Circulación general. Ernesto Barrera III Curso de Meteorología Tropical. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015

Transcripción

1 Circulación general Ernesto Barrera La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical

2 Densidad de flujo solar: S Radiación interceptada por la Tierra: S 1367W / m 2 R T Promedio en toda la superficie: 2 S R 2 T 2 T / 4 R 342 W / m 2 La radiación incidente varía espacial y temporalmente debido a la geometría del planeta y los movimientos orbitales. Entre los trópicos, la radiación incide con menor ángulo. En latitudes más altas, los ángulos de incidencia son mayores. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 2

3 Balance energético del sistema Tierra-atmósfera (promedio global y anual) La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 3

4 Balance radiativo del sistema A: radiación solar absorbida (onda corta) Ángulo de incidencia Albedo A B: radiación infrarroja (onda larga) saliente Siempre positiva ( W/m 2 ) Intensa en regiones subtropicales Menor en áreas nubosas. B C: flujo neto = A B Positivo entre 30ºS y 30ºN Máximos en océanos ecuatoriales. Negativo en regiones de fuerte albedo (desiertos, hielos y nubes bajas) C La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 4

5 Balance radiativo del sistema Tierra-atmósfera Las regiones tropicales reciben más radiación de la que emiten (salvo los desiertos). Las regiones extratropicales y polares emiten más radiación de la que reciben. Sin embargo, el sistema Tierra-atmósfera está equilibrado en promedio anual. Deben existir mecanismos de transporte de energía a gran escala. La desigualdad en el balance radiativo es el motor de la Circulación Global. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 5

6 Balance radiativo del sistema Tierra-atmósfera La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 6

7 Introducción Recordatorio : transferencias de calor El calor se transfiere mediante tres mecanismos: Radiación: ondas electromagnéticas. No requiere de un medio. Convección (seca): mediante el movimiento de un fluido. Conducción: por contacto físico. Calor sensible Calor latente: Evaporación / condensación (convección húmeda) La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 7

8 Balance radiativo del sistema Tierra-atmósfera La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 8

9 Transporte meridional de energía El balance energético del sistema Tierra-atmósfera sugiere una circulación meridional. Inicialmente se optó por un modelo basado en una sóla célula en cada hemisferio. Sin embargo no era compatible con las observaciones. No tenía en cuenta la rotación de la Tierra. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 11

10 Transporte meridional de energía Estructura 3D de la circulación meridional. A gran escala tiene simetría zonal. Tres células redistribuyen la energía en el sistema Efecto Coriolis: los vientos se desvían a su derecha (izquierda) en el hemisferio norte (sur). Nota: Trade winds hace referencia a los vientos alisios La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 12

11 Transporte meridional de energía La alternancia de océanos y continentes rompe la simetría zonal. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 13

12 Transporte meridional de energía: observaciones Presión a nivel del mar - Invierno Más mapas en: ERA40 Surface climatologies La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 14

13 Transporte meridional de energía: observaciones Presión a nivel del mar - Verano Más mapas en: ERA40 Surface climatologies La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 15

14 Transporte meridional de energía: observaciones Viento a 10m - Invierno Más mapas en: ERA40 Surface climatologies La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 16

15 Transporte meridional de energía: observaciones Viento a 10m - Verano Más mapas en: ERA40 Surface climatologies La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 17

16 Células de Hadley Las células de Hadley son casi simétricas respecto al ecuador. Su rama ascendente conjunta se sitúa en torno a 5ºN. El área de máxima ascendencia está en la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT). Liberado el excedente de energía, las células no se extienden más allá de 30º. La circulación da lugar a convergencias y divergencias del flujo. Las células de Hadley son visibles en promedios zonales y tiempos de escala > 1 mes. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 18

17 Células de Hadley: variación estacional En los equinoxios, las células son Invierno simétricas respecto al ecuador (no mostrado Ecuador La célula del hemisferio de verano es débil y estrecha. La célula del hemisferio de invierno es diez veces más potente. Verano Es debido a que el mayor déficit de energía está en el hemisferio de invierno. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 19

18 Células de Hadley JJA (invierno hemisferio sur) Kg/s 30ºN 15ºN Ecuador 30ºS DJF (invierno hemisferio norte) Kg/s 30ºN Ecuador 8ºS 30ºS La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 20

19 Células de Hadley: influencia del transporte oceánico En el hemisferio sur, la circulación de Hadley compite con el océano en el transporte de energía. JJA Kg/s 30ºN 15ºN Ecuador 30ºS DJF Kg/s 30ºN Ecuador 8ºS 30ºS La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 21

20 Células de Hadley: importancia del transporte global La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 23

21 Transporte zonal de energía: la circulación de Walker A lo largo de los paralelos existe alternancia de océanos y continentes. En los océanos, el excedente de energía: puede almacenarse (calor específico alto del agua). puede transportarse a otras latitudes a través de las corrientes. Sobre los continentes, el excedente de energía: no puede almacenarse (calor específico bajo del suelo). no puede transportarse en superficie. la redistribución de la energía se produce a través de la convección a gran escala. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 24

22 Transporte zonal de energía: la circulación de Walker Zonas de ascendencia: Amazonia, África e Indonesia (continente marítimo). Los mayores centros de convección profunda del planeta. Zonas de subsidencia: flancos orientales del Pacífico y Atlántico, y al oeste del Índico. Nubes estratiformes que limitan el calentamiento. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 25

23 La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 26

24 Zona de convergencia intertropical (ZCIT) La ZCIT es un elemento fundamental del clima global. Los vientos alisios de ambos hemisferios transportan vapor de agua a la zona de convergencia La convección profunda libera enormes cantidades de energía en las regiones ecuatoriales. En la alta troposfera, la divergencia permite exportar el exceso de energía a los polos deficitarios. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 27

25 ZCIT: escala climatológica o planetaria A gran escala puede considerarse una estructura continua. Representa la posición media (varios meses) de la convección profunda. Apreciable en mapas de radiación de onda larga (emisión IR de topes nubosos). Los valores inferiores a 240 W/m2 trazan su posición climatológica. Radiación de onda larga en el tope de la atmósfera (ERA40) Promedio Junio-Julio-Agosto Promedio Diciembre-Enero-Febrero La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 28

26 ZCIT: escala climatológica o planetaria El ciclo estacional está ligado al de las células de Hadley. Se desplaza siguiendo al sol con un retraso de 6-8 semanas en tierra. Sobre los océanos, el retraso es de semanas. Por qué? La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 29

27 ZCIT: escala climatológica o planetaria Pacífico oriental y Atlántico: siempre al N del ecuador Fina banda de convección profunda ( Km) mm anuales Índico y Pacífico occidental: En ocasiones, al S del ecuador Banda ancha de convección ( Km) mm anuales Precipitación acumulada diaria (ERA40) Promedio Junio-Julio-Agosto La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical Promedio Diciembre-Enero-Febrero 30

28 ZCIT: escala climatológica o planetaria También se manifiesta en otros campos relacionados con la humedad. Temperatura de la superficie del mar (SST): valores superiores a 28 ºC (fig A) Valores elevados en campos de convergencia de vapor (fig B) Divergencia en la alta troposfera ( hpa) A B La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 31

29 ZCIT: escala sinóptica y mesoscala En estas escalas, la ZCIT no puede considerarse continua. Se presenta como una alternancia de zonas de convección con cielo despejado. Convección aislada, células, multicélulas y sistemas convectivos de mesoscala (SCM) Se desplazan a ~ 5 m/s hacia el oeste en conexión con los vientos observados. Variabilidad a causa de ondas tropicales (MJO, Kelvin) Imagen satélite IR de Tonos rojizos: zonas cálidas sin nubes. Tonos verdes: topes fríos de nubes convectivas. Trazos continuos: SCMs. Trazo discontinuo: posición climatológica de la ZCIT. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 32

30 ZCIT: ausencia climatológica sobre el ecuador Sobre el Pacífico oriental y el Atlántico, la posición climatológica de la ZCIT nunca se encuentra en el ecuador geográfico. Siempre está a centenares de kilómetros al sur o al norte. Por qué? La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 33

31 ZCIT: ausencia climatológica sobre el ecuador. Factor dinámico Cuando se aproximan al ecuador, los alisios se aceleran. Atmósfera libre: efecto de valle dinámico / Capas bajas: equilibrio advectivo. Como resultado el flujo se vuelve divergente Subsidencia en el ecuador geográfico. Una vez atravesado el ecuador, el flujo desacelera y tiende a converger. subsidencia divergencia ascendencia convergencia La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 34

32 ZCIT: ausencia climatológica sobre el ecuador. Factor térmodinámico A lo largo del ecuador, en los océanos se producen afloramientos (upwellings). El agua fría de las profundidades aflora a la superficie. La temperatura superficial del mar se reduce (24-26ºC en el Pacífico central) El enfriamiento reduce los flujos de calor sensible y latente. La subsidencia y enfriamiento de la superficie del mar inhiben la convección en una franja de ~5º en torno al ecuador La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 35

33 ZCIT: modelo conceptual convergencia ascendencia subsidencia divergencia confluencia 8 m/s 5 m/s Agua muy cálida. Contracorriente ecuatorial La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 Agua fría Upwelling III Curso de Meteorología Tropical Agua cálida. Contracorriente surecuatorial 36

34 Resumen El sistema Tierra-atmósfera recibe radiación solar que se reparte de forma desigual debido a su geometría y a su dinámica. Dado que el sistema se encuentra en ~equilibrio, deben existir mecanismos responsables de la redistribución de la energía. La Circulación de Walker explica el transporte zonal en los trópicos. La Circulación General explica el transporte a escala planetaria. Las células de Hadley son responsables del transporte meridional. La ZCIT es la región en la que convergen los alisios de ambos hemisferios. En su seno se favorece la formación de tormentas y ciclones tropicales. Presenta una estructura con múltiples escalas espaciales y temporales La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 37

35 Gracias por su atención. La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 38

36 Bibliografía Libros: Météorologie tropicale, des alizés au cyclone, F. Beucher, Meteo France, 2010 (francés) Fondamenteaux de météorologie, S. Malardel, Cépadùes, 2005 (francés) Introduction to dynamic meteorology, Holton, Elsevier, 2004 (inglés) Introduction to physical oceanography, Stewart, 2005, (inglés) Módulos COMET (registro gratuito) y otros recursos: Introduction to tropical meteorology, 2nd Edition, The COMET Program, 2010 (1ª edición en español) Hurricanes Strike!, The COMET Program, 2010 (versión en español) Conceptual models of tropical waves, The COMET Program, 2006 (versión en español) Ciclones tropicales, preguntas y respuestas, OMM, 2011 Weather in a tank (MIT), simulaciones atmosféricas en un tanque de agua. Dundee Satellite Receiving Station, acceso gratuito a un histórico de imágenes de satélite. Artículos especializados: The Quasi-Biennial Oscillation, varios autores, Reviews of Geophysics, 2001 Madden-Julian Oscillation, Zhang, Reviews of Geophysics, 2005 Quasi-geostrophic motions in the equatorial area, Matsuno, D structure and dynamics of African easterly wave (part I) / (part II), Hall et al, 2006 La Antigua, 31 agosto 11 septiembre 2015 III Curso de Meteorología Tropical 39