Caracterización meteorológica de un ciclón subtropical en la cuenca oriental del océano Atlántico Norte. Parte II

Juan Jesús González Alemán⁽¹⁾ ([email protected])
Francisco Valero Rodríguez⁽¹⁾

⁽¹⁾ Universidad Complutense de Madrid. Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica II (Astrofísica y Ciencias de la Atmósfera).

Palabras clave: ciclón, híbrido, subtropical, ciclogénesis, borrasca, diagrama de fase.

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RAM. Por su extensión el trabajo ha sido dividido en varias partes. La primera parte la puedes encontrar en:

https://www.tiempo.com/ram/31184/caracterizacion-meteorologica-de-un-ciclon-subtropical-en-la-cuenca-oriental-del-oceano-atlantico-norte-parte-i/

3.2 Ciclones subtropicales híbridos

Las estructuras atmosféricas de bajas presiones que se rigen por procesos físicos tropicales en conjunción con otros extratropicales son llamadas ciclones subtropicales (STC, por su siglas en inglés) o ciclones híbridos (HC) [32, 16]. Presentan una anomalía cálida en niveles bajos a la vez que una anomalía fría en niveles altos de la troposfera (que conduce a la expectativa de tener una huella de viento débil en niveles medios). Se consideran como desarrollos baroclinos en presencia de vorticidad positiva en niveles bajos y en ambientes donde predomina una baja estabilidad estática relativa. Este mecanismo de interacción es similar al observado durante las transiciones extratropicales y tropicales, pero puede ocurrir durante un periodo de tiempo extenso mientras que no haya sido afectado aún por los vientos del oeste de latitudes medias.

Hay que hacer notar que si bien desde el punto de vista operativo ambas formas de llamar a dicho fenómeno es válida, en entornos académicos se establece una diferencia entre un STC y un HC. El término de híbrido se reserva a aquellos ciclones que presentan un frente en superficie asociado a la baja. El término subtropical para aquellos ciclones que no presentan estructura frontal en superficie o es muy débil, aunque pueden presentar bandas baroclinas alejadas del centro de la baja presión o frentes en altura. También podemos hablar de “híbridos frontales”, que tendrían una estructura frontal más marcada que los híbridos. De aquí en adelante, hablaremos indistintamente de HC y STC y para no complicar la lectura, los referiremos únicamente como ciclones subtropicales híbridos (STC). Anteriormente, en la figura 2 teníamos a los HC y STC en el centro del diagrama, y además pueden estar recorriendo todo el interior del diagrama ya que suelen presentarse de varias formas, con los ciclones híbridos tendiendo más hacia la zona frontal y los ciclones subtropicales desplazados hacia la zona frontal.

Los ciclones subtropicales híbridos tienen una energética y estructura mezclada entre los ciclones tropicales y los ciclones baroclinos. Muchos ciclones tropicales se forman fuera de la región principal de desarrollo en el Atlántico Norte por procesos baroclinos como vimos en las transiciones tropicales. Sadler [41, 42] mostró que algunos ciclones tropicales en el Pacífico Norte se formaban a partir de débiles vaguadas tropicales baroclinas (TUTTs en inglés). Bosart y Bartlo [3] mostraron que el ciclón extratropical que precedió al ciclón tropical Diana en 1984 se originó por procesos QG al este de Florida delante de una baja fría en altura que se formó por procesos de fractura de vorticidad potencial. Después, el ciclón baroclino evolucionó de una estructura de núcleo frío a una de núcleo cálido mediante una TT. Hess et al. [23] y Elsner et al. [9] mostraron que los procesos baroclinos eran un factor que intervenían en el desarrollo de casi el 50% de los TCs del Atlántico Norte durante el periodo de 1948-2004. Los STC son ciclones que poseen atributos tanto de ciclones tropicales (por ej., tienen núcleo cálido en niveles bajos) como de ciclones baroclinos (por ej., están gobernados por procesos cuasi-geostróficos) con el acompañante de estructuras frontales. Los STC difieren de los ciclones ordinarios de latitudes medias en que se desarrollan en ambientes con pequeña baroclinicidad en niveles bajos en conjunción con procesos diabáticos. La distinción entre un STC que transcurre a lo largo de su vida en un ambiente con cizalladura y un ciclón tropical que se forma por un proceso de TT es, con frecuencia, sutil.

Recientemente ha aparecido documentación sobre este tipo de estructuras afectando a zonas fuera de las típicas que son afectadas por ciclones tropicales, como España y sus alrededores. La cuenca oriental del Océano Atlántico ha sido impactada también por ciclones extratropicales surgidos de transiciones extratropicales. Aunque la frecuencia de ocurrencia es relativamente pequeña, estos sistemas presentan un reto significativo para los predictores de los servicios de meteorología y causan grandes daños económicos y de seguridad en las personas. De lejos, el grupo más peligroso e intenso es el resultado de una TE, con un ejemplo reciente en nuestra cuenca como es el Delta [27], que afectó notablemente a las Islas Canarias, el Vince [25], o el Gordon [26]. Un segundo grupo incluye sistemas cuyos desarrollos se asocian a profundas DANAS. Un caso especial de éstos son los “tropical-like cyclone” que aparecen en la cuenca Mediterránea [39, 10, 14]. Son conocidos como “Mediterranean Hurricanes” y se desarrollan por una combinación de convección profunda y de los típicos procesos baroclinos de latitudes medias. Finalmente, tenemos los sistemas híbridos que se desarrollan sobre el Océano Atlántico y que pueden afectar en algunas ocasiones a las Islas Canarias, como es el caso del ciclón de este estudio. Hay que mencionar que estos sistemas no son exclusivos del Océano Atlántico, sino que también se dan en otras cuencas.

Hay algunas características básicas y frecuentes comunes a esta variedad de sistemas y situaciones meteorológicas, a destacar las siguientes:

• Se pueden desarrollar en regiones donde los valores de la SST están por debajo de los típicos 26ºC que se necesitan para la formación de una tormenta tropical en la cuenca del Océano Atlántico.
• Normalmente, hay una interacción entre perturbaciones baroclinas, por ejemplo una vaguada en altura o un DANA, y la pre-existencia de un sistema subtropical o uno tropical. Este proceso produce una intensificación del sistema y cambia la estructura interna y externa del ciclón. En el caso de una transición extratropical por ejemplo afectando a España, suelen producir un impacto significativo con fuertes vientos sobre grandes áreas que aquellas que son afectadas por el ciclón tropical o el STC.
• En algunas fases del ciclo de vida claramente aparece un núcleo cálido poco profundo en niveles bajos.

El impacto de un STC es similar al de una tormenta tropical, es decir, fuertes vientos, fuertes lluvias y mareas de tempestades en áreas costeras. En la mayoría de casos estos sistemas transicionan a un TC antes o en el momento en el que los vientos alcanzan fuerza huracanada. Los sistemas que permanecen híbridos típicamente no son de intensidad huracanada y el impacto de los vientos y las mareas no son severos. Sin embargo, algunos casos han desarrollado fuerza huracanada sin llegar a desarrollar una estructura completa de ciclón tropical, como ocurrió en Diciembre de 1994 con una borrasca en el Atlántico Oeste [28]. La lluvia y sus efectos de inundación de un ciclón subtropical híbrido pueden ser tan grandes como el de un ciclón tropical.

3.2.1 Caracterización de los ciclones subtropicales híbridos

Para caracterizar un ciclón subtropical híbrido se puede utilizar varias herramientas y magnitudes meteorológicas y así favorecer la distinción del tipo de ciclón que se está tratando. Esta caracterización está enfocada hacia el predictor, y los intentos de mejorar la caracterización de estos sistemas deben seguir esta línea, es decir, orientarlos a que sean útiles y manejables para el predictor. A continuación se hace un breve resumen de ellas.

Primeramente, con las imágenes de satélite del visible y del infrarrojo se examina la distribución de la convección en torno al centro del ciclón. Los ciclones subtropicales híbridos normalmente exhiben unos centros de circulación relativamente libres de convección rodeados por profunda convección, mientras que los ciclones tropicales con frecuencia tienen una convección céntrica profunda y persistente en sus centros.

El campo de espesores de 1000-500 hPa conjuntamente con el campo de temperaturas en 850 hPa puede revelar una interacción entre un ciclón y una zona baroclina de latitudes medias. La separación entre la isolínea cerrada más exterior y el espesor de la isolíneas de latitudes medias implica una interacción mínima y una estructura tropical, mientras que una fusión entre estas isolíneas implica una estructura subtropical híbrida, o incluso extratropical. Las imágenes de satélite se consultan para hacer un chequeo del análisis del modelo. Un incremento (decrecimiento) de la separación entre el ciclón y la zona baroclina puede indicar una transición a una estructura tropical (subtropical/híbrida) [7, 15].

Aunque la SST no es una medida directa de la estructura del ciclón. El hecho de que un ciclón se desarrolle sobre aguas por debajo de los 26ºC puede dar una idea de que este desarrollo es producto de una fuente de energía baroclina y por tanto se debe considerar como una estructura subtropical híbrida. Esto es particularmente cierto para el desarrollo de sistemas con una convección central mínima. Un movimiento anticipado hacia aguas por encima de los 26ªC es un indicador de una transición potencial a ciclón tropical [7, 17, 11].

La estructura de los vientos es otro factor a tener en cuenta de tal forma que un radio de vientos máximos mayor de 100 millas náuticas (185,2 Km) señalado en los datos de vientos sugiere una estructura híbrida subtropical (aunque un radio inferior no elimina la posibilidad necesariamente). La contracción de dicho radio en el tiempo es indicativa de una transición tropical [15].

Examinando y comparando los múltiples campos de geopotenciales en altura se pueden determinar la amplitud del ciclón en altura, su inclinación vertical, así como su grado de oclusión (si es aplicable). La separación entre el ciclón y su chorro de niveles altos primario incrementa la probabilidad de una transición tropical [7].

A medida que un ciclón tropical se desarrolla, la troposfera se humedece significativamente en el centro de la circulación [15]. Al contrario, estos sistemas subtropicales híbridos en desarrollo pueden experimentar advecciones de aire seco en sus alrededores e interior de sus centros de circulación [7]. Los datos de agua precipitable muestran la distribución del aire seco y del aire húmedo característico de los tipos de ciclón. Las transiciones tropicales suceden cuando el agua precipitable total aumenta en el núcleo del ciclón y valores más bajos se quedan en la periferia.

Los ciclones que se desarrollan bajo condiciones de moderada a fuerte cizalladura en toda la columna vertical (por ej. >20 nudos) son con frecuencia baroclinos, y en consecuencia, tanto extratropicales como subtropicales híbridos. Un sistema subtropical híbrido que entre en un régimen de baja cizalladura aumenta su potencial de sufrir una transición tropical [7].

Por último, asumiendo que la resolución del modelo y la asimilación de datos son adecuadas, un ciclón subtropical híbrido exhibirá una estructura asimétrica y un núcleo cálido poco profundo o frío en un diagrama de fase basado en el modelo. Un desplazamiento en el tiempo hacia una estructura de núcleo cálido profundo denotaría que el ciclón sufre una transición a un ciclón tropical. Sin embargo, este producto debe interpretarse cautelosamente asegurando que, por ejemplo, la trayectoria del vórtice descrita por el modelo sea consistente con los patrones sinópticos de gobierno [21]. La información que nos aporta los diagramas es la más objetiva y simple, por lo que podría utilizarse como primera aproximación a la caracterización del ciclón. Más adelante se hablará de ella.

3.2.2 Ciclogénesis subtropical

Tal y como habíamos visto anteriormente con las dos clases de ciclogénesis en la atmósfera, también podemos hablar de ciclogénesis subtropical como un proceso por el cual se genera un ciclón subtropical o híbrido.

Podemos clasificar a estos ciclones en base al entorno sinóptico en que se forman, es decir, en base a sus ciclogénesis. Este proceso es similar a las transiciones tropicales, de hecho, se puede considerar que hay tantas ciclogénesis subtropicales como transiciones tropicales ya que esta ciclogénesis sería un estadio anterior al desarrollo completo de la TT. Para no hablar de todas las transiciones (ciclogénesis) posibles y no extendernos demasiado trataremos de resumir a continuación el proceso que comparten ambas. En David y Bosart [7, 8] y en McTaggrt-Cowan et al [33] se realiza un estudio más detallado de los tipos de transiciones tropicales.

Los resultados de una climatología [19] revelan que los ciclones que se desarrollan en la temporada cálida de huracanes y que tienen características híbridas se forman delante de una vaguada en altura con una cizalladura vertical asociada que excede de los 10 m/s, sobre SSTs tan frías como los 23ºC. Los ciclones subtropicales híbridos surgen como desarrollos baroclinos en presencia de vorticidad en niveles bajos sobre un mar con temperaturas relativamente cálidas.

El esquema de la figura 3a representa la ciclogénesis baroclina inicial. En la figura 3b se muestra como la vaguada en altura se ha aislado de la circulación y la oclusión en superficie se ha aislado con su escudo nuboso asociado, procedente de la zona baroclina principal. En la etapa b, el sistema se ha convertido en ciclón subtropical híbrido. Su rasgo cerca de la superficie se ha vuelto de naturaleza más barotrópica, mientras que su rasgo en niveles altos es el de un aislamiento de los vientos del oeste con su embolsamiento de aire frío en altura, indicado con una X.

En el esquema 3b la baja en altura se ha aislado y ha reducido su tamaño horizontal desde una escala sinóptica a una mesoescala. La estructura híbrida permanece evidente hasta que la convección erosiona el máximo de vorticidad en altura (si es capaz de hacerlo) hasta el punto de que el núcleo cálido en niveles bajos domina y el ciclón se vuelve de naturaleza más tropical [7]. Finalmente, esto llevará a un ciclón tropical si el núcleo cálido se extiende hacia arriba en toda la profundidad del sistema con convección extendida completamente alrededor de la baja presión y del flujo de salida anticiclónico de altura. De otra forma, el ciclón puede obtener un carácter más extratropical si la convección no se sostiene, por ejemplo, debido a una SST fría, o a intrusiones de aire seco. Si este es el caso, la baja en altura con su núcleo frío puede extenderse hacia abajo, llegándose a una circulación menos intensa en niveles bajos de lo que ocurriría en un huracán. Si esta baja fría permanece aislada, se rellenará en cuestión de días.

La transición entre las fases tropical y extratropical exige algo de tiempo como ciclón subtropical híbrido. Sin embargo, la naturaleza de la transición extratropical es muy corta, es decir, del orden de un día. Mientras que la transición tropical es más probable que dure un tiempo mayor con una estructura híbrida. Esto es debido a que la baja en altura asociada al incipiente ciclón en superficie debe ralentizar su velocidad de avance considerablemente de tal forma que se pueda desarrollar un núcleo cálido en niveles bajos debido a los procesos convectivos. De otra forma, la cizalladura que acompañaría a una traslación rápida de la vaguada o baja entorpecería el calentamiento diabático procedente del calor latente liberado por la convección. Una vez que el ciclón alcanza su fase subtropical, la organización de la convección en la zona del núcleo cálido de niveles bajos controlará la fuerza del ciclón en superficie. Por lo que podría decirse que es tan difícil pronosticar los cambios en la intensidad del ciclón subtropical híbrido como lo sería la de una depresión tropical o tormenta tropical.

A pesar de no hablarse en la bibliografía sobre las transiciones subtropicales o transiciones híbridas, podríamos referirnos a ellas como el proceso por el cual un ciclón extratropical pasa a tener un estado de ciclón subtropical híbrido, respectivamente. Un texto de mayor profundidad desarrollado por F. Martín sobre los ciclones subtropicales puede consultarse en [32].

3.3 Diagramas de fase

Los diagramas de fase surgen de la idea de intentar tratar a los distintos tipos de ciclones de forma objetiva en base a sus características térmicas y dinámicas. Obviamente, esto es difícil puesto que en estas características influyen muchos factores como hemos visto. Esta herramienta fue introducida y descrita hace poco tiempo por R. Hart [20]. Una lectura en español sobre estos diagramas puede verse en [31]. En ella se utilizan tres parámetros que permiten la clasificación de los ciclones a partir de campos dinámicos y térmicos básicos que definen y resaltan las diferencias fundamentales entre los ciclones de núcleo cálido y frío. Esto es de utilidad a la hora de predecir el comportamiento de una determinada baja presión a partir de las salidas de los modelos numéricos ya que los parámetros utilizados se deducen fácilmente de las distintas variables dadas por el modelo. Resaltar que esta clasificación no es absoluta, y para caracterizar con mayor precisión estas estructuras atmosféricas hacen faltan otras herramientas y campos meteorológicos.

En el trabajo de R. Hart [20], donde se clasifican los ciclones, se analizan siempre que cumplan estos criterios:

• Mínimo local de presión en los mapas de superficie (dentro de una rejilla de 5ºx5º) menor de 1020 hPa.
• Ciclo de vida de al menos 24 horas.
• Un gradiente de 2 hPa en la rejilla de 5º.

Estos criterios siguen utilizándose en las herramientas desarrolladas actualmente aunque algo retocados. Han sido utilizados para tratar de excluir las bajas de pequeña escala, de origen orográfico, e incluso las que no tengan un cierto grado de organización. Una de las cosas fundamentales a la hora de utilizar estas herramientas es la capacidad del modelo a la hora de describir su comportamiento. Por tanto, es imprescindible que el comportamiento del modelo sea el adecuado, dentro de lo posible, para poder hacer una clasificación cerca de la realidad.

3.3.1 Parámetros de los diagramas

Los tres parámetros utilizados en los diagramas de fase son:

Parámetro de asimetría térmica “B”

Se define como el gradiente de espesor de altura geopotencial (Z) del estrato 900-600 hPa relativo al desplazamiento del ciclón. Mide la intensidad de la naturaleza frontal del ciclón. Se calcula con la expresión

Con h=1 (Hemisferio Norte), -1(Hemisferio Sur).

es el espesor medio del estrato 900-600 hPa en el área de semicírculo de la derecha del movimiento del ciclón y

el espesor medio del estrato 900-600 hPa en el área semicírculo a la izquierda del movimiento del ciclón. El espesor medio es considerado a partir de un semicírculo de 500 Km de radio. Entonces, dada la definición de este parámetro podemos tener dos casos:

• B=0, en este caso

es decir, los espesores a la derecha e izquierda del ciclón son iguales, por tanto nos estaría indicando un ciclón con características no frontales. Aquí podemos distinguir dos casos. Por un lado un ciclón tropical típico, el cual tiene un máximo de espesor en el centro del ciclón y que disminuye radial y casi uniformemente hacia afuera. Y por otro lado, un ciclón extra-tropical ocluido donde los espesores son bajos, uniformes y parecidos en los dos semicírculos.

• B>0, en este caso

en el Hemisferio Norte, por lo que tenemos un espesor mayor a la derecha del ciclón que a la izquierda. Esta distribución representa un ciclón frontal con gradientes de temperatura perpendiculares al movimiento de éste. Un caso extremo es B>>0, donde tendríamos mayores gradientes de temperatura y por tanto el ciclón extratropical estaría intensificándose o en el estado de maduración.

En la figura 4 podemos ver un ejemplo gráfico de lo comentado anteriormente.

Vientos térmicos escalados

Con estos parámetros tratamos de ver si el ciclón tiene un núcleo cálido o frío, y además cuál es su profundidad o espesor en la atmósfera. Según la ecuación del viento geostrófico

Y evaluando dentro de un radio de 500 km respecto al centro del ciclón la magnitud

Ésta será proporcional al módulo del viento geostrófico de la siguiente manera:

Siendo d la distancia entre los puntos donde se evalúan Z_min y Z_max, f el parámetro de Coriolis y g₀ = 9,80655 ms^-1. Entonces, para d constante:

El término de la derecha es un viento térmico escalado, y por tanto se calculan como

Es decir, el término

hace referencia al estrato 900-600 hPa (L=baja troposfera) y el término

al estrato 600-300 hPa (U=alta troposfera). En consecuencia, utilizamos el siguiente criterio:

• Si

núcleo cálido.

• Si

núcleo frío.

En la figura 5 podemos ver un ejemplo gráfico de lo comentado anteriormente. Los vientos térmicos escalados se calculan usando una regresión lineal para cada estrato.

Entonces, una vez establecidos los parámetros a utilizar, basta con colocarlos en un sistema cartesiano según los datos aportados por las predicciones, análisis o reanálisis de los modelos numéricos. Hay que tener en cuenta que modelos numéricos diferentes nos darán diferentes diagramas de fase para un mismo ciclón.

3.3.2 Construcción de los diagramas

Con la combinación de los anteriores parámetros podemos obtener dos diagramas que tendrán dos sistemas de coordenadas de la forma

y

Dentro de cada espacio de fase irán discurriendo los distintos valores de los parámetros que varían en el tiempo por diferentes zonas (cuadrantes) que caracterizan al ciclón. Por tanto, el ciclo de vida de la baja presión podrá ser dibujado dentro del diagrama y por tanto ver la diferentes fases por las que el ciclón fue pasando (análisis o reanálisis) o por las que son esperadas que pase (predicciones). En la figura 6 podemos ver los dos tipos de diagramas.

a)

y b)

Dentro de cada cuadrante están nombrados distintos ejemplos en la atmósfera. Fuente [20].

Diagram de fase con

Con la combinación de los parámetros el diagrama se separa en cuatro cuadrantes que son las fases por las que puede pasar un ciclón:

• Ciclones de núcleo cálido frontal/asimétrico (cuadrante arriba-derecha)
• Ciclones de núcleo cálido no frontal/simétrico (cuadrante abajo-derecha)
• Ciclones de núcleo frío frontal/asimétrico (cuadrante arriba-izquierda)
• Ciclones de núcleo frío no frontal/simétrico (cuadrante abajo-izquierda)

Diagrama de fase con

​​

En este caso tenemos que las distintas fases son:

• Ciclones de núcleo cálido en la troposfera completa (cuadrante arriba-derecha)
• Ciclones de núcleo cálido en la troposfera baja y núcleo frío en la alta troposfera (cuadrante abajo-derecha)
• Ciclones de núcleo frío en toda la troposfera (cuadrante abajo-izquierda)
• Ciclones de núcleo frío en niveles inferiores y núcleo cálido en niveles superiores (cuadrante arriba-izquierda)

Con estos dos diagramas los tipos convencionales de ciclones pueden ser clasificados dentro del espacio de las fases. Sin embargo, hay que dejar claro que en la realidad no hay fronteras tan explícitas que separen los distintos tipos de ciclones sino que hay todo un “continuo” de ciclones de características intermedias [20].

Resumiendo, cualquier ciclón con una circulación cerrada en superficie y un campo tridimensional de altura geopotencial bien resuelto puede ser evaluado en los diagramas de fase presentados anteriormente. Con estos diagramas los ciclos de vida convencionales de ciclones tropicales y extra-tropicales son representados adecuadamente. Además, las transiciones entre las estructuras de núcleo frío y cálido pueden ser identificadas objetivamente incluyendo transiciones tropicales, extratropicales, seclusiones cálidas y desarrollos de ciclones subtropicales híbridos como es nuestro caso. Un análisis con mayor profundidad en los cambios estructurales durante el desarrollo del ciclón puede ser evaluado en el diagrama con su localización y movimiento.

Continuará