INTRODUCCIÓN ⌅
Cada fenómeno meteorológico que ocurre en la atmósfera presenta características propias y efectos diferentes. Los considerados eventos locales severos asociados a la convección profunda, cuyo desarrollo depende de algunos factores del entorno en el que se desarrollen, constituyen hoy en día una prioridad para el Instituto de Meteorología. En este caso, se hace alusión a las Tormentas Locales Severas (TLS), fenómeno que pertenece a la mesoescala.
Byers & Braham (1948)Byers, H.R. & Braham, R. R, 1948. “Thunderstorm Structure and Circulation”. U.S. Weather Bureau. Journal of Meteorology, 5(3): 71-86. , expresaron que “las tormentas eléctricas (TE) están conformadas por celdas y su duración es de aproximadamente 1 hora”. En la figura 1 se muestran los tres estados fundamentales del ciclo de vida de una TE según estos autores, los cuales son: (a) estado de cúmulo o desarrollo (las celdas contienen únicamente corrientes ascendentes desde la base hasta el tope de la nube); (b) estado de madurez (el rozamiento con el aire de las gotas que caen crean una corriente descendente que coexiste con la ascendente); y (c) estado de disipación (la lluvia se hace más uniforme y su intensidad disminuye en las capas más bajas de la nube, mientras en la altura las corrientes ascendentes son insignificantes), (Byers & Braham, 1948Byers, H.R. & Braham, R. R, 1948. “Thunderstorm Structure and Circulation”. U.S. Weather Bureau. Journal of Meteorology, 5(3): 71-86. ). A dicha clasificación, Browning et al. (1965)Browning, K. A. & Atlas, D. 1965. “Initiation of Precipitation in Vigorous Convective Clouds”. Journal of the Atmospheric Sciences, 22: 678-683. , agregó la existencia de una celda que dura más que el resto, la cual trae consigo abundante lluvia, a esta celda la denominó “supercelda”. Además, mencionó que se debía adicionar la severidad como parte de la madurez. Posteriormente, Alfonso (1994)Alfonso, A. 1994. “Climatología de las tormentas locales severas de Cuba. Cronología”. Editorial Academia. La Habana, p. 168. , para el caso de Cuba, se refirió también al tiempo de duración de las TE en el que “el ciclo de vida de las tormentas simples u ordinarias es corto”.
“Las TLS en Cuba ocurren en cualquier época del año, pero puede identificarse una temporada en que son particularmente frecuentes y que abarca los meses desde marzo hasta septiembre, correspondiendo el máximo absoluto al mes de mayo”. “La inmensa mayoría de TLS se forman en horas de la tarde, una o dos horas después de registrarse la temperatura máxima del día” (Lecha et al., 1994Lecha, L.B.; Paz, L.R. & Lapinel, B. 1994. “El clima de Cuba”. Editorial Academia. La Habana, p.186. ). Se producen exclusivamente por nubes Cumulonimbus (Cb), caracterizadas por descargas eléctricas y en ocasiones chubascos de carácter intenso frecuentemente, no obstante, las TLS no solo se originan por el fuerte calentamiento del día en el período lluvioso, sino se relacionan a sistemas frontales.
De acuerdo a las condiciones del entorno se puede tener una idea del comportamiento de las tormentas locales. Sin embargo, en la atmósfera los procesos físicos nunca se presentan de igual forma, observando siempre alguna diferencia. Según las condiciones del ambiente donde se desarrollen las tormentas, serán las manifestaciones de tiempo severo propias de la convección profunda. Respecto a esto, Carnesoltas (2019)Carnesoltas, M. & Gutierrez, M. 2019. “La energía del entorno donde se desarrolló el tornado del 27 de enero de 2019 en La Habana”. Revista Cubana de Meteorología, 25(3): 443-447. se refirió “al conjunto de los procesos físicos que permiten la ocurrencia de cada uno de los eventos severos, los cuales deben contener en sus términos todas las variables independientes con sus correspondientes interacciones, que son en definitiva, las que tienen lugar realmente en la atmósfera”.
Aguilar et al. (2009)Aguilar, G.; Carnesoltas, M. & Naranjo, L. 2009. “Condiciones a escala sinóptica favorables para la aparición de tormentas locales severas en Cuba. Período poco lluvioso”. Revista Cubana de Meteorología, 15(1): 85-108. , mencionaron que “la ocurrencia de TLS en Cuba está vinculada, por un lado, a sistemas meteorológicos de escala sinóptica, por ejemplo, las ondas tropicales y los huracanes, así como al paso de los Sistemas Convectivos de Mesoescala (SCM), una muestra de ello son las Líneas de Tormenta Eléctrica Prefrontales (LTEP). En muchas ocasiones estas líneas van acompañadas de fenómenos de tiempo severo”. Sin embargo, “cada región responde diferente bajo un mismo patrón de escala sinóptica debido a la configuración del flujo y el campo de temperatura en la Capa Fronteriza Atmosférica (CFA), características que determinan las celdas de convección” (Rojas & Carnesoltas, 2017Rojas, Y. & Carnesoltas, M. 2017. “Campos de viento y temperatura a mesoescala en la región oriental de Cuba para la ocurrencia de tormentas locales severas. Estudio de caso”. Revista Cubana de Meteorología, 23(1): 3-19.).
Además, se pueden apreciar otros mecanismos físicos que conducen a la formación de una TLS como la interacción de la circulación de brisa de mar en condiciones no continentales y la nubosidad convectiva sobre tierra durante el día, proceso en el que no puede considerarse uno a causa del otro, sino como dos sistemas con un origen común: el calentamiento superficial (Carnesoltas, 2002Carnesoltas, M. 2002. “La circulación local de brisa de mar y tierra. Conceptos fundamentales”. Revista Cubana de Meteorología, 9(1): 39-60. ).
El estudio de caso del 29 de abril de 2015 comprende a uno de los fenómenos del período poco lluvioso en Cuba (noviembre-abril). Se trata del avance de una LTEP la cual, según Alfonso (1985)Alfonso, A. 1985. “El brote de tiempo severo en Cuba del 8 de febrero de 1978. Descripción del brote y situación sinóptica”. Ciencia de la Tierra y el Espacio, 10: 101-114. , “al menos una de estas líneas afecta al occidente de Cuba cada año”. Este caso resulta de especial interés debido a que dos sistemas diferentes presentaron la ocurrencia de varias TLS casi simultáneamente en una misma región, la provincia de La Habana, situada en el litoral norte del occidente de Cuba.
La situación meteorológica de ese día estuvo dada por la interacción perpendicular del Frente de Brisa de Mar (FBM) con los Rollos Convectivos Horizontales (HCRs por sus siglas en inglés) orientados meridionalmente, lo cual propició un ascenso forzado, por lo que en primera instancia, se puede asumir la ocurrencia de la segunda condición para la convección profunda, es decir, un mecanismo de levantamiento. La primera condición estuvo asociada al flujo húmedo del sur en el que se desarrollaron los HCRs. De esta manera, en alguna medida, estuvo presente la tercera condición necesaria para la formación de Cúmulo (Cu) intenso, Carnesoltas et al. (2013)Carnesoltas, M. et al. 2013. “Factores físicos que influyen en la caída de granizos y en las aeroavalanchas sobre Cuba”. Proyecto Ramal: “Los patrones de TLS en Cuba, su relación con la variabilidad climática y elementos a mesoescala que determinan el tipo de severidad”. Instituto de Meteorología. La Habana. Cuba.. “La tercera condición trata del conjunto de procesos que ocurren en los niveles medios capaces de generar fuertes corrientes descendentes llegando a constituir aeroavalanchas, y/o permitir que los granizos lleguen a la superficie antes de derretirse”, (Carnesoltas, 2019Carnesoltas, M. 2019. “Tormentas Locales Severas. Tres condiciones necesarias”. Revista Cubana de Meteorología, 25(1): 90-97. ). Dichos factores condujeron a la ocurrencia de una brusca liberación de energía que potenció la ocurrencia del tiempo severo observado en una línea de tormentas convectivas paralela a la costa norte precedente a la LTEP. En esta se produjo la caída de granizos en los municipios de Habana del Este, Regla y Guanabacoa, además de fuertes vientos lineales conocidos como aeroavalanchas con una racha de 27,2 m/s registrada en la estación automática de Casa Blanca, cerca de las 1945 UTC; mientras la LTEP, produjo lluvia localmente intensa de corta duración con 187,6 mm (entre las 2000 y 2300 UTC aproximadamente).
Fuentes de la Dirección de la Defensa Civil Provincial de La Habana informaron a la prensa que a causa de las intensas lluvias se reportaron 3 fallecidos y 27 derrumbes de viviendas entre parciales y totales.
Diversos han sido los trabajos sobre las TLS que han centrado sus aportes significativamente al desarrollo de fenómenos convectivos y de los principales factores que intervienen en su estructura y evolución. Sin embargo, por su gran complejidad, aún son insuficientes los conocimientos referentes a las causas internas de las diversas manifestaciones de tiempo severo en Cuba. Esto constituye la mayor limitación a la hora de elaborar los pronósticos del tiempo relacionados a TLS. Por lo tanto, en la presente investigación se planteó como objetivo: determinar las principales condiciones físico-meteorológicas que favorecieron la ocurrencia de tres eventos de tiempo severo, casi simultáneos, el 29 de abril de 2015.
MATERIALES Y MÉTODOS ⌅
Herramientas y variables empleadas ⌅
Para la descripción de la situación meteorológica se tomaron del sitio web http://www.cdc.noaa.gov los mapas de superficie, 850, 700, 500, 250 y 200 hPa a las 0000, 1200 y 1800 UTC del 29 de abril de 2015 para un área comprendida entre los 10° y 40° N y 60° y 100° W.
Para el análisis de cada variable como la temperatura del aire, la humedad relativa, así como, la dirección y velocidad del viento, se consultaron los reanálisis del NCEP (National Center of Environment Prediction) y del NCAR (National Center for Atmospheric Research). A cada una de ellas se le realizaron cortes verticales sobre la latitud de la estación de Casa Blanca (23,13o N) para determinar la distribución vertical de las mismas. A partir de las variables obtenidas se determinó la altura de la isoterma 0 oC del bulbo húmedo (wbz) por su relación con la formación y caída del granizo, como ha sido demostrado por Martínez (2011)Martínez, Y. 2011. “Condiciones termodinámicas asociadas a la ocurrencia de granizos en Camagüey”. Revista Cubana de Meteorología, 17(2): 96-104.. El método llevado a cabo fue el de la interpolación lineal presentada por Carnesoltas (2016)Carnesoltas, M. 2016. “Una fórmula lineal para determinar la temperatura del bulbo húmedo”. Instituto de Meteorología. La Habana. Cuba., que utilizando leyes y relaciones termodinámicas conocidas llegó a la expresión (1). En este caso, la interpolación se realizó entre 700 y 600 hPa, según los niveles donde se encontró la isoterma 0°C de la temperatura del bulbo húmedo.
Donde h1 la altura geopotencial del nivel inferior, h2 la altura geopotencial de nivel superior, tw1 la temperatura del bulbo húmedo del nivel inferior y tw2 la temperatura del bulbo húmedo del nivel superior.
Para encontrar el patrón que más se asemejó al día de estudio, se realizó una revisión de los mapas de los 16 patrones sinópticos para el período poco lluvioso, concentrados en tres grupos principales por Aguilar et al. (2009)Aguilar, G.; Carnesoltas, M. & Naranjo, L. 2009. “Condiciones a escala sinóptica favorables para la aparición de tormentas locales severas en Cuba. Período poco lluvioso”. Revista Cubana de Meteorología, 15(1): 85-108. . En la comparación se tuvo en cuenta las características del patrón y las observadas el día 29 a las 0000 UTC alrededor de Cuba.
Se emplearon las imágenes desde el satélite geoestacionario GOES-13, en el canal visible con una resolución espacial de 1 km, con el objetivo de identificar el inicio de la convección, la evolución de la misma, así como el desarrollo de los HCRs y el FBM. Dichas imágenes, con una resolución temporal de 15 minutos, se obtuvieron del sitio web www.class.ncdc.noaa.gov. Además, se consultaron las observaciones de los radares de Casa Blanca (La Habana) y Pico San Juan (Cienfuegos) y para su procesamiento se trabajó con el programa Vesta-Proceso, software en su versión 5.3.19.4, desarrollado por especialistas del Grupo de Radares de Camagüey.
Se contaron con las salidas de diagnóstico del modelo numérico del tiempo RAP (Rapid Refresh) operativo en NCEP disponible en https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/model-data/model-datasets/rapid-refresh-rap y se obtuvieron los cortes verticales de humedad relativa tanto longitudinal como latitudinalmente. Además, se elaboraron las cartas pseudoadiabáticas puntualmente para los ecos que presentaron un indicativo de severidad, según el procesamiento de las observaciones de radar. De esta manera se analizó el comportamiento termodinámico de la atmósfera sobre la estación meteorológica de Casa Blanca con el principal objetivo de determinar las posibles causas locales que produjeron los tres tipos de severidad.
Se llevó a cabo el cálculo del número de bulk-Richardson (BRN) y la energía del sistema (ES). El BRN establece la relación entre la inestabilidad no local y el cambio del viento desde la superficie hasta la mitad de la tropósfera según Stull (2015)Stull, R. 2015. “Practical Meteorology: An Algebra-based Survey of Atmospheric Science”. Department of Earth. Ocean and Atmospheric Sciences. University of British Columbia, p. 939., mientras la energía del sistema caracteriza los tipos de sistemas convectivos y sus relaciones con la cizalladura vertical (∆M) y la Energía Potencial Disponible para la Convección (CAPE) de acuerdo a Carbone, et al., 1980Carbone, R.; Foote, B.; Moncrief, M.; Gal-Chen, T.; Cotton, W.; Hjelmfel, M.; Raux, F.; Heymsfield, G. & Brandes, E, 1980. “Convective dynamics: Panel report. Chapter 24”, p. 391-401.. Recientemente, (Carnesoltas & Gutierrez, 2019Carnesoltas, M. & Gutierrez, M. 2019. “La energía del entorno donde se desarrolló el tornado del 27 de enero de 2019 en La Habana”. Revista Cubana de Meteorología, 25(3): 443-447.) rediseñaron el diagrama de energías y la representación del BRN como se muestra en la figura 2.
En resumen, el método de la investigación llevado a cabo con el fin de encontrar las posibles causas de cada evento severo asociado al estudio de caso en La Habana, consistió en el análisis integral en base a lo que aportó cada una de las fuentes.
DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS ⌅
Análisis a escala sinóptica ⌅
En los mapas de reanálisis de la NOAA se observó una baja extratropical a las 1200 UTC del 29 de abril de 2015 localizada sobre el centro de la península de la Florida, con valor de 1006,5 hPa de presión central (figura 3a). Dicha baja tuvo un desplazamiento hacia el este, provocando sobre Cuba un flujo del suroeste con aire húmedo y caliente desde el mar Caribe en los niveles inferiores de la tropósfera por delante del frente frío asociado.
A las 1800 UTC el frente frío había presentado poco movimiento sobre el sureste del golfo de México, desarrollándose por delante de él una activa línea convectiva (figura 3b). A esta hora, la línea prefrontal se encontraba muy cercana y al norte de la región occidental. Según los reportes de las manifestaciones de severidad, estos no coincidieron con la influencia de la línea prefrontal, por lo que, se puede inferir que la ocurrencia del tiempo severo en La Habana estuvo dada por factores locales, antes de la llegada de la propia LTEP.
Producto a la baroclinicidad del frente frío en la estructura vertical de la atmósfera, se generó gran inestabilidad en toda la región de estudio, lo que se corroboró con la convección observada en las imágenes desde el satélite en el canal visible. Además, debido a la gran inclinación de la onda con la altura, el frente frío y a la línea prefrontal, tuvieron un lento movimiento sobre el sureste del golfo de México.
Comparación con los patrones sinópticos ⌅
Luego del análisis detallado de los patrones sinópticos asociados a eventos severos correspondientes al período poco lluvioso se seleccionó el más semejante al ocurrido. Dicho patrón correspondió al No. 11, perteneciente al Grupo 3, de un total de tres grandes grupos de configuraciones a partir del “ROSET” elaborado por Aguilar et al. (2009)Aguilar, G.; Carnesoltas, M. & Naranjo, L. 2009. “Condiciones a escala sinóptica favorables para la aparición de tormentas locales severas en Cuba. Período poco lluvioso”. Revista Cubana de Meteorología, 15(1): 85-108. . El elemento más significativo de la comparación fue el retraso de la onda en 250 hPa respecto al patrón tomado de referencia (figura 4).
A partir del análisis anterior se pudo plantear que, aunque el patrón encontrado previamente sujiriese la posibilidad de severidad sobre algún territorio del occidente de Cuba, el retraso de la onda polar en el nivel de 250 hPa en el caso que se analiza, provocó el lento movimiento de la LTEP en superficie, retrasando a su vez la infuencia sobre Cuba y propiciando que los eventos severos tuviesen lugar, no por las características propias que indica el patrón en un principio, sino por la interacción de factores locales en la región de estudio, en este caso, La Habana.
Interpretación de las imágenes desde el satélite y procesamiento de las observaciones de radar ⌅
El día 29 de abril a las 1730 UTC se observaron sobre todo el occidente de Cuba los HCRs orientados meridionalmente resultado del flujo medio predominante del suroeste en los niveles bajos. Mientras, la activa banda prefrontal se localizaba al suroeste del golfo de México, con lento movimiento hacia el este, próxima a La Habana (figura 5a). A las 1845 UTC comenzó a observarse el crecimiento de la nubosidad convectiva casi paralela a la costa norte de dicha provincia relacionada con la interacción de los HCRs con el FBM que en horas de la tarde favoreció la convección profunda (figura 5b). No obstante, ninguna de estas circulaciones y estructuras coherentes son capaces por sí solas de generar o lograr la convección profunda. Dicha interacción, unido, a las condiciones de inestabilidad generadas por la presencia de la LTEP próxima a la región de estudio, contribuyó al desarrollo convectivo de forma acelerada.
Producto a esta interacción tuvo lugar dos de las manifestaciones de tiempo severo (aeroavalancha y granizos) antes de la influencia de la línea prefrontal, la cual produjo consigo otra manifestación de severidad sobre La Habana (lluvia localmente intensa de corta duración), un pequeño tiempo después.
Se emplearon las observaciones de los radares de Casa Blanca (La Habana) y Pico San Juan (Cienfuegos) y para su procesamiento se trabajó con el programa Vesta-Proceso, software en su versión 5.3.19.4, desarrollado por especialistas del Departamento de Radares de Camagüey.
A partir de las 1900 UTC, a través de las observaciones de radar, se pudo observar núcleos convectivos bien organizados (con reflectividades entre 40 y 55 dBz). Estos se desplazaron desde el noroeste hacia el sureste, formando una estructura convectiva lineal que se extendió a lo largo de la costa norte occidental (figura 6a). A las 1945 UTC se distinguió un eco de valor de reflectividad de 57 dBz en los 23,4º N y 82,13º W sobre La Habana (figura 6b). En la celda correspondiente a dicho eco, posiblemente se llevó a cabo la severidad (aeroavalancha y granizos).
En el corte vertical realizado a la celda (figura 7) se pudo distinguir que el núcleo de máxima reflectividad se encontraba aislado y elevado, cercano a 9 km, mientras el tope de la celda alcanzó los 18 km.
Posteriormente, el movimiento de varias celdas, una a continuación de la otra, se prolongó hasta las 2300 UTC del 29 de abril de 2015, lo cual se asoció al proceso de lluvia intensa sobre La Habana.
Comportamiento de las variables meteorológicas a partir de los datos de reanálisis ⌅
Humedad relativa ⌅
Tomando en cuenta la distribución de la humedad relativa en toda la columna troposférica se comprobó que el mayor aporte de esta variable (90 %) correspondió a los niveles más bajos en comparación con el resto de los niveles (figura 8a). Lo anterior fue causa del intercambio turbulento de calor y masa durante el día, lo que provocó el aumento más rápido del espesor de toda la Capa Fronteriza Atmosférica (CFA). La distribución de humedad relativa adoptada, con altos valores en niveles bajos y la disminución de esta en los niveles medios (35-40 %) (figura 8b), se encuentra dentro de las condiciones necesarias para la ocurrencia de actividad severa dentro de las nubes convectivas, según Carnesoltas (2019)Carnesoltas, M. & Gutierrez, M. 2019. “La energía del entorno donde se desarrolló el tornado del 27 de enero de 2019 en La Habana”. Revista Cubana de Meteorología, 25(3): 443-447.. La presencia de estas condiciones pudo favorecer la ocurrencia de las aeroavalanchas debido a la sequedad presente en los niveles medios troposféricos lo que coincidió con lo planteado por Aguilar (2006)Aguilar, G. 2006. “Condiciones a escala sinóptica para la ocurrencia de aeroavalanchas asociadas a las Tormentas Locales Severas en Cuba. Un esquema para su predicción”. Tesis de Doctorado: Instituto de Meteorología, p. 124..
Dirección y velocidad del viento ⌅
Sobre la región occidental de Cuba, el incremento de la velocidad del viento y su giro desde el suroeste al noroeste con la altura: 850 hPa (5 m/s), 500 hPa (15 m/s) y 200 hPa (25 m/s) indicaron cierta cizalladura vertical del viento en velocidad, la que en cierta medida participó en la organización de las tormentas (figura 9).