Table Of ContentUNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
“Estructura de la variabilidad diurna e interdiurna del
viento en superficie en cuatro huracanes sobre la
península de Yucatán”
TESIS
Que para evaluar la experiencia educativa Experiencia Recepcional
(MEIF), del Programa Educativo de la Licenciatura en Ciencias
Atmosféricas
Presenta:
Luis Alberto Chablé Pech
Director: Dr. Oscar Alvarez Gasca
Director: M. C. Ana Delia Contreras Hernández
Xalapa-Enriquez, Veracruz. Junio, 2015.
ÍNDICE
CAPÍTULO 1. LOS HURACANES EN MÉXICO…………………………..1.
1.1. Introducción…………………………………………………………………….......1.
1.2. Antecedentes…………………………………………………………………….....4.
1.3. Hipótesis.……….…………………………………………………………………...6.
1.4. Objetivo.………………………………………………………………………….....6.
CAPÍTULO 2. ZONA DE ESTUDIO…………………………………………7.
2.1. Ubicación geográfica………………………………………………………………7.
2.2. Fisiografía…………………………………………………………………………...8.
2.3 Clima………………………………………………………………………………….9.
2.3.1. Regiones climáticas……………………………………………………….………….10.
2.3.2. Sistemas de la circulación general que regulan el clima de la
Península……………………………………………………………….…………...………...11.
CAPÍTULO 3. CLIMATOLOGÍA DE HURACANES EN LA PENÍNSULA
DE YUCATÁN………………………………………………………………..14.
CAPÍTULO 4. DATOS Y METODOLOGÍA……………………………….23.
4.1. Datos…………………………………………………………………………….....23.
4.1. Metodología……………………………………………………………………….26.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS……………………………………………..35.
5.1. Análisis de la variabilidad diurna por componentes…………………………..35.
5.1.1. Huracán Dean 2007…………….……………………………………………….35.
5.1.2. Huracán Wilma 2005…………………………………………………………42.
5.1.3. Huracán Emily 2005………………………………………………………….48.
5.1.4. Huracán Isidore 2002………………………………………………………...55.
5.2. Análisis de la variabilidad del viento por región de influencia……………….64.
5.3. Análisis del rango entre componentes de la variabilidad del viento por
estación…………………………………………………………………….…………...81.
6. CONCLUSIONES…………………………………………………………89.
ANEXO A……………………………………………………………………..93.
REFERENCIAS…………………………………………………………….109.
RESUMEN
Se calculó la variabilidad del viento en superficie para las componentes zonal
y meridional durante el acercamiento, impacto y alejamiento de los huracanes Dean
(agosto de 2007), Wilma (octubre de 2005), Emily (julio de 2005) e Isidore (septiembre
de 2002) sobre la Península de Yucatán con el objeto de identificar la tendencia de la
variabilidad diurna (𝐼 ), interdiurna (𝐼 ), total (𝐼 ) y el índice relativo 𝛼. Esto dentro de
𝐵 𝐴 𝐶
la circulación precursora y residual asociada al campo sinóptico de acuerdo a las
ecuaciones desarrolladas por Alpert y Eppel (1986) y Alpert y Mendel (1986).
Las índices se calcularon a partir de un total de aproximadamente 312 horas
de registros de datos diarios de viento. Se analizaron los perfiles de variabilidad en 9
estaciones automáticas del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) desplegadas
alrededor de la Península de Yucatán.
La variabilidad diurna del viento se analizó durante tres días (cuatro en el caso
de Isidore), en los cuales se observó que para la componente zonal la tendencia en el
signo fue homogénea para todos los días en cada uno de los casos de estudio,
mientras que la componente meridional no presenta este mismo patrón, sino que varió
con los días de análisis. También se pudo determinar que dentro del análisis del rango
entre componentes por estación, las estaciones más cercanas al punto de impacto
sobre la costa, presentaron los rangos más amplios de variabilidad diurna. Por lo que
la interpolación de los índices en función del tiempo, permitió comprender la estructura
del viento dentro del paso de un huracán, que poco ha sido estudiada debido a la
dificultad del registro de datos en superficie. Inclusive a partir del índice relativo 𝛼 (que
se calcula a partir de relación entre el promedio de la variabilidad diurna y la
variabilidad interdiurna) sería posible en el mediano a largo plazo determinar cambios
mesoclimáticos locales, inducidos por los intensos vientos en una determinada región
a través de los años.
CAPÍTULO 1. LOS HURACANES EN MÉXICO
1.1 Introducción
El problema que se aborda en esta tesis consiste en conocer la estructura
de la variabilidad del viento en superficie asociada al paso de los ciclones tropicales
sobre la Península de Yucatán.
La inmensa variabilidad temporal que caracteriza a la atmosfera en un área
y a todas sus magnitudes que la definen (temperatura, precipitación, viento, etc.) se
ha comprendido únicamente mediante la generalización del tiempo atmosférico que
resulta obligada para la caracterización de los climas (Cuadrat y Pita, 2000).
Para la climatología actual, el concepto de variabilidad climática hace
referencia a las variaciones del estado medio y a otras características (desviación
típica, eventos extremos, etc.) del clima en todas las escalas temporales y
espaciales más amplias que las de los fenómenos meteorológicos (Argeñal, 2010).
La variabilidad ha sido estudiada desde diversos puntos de vista, los más
conocidos son la variabilidad estacional, intraestacional, interanual, interdecadal;
entre otras escalas de tiempo. La escala de la variabilidad estacional corresponde
a las fluctuaciones del clima a nivel mensual, por lo que la determinación del ciclo
anual de los elementos climáticos es una fase fundamental dentro de la variabilidad
a este nivel (Montealegre y Pabón, 2000).
La variabilidad intraestacional se presenta en una escala mayor que la
sinóptica (de 6 horas a unos pocos días), se presenta dentro de las estaciones,
oscilaciones que determinan las condiciones del tiempo durante semanas e
inclusive hasta dos meses (Montealegre, 2012). Entre los trabajos más
sobresalientes dentro de esta escala se concentran los de investigación acerca de
la Oscilación de Madden-Julian (Madden y Julian, 1972, Madden-Julian, 1994 y
Zhang, 2005).
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La escala interanual corresponde a las variaciones que se presentan en las
variables climatológicas de año en año. Un ejemplo de esta variabilidad se presenta
dentro de los fenómenos asociados al ciclo de El Niño-Oscilación del Sur (ENOS),
mientras que la escala interdecadal manifiesta fluctuaciones del clima a nivel de
décadas (Montealegre 2012).
Sin embargo, no se conocen estudios enfocados a la variabilidad diurna e
interdiurna del viento por huracanes, a pesar de que el conocimiento de las escalas
espaciales y temporales constituye la estructura de cualquier variable climatológica.
La variabilidad diurna e interdiurna del viento en superficie tiene importantes
fluctuaciones cuando los huracanes se aproximan a una determinada zona
continental, dado que el flujo sinóptico comienza a controlar los patrones de
circulación de menor escala espacial.
Así mismo, es importante conocer la situación de recuperación de las
condiciones locales de circulación, una vez que el ciclón tropical comienza a alejarse
de la costa, ya que durante los huracanes se presentan las mayores intensidades
de viento en superficie (más de 300 𝑘𝑚/ℎ en determinadas ocasiones) y la dirección
de estos vientos no alcanzan una dirección predominante (Rosengaus y Sanchez-
Sesma, 1990).
Una consecuencia de los huracanes (tornados, trombas marinas y
remolinos de polvo) es que los vientos máximos ocurren en un nivel cercano a la
superficie (Smith, 2003) por lo que es fundamental entender de forma detallada el
comportamiento del viento en superficie. Sin embargo la estructura de la capa límite
dentro de un ciclón tropical cerca de la superficie ha presentado una falta de
cobertura de observación. Esto debido a que las aeronaves y otras plataformas
instrumentadas no pueden volar demasiado cerca de la superficie. Además el radar
Doppler está limitado en su capacidad de detección en casos muy específicos
(Kepert, 2006a).
A pesar de estas limitantes, la estructura del campo de vientos superficiales
de un huracán ha sido analizada dentro de diversos trabajos desde hace varios años
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atrás (e. g. Miller, 1958; Graham y Hudson, 1960; Myers y Malkin, 1961). Con esta
limitante los trabajos actuales se han enfocado en utilizar datos de niveles de vuelo
y modelos no hidrostáticos de mesoescala.
Un sistema de análisis del viento en tiempo real capaz de usar los datos de
nivel de vuelo y mediciones de sensores remotos (con las observaciones
convencionales sobre el mar y la costa) tiene el potencial de reducir la incertidumbre
dentro de los campos de viento superficial (Powell et al. 1991).
Powell y Houston (1998) y Schewandike y Kepert (2008) trabajaron en un
análisis de datos de nivel de vuelo para identificar los campos de vientos en
superficie para específicos huracanes dentro de la temporada de 1995, 1998 y 2003
en la cuenca del Atlántico. Por otro lado, Zhang et al. (1999) sugieren que para
poder incorporar razonablemente las observaciones de nivel de vuelo a un análisis
de superficie, los aviones deben volar cerca del nivel del jet (es decir, 800-1200 m).
Las isotacas y el campo de movimiento vertical tienden a inclinarse por el
bajo cizallamiento, particularmente en la baja troposfera, por el significante impacto
de la advección (Zhang et al. 1999), porque las características de inclinación por
cizallamiento hacen más difícil inferir razonablemente la información del viento en
superficie a partir de los datos de nivel de vuelo.
Por lo tanto, y teniendo en cuenta la difícil situación que presentan los
análisis del campo de viento dentro las circulaciones ciclónicas de gran intensidad,
este trabajo ha sido motivado por esta faltante en la comprensión de la estructura
del viento en una zona de estudio afectada por un alto número de ciclones.
México es uno de los países más afectados por ciclones tropicales y es
quizá el único territorio continental que puede recibir los efectos de los huracanes
provenientes de dos zonas ciclógenas completamente independientes, la del
Atlántico Norte y la del Pacífico Nororiental (Rosengaus, 1998).
Inicialmente el estudio de la variabilidad diurna e interdiurna del viento se
llevó a cabo sobre la Península de Yucatán, zona costera ubicada en el Atlántico
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Norte, cuya ubicación territorial presenta uno de los mayores números de incidencia
por ciclones tropicales (Farfan et al. 2014).
1.2. Antecedentes
Tattelman (1975) determinó el rango de la velocidad del viento como una
función del tiempo y la velocidad media mediante el factor de ráfaga, la cual se
define como la velocidad del viento máximo dividida entre la velocidad constante.
Siendo el factor de ráfaga una medida parcial del rango de velocidad, la
ráfaga máxima menos la velocidad constante proporciona la amplitud de la
velocidad del viento para un periodo de tiempo durante el cual la velocidad
constante se promedia. Sin embargo los datos utilizados de la velocidad media del
viento de entre 20 a 80 nudos para explorar este enfoque, se ordenaron en rangos
de 5 minutos, 1 minuto y 30 segundos centrando a las ráfagas máximas en 10 o 15
minutos después de la máxima ráfaga interior.
A diferencia de trabajos como el anterior, donde las variaciones de la
velocidad del viento se desarrollan en periodos de tiempo relativamente cortos,
Alpert y Eppel (1985) definieron a la intensidad de la turbulencia mediante rachas
relativas donde la variabilidad del viento superficial se desenvuelve en periodos de
tiempo diurno e interdiurno. Estos autores definieron a la variabilidad del viento en
términos de una rafagosidad extendida, es decir, la variabilidad del viento superficial
normalizada. De tal forma que al calcularse la variabilidad diurna e interdiurna
obtuvieron un índice relativo para caracterizar la actividad mesoclimática sobre la
región de Israel.
A partir de este análisis, en 1986 Alpert y Mendel observaron los cambios
mesoclimáticos en Israel mediante la variabilidad del viento superficial durante 30
años y presentaron una posible explicación para sus conclusiones acerca del
cambio en la circulación de mesoescala, donde quedó claro que los patrones del
calentamiento diferencial del terreno fueron modificados debido a las actividades
agrícolas y a la urbanización.
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Aunque la caracterización de la variabilidad del viento durante ciclos diurnos
se ve influenciada por los cambios en los efectos de microescala y de gran escala
que se manifiestan dentro de la capa límite, la variabilidad del viento diurno e
interdiurno no se ha analizado sobre el caso particular del paso de un huracán
dentro de una determinada zona de estudio.
Una vez mencionada la metodología de los trabajos de Alpert y Eppel (1985)
y de Alpert y Mendel (1986), es muy importante mencionar que los cálculos
realizados en esta tesis no se llevaron a cabo mediante el de la variabilidad del
viento normalizada, ya que se analizó la estructura de la variabilidad desde el punto
de vista del cambio de la intensidad y dirección del viento.
Por otra parte la comprensión de la estructura de los vientos en superficie
dentro de la capa límite de un huracán ha sido estudiada por Shapiro (1984), Smith,
(2003), Kepert (2001) y Kepert y Wang (2001), sin embargo la ausencia de
observaciones confiables a nivel superficial no ha permitido establecer un modelo
numérico que caracterice detalladamente a los flujos internos de la capa límite
dentro los ciclones tropicales.
Con base en las conclusiones de Kepert y Wang (2001) sobre los flujos del
viento superficial utilizando radiosondas con el sistema de posicionamiento global
de alta resolución, Kepert (2006a, b) y Tang y Tan (2006) han observado la
asimetría del campo de vientos mediante técnicas de reducción del viento en
diversos huracanes sobre el Atlántico Norte.
Sin embargo aún la información de la asimetría de los vientos en la capa
límite dentro de la ciclón tropical en el momento del impacto debido a la rugosidad
del suelo todavía es una pregunta abierta (Tang y Tan, 2006).
Por lo tanto comprender el comportamiento de la estructura de la
variabilidad del viento superficial en sus componentes meridional y zonal dentro del
paso de un ciclón tropical ayudaría a generar más conocimientos dentro del estudio
de la capa límite e incluso comenzar a detectar cambios mesoclimáticos dentro de
la zona de estudio.
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1.3. Hipótesis
Los datos de intensidad y dirección del viento de la red de estaciones
automáticas, mantienen su representatividad física en los momentos previos y
posteriores al paso de los ciclones tropicales sobre la Península de Yucatán, por lo
que es posible calcular la variabilidad diurna, interdiurna, total e índice 𝛼 del viento
en superficie.
1.4. Objetivo
Analizar la variabilidad de las componentes zonal y meridional del viento en
superficie, a través del cálculo de las variabilidades diurna e interdiurna, en una red
de 9 estaciones automáticas de superficie sobre la península de Yucatán, durante
el paso de cuatro huracanes.
Se aplicarán los índices desarrollados por Alpert y Eppel (1985) que
permitirán conocer la influencia simultánea de la capa límite en superficie, dando a
la vez la pauta para construir una base de datos del cambio mesoclimático en
Yucatán. La interpolación de la variabilidad diurna, permitirá construir la evolución
histórica, individual y conjunta del flujo durante el tránsito de los huracanes sobre
tierra.
El análisis de los datos también caracterizará, en cada caso, las condiciones
críticas de cizallamiento en niveles bajos y turbulencia ligadas al desfasamiento del
índice de variabilidad relativa entre componentes.
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