Máxima reflectividad (Z) en la tormenta

En las observaciones del radar meteorológico se observó que el horario de reportes de los eventos severos en las tormentas estudiadas correspondió con los de máxima reflectividad (Z) presentes a lo largo del tiempo de vida de cada una de ellas. De manera general los valores de máxima Z oscilaron entre los 57 dBz y 70 dBz, como se puede apreciar en la tabla 2. Según Gamboa (2004)Gamboa, F. (2004). Selección de indicadores radáricos como productores de severidad. Tesis en Opción al Título Académico de Máster en Ciencias Meteorológicas. Instituto Superior de Ciencias Aplicadas. Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente, 55 pp.
, esta variable radárica constituye un indicador del tamaño y concentración de las partículas dentro de la nube de tormenta; mientras mayor sea su valor, la tormenta estará asociada a una fuerte corriente ascendente capaz de sustentar partículas de gran tamaño.

Según Castro et al. (1989)Castro, A., Sánchez, J., Faile, R., y Madrid, J. (1989). Análisis de la estructura de las tormentas del Valle Medio del Ebro. Bol. San. Veg. Plagas, 15: 149-160, 1989. Laboratorio de Física de la Atmósfera. Universidad de León.
, las superceldas en latitudes medias, pueden ser reconocidas en las imágenes de radar si presentan valores de reflectividad superiores a los 45 dBz, al menos durante 50 minutos. Sin embargo, Quirantes (2014)Quirantes, J., Martín, R., y Mora, N. (2014). Características básicas de las supercélulas en España. Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). NIPO: 281-14-008-X.
, establece que los valores de reflectividad suelen ser muy elevados en este tipo de tormentas con ecos iguales o superiores a los 60 dBz, generalmente concentrados en los niveles medios-altos dentro de nube. En los trópicos, la dinámica de las tormentas es diferente a la de latitudes medias, es por ello que una tormenta incentivada por factores locales, como ocurre en Cuba, puede alcanzar fácilmente valores de reflectividad en el radar superior a los 45 dBz (Gamboa, 2004Gamboa, F. (2004). Selección de indicadores radáricos como productores de severidad. Tesis en Opción al Título Académico de Máster en Ciencias Meteorológicas. Instituto Superior de Ciencias Aplicadas. Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente, 55 pp.
). Por ello, la clasificación más aceptada a utilizar para Cuba, donde prevalecen condiciones tropicales e insulares, es la de Quirantes (2014)Quirantes, J., Martín, R., y Mora, N. (2014). Características básicas de las supercélulas en España. Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). NIPO: 281-14-008-X.
.

Teniendo en cuenta esta clasificación, en la muestra analizada se registraron reflectividades superiores a los 60 dBz en tres de estas tormentas, aunque las restantes alcanzaron valores muy cercanos, como se puede observar en la tabla 2. Solo de ellas, en la tormenta del 24 de julio de 2017 fue posible localizar en niveles medios su máximo Z, específicamente con un valor de 60 dBz a 9 km, como se refleja en la figura 4. En las restantes tormentas analizadas, las alturas de los máximos de reflectividad en las nubes variaron entre los 5 km y los 6.6 km, exceptuando el día 30 de mayo de 2016 donde el máximo de Z se encontró en los 3.2 km.

Respecto a la duración de los valores máximos de reflectividad, en las tormentas de estudio, se comprobó que solo los casos del día 18 de abril y 24 de julio, ambos del 2017 sostuvieron reflectividades superiores a los 60 dBz, como mínimo durante 50 minutos. En el primer día mencionado fue mantenido estos valores de reflectividad por 100 minutos y en el segundo caso por 50 minutos.

La figura 5 muestra un corte vertical realizado a la tormenta del día 18 de abril de 2017 a las 2210 UTC, momento en que alcanza su máximo valor de reflectividad de 70 dBz a una altura de 5 km. Este valor refleja la presencia de grandes volúmenes de agua dentro de la nube, lo que evidencia la presencia de fuertes corrientes capaz de mantener partículas de gran tamaño por un prolongado tiempo.

De acuerdo con Zipser & Lutz (1994)Zipser E. J., and Lutz, K. R. (1994). The vertical profile of indicator of storm intensity and lightning probability. Mon. Wea. Rev., 122, 1751-1759.
la intensidad de las corrientes ascendentes en las celdas convectivas determina la distribución vertical de la reflectividad en la misma. Por tanto, estos valores tan elevados encontrados en las tormentas analizadas demuestran la presencia de fuertes corrientes dentro la tormenta, que llevaron a la formación de topes penetrantes observados en las imágenes de satélite.

En el procesamiento de los datos, solo fue posible encontrar un pequeño eco en forma de gancho el 24 de julio de 2017. Esta configuración se observó específicamente en el corte horizontal realizado a los 8 km de altura, como se puede ver en la figura 6 (derecha).

Aunque la presencia de un mesociclón en una tormenta supercelda es fundamental para definirlas, este fundamentalmente puede ser comprobado mediante el radar Doppler; sin embargo, Quirantes (2008)Quirantes, J. (2008). Nociones básicas sobre Supercélulas. INM, Agencia Estatal de Meteorología (AEMet).
planteó que estos pueden estar ubicados en la curvatura del gancho donde se muestra una zona de eco débil. No obstante, esta no resulta una definición exacta de lo que ocurre en todas las superceldas, ya que la presencia de este patrón no garantiza la presencia de este tipo de tormentas severas.

En caso del patrón encontrado el 24 de julio de 2017 al parecer corresponde a un pequeño eco en gancho de acuerdo con su forma. Sin embargo, en realidad debe estar asociado a una mesobaja en los niveles medios, muy difícil de comprobar con las herramientas que se dispone.

Altura del tope máximo de la nube

Chatterjee (1989)Chatterjee, P., and Prakash, P. (1989). A radar study of severe thunderstorms around Delhi, Northern India, during the Monsoon season.Atmospheric Research, 22 (1989) 373-384. Elsevier Science Publishers B. V., Amsterdam.
estableció como umbral para identificar los ecos de tiempos severos el de 12 km de altura del tope, sin embargo, en Cuba, Gamboa et al. (1993)Gamboa, F.; W. Vázquez, O. Rodríguez, C. Pérez, R. Aroche, R. Rubirosa, I. Medina y J.C. Antuña(1993). Complejo Radárico Automático para la Información de Lluvia Localizada (CRAILL). [inédito]. Informe científico al INSMET.
establecieron como umbral para la identificación de ecos asociados a fenómenos meteorológicos potencialmente peligrosos en Camagüey a aquellos topes superiores a los 8 km de altura.

Teniendo en cuanto lo antes mencionado, las tormentas estudiadas alcanzaron desarrollos verticales de gran extensión, encontrándose alturas máximas de los topes entre 14 km y 19.8 km, como se observa en la tabla 3. De acuerdo con los resultados descritos anteriormente, la altura de los topes guardó una estrecha relación con aquellas tormentas que mostraron los mayores valores de reflectividad. Esto se debe a que esta variable constituye un indicador del grado de desarrollo de la convección o una medida en la intensidad de las corrientes ascendentes que pueden mantener, en mayor o menor tiempo, a grandes masas de partículas líquidas y/o sólidas en altura (Gamboa, 2004Gamboa, F. (2004). Selección de indicadores radáricos como productores de severidad. Tesis en Opción al Título Académico de Máster en Ciencias Meteorológicas. Instituto Superior de Ciencias Aplicadas. Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente, 55 pp.
).

Según Quirantes (2008)Quirantes, J. (2008). Nociones básicas sobre Supercélulas. INM, Agencia Estatal de Meteorología (AEMet).
, los topes máximos de las tormentas superceldas clásicas se encuentran entre 15 y 20 km de altura. De las celdas convectivas analizadas en esta investigación cuatro alcanzaron valores iguales o superiores a los 15 km, excepto la tormenta correspondiente al 26 de mayo de 2018, la cual solo alcanzó una altura de 14 km de tope máximo. En el caso particular del 24 de julio de 2017 la tormenta alcanzó una altura de aproximadamente 20 km, pero según lo mostrado en el corte vertical realizado a la misma, puede que haya alcanzado dimensiones algo superiores.

Atlas (1963)Atlas, D. (1963). Radar analyses of severe storm. Meteorologycal Monograhs. 5 (27): 177 - 214.
demostró la correlación que existe entre la altura del tope y la ocurrencia de granizadas en tierra, concluyendo que los ecos, cuyos topes alcanzan la tropopausa, tienen una alta probabilidad de contener granizos, lo que fue corroborado por Donaldson (1965)Donaldson, R. J. (1965). Methods for identifying Severe Thunderstorm by radar: a guide and bibliography, bolletin AM5.
. Lo antes mencionado se pudo comprobar en dos de los casos de granizos de la muestra examinada, en cuyos casos las tormentas alcanzaron la mayor altura de los topes máximos analizados, alcanzando los 20 km.

Contenido de agua líquida verticalmente integrada (VIL)

En los casos de estudio, los valores del VIL se encontraron entre 57 kg/m² y 226 kg/m², como se representa en la tabla 3. Las mayores concentraciones de esta variable se encontraron los días 30 de mayo de 2016, 24 de julio de 2017 y 18 de abril de 2017; siendo el más alto en este último de 226 kg/m² en la localidad de Manzanillo (figura 7).

De acuerdo con los resultados obtenidos para esta variable, se puede decir que los días donde las tormentas registraron los mayores valores del VIL, estas contaban con intensas corrientes ascendentes, que les permitió que grandes cantidades de agua líquida fueran sostenidas dentro de la tormenta, además dos de estas celdas convectivas fueron las de mayor tope y reflectividad máxima (18 de abril de 2017 y 24 de julio de 2017).

La tabla 3 resume los valores más representativos del análisis a través del radar. De acuerdo con lo expuesto en cada variable radárica los casos estudiados contaban con las características necesarias para producir eventos severos. Solo las tormentas correspondientes al 18 de abril del 2017 y al 24 de julio de 2017, contaban con características que podrían inferir la posibilidad de tormentas parecidas a las superceldas, por lo menos, con umbrales de las variables radáricas muy similares a las tormentas encontradas en las latitudes medias.

Sin embargo, es necesario destacar que como estas tormentas se originaron en un clima tropical, donde las condiciones termodinámicas son diferentes a las encontradas en latitudes medias, no necesariamente tienen que ser estrictamente similares a las de estas latitudes. Además, no se encontró una clara evidencia de la presencia de un mesociclón en los niveles medios de estas tormentas, la principal característica de las superceldas.

Análisis de la primera teoría

Según Rotunno & Klemp (1982Rotunno, R., & Klemp, J. B. (1982). The influence of the shear-induced pressure gradient on thunderstorm motion. Mon. Weather Rev. 110, 136-151 pp.
, 1985)Rotunno, R., & Klemp, J. B. (1985). On the rotation and propagation of simulated supercell thunderstorms. J. Atmos. Sci. 42, 271-292 pp.
, la primera teoría se fundamenta en los procesos mediante los cuales una corriente ascendente interactúa con un entorno de cizalladura vertical para producir un estado quasi-estacionario de una tormenta en rotación. En la investigación se analizó la cizalladura del viento en los primeros 6 km de altura para los cinco casos de estudio; dividiendo el análisis en tres capas dentro de estos niveles: desde 1000 hPa hasta los 850 hPa, desde 1000 hPa hasta los 700 hPa y finalmente hasta 500 hPa. Estos valores se muestran en la tabla 4.

De acuerdo con la teoría analizada, para la formación de superceldas es necesario que existan valores de cizalladura vertical del viento superiores a los 5 x 10^-3 s^-1 en los primeros 6 km de la atmósfera, condición que no se encontró en ninguno de los días analizados. De las tormentas estudiadas solo una de ellas se encontraba en un ambiente con valores de cizalladura vertical del viento entre 3.0 y 5.0 x 10^-3 s^-1 hasta los 6 km de altura, umbral que según John (1990) representa una tendencia moderada a la organización dentro de la celda convectiva.

Como se observa en la tabla 4, los mayores valores de la cizalladura vertical del viento se encontraron en la capa de 1000-850 hPa, que comprende a las condiciones en la Capa Fronteriza Atmosférica (CFA), sobresaliendo en el caso del 26 de mayo de 2018 donde se alcanzó un valor de 9.01 x 10^-3 s^-1. En este caso en particular, los altos valores de cizalladura fueron reflejo de la confluencia que existió en las capas bajas sobre la región central de Cuba, debido con la amplia circulación de la tormenta tropical Alberto y la periferia anticiclónica. Como estos valores de cizalladura no se mantuvieron hasta los 6 km, no garantizaba suficiente rotación en el ambiente para que la tormenta la asimilara y así poder convertirse en una supercelda (Quirantes, 2014Quirantes, J., Martín, R., y Mora, N. (2014). Características básicas de las supercélulas en España. Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). NIPO: 281-14-008-X.
). En el resto de los casos, que los mayores valores de la cizalladura vertical del viento se encontrarán por debajo de la base de la nube, contribuyó positivaste a la intrusión de aire a la nube y así al fortalecimiento de las corrientes dentro de la tormenta. Esto refleja que “la intensidad de la cizalladura en la CFA podía ser un factor que influyera en el flujo de entrada de las celdas convectivas, pero no la formación de una supercelda” (Carnesoltas comunicación personal).

De forma general, en los días analizados, las condiciones ambientales alrededor de la tormenta no fueron idóneas para la evolución de estas a superceldas, de acuerdo con la teoría planteada por Markoswski & Richardson (2010)Markowski, P., and Richardson, Y. (2010). Mesoescale Meteorology in Midlatitudes. Wiley-Blackwell. ISBN: 978-047-074-2136. 430 pp.
. Siempre considerando y coincidiendo con lo planteado con los mencionados autores, que la cizalladura vertical del viento constituye un requisito fundamental para el desarrollo de una tormenta convectiva luego de haberse iniciado, antes de esto puede ser un factor negativo en la misma.

Análisis de la segunda teoría

La segunda teoría centra su análisis en la dirección que presenta el movimiento de la tormenta con respecto a la vorticidad horizontal del ambiente, para poder ser o no incorporada a la rotación interna de la nube. Esta vorticidad puede dividiéndose en “vorticidad paralela” o “vorticidad perpendicular”. Esta teoría postula la existencia de un estado fijo de propagación de la tormenta, y a partir de ahí, considera que los movimientos de la misma conducen a la generación de una corriente ascendente en rotación, debido a la inclinación de un vórtice horizontal existente en el entorno previo (Davies-Jones 1984Davis-Jones, R. (1984). Streamwise Vorticity: The Origin of Updraft Rotation in Supercell Storms. National Severe Storms Laboratory,pp 2991.
).

Al realizar el análisis de la teoría de la “vorticidad paralela”, se tuvo en cuenta que la rotación de la corriente ascendente se produce cuando el vector diferencia (V - c) se encuentra orientado en el mismo sentido que el vector de la vorticidad vertical (w). Teniendo presente esta idea, los resultados arrojaron de manera general, que en cuatro de los casos analizados no existían condiciones donde la vorticidad horizontal pudiera ser incorporada a la corriente de la tormenta. En el caso del 24 de julio de 2017 (figura 8, derecha), aunque la orientación del vector w con el vector (V-c) no se encuentran posicionados estrictamente de forma paralela, si mostraron una tendencia más hacia el paralelismo que a la perpendicularidad de los mismos.

Se debe tener en cuenta en este análisis, el margen de error que pueden tener los datos al ser extraídos del modelo utilizado, así como los incorporados al procesar las observaciones del radar en el software Vesta Proceso. De acuerdo con lo antes mencionado, en el caso de 24 de julio de 2017 el movimiento de la celda convectiva pudo ser capaz de incorporar rotación adicional a su corriente ascendente mediante la inclinación de los vórtices horizontales generados por la cizalladura vertical del viento del ambiente. Sin embargo, los valores de esta variable en el ambiente eran muy pequeños, por lo que podría significar que la asimilación adicional de rotación en la celda convectiva, solo contribuyó al fortalecimiento de la misma, logrando alcanzar las dimensiones reflejadas en los anteriores epígrafes, pero no lo suficiente para dar así lugar a la formación de una supercelda.