Cálculo de visibilidad con el modelo WRF a través de la depresión del punto de rocío

Área de estudio

La zona de estudio de la presente investigación lo constituye el área que ocupan las provincias de Artemisa, La Habana y Mayabeque figura 2.1, está ubicada entre los 22°29’ y los 23°12’ de latitud norte y entre los 83°25’ y los 81°40’ de longitud oeste. Limita al Este con la provincia de Matanzas, al Sur con el Golfo de Batabanó, al Oeste con la provincia de Pinar del Río y al Norte con el Estrecho de la Florida. Cuenta con más de 8460 km2de extensión superficial. (Sitio web de la Oficina Nacional de Estadística (ONE), www.one.cu .)

Información y datos empleados

Para la realización de esta investigación se utilizaron los datos de las observaciones trihorarias de las 10 estaciones localizadas en la región que comprenden las provincias La Habana, Artemisa y Mayabeque en el período de 2008 al 2018 como muestra de estudio. Dichos datos fueron exportados de la base de datos del Centro del Clima del Instituto de Meteorología (INSMET).

Las estaciones fueron divididas por regiones según la distribución realizada por ( Barcia et al., 2012 Barcia, S., Ballester, M., Cedeño, Y., García, E., González, J., & Regueira, V. (2012). Variabilidad espacio-temporal de las variables que intervienen en los pronósticos a corto plazo en Cuba. Informe de resultado científico, Proyecto Evaluación de los Pronósticos del Tiempo, Instituto de Meteorología INSMET, La Habana, Cuba. ) para una mejor apreciación de la ocurrencia del fenómeno en las diferentes zonas. La división se puede apreciar en la Tabla 1 :

Para identificar los días con niebla y neblina, se emplearon los datos correspondientes a la variable tiempo presente. Las nieblas y neblinas se encuentran representadas por los códigos del 10 al 12, el 28 y del 40 al 49 y se refiere a todo tipo de niebla (Manual de Códigos OMM).

También se utilizaron los datos de las variables: temperatura ambiente y temperatura del punto de rocío, de los días en los que se reportó el fenómeno. Se calculó la depresión del punto de rocío a través de la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura del punto de rocío. (Ta-Td). Se promediaron todos los datos correspondientes a la temperatura ambiente y depresión del punto de rocío para los horarios de las 06:00 UTC, 09:00UTC, 12:00UTC y 03:00UTC, horarios en los que mayormente hay ocurrencia de nieblas.

En esta investigación fueron seleccionados 2 casos de estudios, los días 4 de enero del 2019 y el 5 de agosto del 2019, los cuales constituyen días en los que debido a las condiciones sinópticas existentes se vio afectada la visibilidad en la zona de estudio.

Procesamiento de la información

Análisis de la correlación lineal.

Para crear los gráficos de Taylor, hubo que calcular si existía relación directa entre las variables temperatura del aire y depresión del punto de rocío con la reducción de la visibilidad, este cálculo se llevó a cabo mediante la expresión ( 1 $\mathrm{r}=\frac{n\sum xy-(\sum x)(\sum y)}{\sqrt{{n(\sum x}^2)-{\left(\sum x\right)}^2 } \sqrt{{n(\sum y}^2)-{(\sum y)}^2}}$ ).

Donde “x” corresponde a los valores de temperatura del aire, así como “y” representa la depresión del punto de rocío y “n”, es el tamaño de la muestra de datos.

La correlación estudia el grado de asociación o dependencia entre dos variables. Es decir, analiza hasta qué punto es significativa la dependencia de una variable con respecto a la otra.

Después de hallar la correlación se construyó el grafico de Taylor para cada una de las estaciones meteorológicas de la región, con los datos de las observaciones reales de las estaciones y los aportados por el modelo donde se tomó los datos en cuenta la depresión del punto de rocío y la temperatura ambiente, de esta forma se puede apreciar en qué zona es más eficaz el modelo.

Situaciones sinópticas que favorecieron la ocurrencia de neblina.

Estudiando el comportamiento de la variable tiempo presente en el período 2008-2018 se identificaron un total de 47 244 casos de neblina, un número muy superior al de casos de niebla expresados anteriormente. El Gráfico 2 muestra la distribución por meses en estos años de los casos ocurridos y así observar los meses con mayor número de casos de neblinas.

Al analizar de forma detallada los casos de niebla como los de neblina se puede apreciar que la principal situación sinóptica que favorece la ocurrencia de ambos fenómenos es la influencia de sistemas frontales, ya sea en días precedentes o en días posteriores a su paso.

Caso de estudio del 4 de enero del 2019

Como primer caso de estudio se escogió el 4 de enero del 2019 que fue un día en el que se produjo un evento de niebla que redujo significativamente la visibilidad en varios puntos de la región occidental incluyendo la zona de estudio.

Luego de realizar los gráficos de Taylor para cada una de las diez estaciones ubicadas en la zona de estudio, se obtuvieron valores de correlación muy buenos, superiores a 0,8. En la Figura 4 se puede apreciar los mejores resultados obtenidos, con valores de correlación superiores a 0,9, pertenecientes a estaciones localizadas en zonas del interior

Se ubicó la mayor probabilidad de ocurrencia de nieblas con valores de temperatura de 23,5°C y 1,5 de depresión del punto de rocío.

Se realizó una comparación de los umbrales de temperatura y depresión del punto de rocío obtenidos con el modelo y los que fueron observados:

Las temperaturas del aire pronosticadas por el modelo, son superiores a las de la muestra para las cuatro regiones, a razón de 2,3°C; 1,6°C; 3,7°C y 1,3 °C respectivamente. Esto indica que el modelo en este caso de estudio sobreestimó los valores de temperatura mínima, resultados que han sido consecuente con los obtenidos por otros autores que han trabajado con esta variable. En cuanto a las máximas, para las regiones 1 y 4 fueron ligeramente subestimadas, puesto a que hay una diferencia de 0,2°C y 0,3°C respectivamente, mientras que para las regiones 3 y 6, el valor de la temperatura arrojada por el modelo es mayor que el de la muestra, a razón de 0,7°C y 1,0 °C respectivamente, lo que muestra una ligera sobreestimación en este caso.

Luego de este análisis se puede decir que de manera general, el modelo tiende a sobreestimar los valores de temperatura del aire. La mayor diferencia se obtuvo en la región 4 para temperaturas mínimas que corresponde a estaciones del interior, mientras que para temperaturas máximas fue en la región 6, que corresponde a estaciones de la costa sur.

En este caso los valores mínimos de depresión del punto de rocío para las regiones 1, 4 y 6 de la muestra de estudio, son ligeramente mayores al determinado a través de los datos del modelo a razón de 0,1 en las tres regiones; mientras que para la región 3 sucedió lo contrario el valor de la muestra es inferior, a razón de 0,3 que el determinado a través de los datos del modelo.

Para los valores máximos, los datos de la muestra son inferiores a los del modelo para las cuatro regiones, a razón de 2,2 para la región 1; 0,3 para la región 3 y 0,5 para las regiones restantes. Era de esperarse que existiera algún tipo de diferencia entre la muestra y el modelo debido a que como se probó anteriormente que el modelo sobreestimaba un poco los valores de temperatura ambiente, esto influye a la hora de calcular la depresión del punto de rocío.

Caso de estudio del 5 de agosto del 2019

Como segundo caso de estudio se escogió el 5 de agosto del 2019, que pertenece al período lluvioso del año que es el que menor formación de estos fenómenos tiene a lo largo de todo un año. Sin embargo, no quiere decir que ciertas condiciones sobre todo de carácter local, favorezcan la ocurrencia de las nieblas y neblinas, en este caso, según el mapa de superficie de las 12: 00 UTC se observaba un flujo del primer cuadrante con un eje de una onda tropical cerca de la región central de Cuba.

Se realizó el mismo procedimiento del caso de estudio anterior, y los mejores resultados se muestran en la Figura 5 , con valores de correlación superiores a 0,9 en las estaciones localizadas en zonas del interior.

Se ubicó la mayor probabilidad de ocurrencia de nieblas con valores de temperatura entre los 25,2°C y los 25,7°C, y valores de depresión del punto de rocío de 2,5.

Se realizó también para este caso una comparación de los umbrales de temperatura y depresión del punto de rocío obtenidos con el modelo y los que fueron observados:

En la Tabla 13 se observa que las temperaturas mínimas del modelo son superiores a las de la muestra para las cuatro regiones a razón de 6,6°C; 5,0°C; 7,0 °C y 7,8 °C respectivamente. Esto indica que el modelo en este caso de estudio sobreestimó los valores de temperatura mínima, resultados que han sido consecuente con los obtenidos por otros autores que han trabajado con esta variable. En cuanto a las máximas, sucede lo mismo, los valores de temperatura arrojados por el modelo son superiores a los de la muestra, para las cuatro regiones a razón de 3.8°C, 3.7°C; 2.8°C y 6.7 °C respectivamente. Esto indica que para los valores de temperatura máxima el modelo también sobreestimó los valores.

Luego de este análisis se puede decir que de manera general el modelo tiende a sobreestimar los valores de temperatura del aire, con la mayor diferencia en la región 6, perteneciente a la costa sur con valores de 7.8°C para las temperaturas mínimas y 6.7°C de diferencia en las temperaturas máximas.

Para el caso de los umbrales de depresión del punto de rocío, Tabla 14 , los valores mínimos de depresión del punto de rocío para las regiones 1, 3 y 6 de la muestra de estudio, son inferiores al determinado a través de los datos del modelo a razón de 1,2; 0,6 y 0,2 respectivamente; mientras que para la región 4 el valor determinado a través de los datos del modelo es el mismo que se obtuvo en la muestra de estudio. Para los valores máximos, los datos de la muestra son inferiores a los del modelo para las cuatro regiones, a razón de 1,5 para la región 1; 0,9 para la región 4 y 0,7 para las regiones 3 y 6. Era de esperarse que existiera algún tipo de diferencia entre la muestra y el modelo debido a que como se probó anteriormente que el modelo sobreestimaba un poco los valores de temperatura del aire, esto influye a la hora de calcular la depresión del punto de rocío.

Cuando las condiciones sinópticas son propicias, los reportes de formación de nieblas indican que estas se producen en zonas del interior con mayor regularidad y permanencia que en áreas costeras donde resultan más esporádicas. ( Barcia y Rodríguez, 2019 Barcia S.; Rodríguez C. (2019) Las nieblas en la provincia Cienfuegos, patrones sinópticos asociados. Revista Cubana de Meteorología. Vol. 25. ) y como se pudo apreciar en los dos casos de estudio el modelo mostró un mejor rendimiento para las zonas del interior, donde es más propensa la formación, intensidad y permanencia de las nieblas, como se expresó anteriormente, puesto que obtuvieron generalmente los mejores resultados de correlación en los gráficos.