Associació Catalana
de Meteorologia

TETHYS, revista de meteorologia - Núm. 2    

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 Caracterización objetiva de la convección
a partir de datos radar a nivel regional

Francisco Martín León
Jefe de Proyecto
Servicio de Técnicas de Análisis y Predicción, STAP
Instituto Nacional de Meteorología, INM

Anexo: Otros productos derivados


Resumen

Se presenta un procedimiento objetivo que trata de detectar, analizar, diagnosticar y extrapolar a la convección a partir de los datos volumétricos de un radar meteorológico. El procedimiento consta de dos partes. La primera trata de separar y analizar estructuras convectivas del resto de la información radar a partir de los datos provenientes de la exploración más baja realizada por el radar, PPI (Plan Position Indicator) o de un CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) inferior: procedimiento bidimensional ó 2D. En la segunda parte  se analizan tridimensionalmente los datos volumétricos radar para obtener información de los núcleos celulares en la vertical que potencialmente conforman a la estructura anterior: procedimiento tridimensional ó 3D. Con esta información el predictor de vigilancia atmosférica puede obtener una visión más clara sobre la convección que se desarrolla en su zona de interés. El núcleo de este trabajo está enfocado a la descripción de los procedimientos de detección y análisis de la convección a partir de datos volumétricos radar.


Introducción

Cuando la convección potencialmente adversa se desarrolla, el predictor de vigilancia debe analizar una gran cantidad de datos en periodos cortos de tiempo. Así, debe usar datos de teledetección (satélite, radar, rayos) para su diagnóstico y seguimiento. Por otra, debe tomar decisiones meteorológicas que pueden tener fuerte impacto social.  Los datos a analizar se actualizan en intervalos del orden de minutos. Por ejemplo, la información de rayos se recibe casi en tiempo real. La de satélite, en el caso del METEOSAT, se recibe actualmente cada 30 min. En un futuro muy cercano (2002-2003) se recibirán cada 15 min., a través de diferentes canales con el lanzamiento de MSG (METEOSAT Second Generation). Los datos de los radares del INM, Instituto Nacional de Meteorología, en modo convencional no Doppler, se actualizan cada 10 min con la particularidad de que la información radar básica usada en las labores de vigilancia es muy "voluminosa". Consta de un conjunto de datos tridimensionales, 12 CAPPIs o datos de reflectividad a diferentes niveles, más una información procedente de la exploración más baja que realiza el radar, un PPI. Los primeros conforman el llamado Volumen Cartesiano. Junto a esta información, básica y de primero orden, se generan otras algo más elaborada (Echotops, VIL, imágenes de intensidades de precipitación, acumulaciones de precipitación en diferentes intervalos horarios, etc..). Con toda esta información el predictor tiene que diagnosticar el grado, intensidad, movimiento, etc de la convección y, sobre todo, los posibles efectos en superficie. Este proceso se maximiza cuando los núcleos convectivos se desarrollan de forma generalizada e intensa. Como complemento a todo ello se debe analizar con cuidado la información de retorno que se registra en superficie, preferentemente de las estaciones automáticas y de colaboradores. Este proceso puede ser estresante en determinados momentos.

Por todo ello, cualquier automatización e integración objetiva de estos datos será bienvenida en la rutina diaria en los Grupos de Predicción y Vigilancia, GPV. En este trabajo se presentan las metodologías aplicadas en el INM de forma operativa para la identificación y seguimiento objetivo de la convección a partir, fundamentalmente, de datos radar. Seguidamente se muestran las aplicaciones y potenciales usos derivados de la herramienta desarrollada. Se termina con un apartado de conclusiones y futuros desarrollos operativos. Todas las aplicaciones se han realizado en las estaciones operativas de trabajo McIDAS (Man computer Interactive Data Access and Analysis System, Suomi et al. 1983) del INM y se han generado unos procedimientos complementarios, interfases apropiadas y aplicaciones que permiten visualizar ciertas salidas en la INTRANET del INM.


Datos y metodologías empleadas: el concepto de convección

1.- Datos de partida

Los datos básicos empleados provienen de red de radares del INM (Aguado et al. 1995). Estos se generan a nivel regional y son ingestados en las estaciones de trabajo McIDAS de forma oportuna. La aplicación desarrollada se puede activar de forma simple desde cualquier terminal operativa de los GPVs del INM  y contra cualquier radar de la red. Los datos necesarios para un correcto funcionamiento de la aplicación son:

1.a.- Datos radar

Con una resolución de celdilla o pixel de 2x2 Km2 y un radio de cobertura de 240 Km.

  • 12 CAPPIs (0,1,... y 11). Datos del llamado Volumen Cartesiano que van asociados a los ecos de precipitación (reflectividad) a diferentes niveles o alturas, desde niveles bajos ,1 Km aproximadamente,  hasta 16 Km de altura.
  • PPI. Datos de la exploración más baja realizada por el radar (a 0.5º de elevación).
1.b.- Modelo numérico de predicción

Datos de salidas numéricas apropiadas basadas en el modelo INM HIRLAM-0.5: viento a diferentes niveles, altura de las temperaturas de 0ºC, -20 ºC, humedad en 700 hPa.

1.c.- Datos de la red de detección de rayos

Estos datos provienen de la red de detección de descargas del INM, formada por 15 antenas, más la información proporcionada por 5 sensores de la red francesa. La información suministrada en tiempo real es la referente a la datos de los rayos nube-tierra.

Otro tipo de información radar regional complementaría es también utilizada: Echotops (altura máxima a la que se encuentra los ecos asociados a 12 dBZ), VIL (Vertically Integrated Liquid, Greene and Clark, 1972), ZMAX (reflectividad máxima en la vertical de un punto en superficie) y HMAX (altura de los máximos de reflectividad).

El procedimiento de análisis objetivo de datos radar se focaliza y resalta la convección más significativa. No estamos interesados en los chubascos convectivos de corta duración, poco extensos y de escasa intensidad. Este procedimiento consta de dos partes bien diferenciadas:

  • Identificación bidimensional de estructuras convectivas en niveles bajos utilizando el PPI asociado a la exploración más baja o un CAPPI bajo: procedimiento 2D.
  • Identificación de células convectivas radar tridimesionalmente: procedimiento 3D.
La convección en la atmósfera se caracteriza por la presencia de fuertes corrientes ascendentes y descendentes. Estas corrientes son capaces de generar nubes de gran desarrollo vertical que en muchas ocasiones producen precipitaciones intensas y cuantiosas en forma líquida o sólida (granizo), vientos fuertes, rayos e incluso tornados. Los radares convencionales operativos como los del INM no detectan o miden directamente estas corrientes verticales que se desarrollan dentro de los núcleos convectivos. Los procedimientos que permiten detectar la convección se basan en medidas indirectas de los efectos que estos ascensos/descensos generán en el campo de los ecos de precipitación: intensos valores de reflectividad con fuertes gradientes horizontales que se encuentran en una capa relativamente profunda de la troposfera. A través de estas evidencias indirectas se puede detectar bi y tridimensionalmente lo qué potencialmente es convección.

Por contra, la precipitación llamada de tipo "estratiforme", asociada a corrientes ascendentes/descendentes más débiles, muestra una uniformidad más notoria en sus ecos con valores menos intensos de reflectividad y  menos profundos que las primeros. Estas diferencias se pueden ver subjetivamente con una simple inspección visual en la Figura 1. La estructura A de la Figura 1a se corresponde con convección relativamente intensa llegando a dar reflectividades del orden de 55-60 dBZ, ocupando porciones en la troposfera de hasta 16 Km o más con valores de Z muy elevados: estamos frente a convección profunda. Los gradientes horizontales de reflectividad son muy marcados apareciendo máximos muy diferenciados. En el lado opuesto, la zona de ecos ligada a precipitación de tipo estratiforme, B en la Figura 1a, ofrece una distribución de reflectividades menos intensa. La precipitación estratiforme de tipo frontal muestra unas estructuras de ecos más uniforme y menos marcada, como se refleja también en C de la Figura 1b.


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Figura 1. Aspectos diferenciales entre los ecos de precipitación convectiva y estratiforme en imagen de máximos (*).  a) Ecos de precipitación asociados a lluvia convectiva, estructura A y ecos asociados a precipitación de tipo "estratiforme", B, desarrollado por la propia convección.  La imagen corresponde al 17 de Agosto del 2001 y fue tomada por el radar de Barcelona del INM.  b) Ecos de precipitación mayoritariamente asociados a lluvia estratiforme al paso de un frente frío, C,  por la Comunidad de Galicia. La imagen corresponde al 19 de Agosto del 2001 y fue tomada por el radar de A Coruña del INM.  Ver explicación en el texto.

(*) Las imágenes representan las proyecciones de los máximos de reflectividad en la vertical y en la horizontal. Pulse en la imagen para ampliarla. La información en la vertical llega hasta los 16 Km. La escala está dada en decibelios de reflectividad, dBZ. La 


2.- Procesos de identificación y separación de zonas convectivas

Las zonas convectivas de reflectividad se pueden separar del resto del campo asociado a los ecos de precipitación no convectivos de dos formas:

  • Identificando las áreas convectivas a un nivel determinado o exploración dada, proceso bidimensional-2D, o
  • Identificando tridimensionalmente a las células convectivas, proceso 3D.


2. a.- Identificación de estructuras convectivas a un nivel dado o en una exploración dada: proceso 2D

En este sentido se suele trabajar con datos de un CAPPI bajo o el PPI de la exploración más baja realizada por el radar, Figura 2a. El objetivo es identificar zonas o estructuras convectivas, separándolas del resto del campo de reflectividad y sin tener en cuenta las propiedades de la reflectividad en la vertical del PPI o CAPPI de trabajo. En el INM hemos adoptado y ajustado un procedimiento ampliamente aceptado, que ha dado, y sigue dando, muy buenos resultados tanto a nivel de investigación como a nivel operativo. Es el llamado procedimiento de Steiner-Yuter-Houze, STH, desde ahora y en honor de sus autores: Steiner et al. (1995) y Yuter and Houze (1997). Este procedimiento ha sido adaptado a las necesidades de vigilancia de la convección por y para  el INM (Martín y Carretero, 2001). El procedimiento "marca" a un pixel o celdilla de información radar como convectiva si cumple uno de estos tres criterios:

    • Criterio convectivo. Una celdilla, o pixel, es marcada como convectiva si supera un umbral de reflectividad, Zc, que teóricamente y, en general, no es alcanzable por los ecos de precipitación de tipo estratiforme. Se ha tomado 45 dBZ como Zc.
    • Criterio de máximo local. Una celdilla es marcada como convectiva si es un máximo relativo respecto a la reflectividad de fondo local, Zf, en un radio del orden de 10-11 Km. Las pruebas se hacen con celdillas que alcancen al menos los 40 dBZ.
    • Criterio de proximidad. Una celda es marcada como convectiva si se encuentra cerca de otra que ya previamente ha sido marcada como convectiva. Para ello se toman las celdillas convectivas que superaron alguno de los dos primeros criterios y se amplía el carácter convectivo a celdillas que se encuentren en sus cercanías. El radio de proximidad es función del fondo local a la celda marcada como convectiva: a mayor fondo local de reflectividad, mayor es el radio de influencia y mayor es el número de nuevas celdillas marcadas como convectivas.
Una vez identificadas las celdillas que son convectivas, entonces se les somete a un procedimiento de etiquetado y agrupamiento para formar las estructuras convectivas propiamente dichas. El procedimiento de etiquetado que hemos adoptado es el de segmentos 4-conectados: dos celdillas permanecen a una misma estructura si poseen un lado en común. En la Figura 2b vemos el resultado del proceso de etiquetado y agrupamiento de celdas catalogadas como convectivas.
 
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Figura 2.  Esquemas.a) Vista de los CAPPIs asociados al volumen cartesiano y PPI para el radar de Madrid. Las escalas vertical y horizontal en Km no son las mismas.  b) Proceso de etiquetado de celdas convectivas para formar grupos o estructuras convectivas según el criterio de segmentos 4-conectados realizados en una imagen base PPI o CAPPI bajo. Según este criterio, las estructuras 1, 2, y 3 son unidades independientes ya que no están conectadas por sus lados.

Una vez realizado el agrupamiento oportuno se calcula una serie de propiedades de las estructuras convectivas identificadas: número de celdillas o pixels que la conforman, área convectiva, reflectividad máxima y media de la estructura, centroide o centro de reflectividad, radio equivalente, etc...

El resultado de aplicar este procedimiento a una situación muy simple lo podemos observar en detalle en el sistema que se generó cerca de San Roque (Cádiz), Figura 3.  En la Figura 3a vemos el PPI analizado por el procedimiento bidimesional de SYH y las características convectivas en formato tabla  (número de la estructura, número de celdillas o pixels que la conforman, reflectividad máxima y media). Sólo se identifica un núcleo muy activo, el "1". Otras estructuras convectivas de menor importancia, "2" y "3" en la figura, no se tienen en cuenta. Lógicamente el procedimiento elegido lo podemos ajustar de tal forma  que se resalte todas las estructuras convectivas que deseemos, pero en el INM se han ajustado los valores umbrales de reflectividad "para destacar" las más importantes de cara a la vigilancia meteorológica. En la Figura 3b se pone de manifiesto "sólo" la zona convectiva analizada, separada del resto que no se considera como convección. "Apagar" la zona no convectiva relevante es una opción que el predictor tiene en las estaciones de trabajo del INM.
 



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Figura 3. PPI de radar de Málaga correspondiente al 19/Feb/2001 a las  08:40 UTC. a) Salida del procedimiento bidimensional SYH adaptado en el INM. Sólo se identifica una estructura relevante. Otras zonas convectivas de menor importancia como la "2" y "3" no son consideradas.  b) Zona convectiva identificada y etiquetada como estructura "1". El resto del campo de reflectividad no convectivo ha sido "apagado" o eliminado.  Los colores de reflectividad son los stándar de las anteriores imágenes (Figura 1). Pulse sobre la imagen para ampliar.

2.b.- Identificación de células tridimensionales: proceso 3D

La convección también se caracteriza porque es capaz de ""levar y sostener" intensos valores de reflectividad en niveles medios- altos de la troposfera: a mayor intensidad de las corrientes ascendentes mayor será la capacidad de mantener ecos de precipitación a mayores alturas,  Figura 4. El análisis tridimensional del campo de reflectividad, Z, es pues otro elemento necesario y complementario al anterior. Para detectar células  convectivas 3D hemos adoptado el procedimiento de Johnson et al. (1998) que ha sido probado con éxito en EEUU. En el INM ha sido adaptado por Carretero (2001).
 


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Figura 4. Corte vertical conceptual de una nube convectiva bien desarrollada. Las flechas indican las corrientes ascendentes y descendentes. Las zonas en verde/gris oscuro representan los ecos de precipitación detectados por el radar:  a mayor intensidad de la corrientes ascendentes, mayor será la cantidad potencial de precipitación distribuida verticalmente y mayor altura alcanzará ésta.


El procedimiento 3D tiene dos pasos fundamentales:

  • Primero se identifican los núcleos más activos en cada CAPPI, desde el CAPPI-0 al CAPPI-11. Este paso es equivalente, pero no similar, al que se realiza en el procedimiento 2D. Aquí se toman 7 umbrales de reflectividad de trabajo y que se repite para los 12 CAPPIs, en lugar de para un sólo PPI o CAPPI bajo, que es el utilizado en el 2D.
  • Posteriormente comienza el paso 3D, propiamente dicho, en el que se asocian en la vertical los núcleos identificado en los CAPPIs que cumplan determinadas condiciones y que serán finalmente considerados como células tridimensionales.
2.b.1.- Identificación de las zonas convectivas más activas a un nivel o CAPPI dado

Cada uno de los 12 CAPPIs, Figura 2a, es analizado con 7 valores de reflectividad diferentes: 30, 35, 40, 45, 50, 55 y 60 dBZ. En cada CAPPI y para cada umbral de reflectividad se identifican las células 2D. En la Figura 5a tenemos un ejemplo de cómo se analizaría una estructura compleja formada por diversos núcleos. Para dicho CAPPI, el procedimiento selecciona aquellas células que tienen reflectividades mayores, siguiendo este criterio: si una célula de reflectividad mayor tiene su centro de reflectividad o centroide dentro de una célula de reflectividad menor, se elimina esta última.En la Figura 5a se observan 4 células etiquetadas o marcadas (todas ellas con 6 ó más pixels ya que tratamos de buscar células de cierto tamaño):  A (con 30 dBZ), B (con 35 dBZ), C (con 35 dBZ) y D (con 40 dBZ). El programa aplica el criterio del umbral del centroide (punto donde se considera concentrada toda la información plana de la célula) de la siguiente forma:

El centroide del sistema B, "b", está contenido en A y es más intenso que éste por lo que se descarta la célula A. El centroide de D, "d", está contenido en las células C y A y es más intenso que ambos, por lo que también se descarta la C. En este caso, y para el CAPPI considerado, las células que se tendrán en cuenta en el procedimiento para análisis posteriores serán la B y la D, quedado eliminadas la AC. De esta forma nos estamos quedando con los núcleos más significativos a un nivel dado, o lo que es lo  mismo, elegimos siempre la parte más activa como representativa de una estructura convectiva.
 
 

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Figura 5. Procesos de identificación celular tridimensional, 3D   a) Para cada CAPPI se seleccionan, con una técnica multiumbral, las partes más activas de la convección. En este caso las células que pasan el test bidimensional son la B y D. b) Proceso de identificación de células 3D a diferentes CAPPIs. El proceso se realiza de abajo a arriba, y se van asignando células/centroides en función de su distancia: 5, 7.5 y 10 Km.  c) Corte vertical de una estructura convectiva ideal, izquierda, y su identificación en el proceso completo, derecha. d) Salida del procedimiento 3D para la situación de lluvias intensas del 10 de Junio del 2001 a las 00:30 UTC vistas por el radar de Barcelona del INM.  El fondo gris representa la estructura 2D identificada en niveles bajos por el procedimiento de SYH. Ver texto para mayor detalle.

2.b.2.- Identificación de las células en tres dimensiones (3D) a partir de la información bidimensional

Cada célula 3D podrá estar compuesta por varios elementos bidimensionales, 2D, en cada uno de los niveles  o CAPPIs dados. El proceso de identificación en la vertical trata de detectarlos y asignarlos, siguiendo los pasos que se describen.La búsqueda comienza de abajo hacia arriba, empezando desde el CAPPI más bajo. Primero se ordenan las células ya detectadas del nivel inferior, con el fin de asociar en primer lugar las células más activas. Para ello la ordenación se realiza con los  dos criterios siguientes:

    - De mayor a menor umbral de reflectividad con el que han sido etiquetadas.
    - De mayor a menor contenido acuoso.
Se comienza la búsqueda para la primera célula del nivel inferior. Si partimos, por ejemplo del CAPPI-3, en la Figura 5b con la célula A, el procedimiento busca primero las células identificadas en un nivel superior, CAPPI-4, en un radio de 5 Km. (la distancia se calcula proyectando en la horizontal la posición de los centroides de las células en diferentes CAPPIs). Nos quedamos con la célula cuyo centroide esté más cerca a la del nivel inferior. En la Figura 5b sería la célula previamente identificada como C. Una vez realizado el proceso con la primera célula, se pasa a una segunda y así hasta agotar todas las células de un nivel inferior dado. Si alguna de las células del nivel inferior se ha quedado sin célula asociada del nivel superior se amplía el radio de búsqueda a 7.5 Km y, posteriormente, a 10 Km. Todo los pasos anteriores se repiten para todos los CAPPIs (excepto para el último).

Una vez finalizado el proceso de identificación el programa detecta la célula tridimensionalmente tal y como se indica en la Figura 5c. En la parte izquierda se representa un corte vertical de una célula simple e ideal, tal y como sería vista por el radar, con diferentes colores/grises para diferentes valores de reflectividad. El procedimiento descarta todas las señales por debajo de 30 dBZ, por lo que solamente aparecen coloreadas interiormente a partir de ese valor. Por encima de 30 dBZ aumenta de 5 en 5 la señal, hasta un máximo de 60  dBZ (aunque en el ejemplo la célula solamente tienen señal hasta 45 dBZ). A la derecha, se muestra el corte vertical de la célula tal y como la detectaría el procedimiento automático 3D: líneas horizontales representan  la "porción" de célula con la que se queda el procedimiento, al pasar todos los umbrales que se han descrito. Como se ve en la Figura 5c, la célula solamente es detectada en 9 CAPPIs, aunque su extensión real sea mayor. A partir de los datos celulares 3D, podemos obtener un conjunto de propiedades tridimensionales de la célula: centroide 3D y su altura, altura y base de una reflectividad dada superior a 30 dBZ, VIL celular, etc.. Todas estas propiedades sirven para caracterizar y diagnosticar a cada una de las células 3D en un instante dado.

Tanto el procedimiento 2D como el 3D  poseen otras tantas metodologías de seguimiento y extrapolación a una hora de la convección que no serán tratadas en estas notas. Sus salidas  gráficas serán comentadas a lo largo del trabajo. Hay que hacer notar que los procedimientos operativos 2D y 3D son complementarios: mientras el primero nos resalta las zonas de precipitación convectivas en capas bajas (que a su vez estarían relacionadas con la intensidad de la precipitación en superficie), el procedimiento 3D nos dará información a nivel celular de los núcleos que conforman a la estructura 2D. Una de las salidas generadas por la aplicación se puede ver en la Figura 5d donde se observan las estructuras convectivas detectadas por el 2D, en gris, y las células 3D asociadas a cada una de ellas con una numeración y sus propiedades en un listado de la parte derecha de la imagen. La situación corresponde al 10 Junio/2000 a las 00:30 UTC. Podemos observar dos estructuras multicelulares en gris situadas en las zonas costeras y marítimas de Cataluña que conforman dos Sistemas Convectivos de Mesoescala, SCM. Estas dos estructuras están conformadas por diferentes células identificadas en el 3D. Así el SCM que se encuentra en los límites geográficos de las provincias de Barcelona y Tarragona está conformado por varios núcleos activos numerados como: 13, 18, 21,  1 y 20, en la columna N3D. Las propiedades de las células 3D aparecen en la tabla de la derecha. Además se indica la procedencia de la estructura madre (2D), si existiera, a la cual está asociada. En nuestro caso todas las células anteriores pertenecen a la estructura 2 (ver columna N2D). Obsérvese que las células 3D van clasificadas según una magnitud convectiva potencialmente significativa (densidad de VIL, DVIL). No es objeto de esta presentación la discusión de las propiedades de las células convectivas.

Aplicaciones y ejemplos

Antes de disponer de esta aplicación el predictor tenía que analizar subjetivamente una o varias imágenes radar llamadas de "vigilancia"  (el VIL, Echotop, ZMAX, etc..) cada de 10 min en los terminales de trabajo. El procedimiento actual le facilita esta labor enormemente pues realiza un análisis, diagnosis y seguimiento de la convección de forma automática. Además, se ha elaborado una serie de aplicaciones complementarias en los terminales McIDAS, vía menús, que le permite realizar otras funciones muy relevantes de cara a la convección: superposición de la orografía como imagen de fondo, visualización de todas las poblaciones superiores a 2.000 habitantes, análisis en un conjunto de puntos de especial interés, magnificación (zoom) de estructuras y células predeterminadas, etc. En la Figura 6, podemos ver las dos salidas específicas solicitadas vía menú, Figura 6c y d, además de las básicas, Figura 6a y b.  Esta situación corresponde al 28 de Septiembre del 2001 a las 12 UTC cuando un SCM se formó en la zona Mediterránea. Las Figuras 6b, c y d tratan de focalizarse sólo en las áreas convectivas. Hay que hacer notar que el procedimiento 3D detecta en la zona de Cuenca tres células pequeñas, Figura 6b, que no superan los “test” para ser consideradas como estructuras significativas en el 2D (Figura 6a).

Todas estas herramientas conllevan la posibilidad de realizar mejores y más precisos diagnósticos de la convección.
 

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Figura 6.   Productos básicos  derivados de la aplicación, vía menú, a partir de los datos del radar de Murcia para un Sistema Convectivo de Mesoescala del día 28/Sep/2001 a las 12 UTC (14 locales).  a) Salida básica inicial 2D: análisis de estructuras convectivas más rayos en 10 min.  b) Idem pero para el caso del análisis celular 3D. La zona de ecos estratiforme ha sido eliminada.  c) Salida especial donde se presentan las SOLO las estructuras convectivas 2D,  la orografía de la zona de fondo, poblaciones de la zona y  rayos en una ventana temporal de 10 min. anteriores a la hora de la imagen.  d) Salida combinada del 3D y 2D donde se ha magnificado una de las estructuras 2D, la "1"  y sus las células (3D) que las conforman.

Los procedimientos 2D y 3D llevan asociados dos métodos diferentes de seguimiento y extrapolación de la convección de hasta una hora vista. Sólo se extrapolan las posiciones de los centroides de la estructura 2D y células 3D. Esta información adicional se realiza a nivel de cada estructura y célula, siendo esta aproximación más realista que aquella que utiliza el vector de traslación medio previsto por un modelo o otra técnica de extrapolación que trabajará a nivel de imagen o datos de forma global.

Conclusiones

Se han desarrollado y  puesto en operatividad una aplicación que permite identificar tanto estructuras convectivas significativas bidimensionales, 2D, en capas bajas  como células convectivas tridimensionales, 3D, a partir de datos radar a nivel regional. Esta aplicación se puede activar en los terminales de trabajo de los Grupos de Predicción y Vigilancia del INM. Junto a ella se han desarrollado interfaces adecuadas que permiten un grado de interactividad muy apreciada en entornos operativos. La aplicación permite analizar, diagnosticar y extrapolar sistemas convectivos potencialmente adversos, tanto a lo que se refiere a nivel de estructuras convectivas en niveles bajos como a nivel celular tridimensional.

Se pretende que esta herramienta sea una ayuda complementaria a la toma de decisiones en situaciones convectivas. De cualquier forma el predictor deberá tener siempre en mente los principios físicos y modelos conceptuales asociadas a la convección. De cara a futuros desarrollos podemos destacar:

  • Análisis estructuras convectivas a partir de datos radar de composición nacional. La disponibilidad de imágenes compuestas a nivel nacional de diferentes productos derivados (reflectividad, VIL, Echotops,etc.) nos ofrece la posibilidad de realizar análisis y seguimiento de la convección en imágenes compuestas a nivel nacional. Los productos derivados serán útiles para realizar, principalmente, la vigilancia nacional y con fines aeronáuticos.
  • Actividad eléctrica a nivel de estructuras convectivas radar. A partir de las técnicas empleadas con la herramienta actual será posible asignar rayos a estructuras convectivas radar. Un primer prototipo está siendo probado actualmente.
Las metodologías básicas que soportan estos futuros desarrollos ya han sido implementadas y probadas en tiempo real.  Estos nuevos desarrollos y productos repercutirán en una mejora del conocimiento de la convección y en mitigar su posible impacto en una sociedad cada vez más sensible a los daños que ésta genera.
 

Bibliografía

Aguado, F., Camacho, J. L., Gutiérrez, E., Gutiérrez, J. M. & Pérez. F., 1995: Cost 75; Weather radar systems. International Seminar. Brussel, Sept. 1994. EUR 16013 EN. Edited by Collier: 29-35.

Greene, D.R., and R.A. Clark, 1972: Vertically integrated liquid water:  a new analysis tool. Mon. Wea. Rev., 100, 548-552.

Martín, F. y Carretero, O., 2001: Análisis de estructuras y células convectivas mediante datos de radar regional: Aplicación YRADAR. Ver. 2.0  Mayo/2001, STAP. Publicación interna del INM.

Steiner, M., R. A. Houze, Jr., and S. E. Yuter, 1995: Climatological characterization of three-dimensional storm structure from operational radar and rain gauge data. J. Appl. Meteor., 34, 1978-2007.

Suomi V.E., Fox R., Limaye S.S. and Smith W.L., 1983: McIDAS III: A Modern Interactive Data Access and Analysis System. Journal of Climate and Applied Meteorology, Vol. 22, pp 766-778.

Yuter, S. E., and R. A. Houze, Jr., 1997 : Measurements of raindrop size distributions over the Pacific warm pool and implications for Z-R relations. J. Appl. Meteor., 36, 847-867.
 

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

Carretero, O., 2001: Identificación, seguimiento y extrapolación de células convectivas radar 3D. Curso de Diagnóstico y Predicción de la Convección Profunda 2000-2001, Servicio de Técnicas de Análisis y Predicción (STAP). Nota Técnica del STAP Nº  35. Documentación técnica interna del Instituto Nacional de Meteorología.


Anexo

Otras salidas generadas por la aplicación radar que el predictor puede utilizar para un mejor diagnostico de la convección. Los tamaños de las imagenes radar son los originales.

Imágenes básicas de partida del análisis 2D y 3D

Estas dos primeras imágenes son las de referencia o partida del diagnóstico bidimensional, 2D, y tridimensional, 3D. Esta situación se corresponde con las  fuertes tormentas en Mallorca durante el día 30/Ago/2001 e inicio de convección profunda en el área de Cataluña que posteriormente generaron lluvias moderadas e intensas en las provincias de Gerona y Barcelona. Las imágenes de trabajo son de las 12:30 UTC ( 14:30 locales), menos la información sobre los puntos activos, PA, que corresponde a las de las 14:30 UTC (16:30 locales) con fuertes lluvias en la zona del área metropolitana de Barcelona.

Imagen base 2D (*)   Area de interés: zona de las Islas Baleares
Imagen base 3D     Idem que el caso anterior

*) La información de rayos está incluida: número de rayos registrados con 10 min de antelación a la hora nominal de la imagen radar.

Otros productos generados:

a.- Formato gráfico:

Imagen base 2D más información en la vertical(*): se activan  en la imagen ciertos valores relativos a las propiedades de las estructuras radar significativas en la vertical de la estructura identificada por este orden: Echotop, VIL, ZMAX, HMAX.
Imagen base 2D más orografía(*): se utiliza de fondo la orografía de la zona en una escala de grises del negro al blanco.
Imagen base 2D convectiva(*): se resaltan sólo las porciones de reflectividad asociadas a la zona convectiva.
Imagen base 2D convectiva más orografía(*): Idem que en el caso anterior pero con la orografía como fondo.
Imagen base 2D más viento medio:  Se superpone el viento medio o viento rector de las tormentas previsto por el modelo INM HIRLAM-0.5. Suele estar asociado a la componente de traslación de la convección. El viento medio se obtien entre 925 y 500 hPa.
Puntos Activos, PA, o de lugares de especial interés: Imagen base 2D y detalle para el caso del aeropuerto del Prat de Barcelona, seleccionado como punto activo). Los PA se marcan o señalan con círculos magenta y rojo si existe actividad convectiva radar y de rayos, respectivamente, en sus cercanías. Estas imágenes son de las 14:30 UTC (16:30 locales) del 30/Ago/01 y fue la estructura marcada como "1"  la que afectó al área de la ciudad de Barcelona y cercanías, sobre todo al aeropuerto de la ciudad.
Detalles de las seis estructuras tormentosas 2D más activas y pueblos de la zona. Independientemente se muestran las seis estructuras más intensas junto con las poblaciones más importantes de una base de datos locales de las estaciones de trabajo.
Imagen 2D+3D: Detalle de una estructura radar 2D y de las células que la componen, en este caso se seleccionó la estructura convectiva "1". Esta aparece con fondo en gris, las células 3D están coloreadas según su intensidad convectiva basada en la densidad de VIL celular, DVIL. En este caso se identifican dos células etiquetadas como 1 y 3 coloreadas con rojo y azul respectivamente (ver escala de DVIL en la misma imagen). El tamaño del "cuadrado" celular esta ligado al espesor vertical de la célula: a mayor tamaño, mayor espesor. En celeste se representa las posiciones del centroide celular, 3D, en la última hora en intervalos de 10 min. y en amarillo su posición extrapolada a una hora, en intervalos de 10 min. "G" y "g" representan la probabilidad de granizo: muy probable y probable, respectivamente, de una célula determinada.
Diagnóstico a nivel celular 3D: Evolución celular en detalle de la última hora de una estructura celular 3D. Propiedades celulares y posibles efectos en supeficie.

(*) La información de rayos está incluida: número de rayos registrados con 10 min de antelación.
 

b.- Formato texto

Además de la información gráfica el predictor dispone de una información complementaria a las gráficas en formato texto tabulada. He aquí algunas salidas (por comodidad se han utilizado imágenes GIF "capturadas" de los propios textos, aunque en realidad estos son ficheros ASCII).

Fichero de análisis 2D de estructuras
Fichero de Diagnosis 2D
Fichero de Rayos: 12:30 UTC y 14:30 UTC. Estos ficheros nos suministran información del número de rayos positivos y negativos asignados a cada estructura radar, grupo de rayos, tendencias de los rayos nube - tierra en los últimos diez minutos y en periodos de 5 min, etc.
Fichero de Puntos Activos: 12:30 UTC y 14:30 UTC. Los puntos activos o de especial interés pueden ser zonas deportivas, ciudades, aeropuertos, bases aéreas, etc...  que tienen un tratamiento especial en la aplicación. En sus listados podemos obtener información de las células radar que están o van a estar en un radio de aviso predeterminado por el usuario, en el ejemplo es de 20 Km. También se marca y se señala si existe o no actividad tormentosa.

En determinadas ocasiones, potencialmente adversas, se lanzan mensajes de aviso o alerta por el terminal de la estación de trabajo de vigilancia de los GPVs del INM.

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