La Precipitación convectiva en las cuencas internas de Catalunya

Introducción

En la zona Noreste Peninsular, y más concretamente en las Cuencas Internas de Catalunya (CIC) son frecuentes los episodios de elevadas intensidades de precipitación. Así pues no es suficiente en muchas ocasiones estudiar los episodios de precipitaciones con cantidades de lluvia acumuladas en 12 o en 24 horas, siendo necesario reducir la escala temporal del dato para poder estudiar y conocer mejor el fenómeno.

Usualmente se considera que los episodios convectivos son aquellos que registran elevados valores de intensidad de la precipitación. En sentido estricto no debemos asociar y confundir un episodio convectivo con lluvias intensas, ya que la convección es más general e incluye también episodios de baja intensidad de precipitación. Existen numerosos criterios para diferenciar entre el tipo de precipitación convectiva y la estratiforme, desde los que se basan en la observación del tipo de nube hasta los que requieren el uso del radar meteorológico (Husscke,1959; Houghton, 1950 y 1968, Houze, 1993; Doswell, 1994; Johnson et al, 1998; Rigo y Llasat, 2004). Sin embargo, la identificación sistemática de la precipitación de origen convectivo en series más o menos largas requiere la definición de una metodología simple, basada a ser posible, exclusivamente en datos de precipitación en superficie. En los años setenta, movidos por el impacto que las intensidades de lluvia altas ejercían en los radioenlaces, se realizaron diversas propuestas basadas en la intensidad pluviométrica (Dougherty y Dutton, 1978; Llasat y Puigcerver, 1985). La aplicación de un criterio semejante a una serie de intensidades suficientemente larga, como es la serie del pluviógrafo Jardí instalado en Barcelona desde 1927, y la comparación con las observaciones permitió introducir un parámetro, ß, para la identificación de la precipitación de origen convectivo, demostrándose que el error cometido despreciando intensidades menores o incluyendo lluvia de origen estratiforme era despreciable frente a la ventaja que suponía su aplicación hidrometeorológica (Llasat, 2001). Posteriormente, la utilización conjunta con el radar meteorológico, ha ido demostrando la validez de la propuesta (Llasat y Rigo, 2003; Rigo y Llasat, 2003).

Si hasta ahora el parámetro ß se había aplicado a series individuales, en este artículo se muestra su aplicación a escala regional. El objetivo estriba en obtener la distribución espacial y temporal de la precipitación de origen convectivo, a fin de caracterizar una región, las Cuencas Internas de Cataluña, y sus diferentes regímenes pluviométricos. Su interés se centra en mejorar la regionalización, habida cuenta de la importancia que los episodios altamente convectivos pueden tener en el ámbito hidrometeorológico y de la protección civil. Para facilitar el lenguaje, en este artículo se utilizará el término “convectivo” referido siempre a la precipitación, aunque no se explicite.

El cálculo del parámetro ß requiere datos de intensidad media de lluvia para cortos intervalos de tiempo. La red con información de intensidad de lluvia a escala 5-minutal disponible en las CIC es el Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH) de “l’Agència Catalana de l’Aigua”. El sistema fue instalado en el año 1996 y el periodo de estudio para el artículo corresponde a los años que van desde 1996-2002 (7 años).

Marco Geográfico, red de observación y datos

La zona de estudio está constituida por las CIC (Figura 1a) (llamadas así por comprender las cuencas de los ríos catalanes que transcurren completamente dentro de Catalunya). Estas limitan al norte con Francia, al oeste con la cuenca del Ebro, al sur con la cuenca del Júcar y al este con el Mar Mediterráneo. La orografía de las CIC es muy abrupta, con sistemas montañosos que van desde más de 2100 m en el Pirineo hasta los 500 m de la cadena litoral. Este tipo de cuencas se ve muy afectadas por los episodios de lluvias intensas, las consecuencias de los cuales suelen ser avenidas y "Flash-Floods", también traducidas como avenidas relámpago, sucesos hidrometeorológicos que dependen tanto de factores hidrológicos como meteorológicos, y que se distinguen de las inundaciones ordinarias por su corta duración y elevada intensidad pluviométrica.

Figura 1 Mapas geográficos considerados en el texto. a) Localización de Catalunya b) Red de estaciones SAIH.

Las 126 estaciones del SAIH de las CIC (Figura 1b) registran un dato de intensidad media cada 5 minutos. Los valores obtenidos por las 126 estaciones son enviados a un centro de control, el cual realiza un primer control de calidad de los datos, los almacena y distribuye la información a los usuarios.

Las características de los pluviómetros SAIH son las siguientes (Montes, 1997): son de tipo balancín, fabricados por Wilh Lambrecht Gamblf); la superficie colectora es de 200cm2 y tienen una capacidad de 2cm3 por cada vuelco; la báscula, desarrollada por Joss-Tognini, tiene un gran ángulo de descarga a fin de conseguir el vaciado rápido y completo, y una forma triangular para reducir problemas con el goteo; cada vuelco corresponde a una cantidad de precipitación de 0.1mm.

Como ya se ha comentado se trabaja con una base de datos 5-minutal, a partir de la cual se obtienen los valores de intensidad media y acumulados para diferentes periodos. Ello requiere un estricto control de calidad, ya que trabajos de calibración, averías o problemas en la transmisión pueden quedar reflejados o incluso, propagarse. El esquema siguiente muestra el proceso seguido para depurar los ficheros mensuales, objeto de este estudio.

Figura 2. Esquema del proceso de control de calidad de los datos de lluvia para obtener valores mensuales.

El parámetro ß

Debido a la información de la red de pluviómetros que se dispone, para este artículo se manejan datos de precipitación e intensidades 5-minutales. Por lo tanto, se utiliza la clasificación de precipitación convectiva en la que se considera lluvia de este tipo la que supera un umbral de intensidad 5-minutal de 35mm/h (Llasat y Puigcerver, 1997).

Así pues, para calcular y caracterizar espacialmente la precipitación convectiva se usará el parámetro ß:

“I_j,t” corresponde a la intensidad 5-minutal de la estación “j” en el intervalo “t”

“j” corresponde a la estación considerada

“T” corresponde al número total de intervalos que comprende el episodio o el mes considerado

Con el parámetro ß se establece una clasificación de los episodios pluviométricos o de los periodos temporales, es la descrita por Llasat (2001):

no convectivo

Dicha clasificación se basa en el estudio de la precipitación en Barcelona a partir del pluviógrafo de intensidades Jardí, a partir de 1927, habiéndose tenido en cuenta, también, la duración del episodio y las cantidades acumuladas.

La aplicación del parámetro ß puede realizarse tanto para caracterizar un episodio que pueda durar entre una y varias horas como un periodo que abarque días o incluso meses. Las figuras 3 y 4 muestran a título de ejemplo, la aplicación al episodio de inundaciones que se registró en octubre de 2002 en las CIC (Llasat et al, 2004).

Figura 3.- Distribución de la lluvia acumulada en las CIC entre el día 8 de octubre del 2002 a las 21:00 (hora civil) y el día 10 a la misma hora.

En el caso de que se trabaje con valores anuales, ß se calculará según:

“m” corresponde al mes, “a” corresponde al año y “j” corresponde a la estación considerada

Distribución espacial y temporal de la precipitación convectiva

Las precipitaciones acumuladas en todo este periodo (1996-2002) tienen sus respectivas características temporales y espaciales. En un primer análisis cualitativo de la evolución de la precipitación media en las CIC para cada mes se observan a grandes rasgos meses con un grado de afectación general, con cantidades de precipitación parecidas en toda la región de estudio, y otros con marcados valores en determinadas zonas: enero, cantidades elevadas de lluvia y con máximos en el Pirineo; febrero seco pero con precipitaciones en el noreste; el mes de marzo es seco; y junio, julio y agosto con mínimos en la zona litoral y pre-litoral.

En cambio, observando la evolución a lo largo de cada mes de la ß media de todo el periodo de estudio (1996-2002), se detecta que hay dos periodos claramente diferenciados, uno de diciembre a abril, con los dos meses inclusive, con valores de ß entre 0 y 0.1 y otro periodo de mayo a noviembre, con valores mucho más elevados de ß. El mes de mayo es clasificado como un mes de transición. Durante el periodo de mayo a noviembre se observa que toda el área de las CIC se ve afectada por bastantes episodios convectivos. En estos meses, se observa un incremento gradual en los valores de ß, hasta llegar a los máximos más extendidos en el mes de septiembre y disminuyendo en octubre para pasar a valores de ß=0 en diciembre. Es por esto que los meses convectivos serán los que van de mayo a noviembre, con estos dos inclusive.

La característica espacial que se extrae de las imágenes es la localidad del fenómeno, es decir, la gran variabilidad espacial de la lluvia convectiva. En las siguientes imágenes se muestra un ejemplo de los patrones que siguen los meses que presentan poca actividad convectiva y los de gran actividad convectiva (Figuras 5, 6, 7 y 8):

Figura 5.- Distribución del campo de lluvia para enero de 2001.

Figura 6.- Distribución del campo de ß para enero de 2001

Figura 7.- Distribución del campo de lluvia para septiembre de 2002.

Figura 8.- Distribución del campo de ß para septiembre de 2002.

Para hacernos una idea de la diferencia de precipitación convectiva entre unos meses y otros se ha dibujado un gráfico con el parámetro ß en función de la precipitación, de forma que lo que se obtendrá será una imagen con las cantidades de precipitación que suelen dar lugar a los valores de ß bajos y los altos. Estos resultados han sido generados para todo el intervalo temporal, de 1996 a 2002, y para cada mes; los valores que se representan son los valores mensuales de ß y de precipitación de las 126 estaciones del S.A.I.H. En la figura 9 se muestra la imagen obtenida de la representación global de ß mensual con respecto a la lluvia mensual; se representan los meses de Diciembre a Abril en un color y los meses de Mayo a Noviembre en otro color. Obsérvese como con las cartografías y la gráfica obtenida se puede establecer un periodo convectivo para las CIC, en el cual la precipitación convectiva (de intensidad elevada) corresponde a un elevado porcentaje de la precipitación total del episodio. Este periodo queda definido como el que va de Mayo a Noviembre.

Distribución espacial y temporal de episodios convectivos

Un episodio puede tener distinta duración según su definición, es decir, podemos tener que en un mismo intervalo de tiempo, según una definición se obtengan 3 episodios y según otra definición se obtenga únicamente uno. La definición que hemos considerado en este trabajo es la de episodio pluviométrico para cada estación. Como tal se entiende el intervalo de tiempo desde que empieza a llover hasta que existe una pausa de precipitación superior a una hora.

Teniendo en cuenta esta definición se han calculado los episodios totales y los de cada tipo que han tenido lugar en todo el periodo de 1996 a 2002 en las CIC, de forma que se han obtenido porcentajes de número medio de episodios anuales y porcentaje de precipitación media anual que aportan.

En los episodios de tipo 0 la principal característica es que por un lado, los episodios no convectivos representan más de un 90% del total, pero en cambio aportan entre un 60 y un 90% de la precipitación anual (Figuras 10 y 11). Los valores más bajos de este tipo de precipitación se recogen en la costa Dorada , situada hacia el sur de las CIC, así como en el noreste de las CIC.

Figura 10.- Porcentaje de episodios tipo 0.

Figura 11.- Porcentaje de lluvia de episodios tipo 0.

Figura 12.- Porcentaje de episodios tipo 1.

Figura 13.- Porcentaje de lluvia de episodios tipo 1.

Los episodios de tipo 2 representan entre un 1.5% y un 5.5% del número total y entre un 6 y un 30% de la lluvia (Figuras 14 y 15). El mayor porcentaje de precipitación de este tipo se recoge en la zona norte de la costa Dorada. Los episodios moderadamente convectivos son de mayor frecuencia que los ligeramente convectivos.

Figura 14.- Porcentaje de episodios tipo 2.

Figura 15.- Porcentaje de lluvia de episodios tipo 2.

Los episodios fuertemente convectivos corresponden a un 0.5% del total de episodios, pero en cambio aportan entre un 1% y un 5% de la lluvia total (Figuras 16 y 17). Los valores del 5% (de precipitación) se producen en la zona litoral de la costa Dorada y en la zona del Alt Empordà, situada en el extremo noreste de la región.

Figura 16.- Porcentaje de episodios tipo 3.

Figura 17.- Porcentaje de lluvia de episodios tipo 3.

La tabla 1 muestra unos ejemplos de las cantidades medias de lluvia anuales de cada tipo de episodio y para diferentes estaciones:

Conclusiones

El objetivo del trabajo ha sido determinar las características espaciales y temporales de la precipitación convectiva en las CIC y establecer la distribución de episodios.

Se ha partido de una base de datos de intensidades 5 minutales, la cual es muy útil para realizar un estudio de la precipitación convectiva. En la región de las CIC son muy típicas las precipitaciones de intensidades elevadas, tanto de corta como de larga duración, por lo que es de gran importancia disponer de una red de estaciones con medidas a intervalos temporales cortos.

A través de la realización de Cartografías climáticas se aprecia que las precipitaciones convectivas quedan enmarcadas en un periodo temporal concreto, bien definido, es decir, estas se producen de Mayo a Noviembre, a excepción de algún caso muy aislado como por ejemplo en Abril de 2002, en que se registraron 506.6mm con ß=0.37 en la estación de Boadella (Alt Empordà). Este periodo temporal convectivo ha sido también obtenido mediante la representación de ß frente a la precipitación.

Gracias a este análisis se han identificado también los meses con mayor actividad convectiva, y estos se corresponden con los meses de Julio, Agosto y Septiembre, con valores en Julio que sobrepasan en bastantes zonas el valor de ß=0.5, en Agosto valores de ß=0.4 y ß =0.5 muy abundantes y en Septiembre extensas áreas con valores de ß >0.4 y numerosos máximos de ß por encima de 0.6.

Una vez vista la distribución a escala mensual de la precipitación el siguiente paso ha correspondido al análisis de los episodios pluviométricos que tienen lugar en las CIC, y se han determinado las cantidades de precipitación que se recogen en episodios de tipo 0, 1, 2 y 3. Se observa que el porcentaje de episodios no convectivos en las CIC corresponde a más de un 90% del total de episodios. Sin embargo, la contribución de precipitación convectiva se halla entre el 10% y el 40%.

• Los episodios de tipo 1 corresponden entre un 1% y un 3% del total de episodios y representan entre un 5% y un 20% de la lluvia total. La distribución espacial no muestra ninguna zona predominante.

• Los de tipo 2 corresponden entre un 1.5% y un 5.5% y se recogen valores de precipitación entre un 6% y un 30%, registrándose los valores mayores en la zona norte de la costa Dorada.

• En cuanto a episodios fuertemente convectivos, estos equivalen a un 0.5% del total, sin embargo, aportan entre un 1% y un 5% de la lluvia total, obteniéndose estas cantidades máximas en la zona norte de la costa Dorada y en el Alt Empordà.

Concluida esta primera clasificación el siguiente trabajo a realizar contempla la aplicación del parámetro ß en la regionalización pluviométrica y en el estudio de eventos extremos.

Agradecimientos

El presente estudio ha sido realizado dentro del marco del proyecto de la Unión Europea Interreg IIIB MEDDOC (Unión Europea) HYDROPTIMET (2002-01-4.3-E-o27) así como en colaboración con los proyectos de la CICYT, MONEGRO y RAMSHES. Nuestro agradecimiento a la “Agència Catalana de l’Aigua” por los datos proporcionados del SAIH, y a Tomeu Rigo por su colaboración.

Referencias bibliográficas

Doswell, C. A., 1994. Flash Flood-Producing Convective Storms: Current Understanding and Research. Report of the Proceedings (1994) of the U.S.-Spain Workshop on Natural Hazards,Barcelona, España, 97-107.

Dougherty, H.T., E. J. Dutton, 1978. ‘Estimating year-to-year variability of rainfall for microwave applications’. IEEE Trans.on Comm. COM-26, 8, 1321-1324.

Houghton, H. G., 1950. A preliminary quantitative analysis of precipitation mechanisms. Journal of Meteorology, 7, 363-369

Houghton, H. G., 1968. On precipitation mechanisms and their artificial modification. Journal of Applied Meteorology, 7, 851-859

Houze, J. R. Jr., 1993. Cloud Dynamics. Academic Press: New York

Huschke, R. E., 1959. Glossary of meteorology. American Meteorological Society. Boston.

Johnson, J.T., Mackeen, P.L., Witt, A., Mitchell, E.D., Stumpf, G.J., Eilts, M.D., and Thomas, K.W., 1998. The Storm Cell Identification and Tracking (SCIT) Algorithm: An Enhanced WSR-88D Algorithm. Wea. Forecasting, 13, 263-276

Llasat, M.C., 2001. An objective classification of rainfall events on the basis of their convective features. Application to rainfall intensity in the North-East of Spain. International Journal of Climatology, 21, 1385-1400

Llasat, M.C. y Puigcerver, M., 1985. Un intento de aplicación a la Península Ibérica de un modelo empírico de precipitación. Revista de Geofísica, 41, 135-144

Llasat, M.C. y Puigcerver, M., 1997. Total Rainfall and Convective Rainfall in Catalonia, Spain. International Journal of Climatology, 17, 1683-1695.

Llasat, M.C. y Rigo, T., 2003b. The use of automatic raingauges and/or meteorological radar for identifying convective rainfall. Proceedings of the 4rd EGS Plinius Conference held at Mallorca, Spain, October 2002. Edited by Agustí Jansà and Romualdo Romero.

Llasat, M.C., M. Barnolas, M. Ceperuelo, M. Llasat, M.A. Prat, 2004. Algunos aspectos del impacto social de las inundaciones en Cataluña. Revista del Aficionado a la Meteorología, RAM 20. www.tiempo.com/ram/

Montes, J.M., 1997. Classificació espai-temporal dels episodis pluviométrics a partir d'un paràmetre físic caracteritzador de la pluja. Departament d'Astronomia i Meteorologia. Universitat de Barcelona, 110pp

Rigo, T. y Llasat, M.C., 2004. A methodology for the classification of convective structures using meteorological radar. Natural Hazards and Earth System Sciences, 4, 59-68.

Rigo, T.y Llasat, M.C., 2003. Analysis of convection in events with high amounts of precipitation using the meteorological radar. Proceedings of the 4rd EGS Plinius Conference held at Mallorca, Spain, October 2002. Edited by Agustí Jansà and Romualdo Romero.