Modelització de precipitacions intenses en zones d'orografia complexa: casos d'estudi al Pirineu Oriental

Abstract

Els episodis de precipitació intensa en zones de muntanya sovint es veuen afavorits pels efectes orogràfics que actuen com a mecanismes que modifiquen la precipitació. Aquest treball vol contribuir a millorar el coneixement dels processos fonamentals que afecten la precipitació quan aquesta té lloc en una zona d'orografia complexa com és el cas de la zona oriental dels Pirineus, situada a la Mediterrània nord-occidental. En aquest treball de tesi, a partir de modelitzacions numèriques d'alta resolució realitzades amb els models WRF i MESO-NH de nou casos d'estudi diferents, s'investiguen les condicions sinòptiques i mesoescalars que afavoreixen el desenvolupament dels sistemes de precipitació als Pirineus Orientals. Entre d'altres, s'ha analitzat l'episodi del 7 novembre de 1982, que es troba entre els més intensos a Europa durant el període 1950-2005, en concret a Andorra, aquest ha estat l'episodi de risc que ha causat més morts al país. Els resultats obtinguts de les simulacions amb passos de malla horitzontal a 2,5 i 2 km reprodueixen estructures de precipitació amb una distribució i intensitat en concordança amb les observacions. Tot i això, també s'ha examinat la incertesa associada a la sensibilitat que mostra la modelització a variacions en les condicions inicials i a la microfísica.

L'anàlisi mesoescalar s'ha dut a terme tant per a episodis caracteritzats per fluxos estables com condicionalment inestables. A la primera part del treball s'ha examinat l'efecte de l'orografia en la localització i intensitat dels sistemes de precipitació. L'anàlisi s'ha fet a partir de l'aplicació dels resultats extrets tant de simulacions numèriques idealitzades com de casos d'estudi en altres regions muntanyoses. Pels episodis condicionalment inestables amb condicions atmosfèriques que evolucionen molt ràpidament com és el cas de les ciclogènesis mediterrànies, l'anàlisi de dos dels paràmetres adimensionals (activació de la convecció i el nombre de Froude humit) reflecteix la complexitat d'aplicar aquests resultats teòrics. En canvi, pels episodis hivernals de nord sota condicions estables, el camp de precipitació mostra una dependència segons el nombre de Froude representatiu del flux incident. Els comportaments identificats s'han resumit en forma de model conceptual.

A la segona part, l'anàlisi mesoescalar centrat en la descripció de la interacció entre el flux i la complexa orografia dels Pirineus ha permès identificar diferents factors tant dinàmics com microfísics que contribueixen a reforçar la precipitació orogràfica. Les retrotrajectòries basades en els traçadors eulerians passius, indiquen que l'ascens orogràfic directe és el principal mecanisme que desencadena la formació dels sistemes de precipitació als Pirineus. Mentre que, sota condicions atmosfèriques estables, les simulacions detecten la formació d'un màxim de vent al vessant nord paral•lel a la serralada a causa del marcat efecte de bloqueig exercit pels Pirineus. En canvi, per certes situacions mesoescalars, a l'extrem est de la serralada es forma una zona de confluència molt marcada que al mateix temps afavoreix la formació d'un corrent de densitat molt ben organitzat. La influència dels processos microfísics implicats en el reforç de la precipitació s'ha estudiat per mitjà de l'anàlisi de la distribució vertical dels hidrometeors. Les estructures verticals descrites són coherents amb els models conceptuals proposats a partir de les campanyes observacionals realitzades en altres regions muntanyoses com poden ser els Alps. Un dels mecanismes suggerits com a dominants en el procés d'intensificació de la precipitació està relacionat amb la formació del calabruix.

S'ha realitzat l'anàlisi lagrangiana del flux d'alimentació dels sistemes de precipitació en episodis condicionalment inestables. Els resultats de les simulacions indiquen una important dependència de la intensitat de la precipitació als Pirineus amb dos factors: el component del vent perpendicular a la serralada i el transport d'humitat cap als Pirineus a la baixa troposfera. S'han suggerit diferents rangs de valors per tal de discriminar els episodis segons la intensitat de la precipitació orogràfica. En conjunt, i d'acord amb els resultats obtinguts a partir de simulacions idealitzades, es pot dir que com més fort sigui el camp de vent incidint perpendicular a la serralada i més elevada l'advecció d'humitat, més intensa serà la precipitació als Pirineus. Per l'episodi hivernal estudiat més intens, la detecció d'un corrent atmosfèric en forma de banda estreta i allargada amb un transport molt elevat d'humitat provinent de latituds equatorials (550 kg/m•s; atmospheric river en anglès) va contribuir clarament en la forta nevada. Una situació similar però molt més perillosa, va succeir el 1982 quan gràcies a la presència d'un màxim de vent de 30 m/s a 1500 m, la part càlida i molt humida situada davant una pertorbació Atlàntica va incidir directament sobre els Pirineus Orientals i va persistir durant més de 10 h. Per aquest darrer episodi, també s'ha comprovat la contribució limitada del Mediterrani com a font local d'humitat (2-3 g/kg), en contraposició a l'elevada quantitat d'humitat (7-9 g/kg) provinent de les fonts remotes (latituds subtropicals Atlàntiques i nord d'Àfrica).

Heavy precipitation events over complex terrain are often favoured by enhancement mechanisms of precipitation. The windward slopes of the Eastern Pyrenees, as other mountainous Mediterranean regions, are regularly affected by heavy precipitation events (HPE). This present work benefits from high resolution numerical simulations of several case studies to investigate the synoptic and mesoscale environment favourable to precipitating systems development over the Eastern Pyrenees. The mesoscale models WRF and MESO-NH run at horizontal grid-lengths of 2.5-2 km have reproduced realistic precipitation structures over the Pyrenees but the uncertainty associated to sensitivities to initial conditions and microphysics has also been highlighted. The analysis has been done for both stable and conditionally unstable conditions.

The former part of the analysis has explored the application of the results from purely idealized simulations or previous studies in other mountainous regions to the case study simulations. For conditionally unstable events with dynamic evolving conditions (Mediterranean cyclogenesis), the analysis of a triggering term and the moist Froude number reflects the complexity of applying theoretical results. On the other hand, for winter northerly stable flows the precipitation field reveals a dependency on the upstream Froude number. These patterns are synthesised in a conceptual model. Backward trajectories based on Eulerian on-line passive tracers indicate that the direct orographic lifting is the main forcing mechanism which triggers precipitating systems over the Pyrenees. For stable conditions, the simulations capture the formation of an along barrier flow in the north slope due to the blocking effect exerted by the Pyrenees. Under specific mesoscale configurations, a distinct confluence zone is also formed in the easternmost part of the massif, which in turn favours the generation of a well developed density current. The understanding of the microphysical processes involved in precipitation enhancement has been examined by means of the hydrometeor vertical distribution. The dominant mechanisms for intense precipitation are associated with graupel.

From the lagrangian analysis of the feeding flow in the conditionally unstable episodes, the simulations indicate a marked dependence of the precipitation intensity over the Pyrenees on two factors: the cross-barrier wind intensity and the moisture advection towards the Pyrenees in the lower atmosphere. Different ranges have been suggested to discriminate the orographic precipitation intensity over the Pyrenees. In general, the stronger the cross-barrier component wind and the water vapour flux the more intense the orographic precipitation will be. During the most intense winter event, the detection of a narrow corridor of strong water vapour transport (atmospheric river; 550 kg/m•s) contributed to the generation of persistent precipitation. A similar situation occurred during the 1982 HPE when the Atlantic moist and warm conveyor belt combined with a LLJ (30 m/s) impinged over the Eastern Pyrenees more than 10 h. For this last episode, it has been also proved the limited role of the Mediterranean as local moisture source (2-3 g/kg) as the moisture coming from remote source regions (subtropical Atlantic and Africa) is larger (7-9 g/kg).