Periodos de retorno. Estación de Santander-Ojáiz (Cantabria). Parte I

José Luis Pelayo Arce [https://www.ojaizmeteo.net/ojaiz/ojaiz.htm]

Nota de la RAM. Por su extensión, el artículo se ha dividido en varias partes que se irán presentando oportunamente.

Presentación

La importancia que tiene el agua para el hombre, tanto directa como indirectamente, es bien conocida por todos. A parte de los pocos explotados recursos que nos ofrece el agua del mar, la que utilizamos procede, en su mayor parte, de las precipitaciones atmosféricas y lo que realmente importa no es sólo la cantidad de agua caída, sino su distribución. Puede ser igualmente problemático la precipitación excesiva como la ausencia de ésta.

El agua que llega procedente de la precipitación es evacuada en diversas formas de evaporación o se infiltra; el resto da lugar a la escorrentía superficial la cual puede crear serias incidencias cuando los desagües –naturales o artificiales- no son suficientes. Por éste motivo, no es tan importante saber la cantidad de agua caída, sino más bien su distribución a lo largo de un período de tiempo. Este último dato es posible conocerlo y estudiarlo gracias al pluviógrafo.

El período de retorno, también denominado de recurrencia, es un concepto estadístico de gran aplicación en mucho ámbitos (meteorología, hidrología e ingeniería sobre todo), que intenta proporcionar en términos de un determinado período, habitualmente expresado en años, una idea de hasta qué punto un suceso puede considerarse raro. Suele utilizarse con distribuciones de variables extremas referidas a un período de referencia igualmente de un año; por ejemplo, la cantidad de lluvia caída en el día más lluvioso del año o incluso la intensidad máxima de la precipitación.

En hidrología es frecuente considerar zona inundable a aquella que es susceptible de ser cubierta por las aguas como consecuencia de tormentas de hasta quinientos años de período de retorno. Esto significa que la cantidad de lluvia caída en un solo día para ése período de retorno solamente se iguala o supera, estadísticamente, una vez cada 500 años. En términos numéricos se expresa que la probabilidad de que se presente una precipitación superior en un determinado año es

O bien, la probabilidad de que no se presente es la complementaria:

Sin embargo eso no implica que no puedan producirse dos tormentas de tal o superior intensidad en dos años consecutivos, o incluso en un mismo año. Un ejemplo de este tipo de avenidas lo tuvimos en el año 1996 con el desastre del Camping de Biescas. Más cercanos en el tiempo y en nuestro propio entorno, tenemos los episodios de las inundaciones debidas al río Deva en la zona occidental de Cantabria y zona limítrofe con el Principado de Asturias.

Para su elaboración se ha recogido información a través de Internet y, en algunos casos personalmente, a través del correo electrónico. Así mismo se han consultado algunas de las obras publicadas por la Agencia Estatal de Meteorología y libros de mí biblioteca personal (Manual de Climatología Aplicada, de Felipe Fernández García).

Capítulo 1

La Estación de Santander-Ojáiz. Rasgos geográficos y climáticos

1.1 El entorno geográfico

Cantabria es una Comunidad autónoma situada en la zona media septentrional de la Península Ibérica, bañada por las aguas del mar Cantábrico. Un ramal de la Corriente del Golfo, procedente de Las Antillas, transporta agua cálida hacia sus latitudes, por lo que los inviernos son suaves y los veranos poco calurosos.

La capital de la Comunidad autónoma es Santander; una ciudad de tamaño medio, localizada en una península con orientación SW-NE. que por el norte limita con el Cantábrico y hacia el sur con las aguas de la Bahía de Santander, estuario donde desembocan algunas corrientes importantes de agua como el río Miera o la ría de Solía y algunas otras de menor entidad. Con relación a la ciudad y siguiendo el borde de la bahía se han desarrollado una serie de núcleos de población que en su conjunto superan los 250.000 habitantes. Más de la mitad de ellos pertenecen al municipio santanderino.

Uno de los pueblos que configuran el Ayuntamiento de Santander es Peñacastillo. Se localiza al SW de la capital de la que dista, aproximadamente, ocho kilómetros El pueblo se compone a su vez de varios núcleos de población de menor entidad (barrios) cuyo carácter es eminentemente rural a medida que nos alejamos de su centro y de la capital, aunque cada vez está más degradado debido a la progresiva expansión de la ciudad en ésta dirección.

El barrio más alejado que limita con los municipios de Camargo y Santa Cruz de Bezana se llama Ojáiz, donde conviven edificaciones de tipo rural con otras de segunda residencia. La localización exacta del punto de estación viene dada por las siguientes coordenadas geográficas: Longitud: 3º 53’ 03” W. Latitud: 43º 26’ 39” N. Altitud: 37 metros.

Al igual que la franja litoral, el conjunto del área pertenece a la España de clima atlántico caracterizado por temperaturas suaves y abundantes precipitaciones durante todo el año, incluso en los meses estivales. Si bien la Estación de Ojáiz se encuentra relativamente alejada del litoral (3,5 kilómetros en línea recta) y por ello no está influenciada directamente por el mar.

El entorno de la estación está rodeado de praderas y tierras de cultivo, cuyo terreno está formado a base de arcillas bajo el manto de tierra vegetal. La mayor parte del suelo de Peñacastillo corresponde al periodo cretácico. Las rocas que componen La Peña forman un afloramiento calizo en medio de terrenos prácticamente llanos. Este monte es la mayor altitud del municipio con sólo sus 140 metros y en línea recta está separada de la Estación unos dos kilómetros.

El emplazamiento de la Estación se localiza en la pendiente de una ligera loma orientada hacia el NE y que desciende suavemente hasta los terrenos llanos de las mieses. Por el Sur se halla al resguardo de una serie de edificaciones, pero lo suficientemente alejada de ellas de modo que no influyen en absoluto en las medidas que se recogen.

Salvo la Peña de Peñacastillo no hay accidentes orográficos dignos de mención en los alrededores, pero sí destaca el pequeño alto (sinclinal) donde se asienta el Barrio de Lluja (en dirección NNE y a 1,2 kilómetros de distancia en línea recta). Por el Sur se extiende una llanura irregular de algo más de 2 kilómetros de ancho y cuyo terreno va descendiendo progresivamente hasta las Marismas de Alday. Hacia el SE, y rebasando ésta especie de meseta, la altitud va decreciendo igualmente hasta entroncar con el pequeño valle donde se emplaza el pueblo de Igollo de Camargo. Finalmente, hacia el NW y N se localizan los bordes más altos de esta pequeña depresión, sin que en ningún caso se superen los 40 metros de altura.

Tampoco existen corrientes importantes de agua, pero sí riachuelos de caudal muy variable según sea el régimen de lluvias. Entre todos ellos destaca el Arroyo de Otero (ó de Irmas) que flanquea por el norte los límites de Ojáiz antes de adentrarse, nuevamente, en el municipio de Santa Cruz de Bezana que es de donde procede.

La orografía más alejada de la Estación ya presenta relieves de cierta entidad pero que no influyen en absoluto en el entorno cercano del observatorio, y sólo se tienen en cuenta como referencias visuales. De entre ellos destacamos la Sierra de Liencres (hacia el NW y a 4 kms de distancia, con 240 metros de altura); a Sierra de Pilis (en dirección N. y a 3 kms de distancia, cuya altitud está cercana a los 70 metros); y por último la Sierra de Peña Cabarga, un gran murallón calizo de 540 metros, en dirección Sur, a más de 10 kilómetros.

1.2 Rasgos climatológicos

El clima de Ojáiz es húmedo, caracterizado por temperaturas poco altas en el verano; hay contadas excepciones debido a la afluencia de vientos del sur (efecto Föehn), que hace subir las temperaturas, incluso en invierno, por encima de los 25ºC. Los inviernos son relativamente suaves, pero en ocasiones se registran temperaturas por debajo de cero debido a la aparición de heladas de radiación; su media de ocurrencia es de 14 días al año y se producen con tiempo estable en invierno (anticiclón invernal) y ausencia de viento.

El promedio anual de lluvias es elevado (168 días/año), que dan un total anual medio de 1136,6 mm, la mayoría en forma líquida. Habitualmente no nieva, aunque en ocasiones y debido a la afluencia de masas polares sí se registra éste fenómeno. Su promedio es de 1,2 días/año.

Son abundantes las nieblas, sobremanera las de advección, más frecuentes en verano, cuando las masas de aire más cálidas atraviesan una superficie fría (el mar). Las nieblas de radiación aparecen en invierno, a finales de éste, mediados de primavera y en menor porcentaje durante el otoño. Su promedio es de 14 días al año. Hay un elevado número de días de rocío, que por término medio aparecen unos 135 días cada año.

La velocidad del viento suele ser moderada, con un promedio de 35 días al año en los que esta variable supera los 50 k/h (días de viento fuerte). La dirección predominante es la del NW. El recorrido medio anual del viento (de 00 a 24 horas) es de 202,7 km con un máximo en los meses de Diciembre (309,6 km). La racha máxima alcanzada ha sido de 126 k/h en los meses de Noviembre de 2000 y Octubre de 2006, y del WNW en ambos casos.

El número medio de horas de sol anuales, 1484,39, es moderadamente bajo. El mes de Julio es el más soleado (173 horas de media), frente a Diciembre, el de menor insolación, con 73,23 horas. La nubosidad es abundante, registrándose 5,3 octas de media anual.

La presión media a nivel de la Estación arroja un valor de 1012,4 hPa.

El índice de aridez de Martonne señala un valor de 47,4 (clima húmedo) y el de Dantin-Revenga la cantidad de 1,2 (España húmeda). Estos valores fueron calculados en el Resumen de los 25 años de Observaciones de la Estación de Ojáiz.

Capítulo 2

La precipitación

2.1. Conceptos básicos

El término precipitación es utilizado para designar la caída de todas las formas de agua (líquidas o sólidas) sobre la tierra, pero por lo general sólo la nieve y la lluvia son los agentes que contribuyen de una manera más significativa a los totales de precipitación.

La lluvia es el fenómeno meteorológico que influye más directamente en el medio natural. Es también el elemento climatológico más popular, del que más se habla y que siempre es noticia, unas veces por su escasez y otras por su exceso. Condiciona nuestras actividades diarias, nuestros trabajos y nuestro ocio y de ella depende el suministro de agua. Supedita también los ciclos agrícolas y la distribución de las distintas especies, tanto animales como vegetales

En la Estación de Ojáiz los términos de lluvia y precipitación pueden ser empleados al mismo tiempo dado que la mayor parte de dicha precipitación es en forma líquida. Le sigue en porcentaje acumulado el granizo y con un valor muy pequeño las precipitaciones que se producen en forma de nieve. También pueden considerarse precipitaciones el rocío, la niebla y la escarcha, pero su contabilización es prácticamente inapreciable y en muy pocas ocasiones dejan registros medibles.

2.2. Valores normales medios mensuales

Los datos de precipitación en la Estación de Ojáiz han sido obtenidos mediante un pluviómetro oficial Hellmann de 200 litros, cuya instalación sigue las pautas dictadas por la OMM (Organización Meteorológica Mundial). La boca del colector está situada a una altura de 1,50 metros sobre el suelo cubierto de césped. El inicio de las observaciones de precipitación se remonta al 1 de Enero de 1984 y sigue hasta la fecha actual sin que existan lagunas (falta de datos) en dicha serie.

La tabla siguiente muestra los valores normales medios de precipitación y fenómenos atmosféricos para la Estación de Ojáiz, cuyo periodo abarca desde el 1 de Enero de 1984 al 31 de Diciembre de 2009. Así mismo, también se relacionan en ella los valores de precipitaciones máximas, tanto en un mes como en 24 horas.

A la vista de los datos mostrados en las tablas, observamos que la mayor precipitación se registra en los meses de otoño, siendo entre éstos el mes de Noviembre el de mayor cantidad de agua recogida (supone el 85,8% del total de precipitación anual). El mes más seco está incluido en la época veraniega y corresponde a Julio con 50,8 L/m2 de media.

La cantidad de días de precipitación apreciable también confirma que Noviembre es el mes con más días de lluvia, frente al mes de Agosto que es el de menor valor de toda la serie anual. Cabe destacar así mismo la cantidad de días de rocío que se reparten durante todos los meses del año, pero es en septiembre donde se alcanza el máximo. Todos los meses registran algún día de tormenta, siendo éstas más frecuentes en los meses de Mayo y Junio. Los días de escarcha quedan restringidos exclusivamente al periodo invernal (Enero y Diciembre son los meses con mayor frecuencia de aparición de éste fenómeno), aunque también se dan heladas tempranas (Noviembre) y tardías (mes de Marzo). Los días de granizo están prácticamente ausentes en el periodo estival, pero se reparten irregularmente en el transcurso del resto del año. En otoño e invierno su aparición está asociada al paso de profundas borrascas y frentes fríos, mientras que en primavera y verano su aparición es debida a tormentas convectivas intensas.

Capítulo 3

Probabilidades de ocurrencia de la precipitación

3.1. Precipitación total anual

Analizamos a continuación las precipitaciones totales anuales del observatorio de Santander-Ojáiz, durante el periodo de 1984 a 2009.

En primer lugar se indican, por orden cronológico, los valores correspondientes a las precipitaciones totales anuales en cada uno de los años del periodo citado.

Vemos en la tabla anterior que la precipitación máxima de toda la serie se anotó en el año 2008, en el cual se alcanzó un valor de 1619,3 mm. El siguiente año más lluvioso ocurrió en 1986 donde se alcanzaron 1553,2 mm; el año más seco fue 1989, con 830,7 mm, al que le siguen los de 1987 (979,0 mm) y 2001 (931,5 mm). El recorrido de la serie –diferencia entre el valor máximo y el mínimo- es de 788,6 mm.

En el cuadro siguiente las precipitaciones están ordenadas por magnitud creciente. Se señala en la primera columna el número de orden que ocupa, en la segunda la precipitación anual y en la tercera la probabilidad de que en un año se registren precipitaciones inferiores a las que tiene a la izquierda.

Los datos de la tabla anterior se han representado gráficamente a continuación:

Observamos en el gráfico que existe una probabilidad del 25% que las precipitaciones en la Estación de Santander-Ojáiz, sean inferiores a 1028,7 mm; un 75% de que sean menores de 1229,6 mm., y un 98% a que la cantidad de lluvia no supere los 1619,3 litros por metro cuadrado; es decir el 100% de las precipitaciones registradas son menores al año más lluvioso registrado, pero no se puede asegurar que nunca, en el futuro, se vaya a presentar un año con precipitación superior a 1619,3 mm.

Muchas veces nos hemos preguntado si puede superarse un valor dado y en qué periodo de tiempo puede llegar a igualarse o a excederse. Normalmente los valores de precipitación de los que hacemos objeto de estudio vienen medidos en milímetros; pero todo depende de la variable estudiada, del rango de valores entre los que ésta se mueve y de las unidades utilizadas. Por lo tanto, se hace necesario homogeneizar la unidad de medida y para ello se recurre a la variable tipificada que se representa generalmente como u ó z. La fórmula que la calcula se muestra a continuación:

z= x – (media de x) / desviación típica

Para el cálculo de estas probabilidades hemos de suponer que los valores se ajustan a la Ley de Gauss y deberemos conocer su media aritmética y la desviación típica.

Sabemos que el promedio de la serie de precipitaciones en el periodo de 1984 a 2009 es de 1145,5 mm., mientras que la desviación típica de esos mismos datos arroja un valor de 181,6. Si aplicamos la fórmula, escogiendo el valor máximo de la serie, tenemos que:

z = 1619,3 – 1145,5 / 181,6 = 2,6

Esto significa que la precipitación máxima del periodo está 2,6 desviaciones típicas por encima de la media. Para calcular la probabilidad de que z >= 2,6 se aplica la ecuación de Gauss, pero como esto no es fácil nos podemos ayudar de tablas tabuladas o por medio de la hoja de cálculo de Excel. Por uno u otro método el valor es el mismo (0,0047); lo que significa que la probabilidad de que vuelva a registrarse una precipitación igual a la máxima del periodo es de tan sólo un 0,47%.

Comparamos ahora el promedio y la desviación típica de la serie con el valor inmediatamente superior a la media que ocupa el puesto 16 en la tabla de la página anterior. El resultado de aplicar la fórmula y las tablas de Gauss es el siguiente:

z = 1149,3 – 1145,5 / 181,6 = 0,02

Al buscar el resultado en las tablas de Gauss, nos da un valor de 0,492; la probabilidad de que se alcance de nuevo este dato de precipitación es de un 49,2%.

3.2. Precipitaciones máximas anuales

Se muestran a continuación las precipitaciones máximas anuales en la estación de Santander-Ojáiz durante el periodo de 1984 a 2009.

Siguiendo el mismo procedimiento del apartado anterior, en la tabla siguiente se indican por años las cantidades máximas mensuales registradas y el mes de ocurrencia recogidas:

La cantidad máxima de toda la serie de datos corresponde al mes de Octubre de 1992 con 365,6 mm; en el lado opuesto, la precipitación mínima anual se registró el mes de Diciembre de 1993, con 166,4 litros por metro cuadrado. El rango de la serie -la diferencia entre el máximo y el mínimo- es de 199,2 mm. Una buena parte de las precipitaciones máximas se han producido en el mes de Noviembre (42%); cinco de ellas en Enero; tres, en Octubre y Diciembre y en tan sólo una ocasión en los meses de Marzo, Abril, Agosto y Septiembre.

En el cuadro siguiente las precipitaciones están ordenadas por magnitud creciente. Se señala en la primera columna el número de orden que ocupa, en la segunda la precipitación anual y en la tercera la probabilidad de que en un año se registren precipitaciones inferiores a las que tiene a la izquierda.

M: Número de orden; R: Precipitación total; P: Probabilidad (P = 100 * M / n + 1)

Hemos representado gráficamente la tabla anterior en la página que sigue:

Vemos cómo en un 25% de los casos las precipitaciones máxima anuales serán inferiores a los 169,1 mm., mientras que existe un 75% de probabilidad de que sean, también inferiores, al valor de 275,2 mm.

Se observa también, ayudados por el gráfico anterior, que los valores máximos anuales se concentran en cinco grupos bien diferenciados: El primero de ellos corresponde a precipitaciones que oscilan entre los 145 y 156 mm; un segundo grupo aglutina los valores máximos en un rango que oscila entre los 166 y 173 mm; el grupo tres contiene precipitaciones un poco por encima de los 200 mm, entre un 39 y un 55%; la agrupación siguiente, con precipitaciones cada vez más elevadas, integra a las cantidades cercanas a los 250 mm, que suponen un porcentaje entre el 63 y el 70%. Finalmente, el quinto grupo, con valores algo más dispersos oscila entre los 275 y 293 milímetros.

Aplicando el mismo procedimiento que en el apartado anterior, podremos calcular qué probabilidades existen para que un determinado valor vuelva a repetirse. Para ello, como anteriormente, nos valemos del promedio de la serie y de su desviación típica para encontrar la variable tipificada y, a partir de ésta con las tablas tabuladas de Gauss, calcular la probabilidad de que el suceso vuelva a aparecer.

Así tenemos que el valor del promedio para las precipitaciones máximas anuales es de 219,5, siendo la desviación típica de 59,8. Utilizando la fórmula para el valor más elevado de la serie tenemos que:

z = 365,6 – 219,5 / 59,8 = 2,4 de variable tipificada

Y buscando en las tablas tabuladas vemos que para un valor de 2,4, le corresponde 0,00820, o lo que es lo mismo un 0,82%.

Si utilizamos como valor de referencia la mediana de la serie obtenemos estos nuevos valores que son inferiores a la media:

z = 204,4 – 219,5 / 59,8 = -0,25

En el caso de valores negativos se toma 1 – el valor de la tabla (valor complementario) lo que nos da un valor de 40,1%.

3.3. Precipitaciones máximas en 24 horas.

Se trata de la mayor cantidad de precipitación recogida en el transcurso de 24 horas. En los registros se introduce la mayor del mes y, de entre éstas, el máximo valor del año que se aborda. A primera vista comprobamos que su distribución es muy regular y no se aprecian diferencias muy notables entre los datos. Por otra parte cabe señalar que la precipitación es la variable que presenta mayor oscilación en el transcurso del tiempo y no está sujeta a una cadencia uniforme como por ejemplo en el caso de la temperatura, donde es fácil comprobar que la curva anual asciende progresivamente desde principios de año hasta un determinado mes (en el caso de la Estación de Ojáiz es Agosto), para a partir de este punto iniciar un nuevo y paulatino descenso hasta finales de año.

Las series pluviométricas no siguen un patrón constante aunque a partir de ellas se pueden diferenciar los periodos más lluviosos o los más secos dentro de una escala de tiempo. Las precipitaciones máximas están sujetas a múltiples factores: Chubascos cortos pero intensos, a veces acompañados de tormenta o, también, un largo periodo de días de lluvia favorecido por las borrascas atlánticas.

En el cuadro que sigue a continuación se muestran los valores máximos en 24 horas, en el que se indican también el año y el mes de ocurrencia, ordenados por años:

Las cantidades máximas oscilan entre los 33,3 milímetros del mes de Diciembre de 1999, hasta los 90,6 mm del mes de Octubre de 1986. El rango de la serie arroja un valor de 57,3 mm y el promedio de los datos nos da la cantidad de 58,2 litros/ m2..

En el cuadro de la página siguiente las precipitaciones están ordenadas por magnitud creciente. Se señala en la primera columna el número de orden que ocupa, en la segunda la precipitación anual y en la tercera la probabilidad de que en un año se registren precipitaciones inferiores a las que tiene a la izquierda.

La representación gráfica de los valores anteriores es la siguiente:

En este caso existe una probabilidad un poco superior al 25% de que las precipitaciones máximas en 24 horas sean inferiores a 49,3 mm mientras que en un 74% serán inferiores a 66,1 mm.

Utilizando el valor promedio de la serie así como su desviación típica calculamos la variable tipificada y consultando las tablas tabuladas de Gauss sabremos la probabilidad de que un suceso vuelva a aparecer.

El valor máximo de la serie es de 90,6 y la desviación típica de la muestra de 12,65.

z = 90,6 – 58,2 / 12,65 = 2,56 de variable tipificada

La correspondencia de 2,56 en las tablas en de Gauss es de 0,052, igual a 5,2%.

Para el valor mínimo de la serie: 33,3 – 58,2 / 12,65 = -1,96.

En el caso de valores negativos se toma 1 – el valor de la tabla (valor complementario) lo que nos da un valor de 16,6%.

Continuará