando. Para la interpretación y análisis de los datos se utilizó el sistema Grid Analysis and Display System (GrADS).

A partir de las salidas del modelo numérico se analizaron para 9 días de la muestra utilizada las variables meteorológicas: altura geopotencial (m), componente vertical del viento w (m/s), temperatura del aire y temperatura del punto de rocío (ºC), humedad del aire (%), dirección (grados) y velocidad del viento (m/s) y cizalladura vertical (s^-1) en los niveles 1000, 950, 900, 850, 800, 750, 700, 650, 600, 550, 500, 400, 300, 200 hPa; así como los índices termodinámicos: Energía Potencial Disponible Convectiva (CAPE) e Inhibición Convectiva (CIN), nivel de condensación por ascenso (NCA), nivel de convección libre (NCL) y el índice de levantamiento (LI).

Quedaron identificadas cinco situaciones sinópticas fundamentales (divididas en grupos) que coinciden con las encontradas por Aguilar et al. (2005) y Pérez (2015), favorecedoras del desarrollo de tiempo severo y lluvias intensas en las regiones central y oriental de Cuba; donde la vaguada de niveles medios y altos, la influencia anticiclónica subtropical y las bajas frías superiores resultaron ser las más significativas (figura 4).

Las configuraciones sinópticas encontradas fueron:

Un análisis de la humedad relativa horas antes de la ocurrencia de los eventos de tiempo severo y lluvias localmente intensas, así como a la hora de ocurrencia de estos, registró muy poca variación, independientemente de la configuración sinóptica predominante. Aún así, el 100 % de los casos tuvieron presentes la influencia anticiclónica subtropical en superficie y los altos valores de geopotencial en niveles bajos, imponiéndose un flujo débil del este al sudeste.

La tabla 1 muestra los valores medios de humedad relativa registrados en los distintos niveles de la tropósfera, para cada una de las configuraciones sinópticas determinadas. En esta se aprecian los altos valores de esta variable en niveles bajos, superiores al 60 % en todos los casos; en contraste con los valores mostrados en los niveles medios donde no sobrepasan el 45%.

Según Aguilar (2006) esto indica, que la presencia de este sistema favorece la irrupción de aire cálido en estos niveles, lo que da lugar al ascenso forzado de aire seco en niveles medios que generan condiciones potencialmente favorables al desarrollo de convección profunda.

El comportamiento de la temperatura del aire en la columna troposférica tampoco mostró cambios significativos horas antes y durante la ocurrencia de los fenómenos estudiados en cada una de las configuraciones sinópticas encontradas. A continuación se muestran en la tabla 2 los valores medios registrados:

Como se evidencia en la tabla 2, la profunda capa fría en la tropósfera media, con valores inferiores a -7ºC en todos los casos, coincide con el umbral en 500 hPa determinado por Aguilar (2006) para la ocurrencia de severidad. Esta situación en combinación con los altos valores en superficie, favorecieron una fuerte inestabilidad en el área que contribuyó a la formación de actividad convectiva profunda, así como a la formación de gotas de gran diámetro e incluso cristales de hielo dentro de la tormenta que pudieron llegar a la superficie sin derretirse.

En general, en los casos anlizados el ambiente sinóptico mostró condiciones favorables para el desarrollo de convección profunda que pudiera ser capaz de generar tiempo severo y lluvia localmente intensa, en cuanto al comportamiento de la humedad, así como la temperatura en la troposfera baja y media. Sin embargo, no permiten identificar los mecanismos específicos que condicionaron la generación de los eventos de tiempo severo en el horario y los lugares donde ocurrieron.

Aún así, las estructuras sinópticas que generaron tales condiciones actúan como elemento de fondo, coincidiendo con Aguilar (2006), y en estos casos son, precisamente, las circulaciones locales las que pueden aportar las condiciones necesarias para la presencia de estos sucesos. Teniendo esto presente, a continuación se realiza un análisis a mesoescala, utilizando las imágenes de satélite, las observaciones de radar y las salidas del modelo WRF, que de forma puntual ofrecen información detallada sobre dichos mecanismos.

El análisis de las imágenes de satélite reflejó, en la mayoría de los casos examinados, la presencia desde horas tempranas de la mañana de Rollos Convectivos Horizontales (HCR) a lo largo del flujo medio de la capa fronteriza atmosférica, estructuras que favorecen la convergencia en los niveles bajos. La interacción de dichas estructuras coherentes con el frente de brisa de mar produjo un incremento en el desarrollo vertical de la nubosidad en el borde delantero de dicho frente, lo que resultó ser el detonador principal para la convección profunda y organizada hacia horas de la tarde, coincidiendo con lo planteado por Carnesoltas (2002) y Varela (2017). Esta interacción en los casos analizados y producto de un flujo del este- sudeste en las capas bajas de la tropósfera, se produjo hacia el interior y la costa norte de la región de estudio, hacia donde se concentró la actividad convectiva, comprobado por las imágenes de satélite (figura 5).

La nubosidad convectiva pudo apreciarse desde las primeras horas de la tarde hasta el final de esta y/o principios de la noche; situación que estuvo relacionada con la regeneración de nuevas celdas convectivas a partir de los frentes de rachas de las tormentas en disipación. Este resultado concuerda con lo planteado por Varela (2017), quien afirma que el movimiento de los frentes de rachas de las tormentas en disipación en una dirección paralela a la orientación de las costas permite interactuar con el frente de brisas de mar nuevamente e influir en el inicio de otras tormentas.

De forma conjunta para los 15 casos analizados, se comprobó que la ocurrencia de tormentas productoras de lluvias localmente intensas en presencia de otra manifestación de tiempo severo está generalmente asociada a tormentas de celdas simples, con un tiempo de vida entre 30 y 60 minutos. Aunque los propios mecanismos de regeneración que se manifestaron en estas celdas convectivas, permitieron que el área de estudio se viera incidida por más tiempo, lo que provocó mayores acumulados de precipitación.

Los valores de máxima reflectividad definidos a lo largo del ciclo de vida de las celdas analizadas oscilaron entre los 50 y 60 dBz, fueron superiores en algunos de ellos, con valores máximos de hasta 68 dBZ, lo que evidencia el potencial severo que presentaban dichas celdas. Estos resultados concuerdan con los umbrales definidos por Hernández (2015) para tormentas que provocan lluvias intensas en el período lluvioso en la región occidental de Cuba.

La altura de máxima reflectividad alcanzó un umbral que osciló entre los 9 y 10 km, lo que coincidió con lo encontrado por Gamboa (2004). Este resultado manifiesta la concentración de valores de máxima reflectividad por encima de la isoterma de 0ºC, ubicada para estos casos entre los 4 y los 5 km. Esto permitió la formación de cristales de hielo dentro de la tormenta, así como garantiza la intensidad de las propias corrientes verticales de dichas tormentas, que son capaces de soportar esa cantidad de agua en su interior.

También se manifestaron durante el ciclo de vida de las tormentas eco centroides de máxima reflectividad localizados por debajo de los 4 km de altura. Esto demostró que tenían gran cantidad de gotas de agua por debajo de la isoterma de 0ºC, predominando los procesos de colisión - coalescencia que favoreció la intensidad y eficiencia de la precipitación. A esto se le suman, además, los altos valores de VIL que presentaron las tormentas, con valores por encima de los 50 kg/m² en todos los casos. Esto demostró los grandes acumulados de agua que eran capaz de sostener dichas tormentas convectivas (figura 6).

Otra muestra del potencial severo que presentaban las tormentas convectivas analizadas lo constituye el hecho de la dimensión que alcanzaron los ecos de reflectividad superiores a 50 dBz en el interior de ellas, los cuales se extendieron desde la base de la nube hasta los 12 y 15 km de altura, lo que permitió que pudieran conjugarse en la misma tormenta, altas concentraciones de cristales de hielo por encima de la isoterma de 0ºC y por debajo de esta, altos valores de agua líquida.

Los topes máximos oscilaron entre los 12 y 15 km, aunque en cinco casos fueron superiores a los 18 km (figura 7); característico de celdas con corrientes ascendentes muy fuertes, capaces de elevar y concentrar volúmenes de agua e incluso granizo durante más tiempo en su ciclo de vida. Este umbral coincide con los planteados por Armas (2016) y es muy superior al definido por Gamboa (2004), quien estableció como umbral para la identificación de ecos asociados a fenómenos meteorológicos potencialmente peligrosos valores superiores a 8 km.

A partir de las salidas del modelo WRF se encontró en los casos analizados un aumento de la humedad en los niveles bajos desde horas de la mañana hasta el horario de ocurrencia de las tormentas, en el que los valores que oscilaban entre los 50 - 60% sufrieron un incremento de hasta el 70 - 80%, incluso la humedad relativa alcanzó valores superiores en algunos casos. Los niveles medios constituyeron los más secos, con valores que oscilaron entre 30% y 50% y al contrario de los niveles bajos, tuvieron una ligera disminución entre las 1800 UTC y las 2100 UTC (ejemplo caso de la figura 8).

Uno de los factores fundamentales que condicionó la convección hacia el horario de la tarde fue precisamente este incremento de la humedad en niveles bajos, lo que provocó un cambio en la altura del nivel de condensación por ascenso (NCA) la que se encontró en todos los casos por debajo de los 1000 m (ejemplo caso de la figura 9), en el horario previo a la TLS, lo que unido al ascenso forzado del aire producto de la interacción del frente de brisa de mar con los HCR o los frentes de rachas de otras tormentas posibilitó rápidamente la condensación de la masa de aire.

Las temperaturas, por otro lado, mostraron un comportamiento más homogéneo en los horarios analizados. Se evidencia altos valores en superficie, que oscilaron entre los 31ºC y 35ºC, en contraste con los niveles medios, en los que se encontraron valores inferiores a -7ºC en todos los casos, esto favorece la formación de cristales de hielo de gran tamaño dentro de las celdas convectivas.

Los valores de los índices termodinámicos reflejaron condiciones de gran inestabilidad sobre las áreas de estudio, estas se hicieron más elevados hacia las horas más cercanas de los reportes de los fenómenos de severidad. La CAPE fue superior a los 1500 J/kg en todos los casos, la que alcanzó valores extremos de hasta 3113 J/kg. El valor de la CIN fue inferior a los 50 J/kg, lo que demuestra que la energía que tenía el ambiente para limitar la convección era muy pequeña, y el LI se mantuvo para todos los casos inferiores a 0, con valores entre -2 y -7, lo que constituye un indicativo del aumento del potencial severo (figura 10).

Las salidas del modelo en cuanto a la concentración de granizo y la concentración de agua líquida en la nube de tormenta, mostró niveles altos de este último hasta los 600 hPa y muy bajos por encima de este nivel, a la vez que las concentraciones de granizo no se manifestaron por debajo de los 600 hPa y por encima de este; en cambio existían altos valores que se extendían hasta los 400 hPa en el que alcanzaban un máximo (figura 11). Esto responde a la estructura interna que presentan este tipo de tormentas, en las que se conjugan el alto contenido de gotas de agua por debajo del nivel de congelación y el alto contenido de cristales de hielo por encima de la isoterma 0ºC.

Un análisis de la cizalladura vertical del viento (figura 12) arrojó para la mayoría de los casos un comportamiento débil, tanto para las capas superficie- 850 hPa, superficie- 700 hPa como para superficie- 500 hPa.

Esta débil cizalladura, que por lo general imperó en los casos de estudio, fue favorable para la formación de celdas simples, en las que la corriente descendente rápidamente interacciona con la ascendente, reemplazándola y disipando la tormenta.