Precipitación invernal sistemas de medida, variabilidad climática y climatología sinóptica asociada aplicaciones a Pirineos, valle del Ebro y norte de la Península Ibérica
- Autores: Samuel Buisán Sanz
- Directores de la Tesis: Juan Ignacio López Moreno (dir. tes.), Amalio Fernández-Pacheco Pérez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel C. Membrado Ibáñez (presid.), Santiago Beguería Portugués (secret.), Jesús Revuelto Benedí (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de Zaragoza
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
Los objetivos de este trabajo se pueden enumerar de la siguiente manera:
i. Evaluar los sistemas de medida tradicionales de la temperatura y precipitación y sus limitaciones para fenómenos invernales.
ii. Establecer una climatología sinóptica de fenómenos invernales y analizar el impacto de su variabilidad interanual sobre la distribución espacial y temporal de la precipitación, días de precipitación y nieve, temperatura y espesor de nieve en el Pirineo en las últimas tres décadas, pero teniendo siempre en referencia periodos temporales mucho más extensos y que se remontan a 1960.
iii. Estudiar los procesos atmosféricos que favorecen, en la zona de estudio, nevadas y fenómenos asociados.
iv. Investigar la posibilidad de establecer climatologías sinópticas de flujos de humedad y estructura térmica para aplicaciones en zonas concretas del Valle del Ebro y alrededores gracias al tratamiento de observaciones de nieve de alta frecuencia temporal.
v. Estudiar la adecuación de los sistemas de medida tradicionales frente a sistemas más modernos y detectar desfases para proponer correcciones y funciones de ajuste.
vi. Aportar nuevas metodologías a la comunidad científica en la medición, tratamiento, análisis e interpretación de la precipitación invernal.
vii. Proporcionar herramientas de decisión para así poder tomar decisiones que permitan adaptar las actividades humanas tanto a las condiciones climáticas actuales como a situaciones meteorológicas concretas.
La metodología empleada a largo de este trabajo ha sido esencial para el desarrollo de los trabajos y al mismo tiempo muy variada. Se puede sintetizar de la siguiente manera:
i. Lectura y estudio de artículos científicos afines a esta temática.
ii. Tratamiento de bases de datos diarias de temperatura máxima, mínima, precipitación en 24h y espesor de nieve. Relleno de lagunas y análisis de calidad de las observaciones.
iii. Tratamiento de bases de datos diarias de número de días de precipitación y de nieve. Relleno de lagunas y análisis de calidad de las observaciones.
iv. Tratamiento de bases de datos semi-horarias, horarias y tri-horarias de ocurrencia de nieve (METAR y SYNOP). Análisis de calidad de las observaciones.
v. Extracción y manipulación de datos de modelos de re-análisis atmosférico (NCEP y ERA-Interim) con distintos grados de resolución espacial. vi. Diseño experimental en equipo, de distintas observaciones meteorológicas en campo, desde la parte de implementación hasta la obtención de datos a distintas frecuencias, desde la minutal hasta la diaria.
vii. Análisis estadístico y programación de scripts informáticos para obtención de los datos, tratamiento y obtención de resultados.
Las herramientas informáticas utilizadas han sido las siguientes: i. Programación en Shell script de Unix y C.
ii. Programas estadísticos como SPSS y R y hojas de calculo como Excel.
iii. Consultas a bases de datos mediante procedimientos SQL.
iv. Sistemas de Información Geográfica como GvSIG o ArcGis.
Como aportaciones más relevantes de este trabajo cabe destacar:
i. Metodología experimental utilizada para la validación de los datos de temperatura tomados en distintos abrigos meteorológicos para estudios invernales.
ii. Estimación de las zonas en España con mayor probabilidad de infraestimación de la precipitación.
iii. Análisis del impacto de la variabilidad de patrones atmosféricos sobre la Península Ibérica en la distribución espacial de la precipitación, la temperatura y el espesor de nieve durante el periodo 1981-2010 en el Pirineo. Estudio de las tendencias observadas en precipitación, temperatura y espesor de nieve para el mismo periodo temporal y ampliado para una selección de estaciones para el periodo 1961-2014.
iv. Estudio de indicadores alternativos de variabilidad climática como el número de días de nieve y precipitación. Análisis del impacto de la variabilidad de patrones atmosféricos sobre la Península Ibérica en la distribución espacial y temporal del número de días de nieve en el Pirineo. Estudio de las tendencias observadas en el número de días de nieve para el mismo periodo temporal y ampliado para una selección de estaciones para el periodo 1961-2013.
v. Metodología y aplicaciones del uso de observaciones de alta resolución temporal de eventos de nieve para estimar situaciones probables de nevadas. Climatología sinóptica de patrones atmosféricos asociados con nevadas en una zona compleja como el Valle del Ebro y su transición desde la influencia atlántica hasta la mediterránea. vi. Desarrollo de funciones estadísticas de ajuste que permitan estimar con mayor exactitud la precipitación real en forma de nieve.
Las principales conclusiones son las siguientes:
1) Los posibles sesgos en la medida de la temperatura debidos a cambios de abrigo meteorológico e instrumentos de medida (Automáticos Vs Manuales) son admisibles y dentro del rango de precisión de los instrumentos en los meses invernales (DEFM). Además menores tasas de radiación típicas del invierno, siempre están asociadas a menores sesgos en la medida.
Los posibles sesgos en la medida de la precipitación dependerán de la exposición del pluviómetro respecto al viento. En la red operativa de AEMET se ha concluido que en las zonas de los Pirineos y Cordillera Cantábrica donde se ubican las estaciones, los pluviómetros en general están menos expuestos que en las zonas elevadas de la meseta y por tanto su porcentaje de infraestimación es menor cuando se trata de precipitación en forma de nieve.
2) En base a los anteriores resultados se puede estudiar adecuadamente la variabilidad climática de temperatura, precipitación y espesor de nieve en invierno en los Pirineos. Esta variabilidad climática viene claramente condicionada por la variabilidad inter-anual de diferentes tipos de tiempo que afectan a la Península Ibérica. Estos tipos de tiempo se pueden resumir en cuatro grupos mediante un análisis de componentes principales: PC 1 representa tipos de tiempo asociados a flujos continentales (NE), del este (E) y anticiclónicos y que están caracterizados por masas de aíre frías y con poco aporte de humedad en los Pirineos. Estas condiciones se asocian claramente con ausencia de precipitación, desarrollo de inversiones térmicas y por tanto menores temperaturas en zonas bajas. La acumulación de nieve es escasa y solo persiste en ubicaciones con poca radiación solar (caras norte) tras nevadas singulares al inicio del invierno.
PC 2 representa tipos de tiempo asociados con flujos de norte (N) y noroeste (NW) produciendo inviernos fríos con un claro incremento de la precipitación especialmente en la zona occidental de los Pirineos y en vertientes norte cerca de la divisoria con Francia, produciendo además apreciables espesores de nieve en las montañas. Los flujos de N favorecen la ocurrencia de nevadas y abundante precipitación solo en la zona más occidental mientras que son residuales en la zona central y oriental por el bloqueo orográfico de los Pirineos. Por el contrario, nevadas con flujos del NW son capaces de afectar a una zona más amplia de los Pirineos. A pesar de la ausencia de jalones de nieve en la zona más occidental del Pirineo pero teniendo en cuenta que la precipitación en forma de nieve se asocia a tipos de tiempo N y NW en cotas a partir de 800 m s.n.m. se puede deducir que esta componente está claramente asociada con aumentos de espesor de nieve en la zona occidental y caras norte. Cuando este tipo de condiciones son muy persistentes pueden provocar extremos de precipitación muy considerables en la zona occidental del Pirineo como el caso del invierno 2012-2013 (Añel et al. 2014) donde la nieve puede además permanecer a altitudes más bajas.
PC 3 representa tipos de tiempo asociados con flujos del suroeste (SW) y oeste (W) asociados también con pasos frontales y especialmente con perturbaciones atmosféricas (ciclónicas) atravesando la Península Ibérica desde el océano Atlántico y que producen un incremento de precipitación en toda la zona de estudio. Las nevadas en zonas bajas son más probables bajo el tipo de tiempo ciclónico por diversas razones: las bajas temperaturas asociadas al núcleo de la borrasca, la inyección de humedad desde el Mediterráneo sobre embolsamientos previos de aire frío o en la zona más occidental por el giro ciclónico de la borrasca que inyecta aire frio continental sobre zonas cercanas a fuentes de humedad como el océano Atlántico. Bajo el tipo de tiempo W las precipitaciones son generalizadas pero las nevadas, dado el carácter más templado de la masa de aire, solamente son significativas en zonas con una cierta altitud. La anomalía de temperatura observada especialmente en estaciones a mayor altitud se explica por el aire frio en altura asociado al paso de borrasca. Bajo estas condiciones la acumulación de nieve es mayor, especialmente en vertiente sur y zona central y oriental de los Pirineos.
PC 4 representa los tipos de tiempo asociados con flujos de sur (S) y suroeste (SW) y que producen un incremento de precipitación en la zona central de los Pirineos. Estas condiciones se asocian con una clara anomalía positiva de la temperatura y cotas de nieve más altas durante episodios de precipitación. Bajo estas condiciones solamente un notable espesor de nieve puede desarrollarse en zonas muy altas, superiores a los 2000 m s.n.m En zonas elevadas, especialmente por encima de 1500 m s.n.m, el principal responsable de acumulación de nieve es la existencia de tipos de tiempo asociados a precipitación. La única excepción son los flujos de suroeste donde la mayor temperatura juega un papel importante.
Los tipos de tiempo C, SW, W y NW son los que mejor se correlacionan con el espesor medido en Marzo. Unas pocas estaciones, situadas en la divisoria, en vertiente norte y a gran altitud, se correlacionan claramente con tipos de tiempo N, así como estaciones situadas en la zona más occidental de la zona de estudio.
Respecto a la temperatura, altas frecuencias de tipos de tiempo ciclónicos y bajas frecuencias de tipos de tiempo anticiclónicos se correlacionan mejor (negativamente) con estaciones a mayor altitud, encima de 800 m s.n.m. o cerca de la divisoria. Por otro lado, altas frecuencias de tipos de tiempo A, N, NE y E se correlacionan mejor (negativamente) con estaciones a menor altitud y alejadas de la divisoria, especialmente en la zona occidental.
Las tendencias observadas son altamente dependientes del periodo de estudio y son consistentes con las tendencias observadas en tipos de tiempo, cuya relación es independiente del periodo de estudio. Para el periodo 1981-2010 no se aprecian tendencias significativas generalizadas ni en precipitación ni en temperatura. Para el periodo 1985-2010 se aprecia una tendencia positiva significativa en el espesor de nieve. Finalmente para el periodo 1961-2014 se aprecia una tendencia negativa, no significativa, en precipitación consistente con las tendencias observadas en los distintos tipos de tiempo.
3) Existen otros indicadores de variabilidad climática, como los días de precipitación (nieve o lluvia) muy poco usados y que sin embargo responden de manera muy significativa a cambios en patrones atmosféricos.
En la zona central y occidental de los Pirineos, la distribución espacial promedio de días de nieve (NSD) y días de precipitación (NPD) se puede describir mediante ajustes lineales de regresión múltiple, siendo la altitud y distancia al océano los factores principales.
Inviernos asociados a una alta frecuencia de tipos de tiempo W, NW y C se asocian con una alta tasa de días de precipitación (NPD) de manera generalizada en la zona de estudio. El tipo de tiempo N se concentra en la zona más occidental.
Para el caso de los días de nieve (NSD) existe un claro gradiente de la zona occidental, explicado por el tipo de tiempo N, a la oriental explicado principalmente por altas frecuencias de tipos de tiempo NW y W. El tipo de tiempo C afecta de manera generalizada a toda la zona de estudio.
Utilizando las series temporales 1961-2013 de 6 estaciones seleccionadas por su calidad y longitud de la serie temporal climática se deduce que los resultados para el periodo 1981-2010 son similares y por tanto útiles para describir la respuesta de la zona de estudio a la variabilidad en patrones atmosféricos.
No existen tendencias temporales estadísticamente significativas en el NSD y NPD ni para el periodo 1981-2010 ni para el periodo 1961-2013. Sin embargo para el periodo 1971-2000 existe una clara tendencia negativa en el NSD y además consistente con la variabilidad atmosférica observada. Lo que indica, de nuevo, que las tendencias vienen muy condicionadas por el periodo de estudio elegido.
4) Observaciones de muy alta frecuencia temporal de eventos de nieve en sitios críticos (zonas densamente pobladas y/o aeropuertos) permiten establecer una climatología sinóptica de eventos de nieve con los elementos iniciales a considerar en situaciones favorables de nevada (flujos de humedad y temperatura) y que pueden ser muy útiles para tomar decisiones desde el punto de vista de la predicción operativa. El estudio muestra las diferencias entre nevadas en la transición desde el océano Atlántico hasta el mar Mediterráneo del valle del Ebro dependiendo de la cercanía o lejanía a diferentes fuentes de humedad, bloqueos orográficos y tipo de perturbación atmosférica en relativamente cortas distancias desde el punto de vista sinóptico.
Las nevadas más copiosas en la franja norte solo suceden bajo flujos en 850 hPa de componente NE, N y NW. Mientras que en el valle del Ebro y zona oriental solo suceden con componentes E. Las temperaturas en 850 hPA bajo las que suceden las nevadas guardan una relación con la altura excepto en las zonas más bajas del valle del Ebro donde existen embolsamientos de aire frio en superficie.
Esta metodología puede también usarse a nivel climatológico para extraer conclusiones relativas a la variabilidad interanual de nevadas por observatorio y su relación con la variabilidad de patrones atmosféricos a nivel hemisférico.
5) El proceso de automatización de las medidas puede producir un sesgo instrumental y rotura de series climáticas. En el caso de nevadas y su medida por pluviómetros automáticos de balancín, ampliamente extendidos por las redes operativas, se ha demostrado que es posible obtener una función de ajuste para periodos de 1h y que permita estimar una precipitación más real en base a variables como el viento promedio, temperatura promedio y acumulación horaria de precipitación. A partir de estos ajustes se pueden delimitar dos zonas donde debido a la ubicación de los pluviómetros la infraestimación porcentualmente es distinta. En la zona Pirenaica y Cantábrica las estaciones se ubican en poblaciones en fondos de valle y más abrigados del viento mientras que en la meseta Norte e Ibérica las poblaciones se encuentran en zonas más expuestas y por tanto la infraestimación es mayor. Las consecuencias de este ajuste en aplicaciones hidrológicas, climáticas y operativas son de vital importancia.
