Utilización del modelo MM5 para el estudio del episodio de fuertes lluvias y viento de octubre de 2003 en la zona del Empordá (NE Cataluña)

 

 

Antonio Barrera, Miguel Ángel Prat y María del Carmen Llasat

GAMA (Grupo de Análisis de situaciones Meteorológicas Adversas)
Departamento de Astronomía y Meteorología. Facultad de Física. Universidad de Barcelona.
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Palabras clave. Mesoescala, lluvias y vientos fuertes, modelos, simulación, Cataluña, MM5.

Resumen

En este trabajo se presenta el diagnóstico y reanálisis del episodio de fuertes lluvias y viento, que afectó principalmente al NE de Cataluña, del 16 al 18 de octubre de 2003, utilizando un modelo meteorológico de mesoescala como es el MM5. El episodio produjo máximos de precipitación superiores a 225 mm en 48 horas y rachas máximas de viento superiores a los 110 Km/h. El reanálisis se realiza a través de una simulación de 48 horas con tres dominios anidados de manera bidireccional de resoluciones horizontales de 54, 18 y 6 Km, respectivamente y con 23 niveles de resolución vertical. Además del reanálisis mesoescalar del campo de presión, el MM5 permite disponer también de las salidas de precipitación y viento, a fin de compararlas con los datos observados. Finalmente se ha analizado la modificación del campo de lluvia cuando se elimina la orografía.

1. Introducción

La localización de Cataluña, situada en el NE de la Península Ibérica y junto a un mar cerrado y cálido como es el mar Mediterráneo, favorece que esta zona tenga un clima caracterizado por una gran variabilidad y que sean frecuentes precipitaciones importantes de carácter convectivo (Llasat, 2001; Ceperuelo y Llasat, 2004) que pueden dar lugar a inundaciones con daños materiales y humanos (Llasat et al., 2004). Eventos como el de septiembre de 1962 (815 muertos y 16 M€ en pérdidas), septiembre de 1971 (18 muertos y 42 M€ en pérdidas), noviembre de 1982 (14 muertos y 270 M€ en pérdidas) o junio del 2000 (5 muertos y 65 M€ en pérdidas) son claros ejemplos de ello. El último episodio importante de lluvias fuertes en Cataluña fue el del 16 al 18 de Octubre de 2003, el cual fue acompañado de un fuerte temporal de mar con olas que llegaron a alcanzar casi los 9 m cerca de la costa norte catalana. El objeto de estudio del presente trabajo radica en el análisis de dicho episodio, a fin de determinar los factores que dieron lugar al temporal de viento y lluvia.

Durante los últimos 10 años han mejorado mucho las predicciones de los episodios de precipitaciones fuertes, gracias a la aparición de numerosos modelos numéricos de mesoescala (MM5, MASS, ARPS, HIRLAM, BOLAM, ARPEGE, …) así como a la evolución de los ordenadores, que han permitido tener predicciones a resoluciones muy bajas y muy detalladas en un tiempo de cálculo razonable. Estos modelos permiten analizar una gran cantidad de variables que juegan un papel importante en la generación de precipitaciones intensas. Entre todos los modelos mesoescalares existentes en la actualidad, el más usado por la comunidad científica es el MM5 (Grell et al., 1994; Dudhia et al., 2004) que se ha utilizado aquí para la elaboración del reanálisis del episodio de octubre de 2003.

El artículo se inicia con una breve descripción del episodio, las zonas afectadas y los daños registrados para pasar luego al estudio del caso desde un punto de vista termodinámico. A continuación se describe la evolución sinóptica a partir de los datos del análisis global NCEP tratados con el MM5. Posteriormente, se pasa al estudio mesoescalar del episodio a partir de las salidas de una simulación de 48 horas con el MM5 y con tres dominios anidados bidireccionalmente de 54, 18 y 6 Km de resolución horizontal y con 23 niveles de resolución vertical. El estudio se centra básicamente en el análisis de los campos de precipitación y viento en superficie. Para tal comparación se dispone de los datos de precipitación 5-minutal de las 126 estaciones de la red SAIH (Sistema Automático de Información Hidrológica) de las Cuencas Internas de Cataluña (CIC), gestionada por la Agència Catalana de l’Aigua, (para más información sobre esta red véase Ceperuelo y Llasat, 2004), se ha ampliado la información con otros datos puntuales suministrados por Meteocat (Servei de Meteorologia de Catalunya). Finalmente, se ha observado cómo afecta al campo pluviométrico modelizado el hecho de eliminar la orografía que tiene en cuenta el modelo MM5.

2. Descripción del episodio

El episodio de estudio tuvo lugar entre el 16 y el 18 de octubre del año 2003. Fue un temporal de levante que si bien afectó a toda la costa catalana, produjo los mayores daños en la zona del Empordà (Girona) (Figura 1).


Figura 1. Localización de la zona de estudio

Este episodio tuvo importancia por los fuertes vientos de levante que azotaron a todo el litoral catalán, produciendo un fuerte temporal de mar, aunque tuvo una componente de lluvias intensas, que no se centró en una zona concreta del territorio, sino que afectó a toda la costa y parte del interior de Cataluña, con la crecida de algunos ríos. Destacan las crecidas de los ríos Muga, Fluvià y Ter. El Fluvià alcanzó un nivel de 1 m sobre su nivel normal en Olot (Girona) y llegó a desbordarse en la Vall d’en Bas (Girona) en tanto que el Ter alcanzó una sobreelevación de 80 cm respecto al nivel medio en Torroella de Montgrí (Girona). Los máximos de precipitación superaron los 200 mm en 48 horas en numerosos observatorios (Tabla 1). El fuerte viento, el otro protagonista del episodio, sopló con inusitada fuerza de componente E-NE, con rachas que superaron en algunos casos los 110 Km/h (Tabla 2) y en numerosas zonas costeras el fuerte viento sostenido produjo numerosas caídas de árboles.


Tabla 1. Datos de precipitación acumulados en 48 horas (del 16/10/2003 a las 00UTC al 18/10/2003 a las 00UTC). Fuentes: *Redes XMET y XAC de Meteocat (Servei de Meteorologia de Catalunya) +Red SAIH.


Tabla 2. Rachas máximas de velocidad del viento entre el 16/10/2003 a las 00UTC y el 18/10/2003 a las 00UTC. Entre paréntesis el día en el que se registró la racha máxima. Fuentes: *Redes XMET y XAC de Meteocat (Servei de Meteorologia de Catalunya), Red de estaciones del INM (Instituto Nacional de Meteorología).

Por lo que se refiere al estado de la mar, en la costa central catalana, las olas alcanzaron valores de 3 a 5 metros, como en Barcelona. El fuerte oleaje produjo la muerte de una persona en la localidad de Llançà (Girona), arrastrada por las olas. Mucho más duro fue el temporal cuanto más al norte, con olas de 7 m en la zona de las Islas Medes (L’Estartit) (Fotografía 1a), y de casi 9 m de altura en la boya de Roses (Girona). Todo este fuerte oleaje engulló buena parte de la arena de numerosas playas catalanas y produjo inundaciones en las zonas costeras bajas (Fotografía 2).

Fotografía 1. Puerto de L’Estartit (Girona): a) bajo el temporal b) situación habitual. Fotografías cedidas por Josep Pascual (Observador INM de L’Estartit).

Fotografía 2. Inundaciones producidas por el oleaje en L’Estartit (Girona). Fotografías cedidas por Josep Pascual (Observador INM de L’Estartit).

Las precipitaciones empezaron a caer durante la noche-madrugada del 16 al 17 de octubre. El grueso de las precipitaciones se produjo el día 17 de octubre con máximos en 24 horas superiores a 200 mm. Las precipitaciones continuaron a lo largo del día 18, aunque ya con menor intensidad y de menor cuantía que el día anterior y restringiéndose hacia el NE de Cataluña, pudiéndose dar ya por finalizado el grueso del episodio el día 18 (Figura 2).

Figura 2. Precipitación acumulada en la red SAIH de las Cuencas Internas de Cataluña de 00 a 24 UTC para los días: a) 16/10/2003; b) 17/10/ 2003; c) 16-17/10/2003; d) 18/10/2003.


3. Análisis termodinámico

El análisis termodinámico se ha basado en los datos proporcionados por el radiosondeo de Palma de Mallorca (Islas Baleares) para los días 16, 17 y 18 de octubre cada 12 horas (Figura 3). Los datos del radiosondeo de Barcelona no se han podido utilizar por no estar disponibles los datos desde las 12 UTC del día 17 hasta las 00 UTC del día 19, debido a que el fuerte viento de Levante, imposibilitó realizar correctamente los radiosondeos de ese intervalo de tiempo. Aunque Palma esté alejada de la zona de estudio, los datos de tal radiosondeo son útiles para estudiar episodios de fuertes precipitaciones en Cataluña (Llasat et al., 1996).

A las 00 UTC del día 16 el radiosondeo de Palma muestra la presencia inicial de una masa de aire muy cálido, con una temperatura en superficie de 19ºC, y muy húmedo sobre el Mediterráneo Occidental con inestabilidad condicional (Figura 3a). Esta elevada humedad se extiende a toda la troposfera baja y media, alcanzándose un valor de masa de agua precipitable entre superficie y 500 hPa de 32.2 mm. Durante el día 16 el LI presenta valores negativos que confirman la existencia de inestabilidad y el posible desarrollo de tormentas. En la misma línea se hallan los índices KI y LI en tanto que el SI muestra también los valores más bajos aunque no llegan a ser negativos. En las posteriores horas la atmósfera tiende hacia una situación de indiferencia (Figura 3d) y los índices de inestabilidad evolucionan hacia valores que indican leve posibilidad de precipitación. No se registran valores apreciables de CAPE en ningún momento si bien es posible que ésta aumentase al acercarse a Cataluña.

4. Reanálisis MM5

El MM5 es uno de los modelos numéricos de predicción a corto plazo más ampliamente extendidos entre la comunidad internacional de modelización atmosférica. Se trata de la quinta generación del llamado Mesoscale Model, proyecto de colaboración entre la Pennsylvania State University (PSU) y el National Center for Atmospheric Research (NCAR) de los EE.UU. (Grell et al., 1994; Dudhia et al., 2004). Algunos aspectos interesantes del modelo son:

• capacidad de anidamiento múltiple con interacción en ambas direcciones (two-way) entre los dominios, lo que facilita el estudio de fenómenos atmosféricos bajo distintas escalas espaciales y el diseño de predicciones a muy alta resolución.
• formulación de una dinámica no hidrostática, la cual permite que el modelo pueda ser empleado eficazmente para representar fenómenos con dimensiones de muy pocos kilómetros.
• adaptación informática para múltiples plataformas y para su ejecución en modo multitarea sobre computadoras de memoria compartida o distribuida.
• inicialización automática con diferentes fuentes de análisis meteorológicos y observaciones, incluyendo su capacidad de asimilación 4-dimensional de datos.
• asimilación variacional de datos convencionales y de satélite durante la predicción.
• incorporación de los más modernos y realistas esquemas de parametrización de los procesos físicos relacionados con la radiación atmosférica, microfísica de nubes y precipitación, convección por cúmulos, turbulencia, y flujos de energía y momento sobre la superficie terrestre.

a)

b)

c)

d)

e)

Figura 3. Radiosondeos de Palma de Mallorca: a) 16/10/2003 00 UTC, b) 16/10/2003 12 UTC, c) 17/10/2003 00 UTC, d) 17/10/2003 12 UTC, e) 18/10/2003 00 UTC.

El modelo MM5 se ha utilizado en el presente estudio con las condiciones iniciales y de contorno de los análisis globales del NCEP (National Centers for Environmental Prediction) de 2,5º de resolución horizontal y disponibles a las 00 y 12 UTC, los cuales han sido mejorados con datos de observaciones ADP (Automated Data Processing) del NCEP (NMC/NCEP, 2001) en superficie y en altura. La simulación que se ha realizado ha sido de 48 horas (del 16 de octubre a las 00 UTC al 18 de octubre a las 00 UTC) con tres dominios anidados en forma bidireccional (two-way nesting) con una resolución espacial horizontal de 54, 18 y 6 Km, respectivamente y 23 niveles verticales (Figura 4). Los dominios se han centrado en el punto de coordenadas geográficas 0ºE y 39ºN. Aunque las precipitaciones empezaron a caer la noche del día 16 (véase apartado 2), se ha iniciado la simulación a las 00 UTC; para que así el modelo pueda tener en cuenta correctamente el ciclo diurno de la radiación para tal día.

Las parametrizaciones físicas elegidas para la simulación de control son las que aparecen en la Tabla 3 para cada uno de los dominios. Se han elegido éstas entre las diferentes opciones que muestra el modelo por ser una buena combinación ya utilizada en otros estudios de episodios de fuerte precipitación y viento en el Mediterráneo Occidental, como el episodio de noviembre de 2001 en Baleares (Arreola et al., 2003).

Figura 4. Dominios utilizados para la simulación con el MM5. Resolución horizontal de 54, 18 y 6 Km, respectivamente.

Tabla 3. Tipo de parametrizaciones utilizadas en la simulación con el MM5 para cada unos de los dominios.

Una breve explicación de las diferentes parametrizaciones que contiene el modelo MM5 se puede encontrar en Dudhia et al. (2004).

4.1 Reanálisis sinóptico

La situación sinóptica previa al episodio de fuertes lluvias y vientos viene caracterizada a las 00 UTC del día 16 de octubre de 2003 (Figura 5) por la presencia de una borrasca centrada sobre las Islas Baleares que comporta un flujo de vientos del sector E sobre las costas catalanas, reforzado, a la vez por la presencia de un potente anticiclón sobre Escandinavia. Es de destacar el embolsamiento de aire frío situado al W de la Península Ibérica a 500 hPa. A 850 hPa el flujo de vientos sobre Catalunya también es del E y bastante marcado, aportándose así gran cantidad de vapor de agua tanto en niveles medios, como bajos. Durante los siguientes días la borrasca inicial se fusiona con la borrasca que aparece sobre el Norte de África el día 16 a las 00 UTC, debido al movimiento de ésta en dirección NE. El anticiclón inicial, situado sobre Escandinavia se mueve hacia el SE. La evolución de ambos centros de acción, acercándose uno al otro, provoca un fuerte gradiente bárico sobre la costa catalana y, en consecuencia, un aumento de la velocidad del viento y del temporal de mar. Por otra parte el embolsamiento de aire frío situado al W de la Península Ibérica se desplaza hasta el Mediterráneo. La llegada de tal embolsamiento al Mediterráneo provoca que las precipitaciones más intensas y continuadas se trasladen hacia el sur de Francia.

Figura 5. Análisis NCEP: a) Presión al nivel del mar en superficie y geopotencial a 500 hPa y b) Temperatura y velocidad del viento a 850 hPa a las 00 UTC del día 16 de octubre de 2003 para el domino de 54 Km.

4.2 Reanálisis mesoescalar

El reanálisis mesoescalar se ha basado en el estudio de las salidas del modelo, para el dominio más pequeño (6 Km), de la presión a nivel del mar, temperatura en superficie y campo de viento a 10 m. La situación inicial (00 UTC del día 16) viene caracterizada por la presencia de una masa de aire cálido sobre el Mediterráneo, ya observada en el radiosondeo de Palma, y la presencia de una baja relativa de 1010 hPa en el mar catalano-balear que implica un flujo de vientos del E sobre la costa catalana. Esta baja durante los días de estudio presentó un movimiento peculiar de aproximación primero, posterior alejamiento y retorno final a las costas catalanas. En detalle, se tiene que durante las primeras doce horas de la simulación la baja se mueve alrededor de la isla de Mallorca, con tendencia a aproximarse hacia las costas catalanas. Posteriormente, la baja se mueve hasta la costa sur de Tarragona y el Delta del Ebro, momento en que el gradiente bárico en la mitad norte de Cataluña se hace considerable (18 UTC del día 16, figura 6a) así como el módulo del viento, con velocidades superiores a 15 m/s (Figura 6b). A las 00 UTC del día 17 la baja se adentra hasta el llano de Lleida, para más tarde recular hacia la posición inicial (12 UTC del día 17).

Desde las Baleares vuelve a acercarse hacia la costa de Tarragona y va profundizándose considerablemente, llegándose a presiones inferiores a 1005 hPa en su centro (18 UTC del día 17, Figura 6c) y alcanzándose velocidades del viento de más de 20 m/s (Figura 6d). Simultáneamente, un segundo núcleo surgido al N de la isla de Mallorca a las 18 UTC del día 17 sigue el camino trazado por la primera borrasca, facilitando la continuación y reforzamiento del flujo de vientos del E sobre la mitad norte de Cataluña. Los dos centros se van debilitando posteriormente hacia las costas de Castellón, posiblemente debido al avance hacia el norte de la borrasca sinóptica (véase apartado 4.1) y se restringe el campo más intenso de vientos hacia la costa norte de Girona. A pesar del peculiar movimiento de la baja descrito anteriormente, en todo momento el gradiente bárico en la mitad norte de Cataluña es considerable, con lo que el viento sobre esa zona se mantiene fuerte, hecho corroborado por la evolución de los mapas de velocidad del viento simulados en los que se observan velocidades superiores a 15 m/s. Tal hecho es el que provocó la gran alteración del estado del mar que se observó durante los días de estudio. Por otro lado, el viento intenso de origen marítimo favoreció la aportación de vapor de agua a lo largo de todo el episodio que alimentó la precipitación. El campo de viento permite comprender la distribución de los máximos de precipitación y del oleaje. Así, la incidencia del viento de Levante sobre la costa septentrional catalana, orientada en sentido N-S, así como la presencia de la Cordillera Transversal y Sierra de Montseny-Guilleries, provocaron que los máximos se registraran en el NE de la región, en tanto que el viento perpendicular a la costa norte favoreció el fuerte oleaje a diferencia del registrado en la costa sur, perpendicular a la misma.

Figura 6. Salidas de la integración del MM5 para el dominio de 6 Km y para el día 16 octubre 2003 a las 18 UTC: a) presión a nivel del mar y temperatura en superficie; b) campo de viento y velocidad del viento a 10 m (b); Lo mismo para el día 17 octubre 2003 a las 18 UTC c) y d). Isóbaras representadas a intervalos de 1 hPa; isotermas a intervalos de 1ºC y coloreadas según la escala vertical; isotacas a intervalos de 5 m/s y coloreadas según la escala vertical.

4.3 Precipitación modelizada

En la Figura 7 aparecen los campos de precipitación totales desde el 16-10-2003 a las 00 UTC hasta el día 18-10-2003 a las 00 UTC recogidos por el SAIH (Figura 7b) y el pronosticado por el MM5 para el dominio de 6 Km (Figura 7a). Para tener una visión mejor de la comparación entre los datos del SAIH (observaciones) y los pronosticados por el modelo numérico, se ha realizado una superposición de ambas imágenes recortando el dominio de 6 Km (figura 7d, imagen MM5 en primer plano). A grandes rasgos se puede comprobar que la precipitación predicha por el modelo se ajusta bastante bien a las observaciones, aunque con más detalle se observa que el modelo sobreestima la precipitación acumulada y el área afectada. Por lo que se refiere a la localización de los máximos pluviométricos, hay que destacar que el modelo indica la presencia de un máximo superior a 200 mm en la zona de Tarragona, el cual no es detectado por la red SAIH. Es posible que el máximo de la zona de Tarragona venga asociado a la convergencia o convección que la baja simulada creó en ese lugar (Figuras 6a y 6c).

Tal como se ha indicado anteriormente al hablar de las parametrizaciones físicas aplicadas al modelo, y a modo de ejemplo, si no se tiene en cuenta la orografía de la zona, los máximos de precipitación son muchos menores y quedan desplazados hacia el mar (Figura 7c).

Figura 7. Precipitación acumulada 16-18/10/2003 de 0 a 0 UTC a) modelizada por el MM5; b) medida en la red SAIH de las CIC, ambas en milímetros según la escala que aparece en cada figura; c) Resultado de la modelización MM5 omitiendo los valores de la orografía; d) superposición de las imágenes SAIH y MM5.

CONCLUSIONES

El diagnóstico de un episodio de fuertes lluvias y viento, y el posterior reanálisis a través del modelo meteorológico de mesoescala MM5, han permitido encontrar cuáles fueron los factores que jugaron un papel predominante en un episodio que produjo precipitaciones superiores a los 225 mm en 48 horas, rachas de viento superiores a los 110 Km/h y olas de hasta casi 9 m cerca del litoral catalán entre los días 16 y 18 de octubre de 2003. Del análisis termodinámico del radiosondeo se puede concluir la presencia de una fuerte inestabilidad condicional a niveles bajos y elevados valores de masa de agua precipitable. El reanálisis con el MM5 ha permitido observar el mayor gradiente de presión en la zona norte de Cataluña que fue el causante de la gran alteración marítima en esa zona. También ha permitido comprobar porqué los máximos de precipitación del episodio se registraron en la zona de la Cordillera Transversal y Sierra de Montseny-Guilleries, unidades de relieve alineadas perpendicularmente a ese flujo de vientos constante del E. Por otra parte, el MM5 ha permitido comprobar que el campo de precipitación modelizado (Figura 7a) se ajusta bastante bien a las observaciones (Figura 7b), aunque con más detalle se observa que el modelo sobreestima la precipitación acumulada y el área cubierta por la misma. Aún así, el hecho de disponer de una serie de observaciones pluviométrica muy densa, pero que no abarca todo el dominio de integración, ha impedido evaluar con mayor exactitud los máximos de precipitación obtenidos por el modelo en el interior de la provincia de Tarragona y el llano de Lleida y, por consiguiente, la fiabilidad del modelo. Un análisis más amplio con más datos será necesario para tener una visión más global de la habilidad del modelo para simular lluvias intensas. En el presente trabajo, se muestra que el MM5 puede ser un buen modelo para estudiar episodios extremos de precipitación, así como una buena herramienta para la predicción de tales eventos. La inicialización del modelo con diferentes fuentes de datos puede contribuir a mejorar las modelizaciones de estos episodios.

AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren expresar su agradecimiento al Sr. Josep Pascual, observador del INM de L’Estartit (Girona) por las datos y fotografías enviadas y al Dr. Jordi Cunillera Grañó del Servei de Meteorologia de Catalunya (Meteocat) por los datos de precipitación y velocidad del viento facilitados de las redes XMET y XAC. También quieren agradecer la colaboración prestada por otros miembros del grupo GAMA: Manel Ceperuelo Mallafré y Mercè Barnolas Viladés. Este estudio ha sido posible gracias al proyecto CICYT RAMSHES (REN2002-04584-C04) del Ministerio de Educación y Ciencia de España y al proyecto Interreg III-B AMPHORE (2003-03-4.3-I-079) de la Unión Europea.


REFERENCIAS

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