Caracterización sinóptico-climatológica de la rapidez media del viento en la costa norte de la mitad oriental de Cuba

Frecuencias observadas de la rapidez media del viento

Frecuencias observadas de la rapidez media del viento

Se definieron cinco clases de rapidez media del viento y fueron calculadas sus frecuencias absolutas (Tabla 2). Los datos de rapidez media del viento son representativos del área propuesta para los cálculos con el 98.1 % de casos validados entre 1978-2017. La estación con afectación por valores invalidados es Punta de Maisí con el 7.5 %. La estación de Puerto Padre solo tiene el 0.15 % de casos perdidos, mientras, Nuevitas y Cabo Lucrecia presentan sus series completas.

También, se determinaron sus frecuencias relativas (Tabla 3) en cada estación meteorológica, que muestran una estructura coherente sobre la región climática. En la medida que aumenta la rapidez media del viento se aprecia una disminución de los casos, que se va ralentizando de occidente a oriente, alcanzando la frecuencia máxima en las categorías de RMV 3, 4 y 5 en el extremo oriente, y específicamente en las clases de RMV 4 y 5, donde los valores de la estación Cabo Lucrecia (78365), 10.0 y 4.6 % respectivamente, son muy superiores al resto de las estaciones.

Todas las estaciones seleccionadas de la región en estudio, costa norte de la mitad oriental de Cuba, presentan valores de frecuencias de ocurrencia superiores a las obtenidas para La Fe, en la Isla de la Juventud (Soler et al., 2021Soler, E., Sánchez, L. M., Lecha, L. B. y Verdecia, Y. (2021). “Los tipos de situaciones sinópticas que influyen sobre la mitad occidental de Cuba y su relación con la rapidez media del viento en La Fe, Isla de la Juventud”. Revista Cubana de Meteorología, Vol. 27, No 3, 14 pp, ISSN: 2664-0880.), en las cinco categorías definidas, lo que corrobora diversos estudios ya mencionados anteriormente que señalan a la costa norte de la mitad oriental de Cuba, como la región promisoria para el aprovechamiento de la energía eólica en Cuba.

Situaciones sinópticas influyentes sobre la mitad oriental de Cuba

Marcha anual de la rapidez media del viento

Debido al interés específico de la investigación en el comportamiento de la rapidez media del viento para la escala temporal subestacional, en el análisis sinóptico-climatológico es utilizado como periodo de tiempo la decena.

Se presenta la marcha anual de la rapidez media decenal del viento para las cuatro estaciones de la costa norte de la mitad oriental de Cuba (Fig. 3). La utilización de las medias decenales hace evidente detalles del comportamiento de la variable que son borrados cuando se utilizan datos mensuales, como el pico de la RMV en la decena 19 debido al reforzamiento de la influencia del anticiclón subtropical oceánico (TSS I), que da inicio al periodo de mayor estabilidad del año para la RMV entre las decenas 19 y 23 (de julio a mediados de agosto), bajo la influencia predominante de ese mismo TSS. También, permite apreciar los momentos de valor mínimo de la RMV en la marcha anual, que corresponden con los periodos de transición estacionales, mayo-junio y septiembre-octubre, centrados en las decenas 16 (primera de junio) y 27 (tercera de septiembre) respectivamente, donde son predominantes la influencia del flujo anticiclónico extendido (TSS II) y las situaciones de débiles gradientes de presión atmosférica (TSS III), apareciendo con menor frecuencia los picos de ocurrencia del TSS IV (ciclones tropicales).

También, de forma general se observa un incremento de la RMV durante la temporada poco lluviosa del año (decena 30 finales de octubre hasta la 13 inicios de mayo) bajo la influencia predominante de la influencia del anticiclón continental migratorio (TSS VIII), con apariciones regulares de los sistemas frontales (TSS VII) y con menor frecuencia las afectaciones de bajas extratropicales (VI).

En su distribución espacial los valores máximos sostenidos de la RMV están marcados hacia el extremo oriental (Cabo Lucrecia y Punta del Maisí) de la región en estudio, dentro de la temporada poco lluviosa del año; mientras, los mínimos aparecen hacia el oeste (Nuevitas) en los dos periodos de transición estacionales del año, anotando como dato significativo, que en el periodo de transición primaveral (mayo-junio) los valores mínimos medios de la RMV son similares en todas las estaciones meteorológicas.

Variabilidad anual de la rapidez media del viento

La variabilidad de la rapidez media del viento se estudió mediante el cálculo del coeficiente de variación (Fig. 4).

En su marcha anual observamos que todas las estaciones mantienen valores mínimos de variación en periodos dominados por las situaciones anticiclónicas, creciendo su variación en los periodos de transición entre estaciones, principalmente en la transición del otoño (septiembre-octubre), donde Puerto Padre llega a alcanzar un valor de 1.1 en el coeficiente de variación; así como, que las estaciones del extremo oriente (Cabo Lucrecia y Punta de Maisí) mantienen los valores mínimos de variabilidad durante los periodos estables, apareciendo importantes diferencian en los periodos de inestabilidad donde crece el coeficiente de variación de Punta de Maisí.

Prueba de independencia estadística

Para establecer la existencia de asociación estadística entre las variables TSS y RMV se realizó la prueba de independencia entre variables nominales, el resultado de la aplicación del procedimiento de Tabla de Contingencia para cada una de las estaciones seleccionadas. Un resumen con los valores de Chi-cuadrado, su nivel de significación y condiciones empíricas sobre el recuento esperado impuestas para validar el contraste de hipótesis se relaciona a continuación (Tabla 5).

Los valores obtenidos de Chi-cuadrado de Pearson entre los TSS y RMV son superiores al valor crítico de su distribución tabulado, y su medida de significación estadística arroja una probabilidad de rechazo de la hipótesis nula, menor a 0.05, en todas las estaciones seleccionadas; lo que demuestra su significación estadística y la incompatibilidad de los datos con la hipótesis de independencia. Además, el por ciento de recuento esperado y recuento mínimo esperado permiten considerar el contraste de hipótesis estadísticamente válido, por lo que se puede afirmar que las variables estudiadas están relacionadas.

El contraste de hipótesis es considerado estadísticamente válido (Hoel, 1972Hoel, P. (1972). Introducción a la Estadística Matemática. Edición Revolucionaria, Instituto Cubano del Libro, 471 pp.), pues solo en Nuevitas el recuento esperado de celdas menores que 5 supera el 20 %, siendo en todos los casos el valor mínimo esperado mayor que cero.

Posteriormente, fueron seleccionadas las relaciones TSS-RMV con frecuencias relativas ≥ 5.0 %, umbral considerado con representación climática para constituir grupos dentro del total de casos en el periodo de estudio (Barry y Carleton, 2001Barry, R. y Carleton, A. (2001). Synoptic and Dynamic Climatology. Methuen and Co, 547-592 pp.), cuyos resultados se presentan en el epígrafe siguiente.

Características de las relaciones estadísticas existentes entre los TSS y la RMV de estaciones seleccionadas en la costa norte de la mitad oriental de Cuba

Se establecieron 11 relaciones estadísticas TSS-RMV, que suman 33 casos con valores de frecuencias relativas igual o mayor a 5 %, teniendo en cuenta los ocho tipos de situaciones sinópticas y las cinco clases de rapidez media del viento en las cuatro estaciones seleccionadas.

Para su mejor compresión el análisis de las relaciones estadísticas se presenta en tablas que agrupan las situaciones sinópticas influyentes sobre Cuba en: anticiclónicas, ciclónicas, ondulatorias-frontales y de débil gradiente, que contienen las frecuencias relativas obtenidas en las cuatro estaciones meteorológicas seleccionadas de oeste a este, es decir, de Nuevitas a Maisí, a partir de las cuales se pueden explicar comportamientos climáticos establecidos en la rapidez media del viento a lo largo de la costa norte de la mitad oriental de Cuba.

Los grupos de TSS están ordenados de mayor a menor por la cantidad de relaciones establecidas.

Situaciones sinópticas anticiclónicas

Este grupo está compuesto por el TSS I anticiclón subtropical oceánico, TSS II flujo anticiclónico extendido y TSS VIII anticiclón continental migratorio (Fig. 5). Las situaciones sinópticas anticiclónicas (I, II y VIII) se determinan en el mapa por la posición del centro anticiclónico y la forma que adoptan las isobaras sobre toda Cuba, no sobre una u otra región. Los mapas típicos aquí presentados fueron extraídos del álbum de mapas elaborados y sus clasificaciones están corroboradas.

El TSS I influencia cercana del anticiclón subtropical oceánico logra establecer dos relaciones. La relación TSS I - RMV 1 que abarca toda la región, con valores de frecuencias de ocurrencia que disminuyen de oeste a este y la TSS I - RMV 2 que aparece hacia el centro-este, aunque solo en Puerto Padre es ≥ 5.0 %, en Nuevitas alcanza el valor secundario de frecuencia con 4.6 % (Tabla 6).

Las relaciones de TSS II flujo anticiclónico oceánico extendido con RMV 1 y 2 se extienden por toda la región, mientras, con RMV 3 solo en el extremo oriental. La TSS II - RMV 1 presenta los valores de frecuencias máximas en las cuatro estaciones, con el máximo absoluto de 18.1 % en Nuevitas. Mientras, la relación TSS II - RMV 2 logra valores máximos en el centro-este, Puerto Padre 10.5 % y Nuevitas 9.2 %. Por su parte, la TSS II - RMV 3 se expresa con 6.3 % en ambas estaciones del oriente, Cabo Lucrecia y Punta del Maisí.

La influencia del anticiclón continental migratorio (TSS VIII) también logra establecer relaciones con la RMV 1, 2 y 3, sumando ocho casos en la región de estudio. La TSS VIII - RMV 1 alcanza las cuatro estaciones con un máximo de 9.7 % en Nuevitas, disminuyendo la frecuencia en el resto de las estaciones hacia el oriente.

La relación TSS VIII - RMV 2 se logra en tres estaciones, con máximo en Nuevitas de 8.9 %, sin embargo, es significativo el comportamiento de Cabo Lucrecia para este tipo de situación sinóptica, con un valor de 3.7 % en la RMV 2, pero con frecuencias superiores de 4.4 % en la RMV 3 y de 4.0 % en la RMV 4. La relación TSS VIII - RMV 3 queda expresada en la estación del extremo este de la región, Punta de Maisí con 5.8 %.

Las relaciones obtenidas entre el grupo de TSS anticiclónicas y la RMV evidencian el predominio de estos TSS en la generación de condiciones meteorológicas con valores de la rapidez media del viento aprovechables desde el punto de vista energético, especialmente la influencia del flujo oceánico extendido (TSS II) que logra 10 casos con frecuencias ≥ 5.9 %, incluyendo seis casos en las clases RMV 2 (3.5 - 5.4 m/s) y RMV 3 (5.5 - 7.4 m/s), mientras, el anticiclón continental migratorio (TSS VIII) acumula ocho casos con fr ≥ 5.8 %, de ellos cuatro en las clases RMV 2 y 3. La influencia del anticiclón subtropical oceánico (TSS I), que aparece preponderantemente durante el verano, el periodo más estable de la RMV en el año, solo logra cinco casos con fr ≥ 5.1 %, de ellos uno en la RMV 2.

Situaciones sinópticas ondulatorias y frontales

Las zonas de convergencia, ondas tropicales y hondonadas del oeste se agrupan en el TSS V, mientras, los frentes fríos clásicos, revesinos, casi-estacionarios y en disipación están contenidos en el TSS VII. (Fig. 6).

Las ondas tropicales, hondonadas y zonas de convergencia (TSS V) se clasifican cuando en el mapa de superficie el eje de mínima presión atmosférica, que marca un cambio de cuadrante en las isobaras se extiende la mayor parte del día sobre la región de interés. De mayor complejidad es la clasificación de los sistemas frontales, porque estos sistemas baroclínicos son áreas generadoras de gran inestabilidad atmosférica y se transforman rápidamente al moverse sobre el país, por lo que pueden afectar con subtipos diferentes a sus mitades occidental y oriental.

La relación TSS V - RMV 1 se presenta en las cuatro estaciones, con su valor máximo de 6.8 % en Nuevitas (Tabla 7). Mientras, el TSS VII logra relaciones con fr ≥ 5.0 % solo con la RMV 1 en el centro-oriente de Cuba, Nuevitas y Puerto Padre, con 5.8 y 6.1 % respectivamente, lo que puede estar evidenciando una característica subregional de un comportamiento ya establecido en el Catálogo de TSS (Soler et al., 2020Soler, E.; Lecha L. B.; Sánchez L. M. y Verdecia Y. (2020). Catálogo de los Tipos de Situaciones Sinópticas que influyen sobre Cuba. Informe Científico Técnico, Instituto de Meteorología, 59 pp.), el incremento en la frecuencia de días con frentes en proceso de disipación sobre la mitad oriental del país.

Situaciones sinópticas de débiles gradientes

Las situaciones de débiles gradientes de presión atmosférica pertenecientes al TSS III (Fig. 7) se determinan por la imposibilidad de establecer la dirección de circulación del viento sobre el área geográfica, teniendo en cuenta, la ausencia de centros dinámicos y valores bajos de la presión atmosférica.

Con similar comportamiento al TSS V, el TSS III supera el umbral de ≥ 5.0 % en las cuatro estaciones estudiadas, con valores máximos en el centro-oriente, Nuevitas y Puerto Padre con 11.1 y 10.9 % respectivamente y menores en el extremo oriente (Tabla 8).

Sin embargo, las frecuencias para las restantes clases de la RMV presentan valores muy pequeños, indicando la baja frecuencia de días con RMV mayor a 3.4 m/s, lo que demuestra que la debilidad del viento es la característica fundamental de este tipo de situación sinóptica (Soler et al., 2020Soler, E.; Lecha L. B.; Sánchez L. M. y Verdecia Y. (2020). Catálogo de los Tipos de Situaciones Sinópticas que influyen sobre Cuba. Informe Científico Técnico, Instituto de Meteorología, 59 pp.).

Situaciones sinópticas ciclónicas

Está formado por el TSS IV con los ciclones tropicales (bajas, depresiones, tormentas, huracanes) y el TSS VI con las bajas extratropicales (en su sector cálido y sector frío, con pre-frontal y sin prefrontal).

La influencia del ciclón tropical (IV) se determinó en el mapa cuando el área geográfica de interés se encuentra dentro de la circulación cerrada de las isobaras del ciclón o bajo la influencia de isobaras abiertas con curvatura ciclónica en su trayectoria de desplazamiento. Mientras, la clasificación de las bajas extratropicales (TSS VI) se realizó atendiendo al área de influencia del sector cálido o frío de la baja, así como, al área que abarca la última isobara cerrada del sistema (Fig.8).

Las situaciones ciclónicas, tanto tropicales como extratropicales, que son conocidas por sus fenómenos meteorológicos peligrosos asociados, es el único grupo en el que no se logra ninguna relación estadística entre TSS y RMV (Tabla 9), debido a la baja frecuencia de ocurrencia de los procesos atmosféricos que lo componen, no obstante, a los altos valores de rapidez del viento que se registran durante su influencia.

Es de interés que los valores máximos corresponden a la estación de Nuevitas para TSS IV - RMV 1 de 1.3 % y para TSS VI - RMV 1 de 1.8 % en Nuevitas y Puerto Padre, lo que está en correspondencia con la conocida disminución histórica de la influencia de ambos tipos de situaciones sinópticas hacia el extremo oriental de Cuba, especialmente los ciclones tropicales (Pérez, 2013Pérez, R. (2013). Cronología de los Huracanes de Cuba. Agencia de Medio Ambiente, Instituto de Meteorología, 7 pp.), no obstante, las recientes afectaciones ocurridas en la década 2011-2020.

Un resumen gráfico de las relaciones entre los TSS y la RMV (Fig. 9), muestra las principales características del comportamiento observado de la RMV en las localidades estudiadas, demostrando el predominio de las frecuencias de ocurrencia de la RMV 1 en las cuatro estaciones meteorológicas bajo la influencia de todos los TSS, así como, que el flujo anticiclónico oceánico extendido (TSS II) es la situación sinóptica predominante en la mitad oriental de Cuba, y presenta relaciones con frecuencias máximas para las clases de la RMV 1, 2 y 3; aunque, como se ha mencionado anteriormente los valores elevados de las clases de la RMV 4 y 5 ocurren más frecuentemente bajo la influencia del anticiclón continental migratorio (TSS VIII), principalmente en las estaciones meteorológicas del extremo oriental, Cabo Lucrecia y Punta de Maisí.