Ponencia presentada en: III Simposio Nacional de Predicción del Instituto Nacional de Meteorología, celebrado en 1996 en MadridSe presentan los resultados de un estudio sobre la relación entre los datos procedentes de una selección de rayos nube-tierra y los perfiles de reflectividad derivados de la exploración de radar. Con este objeto se han utilizado los productos de la Red de Radiogoniómetros (RR) del Instituto Nacional de Meteorología (INM) y del Centro Regional de Radar de Madrid (CRRM). Se valoran y cuantifican las características que exhiben los ecos radar en relación con las frecuencias de rayos habidos en dos situaciones sinópticas diferentes del verano y otoño de 1992

Aguado Encabo, Fernando

Gutiérrez Núñez, José Miguel

Pérez Puebla, Francisco

Spanish

Agencia Estatal de Meteorología

RELACIÓN ENTRE LAS OCURRENCIAS DE RAYOS Y LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS ECOS DEL RADAR DE MADRID Francisco Pérez Puebla . José Miguel Gutiérrez Niiñez Fernando Aguado Encabo (Servicio de Teledetección, -1NM-) RESUMEN Se presentan los resultados de un estudio sobre la relación entre los datos procedentes de una selección de rayos .nube-tierra y los pet-jles de reflectividad derivados de la exploración de radar. Con este objeto se han utilizado los productos de la Red de Radiogoniómetros (RR) del Instituto Nacional de Meteorología (INM) y .del Centro Regional de Radar de Madrid (CRRM). Se valoran y cuantifican las características que exhiben los ecos radar en relación con las frecuencias de rayos habidos en dos situaciones sinópticas diferentes del verano y otoño de 1992. 1. Introducción. en forma de paraboloides para las 20 elevaciones operativas en el CRRM consiguiéndose de esta Después de varias campañas de archivo forma registrar toda la información radar aprove- intensivo de toda la información proporcionada chable. De forma análoga se almacenaron todos por el CRRM y por la RR en períodos de los datos procedentes de la RR, en particular, los actividad tormentosa generalizada se obtuvieron datos brutos de detección de descargas por cada - - algunos intervalos simultáneos de información sensor de la red. ... . . dentro del radio de exploración de 240 km entorno al emplazamiento del radar. La informa- Posteriormente se sometieron a un proceso ción corresponde a un total de unas veinte horas de cálculo todos los datos. Por un lado los de actividad, de las cuales nueve corresponden a volúmenes polares de exploración del radar se tormentas desarrolladas en la conocida baja tér- transformaron en cartesianos. Esto es, se presen- mica peninsular (15 de julio); y, el resto, se tan en forma tridimensional con una rejilla de registraron bajo la acción otoñal de sendas bajas resolución horizontal de 2x2 km2 y en la vertical atlántico-ibéricas (25 y 26 de septiembre, y 30 los doce niveles actualmente operacionales en el . . . . . - de octubre). Durante los períodos de coincidencia CRRM (1,s; 2,5; 3,s; 4,s; 53 ;  6,s; 7 3 ;  8,s; 10; _-_ _ _._=. _ _  se registraron prácticamente todos los volúmenes 12; 14 y 16 km de altitud sobre el nivel del mar) polares constituidos por las agrupaciones de ecos que en la nomenclatura de rddar se denominan ... "CAPPIs" (CAPPI O, CAPPI 1, y así sucesi- vamente hasta "el CAPPI 11"). Este proceso de "digitalización" se basa en la interpelación lineal de los valores de reflectividad de los ecos del volumen polar más próximos y que no estuviesen contaminados con ecos de tierra puesto que fueron previamente eliminados. Sin embargo, no se in- cluyó en el volumen cartesiano la extensión artificial de los niveles de altitud constante más nearon a los registros de los ecos de precipitación que se obtienen en forma operativa cada diez minutos. De esta manera, mantendríamos el nú- mero de rayos de la muestra sin menoscabarla, aunque se pudiera introducir un factor de incer- tidumbre en los resultados del estudio por el lapso temporal entre el instante en que se produjo el rayo y aquel en que se recibió el eco de preci- pitación en el radar. allá del verdadero alcance del haz radar: esto es, 1 no se generaron los denominados "pseudo-cappi's" como es habitual en el CRRM puesto que la 1.2. Sobre el problema de la coincidencia intención de este procedimiento de discretización espacial de los datos. es la obtención de la columna de perfiles de reflectividad radar en aquellos lugares donde se hubiese producido un rayo. A aquellos niveles en los que no se tiene ningún dato porque la elevación inferior de los haces radar quedase por encima se les asignó una reflectividad de -30 dbz en la correspondiente celdilla del volumen carte- siano y en su perfil o columna de reflectividades. También se recalcularon las posiciones de los rayos a partir de los datos brutos de cada sensor (el instante en que se detectó, la dirección de la que procedía la señal, la intensidad relativa, Mientras que la resolución espacial de los datos radar es uniforme y viene dada por una celdilla de 2x2 km2, la precisión en la locatización de un rayo depende de la técnica empleada. Esencialmente, por lo que respecta al error en la fijación de la posición de un rayo, cabe distinguir si han sido dos o más el número de sensores de la red que lo detectaron. Si sólo fueron dos sensores no hay manera de garantizar que el error no sea de orden superior al de la celdilla de resolución del radar. la polaridad, el número de subdescargas, ... etc.) Cuando son tres o más el número de de acuerdo con la mejor calibración de la que se sensores que detectaron el mismo rayo el proceso dispone hasta ahora en la red. de localización consiste en un ajuste por mínimos cuadrados de las diversas intersecciones que se producen considerándolos dos a dos. Así se 1.1. Sobre el problema de la simultaneidad obtiene la localización óptima que minimiza la de los datos. función "chicuadrado" de Pearson definida de la siguiente forma: I El primer problema a que nos enfrentamos es el garantizar que los registros correspondiesen x 2  = x- (Oi - a eventos realmente coetáneos y para ello se i= i  02 sincronizaron los relojes del CRRM y de la RR antes de las campañas de captura de datos. No donde: es el ángulo medido por cada sensor, obstante, el problema de relacionar fenómenos de escala temporal tan diferente como la precipita- 0 es el ángulo de la dirección de loca- / ción en las nubes tormentosas y los rayos que en lización óptima, ellas se producen tiene una extensión mayor y ,no se aborda en este estudio. Sin embargo, existen oi es la desviación estándar de la distri- trabajos en los que se comprueba que la corre- bución de ángulos de error. . lación entre ambas fuentes de datos no se ve afectada especialmente por la forma en que se Entorno a cada localización se define una realice la superposición temporal de los mismos siempre que se mantenga un intervalo de coin- cidencia temporal que no sobrepase los veinte minutos. Nosotros elegimos una ventana de diez minutos comprendida entre los tres minutos an- teriores al comienzo de la exploración del radar y dos después de finalizada. Esto es, todos los rayos comprendidos en ese intervalo se simulta- 422 elipse de error dentro de la. cual es hayor la probabilidad de que se haya producido el rayo. Las características de las elipses son función de la desviación estándar de ángulos de error, del número de sensores activos y de la configuración geométrica que presentan los sensores respecto a la localización obtenida. La muestra de rayos con la que trabajamos fue escogida de un modo muy restrictivo y repre- Tabla 1 senta aproximadamente un 50% del total de rayos registrados en los períodos de simultaneidad. En primer lugar, sólo mantuvimos los rayos que se hubiesen fijado por el método de optimización anteriormente comentado; y, de ellos, se escogie- ron para mayor seguridad los que tuviesen un valor del parámetro de Pearson inferior a dos. De modo que la muestra que se utilizó exhibe las características promedio para cada situación y para el total, que se indican en la tabla 1. Con los criterios anteriormente menciona- dos se construyó una base de datos formada por todas las localizaciones de rayos seleccionadas así como sus características físicas, a las que se añadieron los perfiles de reflectividad en la co- lumna vertical, la altura del, "ecotop", la reflec- tividad máxima de la columna, la altura donde se situaba dicho máximo, el valor de reflectividad de la primera elevación (PPI), y la distancia al radar. 2. Características de los perfiles de reflec- tividad media. Se han representado en dos gráficas (Fi- guras 1 y 2) los valores medios de las reflecti- vidades en cada nivel de la columna donde se produjo un rayo en función de la distancia al radar. La primera característica común a todas las representaciones es la existencia de un intervalo de niveles entre 4,5 y 11 km en el cual se produce un decrecimiento parabólico- de la reflectividad con la altura. Por otro lado, en los niveles inferiores el valor de la reflectividad sufre un debilitamiento que da lugar a un máximo local de la función en todas las representaciones para el segundo o tercer nivel independientemente de la distancia al radar. La razón de este aparente debilitamiento de la señal en los niveles inferiores está en el bloqueo orográfico del haz radar para distancias superiores 1,5 2.5 3,s 4,s 5.5 6 . 5 .  7 ,s  8.5 10 12 14 Altura del  "CAPPI" (km) Figura 1.- Reflecrii~idudes riiedios por coronas esféricas: a )  Para r I 30 km. b) .Para 30 < r < 60. c )  Para 60 < r < 90. d)  Para 90 < r < 120 423 Figura 1,5 2,5 3,5 4.5 5,5 6,5 7,5 8.5 10 12 14 16 Altura del "CAPPI" (km) Reflectivirlrrdes medias por coronas esféricas: a )  Para 120 < r 5 150 krn. b)  Para 150 < r I 180. c )  Para 180 < r 5 2 10. d )  Para 210 a 150 km, en la eliminación de los ecos de tierra las columnas van aumentando lenta y constante- en distancias intermedias de 60 a 150 km y en mente conforme se toman coronas circulares más la eliminación de los ecos de tierra producidos alejadas del radar. Se confirma así la existencia por los lóbulos laterales del haz en las proximi- del bloqueo oiográfico en las elevaciones inferio- dades al radar. Además, el proceso de conversión res y su repercusión en los valores de reflectividad de un volumen polar a otro cartesiano utiliza la de los niveles más bajos. interpolación con lo que contribuye a infravalorar los niveles de reflectividad detectados en ese Por otro lado, los valores de las medias de nivel. reflectividades máximas (ver Figura 3) son ma- yores cuanto más próximos al radar estemos, lo Por tanto, prescindiendo de la disminución que parece un síntoma propio de la atenuación artificial de la reflectividad se puede afirmar que de .los radares de banda C como el de Madrid.. ésta aumentaría hasta los niveles más próxiinos Sin embargo, esta tendencia se rompe justo para al suelo, apoyando la idea intuitiva de la relación la corona esferica más &jada .del radar contra- entre los procesos de pfecipitacióii convectiva y viniendo la anterior suposición. Por tanto, no se los de geheración de rayos entre nube y tierra. puede deducir que en el estudio la atenuación de la señal radar haya sido importante. Quizás este Los valores de la altura a la que se sitúan efecto sea consecuencia de la apertura del haz con , los máximos de reflectividad (ver Figura 4) de la distancia a la antena. 1 Distancia (km) 1 11 1 o 9 8 7 6 5 4 3 2 15 45 75 105 135 165 195 225 Distancia (km) Figura 3.- Media de "Z1nax"-R Figura 4.- Medias de "Etop" y "H1na.v" [ Fig. O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ZMAX (dbi.) 581 rayos en un radio inferiorn 150 km del Radar de Madrid 5.- Frecuencia de rayos frente a la reflectividad máxima 3. Wistogramas de reflectividad máxima y de altura del "ecotop". En la Fig. 5 se presenta el histograma de frecuencias relativas de aparición de rayos para intervalos de valores de la reflectividad máxima detectada en la columna. Para su confección sólo se tomaron en cuenta los rayos que se produjeron dentro de un radio de 150 km al objeto de minimizar el bloqueo orográfico. Se observa cómo la gráfica tiene un máxi- mo de frecuencia de aparición de rayos cercano al 20% para reflectividades máximas en la colum- na entre 40 y 45 dbz y cómo la curva se ajusta a una normal con una cola a la izquierda. Hemos realizado la misma representación gráfica (Figuras 6 y 7) en cada una de las dos situaciones meteorológicas diferentes a las que pertenecen los datos observándose que el máxi- mo se sitúa en las bajas térmicas entorno a los 40-50 dbz mientras que en las depresiones frías se sitúa entre 25 y 30 dbz revelándose las bajas cálidas como desencadenantes de precipitaciones más intensas. " ZMAX (dbi.) l ZMAX (km) I Fig. 6.- Reflectividad máxima en tormentas de baja térmica . Analizamos del mismo subconjunto de datos las alturas de los "ecotop" (Fig. 8); esto es, la máxima altura a la que se detecta una reflectividad igual o superior a 12 dbz. Se encontró un máximo entre 8 y 9 km de altura con más del 35% de los rayos. Al estudiarlo por situaciones (Figuras 9 y 10) de nuevo las bajas cálidas manifiestan mayor elevación para los yunques de los cumu- lonimbos alcanzando el 80% alturas entre 8 y 10 km, mientras que las depresiones atlántico- ibéricas sólo consiguieron alcanzar estas alturas en un 50% de los casos. En la distribución aparece con un porcen- taje inferior al 10% del total de rayos un grupo cuyas alturas de "ecotop" son inferiores a 1 km. Estos rayos corresponden realmente al grupo de descargas cuya columna no tenía ningún valor de reflectividad que alcanzase los 12 dbz y se les asignó arbitrariamente la altura cero. A este grupo le hemos designado como rayos en "aire claro". ' No constituye este resultado dgo  insólito ya que Holle en el Radar de Florida se encontró con un tanto por ciento superior al nuestro. Realmente, el estudio de estos rayos debe cons- 1 2  3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 4 1 6  ETOP (km) Fig. 7.- Reflectividad máxima en tormentas de "baja Fig. 8.- Frecuencia de rayos frente a la altura del fría" "Etop " l - - 1 2  3 4  5 6  7  8 9  1 0 1 2 1 4 1 6  ETOP (km) Fig. 9.- "Ecotop" en tormentas de "baja cálida" m p 30% m E 20% Q 8 10% L 0% 1 2  3 4  5 6 7  8 9 1 0 1 2 1 4 1 6  ETOP (km) Fig. 10.- "Ecotop" para tormentas de "baja fría" tituir, un capítulo aparte aunque sospechamos que Uno de los problemas más frecuentes es la muy probablemente este resultado sea consecuen- elección de los niveles para determinar mejor el . cia de la amplitud del intervalo temporal de simul- grado de desarrollo de los sistemas tormentosos. taneidad de los datos. (Téngase en cuenta que se Se sometieron a prueba diversos índices y los que Puede dar una distancia de hasta 8 minutos entre han tenido un comportamiento más coherente son: ambos y mientras tanto el sistema se puede desplazar de su posición original). a) para distancias al radar inferiores a 60 km: Reflectividad a 4,5 km Z cappi 3 a =  - 4. Estudio de la frecuencia de rayos en Reflectividad a 2,5 km Z cappi 1 [21 relación a la etapa de desarrollo de la tormenta. b) para distancias inferiorespa los 150 km: Es frecuente el uso de índices de desarrollo obtenidos a partir del perfil de reflectividad. En el CRRM está disponible el índice denominado , "VPI" (vertical profile indicator) obtenido me- diante el cociente bajo determinadas condiciones de las reflectividades entre un nivel superior y otro inferior. - Reflectividad a 6,5 km Z cappi 5 - Reflectividad a 3,5 km Z cappi 2 [3 1 Se estudiaron los valores de frecuencias relativas (%) de aparición de la totalidad de los rayos habidos en los dos radios considerados en la tabla 11. Tabla 11 El primer radio se escogió como el único Conclusiones. que nos asegura la inexistencia de bloqueo oro- gráfico y como área de pruebas para el uso de Los resultados obtenidos revelan que las niveles inferiores no contaminados por ecos de tierra. Los resultados de este área se toman como referencia para loculizar otros niveles superiores que evitando el bloqueo orográfico y los posibles ecos de las montañas sirvan para definir un índice VPI útil a mayores distancias. Para el segundo radio se presentan los resultados de frecuencias con el VPI propuesto mediante la fórmula [3], mientras que en el radio de 60 km se utilizó el índice definido por la fórmula [2], y como se aprecia hay una buena coincidencia entre los resultados. Sólo los porcen- tajes relativos en los denominados "rayos de aire claro" y los porcentajes de rayos positivos en la fase final presentan ciertos contrastes. Por tanto, deducimos que cualquiera de los índices refleja perfectamente las restantes fases de desarrollo en las tormentas. Posiblemente estas discrepancias sean fruto de unas muestras exiguas en rayos positivos, y en cuanto a los "rayos en aire claro" insistimos "en la indeterminación es- pacio-temporal introducida por el criterio de si- multaneidad seguido en el estudio". Por lo demás, resalta la práctica inexistencia de rayos positivos en las fases de desarrollo inicial e intermedio del desarrollo tormentoso. Además, sólo entorno a un 10% del total de rayos se concomitancias entre los datos aportados por la red de radiogoniómetros y los obtenidos del Radar de Madrid son altamente elevadas y beneficioso su estudio no sólo a los efectos-de investigación y desarrollo sino también para el conocimiento del comportamiento y limitaciones de cada sistema. Por otro lado, no se deduce del estudio que el Radar de banda C de Madrid sufra atenuación importante ni siquiera a grandes distancias para las situaciones aquí estudiadas. Sin embargo, sí debe tomarse en consideración la contaminación de los niveles inferiores por ecos de tierra, así como el efecto del bloqueo orográfico y de la progresiva elevación de los haces de exploración del radar, incluso en sus proximidades (R 60 km). Por último, es de destacar el excelente ajuste entre los índices de desarrollo (VPI) aquí probados y las frecuencias de aparición de rayos en las distintas fases de las tormentas. Referencias. Holle; U p e z  y Hiscox (1983). Relationships between liglztning oclirrences and radar echo characteristics ir2 South Florida. 8th Iriter~zotional Aerospace arzd Ground Conference on Liglztrting and Static Electri- city. Fort Wortli, Texas. Jurte 1983. producen en estas fases. La gran mayoría de 10s Reap, R.M. (1985). Evoluatiort of cloud-to-ground rayos, el 84%, se producen en las fases de lightrtirtg data from the western United States for tlie precipitaciones intensas o en la etapa final de las 1983-84 sumrner seasons, Journal of Clir7tare and I tormentas. Applied Meteorology. May 3, 1985. 

Relación entre las ocurrencias de rayos y las características de los ecos del radar de Madrid

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