ANALISIS DE LAS CONDICIONES QUE FAVORECEN EL DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD CONVECTIVA DE LAS TORMENTAS ELECTRICAS EN LA SABAN A DE BOGOTA (*) GERARDO DE J. MONTOYA GAVIRIA Profesor Asociado, Departamento de Geociencias-Universiidad Nacional de Colombia JESUS ANTONIO ESLAVA RAMIREZ Profesor Titular, Departamento de Geociencias-Universidad Nacional de Colombia Montoya G & J. Eslava. (2000): Analisis de las condiciones que favorecen el desarrollo de la actividad convectiva y de las tormentas electricas en la sabana de Bogota. Geofis. Colomb. 4:23-30. ISSN 0121-2974. Santa Fe de Bogota, D.C. - Colombia. RESUMEN La predicci6n de la actividad convectiva en los tr6picos es un problema aun sin resolver. Las dificultades para resolverlo estan asociadas con el hecho de que este fen6meno se presenta a menudo como resultado de una compleja interacci6n entre caracteristicas locales y condiciones en el flujo de gran escala. En este trabajo, se analizan registros sobre dias con ocurrencia de tormentas electricas conjuntamente con datos de superficie y de altura de aproximadamente 10 alios, con el objeto de determinar las condiciones tanto de grande escala como de escala local que favorecen el desarrollo de la actividad convectiva en la Saana de Bogota. Como resultado principal del trabajo se concluye que, de acuerdo a los reqistrc... correspondientes a la superficie isobarica de 700 hPa, las tormentas electricas en esta region se presentan con vientos debiles y alto contenido de humedad, situacion que es propia de la zona de convergencia de los alisios y del brazo ascendente ecuatorial de la celda de Hadley. El analisis muestra adernas que, la conveccion local 0 terrnica reforzada por el efecto oroqrafico, sirve de mecanismo disparador de las tormentas electricas en la Sabana de Bogota. Estas conclusiones explican el origen y desarrollo de este fen6meno y permiten dar algunas recomendaciones para su diagn6stico y pron6stico. Finalmente, se sugiere un modelo de circulaclon del aire durante el desarrollo de la actividad convectiva en la Sabana de Bogota. ABSTRACT Convective activity prediction in the tropics are still an unsolved problem. Difficulties are mainly related to the fact the phenomenum, very often results as a complex interaction between local and large scale stream conditions. Days with thunderstorm activity compared with surface and height data for 10 years are presented in this paper in order to determine both, large and local scale conditions that propitiate the developing of convective activity in the Bogota sabana. As a main result it is shown that at the 700 hPa isobaric surface, electrical storms appears whit weale winds and high contents of humidity, which characterize the alisios convergence zone and also the ecuatorial ascendent branch of the Hadley cell. Besides, the analysis shows that local thermal convection strengthened by orograhapic effect are the trigger mechanism for electrical storm in the "Sabana de Bogota".These conclusions explain the origin and develop of the phenomenum and allow to give some recomendations for its diagnostic and forecasting. Finally an circulation model during the developing of convective activity in the "Sabana de Bogota". (*) Trabajo realizado dentro del marco del Grupo de investigaciones en Meteorologia-U.N., que cuenta con el apoyo financiero de COLCIENCIAS y el BID, contrato COLCIENCIAS-U.N. NO.562/98. 1. INTRODUCCION La actividad convectiva es el elemento mas importante para predecir en los tr6picos. Esto se debe a que primero; la mayor parte de la precipitaci6n registrada durante el ano es originada por nubes convectivas. Segundo, muchos fen6menos adversos, tales como tornados huracanes, tormentas electricas, etc., estan asociados con este fen6meno. Por ultimo, la convecci6n tropical juega un papel preponderante en la circulaci6n general de la atm6sfera tropical y la formaci6n de las condiciones del tiempo para pron6stico a largo plazo y predicci6n del clima. En particular, en la Sabana de Bogota, el 21 % de los dias del ario ocurren tormentas electricas causando trastornos, en el transporte, en la red de distribuci6n de energia electrica, etc. Por esc, es de gran importancia el mejoramiento de los metodos para pronosticarlas. Para mejorar el pron6stico de Iluvias convectivas y de tormentas electricas es importante analizar las condiciones atrnosfericas en las diferentes escalas que determinan el origen y desarrollo de estos fen6menos. En la gran escala es conocido por ejemplo, que la circulacion de la atm6sfera en la regi6n tropical y en latitudes medias es bien diferente. Mientras que las ultirnas son caracterizadas por un flujo medio cuasi- horizontal dirigido de oeste para este, en la regi6n tropical predominan los vientos Alisios de ambos hemisferios. Estos vientos se encuentran en una franja estrecha lIamada Zona de Convergencia Intertropical- ZCIT, propiciando alii el desarrollo de la actividad convectiva. EI estudio de la ZCIT ha sido objeto de innumerables contribuciones. No obstante, muchas preguntas aun estan sin resolver. Por ejemplo, una primera hojeada de los mapas medios circunglobales rnuestra que la zona de convergencia de los Alisios en general coincide con otras bandas de valores extremos tales como; minimo de presi6n, maximo de temperatura de la superficie del mar, y rnaxirnos de convergencia, nubosidad y precipitaci6n. (ver por ejemplo, Hastenrath, 1995). Lo que no esta muy claro desde el punto de vista fisico, ya que no es facil concebir como el maximo de la temperatura en la superficie del mar obtenida por calentamiento debido a la radiaci6n solar, puede coexistir simultaneamente con maximo en nubosidad; por ejemplo. estudios de mas alta resoluci6n, realizados por Hastenrath & Lamb (1978), indican que la zona de maxima convergencia, nubosidad y precipitaci6n se encuentra distante del eje de discontinuidad del viento, (definido como minimo en velocidad y persistencia), hasta 350 km en el mar y hasta 1000 km en el continente africano. Sin embargo, aun no es claro el mecanismo fisico responsable por esta separaci6n. Aunque la ZCIT es el sistema pluviogenetico mas importante en Colombia y en especial en su zona Andina, Snow (1976), no es el unico. En la costa pacifica colombiana por ejemplo, gran parte de las lIuvias acaecidas durante el afio son ocasionadas por complejos convectivos de mesoescala, Mesa et al. (1997). Otros sistemas productores de lIuvia en Colombia son: las ondas del este, la brisa marina, las vaguadas asociadas con frentes frios de los hemisferios norte 0 sur y esporadicarnente los huracanes tropicales. Las lIuvias en Colombia, especialmente las de origen convective. a menudo se presenta acornpariadas de tormentas electricas En la mediana y pequena escalas la interacci6n entre los vientos Alisios y la cordillera de los Andes ha sido poco estudiada. Se sabe por ejemplo, que la interacci6n entre los vientos provenientes del pacifico, el calentamiento de la superficie y el factor oroqrafico de la cordillera occidental genera un alto grado de inestabilidad atmosferica provocando fuerte convecci6n a 10 largo de la cordillera occidental colombiana, Emmanuel (1994). Estos sistemas lIuviosos penetran al interior del pais, por la costa pacifica lIegando muchas veces mas alia de Medellin, Velasco & Fritsch (1987), Nieuwolt (1977). La Sabana de Bogota, objeto de este estudio, ha sido aun menos estudiada. Se sabe por ejernplo, que ella es influenciada en mayor forma por los Alisios del Atlantico que del Pacifico. Sin embargo, poco se conoce sobre la interacci6n de estos vientos con factores locales tales como el calentamiento superficial y la orografia en el desarrollo de la actividad convectiva en esta regi6n. EI objetivo de este estudio es analizar la influencia del flujo de los Alisios, de la ZCIT y de factores locales tales como la orografia y el calentamiento superficial sobre el origen y desarrollo de las tormentas electricas en la Sabana de Bogota. Se espera que los resultados de este trabajo sirvan para esclarecer algunas de las caracteristicas de la circulaci6n tropical no conocidas hasta ahora y dar recomendaciones para la predicci6n de lIuvias convectivas y tormentas electncas en la Sabana de Bogota. Los resultados de este trabajo tarnbien seran de utilidad para pronosticadores en el tr6pico y estudiosos de la circulaci6n tropical. 2. LOCALlZACION DEL AREA ESTUDIADA Y METODOLOGIA UTILIZADA EN EL ESTUDIO La Sabana de Bogota esta localizada en el altiplano andino a 2547m sobre el nivel del mar y ocupa una extensi6n de 4305 km2 , aproximadamente. Esta limitada a la derecha por el costado occidental del ramo oriental del sistema de cordilleras de los Andes y a la izquierda por el caluroso y humedo valle del Magdalena. Los datos utilizados corresponden a la estaci6n Aeropuerto El Dorado, ubicada sobre la Sabana en 4° 43' de latitud norte y 74° 09' de longitud oeste. Los datos utilizados en este trabajo fueron: datos sobre direcci6n predominante del viento en superficie y correspondientes a un registro de 10 anos y publicados por Barrero (1976), datos sobre altura del geopotencial, deficit de rocio y velocidad del viento correspondiente al nivel de 700 hPa y de los registros correspondientes a dias con ocurrencia de tormentas electricas. Estos ultimos datos fueron suministrados por el Instituto de Hidrologia, Meteorologia y Estudios Ambientales-IDEAM y, se sometieron a un control de calidad el cual consisti6 en plotear el pararnetro en secuencia temporal. Los datos dudosos fueron desechados. 3. LA INFLUENCIA DE LOS VIENTOS ALiSIOS La influencia de los vientos alisios sobre la Sabana de Bogota se puede observar en la Tabla 1, la cual contiene la direcci6n predominante horaria del viento en superficie en la estaci6n Aeropuerto EI Dorado. Estos datos fueron publicados por Barrero (1976) y corresponden a un registro de 10 aries de duraci6n. Como se puede observar en esta tabla, la direcci6n del viento en la Sabana de Bogota prevalece del NE especialmente durante la noche y varia hacia el E y un poco hacia el SE en las horas de la mariana y en los meses de la estaci6n seca. Esta particularidad permite afirmar que la Sabana de Bogota se encuentra bajo el area de influencia de los vientos alisios. Los vientos del oeste observados en la Tabla 1, especialmente en las horas de la tarde, estan estrechamente relacionados con un fen6meno local el cual se analizara mas adelante. 4. LA INFLUENCIA DE LA ZCIT Para determinar la influencia de la ZeiT en la formaci6n de tormentas electricas sobre la Sabana de Bogota se realize un analisis de los dias de ocurrencia de tormentas electricas, sequn registros del Aeropuerto EI Dorado y tarnbien correspondientes a un periodo de 10 arios. Este analisis muestra que en la Sabana de Bogota se presentan, en promedio, 76 dias al ario con episodios de tormentas electricas, 0 sea el 21% de los dias del ario. En la Fig.1a, se muestra el nurnero medio mensual de dias con tormentas electricas. En la Fig.1, se observan 2 maximos durante el ario, uno en marzo-abril y otro en octubre-noviembre. 0 sea que la ocurrencia de tormentas electricas en la Sabana de Bogota acomparia el paso de la ZCIT sobre esta regi6n de la misma manera como 10 hace el cicio anual de la precipitaci6n (ver por ejemplo, Montealegre, 1986.). En la Fig.1b se muestra la distribuci6n horaria de las tormentas electricas en la Sabana de Bogota. Podemos observar en esta figura que la hora de mayor frecuencia de tormentas electricas corresponde a las 13-14 horas 0 sea, coincidiendo con el momento cuando se registra la temperatura maxima. Se puede entonces concluir que las tormentas observadas son en su mayoria originadas por la convecci6n local 6 termica. Por otro lado, es importante resaltar que las horas con mayor frecuencia de tormentas electricas en la Fig.1b coincide con la aparici6n de componentes oeste y resaltadas con negrita en la Tabla 1. Esta observaci6n puede ser explicada de la siguiente manera: durante las horas y en los meses de mayor actividad convectiva el flujo del este en la Sabana de Bogota es interrumpido para dar paso a las masas de aire calidas y humedas provenientes del valle del Magdalena. Este cambio de direcci6n del flujo durante las horas de desarrollo convectivo ha side constatado durante muchos aries por observadores y analistas en el Aeropuerto EI Dorado y tambien puede interpretarse como la influencia de la orografia en el desarrollo de las tormentas electricas en la Sabana de Bogota. 5. COMPORTAMJENTO DE LA PRESION, LA VELOCIDAD DEL VIENTO Y LA DEPRESION DEL PUNTO DE ROCIO DURANTE LOS PERIODOS CONVECTIVOS Y NO CONVECTIVOS. Adernas de estas caracterlsticas locales, para que la convecci6n hurneda profunda prospers, como se mencion6 anteriormente, se necesita la existencia de ciertas condiciones, en el f1ujobasico, favorables para su desarrollo. Para investigar estas condiciones fueron analizados los campos de geopotencial, velocidad del viento y depresi6n del punta de rocio correspondientes a la superficie isobarica de 700 hPa, (aproximadamente 500-600m sobre la Sabana de Bogota). En la Fig.2 se muestra la altura del geopotencial de la superficie de 700 hPa, correspondiente al sondeo diario ejecutado a las 12 UTC y para el periodo comprendido entre 01-Ene-1984 y el 31-Dic-1985. En esta, y en las figuras siguientes, los 6valos rellenos con negrita serialan los dias con ocurrencia de tormentas electricas. Tarnbien se puede observar que los dias con tormenta electrica se situan indistintamente a lade y lado del valor medio. En otras palabras, las tormentas electricas, sin preferencia alguna, suceden tanto para bajas como para altas presiones. Esta observaci6n tambien fue caracteristica en otros periodos analizados. A pesar de que te6ricamente se deben esperar bajas presiones asociadas con la actividad convectiva y que los vientos alisios f1uyen desde las altas hacia las bajas presiones, (ver por ejemplo, Philander, 1990), estas observaciones no 10 confirman, y por el contrario, corroboran una vez mas 10 afirmado por Riehl (1979) en el sentido de que la presi6n atmosferica aporta poca informaci6n uti! para predicci6n del tiempo en los tr6picos. En las Fig.3 y 4 se muestra el comportamiento de la velocidad del viento, (en nudos), y de la depresi6n del punta de rocio, respectivamente, dia por dia, y para un periodo de cuatro arios consecutivos. TABLA 1. DIRECCION PREDOMINANTE HORARIA EN SUPERFICIE, EN LA ESTACION AEROPUERTO EL-DORADO SEGUN BARRERO (1976). LOS CASOS CON COMPONENTE OESTE, (RESALTADOS CON NEGRITA), CORRESPONDEN A LAS HORAS Y LOS MESES CON MAYOR ACTIVIDAD CONVECTIVA. Mes/ Ene Feb Mar Abr May lun .luI Ago Sep Oet Nov Die Bora 00 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE N 01 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE 02 NE E NE NE NE NE NE E NE NE NE NE 03 NE NE NE NE NE NE NE E NE NE NE NE 04 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE 05 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE 06 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE 07 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE 08 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE 09 E NE NE NE NE E E E NE E E NE 10 E E E E NE E E E E E E NE II E NE E E E E E SE E E E E 12 E E E E E E E SE E E E E 13 E W W E E E SE SE S W W W 14 SE W W W E E SE E W W W W 15 W W W W W E SE SE W W W W 16 W W W W SW E SE E W W W W 17 E W W W W E E SE W W W W 18 E W W W W E E E W W W W 19 W W W W W E E E E W W W 20 NE W NE E E NE E E N NE W NE 21 NE N NE E NE NE E E N E NE N 22 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE N 23 NE NE NE NE NE NE NE NE N NE NE N a) b) 14 II) 200II) 12 I1l I1l '0 '<3 10 c C Ql 150e ... 8 ...... ::3 ::3 o 100u 6 0 0 Ql Ql 4 '0 "C 0 50 0 2 z z 0 0 """ t-- 0 C?> ,," "f? ,,<' 0 "C?> "v"-e- meses Horas FIGURA 1: a) VALOR MEDIO MENSUAL DE DIAS CON OCURRENCIA DE TORMENTAS ELECTRICAS Y, b) FRECUENCIA HORARIA DE LA OCURRENCIA DE TORMENTAS ELECTRICAS, En esas Figuras se observa que las tormentas electricas ocurren preferiblemente para velocidades inferiores a 5 nudes, (",,10 rn/s) y depresiones del punto de rocio por debajo de 2'C, a la altura de 500-600 m sobre la Sabana de Bogota. Estas observaciones tam bien fueron caracteristicas en otros periodos analizados. Esto nos permite concluir en general, y al menos cualitativarnente, que las tormentas electricas en la Sabana de Bogota se presentan con vientos debiles y alto contenido de humedad en relaci6n con los periodos cuando elias no tienen luqar. y tal como se afirm6 anteriormente. Con el objeto de tener un estimativo de esta afirmaci6n, se calcul6 la frecuencia relativa fr, de ocurrencia de tormenta electrica por rangos de variaci6n de la depresi6n del punto de recto DR. y de la velocidad del viento W. Los resultados se muestran en la Tabla 2 y en la Fig.5. Tanto en la Tabla 2 como en la Fig.5, la mayor frecuencia de ocurrencia de tormentas electricas en la Sabana de Bogota. tiende a ubicarse en los primeros rangos. CONCLUSIONES EI anal isis de cerca de diez aries y medio de observaciones nos permite concluir que. las tormentas electricas no son un fen6meno apenas local como podria pensarse sino que, en general, se forman debido a una interacci6n compleja entre caracteristicas locales y condiciones en el f1ujo de gran escala. Por un lado, elias son determinadas por alto contenido de humedad y vientos debiles, caracteristicas propias de la zona de convergencia de los alisios y de la celda de circulaci6n de Hadley. Por otro lado, el nurnero de tormentas electricas aurnenta, en la Sabana de Bogota, por la convecci6n local 0 terrnica, situaci6n reforzada por el efecto oroqrafico. EI efecto oroqrafico en este caso, consiste en el ascenso de las masas de aire candas y humedas del valle del Magdalena sobre la Sabana de Bogota. Podemos entonces sugerir el siguiente esquema de circulaci6n del aire durante el desarrollo de tormentas electricas en la Sabana de Bogota (ver Fig.6). De acuerdo a esta representaci6n esquernatica. durante el periodo de desarrollo de las tormentas electricas, el f1ujo de los alisios es interrumpido en la Sabana de Bogota para dar paso al ascenso de masas calidas y hurnedas provenientes del valle del Magdalena. Otras conclusiones que se derivan de este trabajo son: Para efectos de diagn6stico y pron6stico del tiempo el analisis de la presi6n no es importante perc si 10 son los campos de la humedad y el viento. Utilizando la inercia de estos campos. es posible hacer uso del analisls para fines de pronostico a cortos plazos, es decir; a 6, 12 Y 24 horas. Para efectos de diagn6stico y pron6stico del tiempo es conveniente monitorear los centros de actividad convectiva en los tr6picos a traves por ejemplo de la temperatura de la superficie del mar. la precipitaci6n. la nubosidad, etc. Debido a que, como fue mostrado, la actividad convectiva depende de los vientos y humedades superficiales, los modelos hidrodinarnicos para prediccion numerica mas efectivos serian aquellos que tuvieran en cuenta los procesos de la capa limite y la formulaci6n explicita de la convecci6n atmosferica. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue financiado por CINDEC-UN (Proyecto No 803172). Los autores agradecen al Instituto de Hidrologia, Meteorologia y Estudios Ambientales-IDEAM por el suministro de los datos usados. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Barrero, A. (1976): Regimen de vientos en superficie de la Sabana de Bogota. Himat, (documento interno). Emmanuel, K.A.. (1994): Atmospheric Convection. Oxford Univ. Press, New York. 580 pp. Hastenrath, S. & P.J. 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Rango 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DR 0.0-1.0 1.0-2.0 2.0-3.0 3.0-4.0 4.0-5.0 5.0-6.0 6.0-8.0 8.0-10.0 10.0-15.0 15.0-20.0 No 211 156 110 116 59 20 17 6 3 Fr 0.302 0.223 0.157 0.166 0.084 0.029 0.024 0.008 0.004 0.001 W 0-2.5 2.5-5.0 5.0-7.5 7.5-10.0 10.0-12.5 12.5-15.0 15.0-17.5 17.5-20.0 20.0-22.5 22.5-25.0 No 111 297 133 110 29 13 3 2 0 Fr 0.159 0.425 0.190 0.157 0.041 0.019 0.004 0.003 0.001 0.000 ODR .VV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 rangos FIGURA 5. No. DE OCURRENCIAS DE TORMENTAS ELECTRICAS POR LOS RANGOS EN DEPRESION DE ROCIO Y VELOCIDAD DEL VIENTO, RESPECTIVAMENTE, DEFINIDOS EN LA TABLA 2. Oeste Este V. Alisios o ~ .. • S ana de 80 'ow Valle del agdale Llanos Orientales FIGURA 6. REPRESENTACION ESQUEMATICA DE LA CIRCULACION DEL AIRE EN LA SABANA DE BOGOTA, DURANTE EL DESARROLLO DE TORMENTAS ELECTRICAS.