Manel Ceperuelo
María del Carmen Llasat

Grupo de Análisis de situaciones Meteorológicas Adversas
Departamento de Astronomía y Meteorología
Universidad de Barcelona
ceperuel@am.ub.es
http://www.am.ub.es/~carmell/conpad/inicio.htm

Resumen

Las Cuencas Internas de Cataluña (CIC) se caracterizan por tener una gran variabilidad orográfica y pluviométrica. En ellas la componente convectiva de la precipitación desempeña un importante papel. Su estima (parámetro ß) sin embargo requiere disponer de información suficientemente detallada sobre la intensidad de precipitación, tanto espacial como temporalmente. En este caso, se parte de una red de 126 estaciones con datos 5-minutales, obteniéndose tres bases de datos distintas: mensual y diaria de precipitación y mensual del parámetro ß. Aplicando primero un Análisis en Componentes Principales para cada caso, se obtienen tres regionalizaciones distintas correspondientes a las tres bases de datos. Las comparaciones entre las regionalizaciones de precipitación mensual y diaria muestran diferentes características según la regionalización, por ejemplo, parecidos valores de precipitación media mensual pero máximos acumulados en 24 horas diferentes. Finalmente, teniendo en cuenta las tres regionalizaciones se llegan a definir 8 grupos diferenciados en las CIC.

Introducción

En un anterior artículo (Ceperuelo y Llasat, 2004) se describió la fenomenología de las precipitaciones de carácter convectivo en las Cuencas Internas de Cataluña (CIC), se introdujo el parámetro ß y se calcularon las distribuciones espaciales y temporales de los episodios de precipitación según su grado más o menos convectivo. Los resultados obtenidos en el citado artículo mostraron la frecuencia con que los fenómenos de intensidades fuertes ocurren en las CIC y la distribución espacial y temporal de los mismos. Viendo la importancia que estos tienen, así como su asociación ocasional a episodios extraordinarios, se ha considerado oportuno introducir este tipo de variable en la regionalización pluviométrica de Cataluña. El interés de esta nueva regionalización radica en la distinción de subzonas que responden a diferentes patrones de evolución de las intensidades máximas y que podrían ser consideradas para mejorar la predicción y prevención de episodios extraordinarios.

La información de partida es la base de datos 5-minutal proporcionada por la red de observación SAIH (Sistema Automático de Información Hidrológica) de la Agència Catalana de l’Aigua, la cual contiene un total de 126 estaciones pluviométricas automáticas. Este punto de partida implica que esta sea la primera regionalización en función de la precipitación convectiva de las CIC. Se compararán los resultados obtenidos con otras regionalizaciones pluviométricas de Cataluña, como por ejemplo la de Serra (1994), a partir de valores mensuales de precipitación, o la de Gibergans (2001), a partir de valores diarios de precipitación, con objeto de detectar posibles similitudes o discrepancias entre los grupos establecidos.

El artículo se estructurará empezando por la definición de las bases de datos para el periodo de estudio. A continuación se muestra el esquema del análisis multivariante realizado, la propuesta de tres regionalizaciones que contemplan diferentes parámetros de entrada y la integración de las tres para obtener una regionalización única. Finalmente se describen las características de los grupos.

Las bases de datos y el periodo de estudio

La red SAIH de las CIC permite disponer de datos 5-minutales de precipitación desde 1996 para 126 estaciones. El periodo de estudio para el presente artículo se ha centrado en los años comprendidos entre 1996-2002, ambos incluidos. Tras efectuar un control de calidad de los datos (Cereruelo y Llasat, 2004) se han construido las series de precipitación diaria, precipitación mensual y parámetro ß a escala mensual, donde ß se define en Llasat (2001), tal como se muestra continuación.

Cociente entre la precipitación que supera el umbral de 35mm/h y la precipitación total, para un periodo concreto

“I_j,t” corresponde a la intensidad 5-minutal de la estación “j” en el intervalo “t”
“j” corresponde a la estación considerada
“t” corresponde al número total de intervalos que comprende el episodio o el mes considerado

Metodología

Con el objetivo de realizar una regionalización del parámetro ß y de la precipitación para las CIC, se ha utilizado el análisis multivariante según el siguiente esquema:

El objetivo de los métodos estadísticos, del Análisis en Componentes Principales (ACP) y del Análisis de Conglomerados, es la reducción de la base de datos con el fin de hacerla más manejable y más fácil de usar. Tras el ACP se obtendrán unas nuevas variables rotadas, las componentes principales, a partir de las cuales se describirá gran parte de la varianza de la muestra. Posteriormente, y para cada componente principal, se obtendrán los mapas de saturaciones, es decir, las correlaciones de cada componente principal con las variables iniciales. De esta forma, saturaciones positivas y elevadas nos dan una mayor correlación de la componente principal con el parámetro físico en cuestión, en nuestro caso: precipitación mensual, parámetro ß y precipitación diaria.

En la primera parte de la regionalización se trabajará con la base de datos diaria. La segunda, la regionalización de ß, se obtendrá a partir de la base de datos mensual. Para el caso de la serie diaria, la regionalización de ß diaria, no podrá realizarse debido a la gran variabilidad espacial y temporal de los fenómenos convectivos. La tercera regionalización corresponderá a la de la precipitación mensual.

En los tres casos se realizará un Análisis en Componentes Principales y un Análisis de Conglomerados. Para comprobar que los grupos creados a partir de este análisis son suficientemente representativos se compararán las regionalizaciones pluviométricas entre ellas, así como con regionalizaciones realizadas por otros autores. Estas comparaciones servirán para poder definir mejor las regiones y detectar las diferencias de las distintas escalas temporales.

El análisis ha sido realizado simplemente a partir de datos pluviométricos, es decir, sólo se han tenido en cuenta los registros de precipitación de las estaciones sin considerar sus situaciones geográficas.

Resultados de la Regionalización Pluviométrica

1- Regionalización pluviométrica diaria

A partir de los resultados obtenidos mediante el Análisis de Conglomerados y con la ayuda de los mapas de ponderaciones resultantes del Análisis en Componentes Principales (ACP) se ha obtenido un total de 8 zonas que se muestran en la figura 1.

Figura 1 - Regionalización en 8 grupos a partir de la precipitación diaria.

Figura 2 - Regionalización pluviométrica anual según Gibergans (2001) a partir de la precipitación diaria (1951-1990).

Los 8 grupos establecidos a partir del Análisis de Conglomerados coinciden en esencia con otras regionalizaciones pluviométricas a partir de bases de datos diarias, como por ejemplo, la que Gibergans (2001) obtuvo, a partir de 45 estaciones repartidas en todo el territorio Catalán (figura 2) para el periodo 1951-1990. En ésta se observan un total de 7 regiones distintas, de las cuales cuatro de ellas coinciden con grupos obtenidos en el presente artículo, en tanto que, las otras tres, por estar fuera del área de estudio, no se han observado. Esta coincidencia entre los resultados obtenidos para un periodo de 40 años y los obtenidos para un periodo mucho más corto de 7 años, permite validar la regionalización obtenida a partir de estos 7 años de datos.

Antes de establecer definitivamente los grupos de estaciones como resultado de la regionalización pluviométrica diaria se ha considerado oportuno comparar primero la regionalización diaria con la regionalización de la precipitación mensual y con la del parámetro ß mensual para comprobar si en la regionalización mensual se llegan a ver los efectos de las situaciones de precipitación más locales.

2- Regionalización pluviométrica mensual

Los grupos que quedan definidos a partir de la base de datos de precipitación mensual se muestran en la figura 3.

Figura 3 - Regionalización en 8 grupos a partir de precipitación mensual.

Figura 4 - Regionalización pluviométrica anual según tesis Serra (1994) a partir de precipitación mensual (1960-1987).

Los 8 grupos establecidos también a partir del Análisis de Conglomerados son coherentes con otras regionalizaciones pluviométricas a partir de bases de datos mensuales, como por ejemplo, la que Serra (1994) obtuvo, a partir de 64 estaciones repartidas en todo el territorio Catalán (figura 4) para el periodo 1960-1987. En este caso se obtuvieron un total de 13 regiones distintas, de las cuales siete de ellas coinciden con los grupos obtenidos en el presente artículo a excepción de algunos pequeños matices. Las otras seis no se han observado, por estar fuera del área de estudio de este trabajo.

3- Regionalización del parámetro ß mensual

En esta regionalización (figura 5) se obtienen unas zonas que en un principio parecen no estar agrupadas, pero la importancia de esta clasificación es detectar aquellas regiones que tienen las mismas características de precipitación convectiva, es decir, observar que zonas tienen más tendencia a sufrir este fenómeno. Lo que sí parece observarse en los mapas de saturaciones de las Componentes Principales (figura 6.a y 6.b) es que, en general, cuando los fenómenos con ß elevadas se producen en las zonas costeras, éstos no suceden en el interior y, al revés, cuando los fenómenos convectivos tienen lugar en el interior no se producen éstos en la costa.

Figura 5 - Regionalización en 8 grupos a partir de la base de datos mensual del parámetro ß.

Figura 6.a – Mapa de saturaciones para la 1ª componente (34% de la varianza) principal del Análisis en Componentes Principales del parámetro ß.

Figura 6.b – Mapa de saturaciones para la 2ª componente principal (8% de la varianza) del Análisis en Componentes Principales del parámetro ß.

4- Integración

Para poder obtener una regionalización final (figura 7), a partir de las distintas bases de datos, se deben tener en cuenta todas las regionalizaciones realizadas con el fin de considerar todos los fenómenos de las distintas escalas temporales que afectan a las CIC. Además, se deberá tener en cuenta la orografía del territorio. Las regionalizaciones pluviométricas obtenidas a partir de la escala mensual y diaria no son muy distintas, sin embargo hay pequeñas diferencias en algunas estaciones que hacen que dichas estaciones pasen a formar parte de grupos distintos. Para situar estas estaciones en unos grupos u otros y poder establecer finalmente una buena clasificación se ha utilizado la regionalización de ß. Combinar esta última regionalización con las otras dos regionalizaciones nos ha permitido llegar a la clasificación final (figura 7).

Figura 7 - Regionalización pluviométrica de Cataluña.

La diferencia más importante, que aporta con respecto a las anteriores regionalizaciones, es la separación entre los grupos 3 y 8, y 1 y 6, y que queda justificada por sus diversas características en cuanto a precipitación convectiva. La segunda ventaja es que permite caracterizar mejor las diferentes regiones, tal como se muestra en el apartado siguiente.

Resultados: Características de los Grupos

Las estaciones que forman cada grupo y sus características se muestran en los siguientes gráficos. La figura 8 muestra la distribución de las CIC así como de las estaciones citadas en el texto.

Figura 8 - Localización de las CIC y de las estaciones automáticas del SAIH de la ACA.

En valores medios, algunas de las características de los grupos son las mostradas en la figura 9.

Figura 9 - y σ en distintas ventanas móviles temporales para cada grupo.

La principal diferencia entre los 8 grupos está en la desviación estándar (σ) de las cantidades medias máximas. En cuanto a la cantidad máxima acumulada en 24 horas, existen dos grupos claramente diferenciados, el grupo 1 (en el Alt Empordà) y el grupo 8 (extremo sur de las CIC), dónde se registran los valores máximos y mínimos, respectivamente. Además, estos dos grupos, junto con el grupo 5, se caracterizan por disponer de las desviaciones estándar más grandes (Tabla 1), es decir, mayor variabilidad interna. En cuanto a los valores máximos medios de precipitación acumulada en intervalos de media hora y de 1 hora, estos son muy parecidos, sin embargo, las desviaciones no.

Tabla 1 - Desviaciones estándar de los 8 grupos en mm.

En resumen, las cantidades máximas acumuladas en intervalos temporales cortos, es decir, 30min o 1hora, presentan mayor desviación en zonas costeras, particularmente en la cuenca del Maresme, en la Costa Dorada y en el sur de las CIC; en cambio, en cantidades de precipitación acumulada en un intervalo de tiempo de 24 horas, las regiones de mayor desviación son las zonas interiores y el sur de las CIC, a excepción del extremo noreste de las CIC el cual presenta el máximo de desviación de .

Otros valores medios que se calculan son la precipitación anual total, la precipitación acumulada a lo largo de mayo a noviembre, denominado “periodo convectivo” por la importancia que la componente convectiva tiene a lo largo del mismo (Ceperuelo y Llasat, 2004). Así mismo, se incluye la precipitación convectiva (I_5minutal=35mm/h) del periodo convectivo y los porcentajes de precipitación para este periodo (figura 10).

Figura 10 - Características, en porcentajes y en medias, de la precipitación de cada grupo. En amarillo se representa el porcentaje medio de precipitación que se recoge entre mayo y noviembre. En verde el porcentaje medio de precipitación convectiva que se recoge entre mayo y noviembre respecto a la precipitación que se recoge en este periodo. La línea gris oscura muestra los valores medios de precipitación anual. La línea roja muestra la cantidad media recogida de mayo a noviembre. La línea azul muestra la cantidad media de precipitación convectiva recogida entre mayo y noviembre.

Los valores numéricos de las correspondientes medias y desviaciones estándar de la figura 9 son (Tabla 2):

Tabla 2 - Desviaciones estándar de los 8 grupos en mm.

Los grupos con mayor son el 1, 2 y 4 (grupos del extremo norte de las CIC), coincidiendo con 3 de los 4 grupos con mayores medias anuales de precipitación. Lo más característico de la tabla de valores corresponde a la precipitación que se recoge de mayo a noviembre, es decir, en los grupos 2 y 4 (zonas con estaciones en el Pirineo) la precipitación acumulada en este periodo en valor medio es de 538mm y 561.2mm respectivamente, cuando en el resto de los grupos se recogen valores medios que van de 324.5mm a 394.4mm. Finalmente, otra característica de los grupos es el valor medio de ß (figura 11).

Figura 11 - ß media anual y ß media del periodo de mayo a noviembre con sus correspondientes desviaciones estándar.

Los valores de anual no presentan ninguna aportación a la regionalización. Son valores que pierden importancia debido a la presencia de 5 meses sin actividad convectiva, es decir, homogeneizan los valores en el territorio. Es para el caso de la cuando se observan las diferencias. Son los grupos 3 y 7, los grupos de la costa central y norte de la costa Dorada, los de mayor actividad convectiva en porcentaje, con valores de de 0.511 y 0.529.

Las desviaciones estándar correspondientes son (Tabla 3):

Tabla 3 - Valores medios y desviaciones estándar de los 8 grupos.

Características grupo a grupo

• Grupo 1: Este grupo contempla un total de 15 estaciones. Situado en el extremo NE de Cataluña. El valor medio de precipitación anual es de 651.5mm y un 56.2% de la precipitación se registra entre mayo y noviembre. Además, un 45.8% de la precipitación de estos meses es convectiva, es decir, 167.7 mm tienen una intensidad superior a 35mm/h. Todas las estaciones, menos las 4 más costeras han superado el valor máximo diario de 120mm. Hay que destacar que 2 estaciones tienen una cantidad de precipitación registrada en 24 horas mayor a 200mm, las cuales coinciden con las estaciones situadas en el extremo NO de la zona, en la parte alta de la cuenca de la “Muga”.

Es la zona con mayor valor de cantidad máxima recogida en 24 horas, con una media de 143.3mm/24h. Se registra el valor máximo, en la estación de Boadella (26), con 327.5mm/24h el 11 de abril de 2002.

• Grupo 2: Formado por 15 estaciones. Esta región se extiende por la parte alta de la cuenca del Fluvià, la parte alta y media de la cuenca del Ter y la parte alta de la cuenca de la Tordera. Es la región con la precipitación media anual y la precipitación de carácter convectivo en el periodo de mayo a noviembre más altas, 835.7mm y 261.1mm, respectivamente.

• Grupo 3: Integrado por 10 estaciones, corresponde al área que se extiende desde la parte este de la cuenca del Francolí al oeste de la cuenca del Garraf y Riera de Ribes, afectando principalmente a la parte baja de las cuencas. Es el grupo con la media anual de precipitación mas baja, 517 mm. Junto con el grupo 7, tiene la media de precipitación máxima en una hora más alta, 63.0mm. La estación de Alió (222) tiene un máximo de 99.5mm/1h. La media de valores máximos en 24 horas es de 113mm, además, los valores máximos en este intervalo temporal tienen poca amplitud entre estaciones, es decir, son más homogéneos. En esta región un 22% de la precipitación anual puede registrarse en solo un día.

• Grupo 4: Formado por 12 estaciones, corresponde a las que se encuentran en el NO de las CIC. Se caracterizan por tener un valor medio de precipitación anual de 806.4mm y una cantidad media de precipitación en el periodo de mayo a noviembre de 561mm, que se corresponde a un 69.6% de la precipitación total anual media.

• Grupo 5: Este grupo se caracteriza por ocupar una amplia zona de las CIC, 38 estaciones, en concreto la zona centro de la Cuenca del Llobregat y las partes altas de las cuencas del Gaià, el Foix y el Garraf. Se caracteriza por tener una precipitación media de 557.2mm, la segunda más baja de todos los grupos.
El grupo presenta una gran amplitud de valores cuando se habla de cantidades máximas en intervalos concretos de tiempo, por ejemplo, la precipitación máxima en 24horas varía entre 60mm en la estación Llosa del Cavall (168) y 224mm en la estación de Rajadell (176).

• Grupo 6: Integrado por 13 estaciones, corresponde a la zona sur del NE de Cataluña. La media de precipitación es de 669.6mm. Las cantidades máximas en 24h están entre 90mm y 170 mm. Es el grupo que presenta la segunda media de precipitación en 24h más baja.

• Grupo 7: Zona que corresponde a la Cuenca del Maresme y a la parte más oriental de la del Llobregat y la zona baja del Besós, formado por 14 estaciones. La precipitación media en este caso es de 596.5mm, de los cuales en promedio se recogen unos 190.8mm de forma convectiva entre mayo y noviembre, es decir, un 32% de la precipitación anual. Los valores de están entre 0.4 y 0.8. Es el grupo con la media de máximos en una hora y en 30 minutos más alta: 63.1mm/1h y 50.9mm/30min. El máximo en media hora corresponde a la estación de Orrius (128) y es de 92.3mm.

• Grupo 8: Formado por 9 estaciones, es el último grupo a clasificar, y corresponde a la zona del SO de las CIC. La precipitación media es de 572.7mm, de los cuales un 56.7% se recoge de mayo a noviembre y un 47.4% de ésta es de forma convectiva, es decir, 154mm.

Conclusiones

El objetivo del artículo ha sido realizar una regionalización pluviométrica de las CIC en base a la precipitación convectiva y definir las características de las distintas regiones obtenidas. Para ello se ha dispuesto de una base de datos de intensidades 5-minutales, a partir de la cual se han generado tres bases de datos distintas, una con datos diarios de precipitación, otra con cantidades mensuales de precipitación y finalmente una con valores del parámetro ß mensual.

Al disponer de estas tres bases de datos distintas se han realizado tres regionalizaciones diferentes, una para cada una de ellas, con el objetivo de obtener la distribución espacial de la precipitación diaria, mensual y ß mensual de las CIC. Disponer de estas regionalizaciones permite conocer mejor las características de cada zona de tal forma que combinando estas regionalizaciones con la orografía se ha llegado a una regionalización pluviométrica final de las CIC.

La ventaja de dicho procedimiento reside en poder diferenciar zonas o grupos que un principio parecían estar agrupados en el mismo (como en el caso del grupo 1 y 6, NE de las CIC), o, por ejemplo, poder definir bien los límites de zonas que no quedaban bien enmarcadas en una región (como en el caso de los grupos 8 y 3, SO de las CIC).

Gracias a todo este procedimiento se ha conseguido llegar a la estructuración final de las CIC en 8 zonas bien delimitadas (figura 7). Una vez disponibles todas las regionalizaciones se ha procedido a determinar las características de los diferentes grupos, las más importantes de las cuales se resumen en la tabla 4.

Tabla 4- Características principales de los 6 grupos. En rojo el valor máximo y en azul el mínimo.

Finalmente, queda reflejado en el trabajo que la zona que registra más cantidad de precipitación anual es el interior de la provincia de Girona (grupo 2), seguido por la zona del Pirineo Central. Las cantidades máximas de precipitación acumulada en 24 horas se recogen en el NE de Cataluña, sin embargo, las zonas más convectivas son la costa central y el norte de la costa Dorada, registrando los valores medios de precipitación acumulada en 1 hora más grandes. Finalmente, la zona que aporta más cantidad de precipitación convectiva, en el periodo convectivo, es el interior de la provincia de Girona.

Agradecimientos

El presente estudio ha sido realizado dentro del marco del proyecto de la Unión Europea Interreg IIIB MEDDOC (Unión Europea) HYDROPTIMET (2002-01-4.3-E-o27) así como en colaboración con los proyectos de la CICYT, MONEGRO y RAMSHES. Nuestro agradecimiento a la “Agència Catalana de l’Aigua” por los datos proporcionados del SAIH.

Referencias bibliográficas:

Ceperuelo, M. y Llasat, M.C., 2004. La Precipitación Convectiva en las Cuencas Internas de Cataluña. Revista del Aficionado a la Meteorología. Septiembre 2004.

Gibergans, J., 2001. Aplicación de métodos hidrometeorológicos para la predicción de la precipitación diaria. Universidad de Barcelona, 316pp

Llasat, M.C., 2001. An objective classification of rainfall events on the basis of their convective features. Application to rainfall intensity in the North-East of Spain. International Journal of Climatology, 21, 1385-1400

Serra, C., 1994. Análisis en Componentes Principales y algoritmos de clasificación automática: aplicación al estudio del comportamiento de la precipitación en Cataluña y a la obtención local de tipos de tiempo. Universidad de Barcelona, 447 pp.