Interpretando mapas meteorológicos suministrados por modelos numéricos de predicción

Introducción

En muchas ocasiones necesitamos conocer los valores de las variables meteorológicas cercanas a la superficie de la tierra, donde realizamos y pasamos la mayor parte de nuestra vida. Los modelos numéricos suelen generar salidas de la temperatura a 2 metros, T2m, la humedad a 2 m, RH2m, viento en superficie, viento a 10 metros, rachas estimadas, precipitación y nieve, etc. Pero ¿qué representan realmente estas variables cuando están referidas a 2 ó 10 m.?, ¿son las que realmente vamos a sentir y vivir en el devenir de los días? o por el contrario ¿debemos ajustarlas para nuestra zona o área donde vivimos?

Tomaremos el viento a 10 m como referencia para explicar este tipo de mapas y dar unas pautas de cómo interpretarlos.

El viento en capas bajas del modelo numérico

El viento es una de las variables más importantes de los modelos numéricos y debe ser representada y predicha de la forma más fiable y realista posible. En niveles bajos los vientos están modelados y condicionados por los accidentes orográficos, zonas fronteras de separación costa –tierra, obstáculos hechos por el hombre, etc., además del entorno sinóptico donde se desarrollan. Por lo tanto, las salidas del viento en capas bajas están altamente condicionadas por la calidad de la orografía del modelo de la representación del suelo, rugosidad, etc. Cuanto más resolución espacial tiene un modelo más realista debe ser su orografía y las características del suelo. Es imposible pensar, por ejemplo, que el viento en el estrecho de Gibraltar pueda ser simulado por un modelo cuando su orografía no ve dicho paso y la Península y África están unidas dentro de la orografía del modelo referido. Modelos de baja calidad en orografía y resolución pueden representar a islas como Menorca o Ibiza como un punto, sin más, o incluso no verlas o tenerlas en cuenta. Será imposible para estos modelos simular los vientos locales. En la siguiente figura se observa cómo la orografía de un modelo no puede reproducir ciertos vientos en los valles y crestas porque no el modelo no “ve” con detalle los accidentes orográficos reales. La orografía del modelo suele ser más suavizada que a real.

Por otra parte, vientos puramente mesoescalres como las brisas de mar y montaña serán sólo reproducidas por modelos de alta resolución, digamos del orden de kilómetros en tamaño de rejilla y siempre que su orografía se ala adecuada.

El vector viento

El viento en la atmósfera es un vector tridimensional. La componente vertical, w, en general, es de menor orden que las componentes horizontales, u y v, salvo en las corrientes verticales de origen convectivo. Por este motivo, entre otros, el vector viento 3D se suele descomponer en su componente vertical y la componente horizontal. Nos referiremos al viento horizontal, Vh, que seguirá siendo un vector con dos componentes.

El viento horizontal

El viento horizontal está caracterizado por el módulo de la velocidad y por el sentido, que nos indica de donde viene el aire a un nivel determinado. Podemos encontrar diversas unidades de la velocidad. Normalmente aparece en nudos (Kts o kt), Km/h o en m/s.

Algunas conversiones útiles son éstas:

1 kt=1,8 Km/h 1 kt=0,5 m/s

1 Knot = 1.15 Millas por Hora (MPH)

1 Knot = 1.9 Kilómetros por Hora (Km/h)

En este enlace puedes encontrar un sitio donde se pueden realizar conversiones de unidades de viento:http://www.conversioni.it/velocita_es.asp

Por otra parte, el sentido del viento hay que representarlo de forma que nos indique de donde viene respecto al norte geográfico y medidos en grados, de 0- 360º.

La representación más intuitiva para mostrar el viento es mediante vector cuya longitud está asociada al módulo de la velocidad y el sentido de donde viene. Otra representación es mediante barbas y banderas, como aparece en las siguientes figuras. Tomaremos los nudos como referencia, aunque lo comentado aquí vale para cualquier otra unidad de medida.

Las barbas. Vientos del orden de 10 nudos, o unidades arbitrarias (Km/h, mps,...), se representan mediante un segmento largo y formando un ángulo algo mayor a 90º respecto al segmento que nos indica el sentido, que es el más largo de todos. Los vientos del orden de 5 nudos se representan por uno corto. Vientos de dos segmentos largos o más indicaran tantas decenas de nudos como segmentos. Si al final aparece, además, uno y sólo un segmento corto habrá que sumarle 5 nudos.

Banderas. Vientos de 50 nudos deben ser representados por una especie de triangulo isósceles o similar con el lado base más pequeño sobre el segmento de la dirección. En altura pueden aparecer vientos superiores a los 100 y 200 nudos. En estos casos habrá que dibujar tantas banderas de 50 nudos para llegar al valor deseado y sumarle tanto segmentos de 10 nudos como sean necesarios. Sólo deberá aparecer un segmento corto asociado a 5 nudos.

La lectura de la intensidad de los vientos en barbas y banderas se obtiene sumando los elementos que componen la representación. En el último ejemplo, y en la parte inferior, tendríamos: 50+10+10+ 5=75 nudos.

Las salidas numéricas y observaciones se suelen redondear al viento más próximo representable. Un viento de 14 nudos se representará como uno de 15. Otro de 21 nudos se hará como el de 20, etc. En otras palabras vientos entre, por ejemplo 12,5 y 17,5 se representan comos si fueran del orden de 15. Este hecho es importante a la hora de interpretar correctamente las salidas de los modelos en formato “barba”.

Vientos en capas muy bajas

Los niveles o alturas a representar el viento en capas bajas dependen del uso y aplicaciones. Se suelen obtener vientos cercanos a superficie, como a 10 m., 20m.,, 50 m.,.. etc., según los requerimientos del usuario. Todos están referidos a la altura de la orografía del modelo del cual se obtuvo. Lo más normal es representarlo a 10 m sobre el nivel del modelo, WIN10. Este hecho es crítico cuando veamos y comparemos vientos a 10 m sobre el nivel del mar o sobre el nivel de la montaña del modelo pues estaremos viendo datos a diferentes niveles según la orografía del propio modelo.

En determinadas ocasiones es bueno representar en un mapa los módulos o intensidad del vector viento. Obtendríamos de esta manera un mapa de isotacas o de igual velocidad. En ellos no hay referencia directa a la dirección del viento. Recordar que una isotaca es una línea que une puntos que tienen igual velocidad del viento en un mapa de nivel o presión determinado.

Cuando se pretende estimar el viento sobre la superficie real es necesario realizar un postproceso con ajustes oportunos para salvar las diferencias entre el viento del modelo y el viento real, así como la orografía del modelo y la real. Basta ver la primera figura para comprender que el viento en una cima real dista de ser el de la cima a 10 m dado por el modelo. Nos referiremos siempre a las salidas del viento dado por los modelos referidos a su orografía.

La representación del viento, viento horizontal, se suele hacer sobre un punto de grid determinado, mediante la forma de vector por flecha o por barbas, en meteogramas sobre un punto determinado, etc.

Análisis de los mapas de viento y rachas

Una de las características del viento es su variabilidad y rafagosidad. El viento en capas bajas cambia súbitamente intensificándose y debilitándose en intervalos muy cortos de tiempo. Los valores del viento y de la racha máxima suelen ser instantáneos obtenidos en ciertos momentos de las salidas del modelo de predicción.

Vientos

Un modelo realiza predicciones en muchos puntos de rejillas a diferentes alturas, en periodos de tiempo predeterminados o pasos de tiempo del modelo, pongamos por ejemplo cada 5 min. En determinados momentos las variables del modelo son “volcadas” en salidas estándares en el proceso de predicción, de forma que tendremos información de campos y variables meteorológicas cada 1, 3, 6 ó 12 horas. El viento que suministra los modelos lo hace en estos periodos específicos sin tener en cuenta su historia pasada: es un viento instantáneo en ese momento indicado por post proceso del modelo en los puntos de rejilla.

Ya que el modelo realiza predicciones en pasos de tiempo muy cortos, es posible almacenar algunas variables como es el viento y, posteriormente, obtener el viento máximo en dicho periodo de integración en 1,3, 6 o 12 horas. De esta forma podríamos obtener el viento máximo, viento medio, viento mínimo etc., en dicho periodo de tiempo y al nivel seleccionado. Estas salidas no son muy usadas por su escasa utilidad. Muchos son los portales de Internet proporcionan es tipo de información: salidas del viento del modelo cada hora, 3, 6.. etc., horas.

Las rachas

Los mapas de rachas son más difíciles de encontrar en Internet aunque si están disponibles en muchos SMN. El cálculo de las rachas cercanas a la superficie requiere modelos con bastantes niveles y puntos de rejillas dentro de la capa límite planetaria, PBL, una buena orografía, descripción del propio suelo y parametrizaciones y física del modelo muy elaboradas sobre la turbulencia, momentos de flujo, energía cinética turbulenta, datos de rugosidad superficial etc. Los métodos de estimación de las rachas son variados y complejos. Indicaremos alguno de ellos.

Una estimación muy grosera de la racha a 10 m., sería tomar el viento máximo en la vertical del punto entre la superficie y la capa limite planetaria, PBL, ajustado con algún tipo de coeficiente. Otros métodos más simples multiplican por un coeficiente el viento a 10 m., para así obtener la racha máxima. Por ejemplo, por 1.3 si estamos en las zonas marinas abiertas hasta 2.3 en zonas con pobladas y con obstáculos.

Otra forma algo más elaborada, y siempre dentro de la PBL, se ría calculando el exceso de la velocidad de viento sobre la superficie en cada nivel. La racha se obtiene sumando la velocidad del viento en superficie con un sumando de exceso de viento. Este último se obtiene multiplicando un coeficiente (f(z)) que decrece con la altura, z, desde 1.0 a 0.5 a 1 km de altura, y es 0.5 para cualquier altura > 1 km. La racha en superficie es estimada como:

Racha = vsfc (viento en superficie o a 10 m) + MAX ((f(z)*(v(k)-vsfc))

Básicamente estos métodos suponen que al viento a 10 m., hay que añadirle un sumando resultante del desvío hacia niveles bajos del aire que sopla en la capa límite planetaria por la turbulencia.

Otros métodos analizan la energía cinética turbulenta, parametrizan procesos complejos ligados al viento en la capa límite planetaria, tienen en cuenta la rugosidad del terreno, etc., y mediante un formulismo complejo matemático –físico obtienen la racha estimada a 10 metros.

Estos procedimientos NO suelen tener en cuenta las rachas generadas por la convección que genera el modelo. Parametrizaciones y formulaciones más avanzadas pueden, además, estimar dichas rachas de origen convectivo.

Estos métodos descritos hasta ahora lo podemos llamar deterministas ya que proceden de modelos donde sólo hay un escenario de evolución y, por lo tanto, sólo una salida en un momento determinado sin indicar el grado de probabilidad de que ocurra por ejemplo, vientos superiores a un valor dado.

Mapas de vientos probabilísticos

Si disponemos de un modelo de predicción con un solo escenario evolutivo tendremos mapas de vientos a determinadas horas de tipo determinista. Estos mapas, como los de otras variables obedecen a un solo modelo y predicción única. Pero sabemos que a medida que nos alejamos en el tiempo la fiabilidad de los modelos deterministas decae. En estos casos la aproximación por predicción por conjuntos, o EPS, es la más valida. En ella tenemos la evolución de una multitud de escenarios o conjunto de modelos que difieren en las condiciones iniciales de partida, físicamente perturbadas para generar escenarios de evolución donde se supone que está la evolución real de la atmósfera. A partir de los 50, 20, … escenarios se puede calcular, para un momento determinado, la probabilidad de que en una zona determinada se den vientos superiores a 35 nudos, por poner un ejemplo. De esta forma podremos cuantificar la incertidumbre de dicha predicción. Veamos unos ejemplos de ambos tipos de aproximaciones más adelante.

Otras consideraciones que podemos obtener de los campos de vientos son las zonas de convergencia y divergencia, las zonas donde los vientos se canalizan por la orografía, las zonas de aceleración y desaceleración , la presencia de chorros en bajos niveles, zonas de giros asociados a frentes, etc. Si además representamos los vientos con otros campos como la temperatura o humedad podríamos analizar las advecciones térmicas y de humedad, respectivamente. Pero estos otros temas que no se tratarán aquí.

Algunas salidas e interpretación

a. Mapas deterministas

Formato vector

Es muy común sobre impresionar el mapa de vientos a 10 m sobre un mapa orográfico para observar los efectos del relieve en la canalización de los vientos, su redistribución, etc. Obsérvese en este mapa cómo los vientos se aceleran en el estrecho de Gibraltar, Golfo de león y Valle del ebro corriente arriba. La imagen esta superpuesta con la distribución de T a 2 m de altura en la escala de colores adjunta. Los vectores vientos no nos marcan la intensidad absoluta de una forma tan evidente cuando representamos con barbas. Este hecho es una gran imitación que se suele corregir si el vector se colorea según la intensidad de la velocidad, como se verá más adelante.

En la siguiente salida los vientos se colorean según la temperatura a 2 m, T2m. En estos casos no es fácil observar los procesos de advección térmica, pero sí nos ofrece una distribución orientativa de las masas de aire puestas en juego.

En el siguiente ejemplo, se ha suprimido la orografía y se ha representado el viento con barbas convencionales y en nudos. La lectura de la intensidad del viento es inmediata, siendo está una de las formas preferidas para la presentación del vector viento. No se representan las calmas para no apelmazar el dibujo y se representa la T2m según la escala de colores adjunta. En las zonas de advección térmica el vector viento atraviesa las isotermas más o menos perpendicularmente, indicando posible transporte o desplazamiento de aire calido o frío. Así por ejemplo sobre la isla de Mallorca hay advección cálida.

Es muy común representar el viento a 10 m sobre mapas de presión en superficie reducidas al nivel del mar. En estos mapas debemos considerar que el viento se ha obtenido a 10 m sobre el nivel orográfico del modelo (interpolando entre los niveles disponibles) y la presión se ha reducido al nivel del mar: estamos, pues, comparando niveles que pueden ser diferentes.

En las zonas marítimas y oceánicas lejanas a la orografía terrestre el viento suele estar relacionado con los sistemas de presión. El viento cruza las isobaras hacia el mínimo y se intensifica cuando las isobaras se apelmazan o poseen un fuerte gradiente. Por el contrario, cuando nos acercamos a tierra las influencias en el mar se dejan notar y aparecen vientos que “cruzan las isobaras”, como ocurre en el estrecho de Gibraltar. Por último, en las zonas de tierras elevadas, la presión se reduce virtualmente a un nivel que queda por debajo de dicha altura mientras que el viento se representa sobre dicha topografía, pudiendo haber diferencias notorias cuando analizamos dos campos obtenidos a niveles diferentes: a 10 m sobre el modelo y a otro nivel ficticio. Obsérvese estos hechos en el mapa siguiente.

Modelos con resolución más alta permiten obtener vientos más cercanos a la realidad, como ocurre con estas salidas del modelo MM5 que se corre en la Universidad de las Islas Baleares.

Con viento del SE en capas bajas, la isla de Mallorca es capaz de alterar localmente los vientos en su interior y zonas circundantes.

Barbas

Muy común es representar el viento a 10 m., junto con el mapa de isotacas resaltando de esta forma las zonas de vientos intensos, fuertes o débiles según cómo se representen. En la figura siguiente vemos el campo de vientos e isotacas coloreadas, según escala adjunta.

Rachas

Los mapas de rachas son más difíciles de encontrar en Internet en tiempo real. Mostramos uno de ellos del Servicio Met. Suizo para un día donde un sistema frontal muy activo se acercaba por el oeste a la Península. En este caso se muestra la racha máxima en 24 horas para un día determinado. Los máximos de vientos se suelen concentrar, en zonas altas de montaña, lugares próximos a la baja en superficie en las zonas marítimas, etc.

b. Mapas probabilísticos

Ya hemos comentado con anterioridad que las predicciones por conjuntos o tipo EPS nos permiten estimar probabilisticamente zonas donde el viento pueda superar ciertos umbrales que pudieran ser adversos. Al disponer de información de diferentes formas de evolucionar la atmósfera del modelo, las técnicas basadas en el EPS dan una información complementaria muy útil para la toma de decisiones en casos de fenómenos adversos. Veamos algunos ejemplos con datos de viento a 10 m.

Podemos observar que para el día 28 de octubre a las 00 UTC es muy probable que se superen los 25 kt al oeste de Irlanda y que este porcentaje caiga al 30-50% si nos referimos a vientos de 35 kt o más. Esta información no la podemos obtener de un modelo o técnica determinista ya que siempre se trabaja con un escenario de evolución.

Referencias

• Los modelos numéricos de predicción del tiempo. José A. García-Moya Zapata. Instituto Nacional de Meteorología. Jornadas del ACAM.
  http://tethys.acamet.org/num02/articles/art0205esp.htm
• Coordenadas verticales de un modelo
  http://www.met.tamu.edu/class/metr452/models/2001/vertres.html
• MM5 Universidad de Baleares
  http://mm5forecasts.uib.es/dominio3.htmhttp://mm5forecasts.uib.es/