Tema 9: TORMENTAS CONVECTIVAS

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1 Tema 9: TORMENTAS CONVECTIVAS 9.1 Introducción 9.2 Pequeños cumulonimbos 9.3 Tormentas multicélula 9.4 Tormetas supercélula 9.5 Condiciones ambientales que favorecen los distintos tipos de tormentas 9.6 Tornados 9.7 Frentes de racha 9.8 Downburst 9.9 Sistemas convectivos a mesoescala 9.10 Líneas de tormentas

2 9.1 Introducción Varias escalas: - Cb aislados - Tormentas multicélula - Tormentas supercélula Las tormentas de célula única (Cb aislados) son las más comunes, no obstante la importancia en cuanto a precipitación y daños (excepto descargas eléctricas) es más bien pequeña

3 9.2 Pequeños cumulonimbos (célula única) 98% de Cb son nubes frías constituidas por formas de hielo muy diversas -> microfísica muy complicada -> modelización muy difícil 2 regiones: - de nueva formación: ascensos por B no está helada - de antigua formación precipitación

4 tiene núcleos individuales convectivos de gran B-> torres, dimensión horizontal 1-3km. Dentro de la torre el aire evoluciona como una burbuja ascendente con vorticidad generada por gradientes horizontales de flotabilidad la parte de arriba de las torres es más redondeada, aprox 100m de diámetro-> cresta -> entrainment máximo. También ice enhancement favorecido van teniendo cada vez más altura en la dirección de desarrollo de la nube hasta que pueden alcanzar la isocero -> cristales de hielo, muchos hidrometeoros

5 las partículas de hielo ascienden verticalmente -> hidrometeoros más pequeños arriba de todo, serán arrastrados por la corriente de salida para formar el yunque los hidrometeoros de más tamaño pueden tener peso suficiente para caer -> en la zona antigua se puede producir precipitación discontinua: estelas de precipitación

6 Tropopausa -> corriente de salida (yunque) -> los hidrometeoros pequeños son arrastrados -> número de cristales de hielo muy grande > ice enhancement. Hay mucha agua y muchos hidrometeoros en la zona del principio de la corriente de salida y poca corriente vertical -> zona de agregación, rimming, graupel, granizo -> zona de mayor precipitación (intensa)

7 Estas tormentas se llaman de célula única porque sólo originan un episodio de precipitación. Cuando cesan los ascensos la lluvia se disipa y el ciclo de vida acaba dejando el yunque como nube cirriforme En la parte terminal de la corriente sólo hay cristales pequeños -> pequeñas precipitaciones que no llegan al suelo VIRGA

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11 si un Cb alcanza -15ºC a -20ºC (unos 7 Km de altura en nuestras latitudes) se producen descargas eléctricas Canal de descarga muy pequeño -> aumenta T dentro del canal (puede llegar a 30000K) -> aumenta la P del aire bruscamente (varios órdenes de magnitud mayor que en el exterior) -> tras la descarga se produce una expansión muy brusca -> sonido

12 Las nubes tienen que estar electrificadas: regiones con densidad de carga (+) y otras con densidad de carga (-) - capa estrecha (<1km) de densidad de carga negativa a unos -15ºC - carga positiva de la parte alta es mayor que la de la parte baja - en la parte alta hay una pequeña región muy fina de carga negativa Capa pantalla (iones cósmicos) T = -65ºC

13 Fase inicial del Cb: nube-nube, mucha frecuencia durante min (internas) Fase final del Cb (madura): alguna descarga nube-tierra Descargas nube-nube desde zona de carga negativa en -15ºC hacia la zona positiva de encima Descargas nube-tierra: desde la región de cargas negativas de -15ºC al suelo, que normalmente está cargado positivamente (nube madura hacia terminal con poca corriente ascendente) Descargas internas la potencia media de las descargas es de 1012 W cada descarga dura unos 30 s

14 Hipótesis de electrificación: especulativas alta investigación ** Teoría gravitacional: Las cargas se producen por colisión de graupel con cristales de hielo -> se produce una redistribución de carga el signo de la carga (+ ó -) depende de la T y de la cantidad de agua líquida T < -10ºC, -20ºC -> se transfiere carga negativa al graupel T > -10ºC, -20ºC -> graupel queda con carga positiva y el hielo con negativa T de inversión de carga Esta hipótesis se basa: - la nube es en principio eléctricamente neutra - arriba: por colisión, graupel (-) y cristales (+). Graupel cae, Cristales no -> al cabo de un tiempo arriba hay cristales de hielo -> carga (+). Hay un flujo muy grande de graupel (-) descendente hasta la zona de inversión de carga, entonces el graupel cambia a carga positiva. Pero en la parte de abajo los cristales son negativos. Como el graupel cae, la región de abajo quedaría negativa

15 ** Teoría convectiva La región de carga positiva es debida a transporte ascendente de partículas cargadas desde la PBL Esta teoría no parece en sí justificar la carga de la nube, pero sí que sobre el suelo la carga sea negativa debajo de las tormentas y positiva en la parte de abajo de la nube -> se barajan las dos hipótesis juntas

16 8.3 Tormentas multicélula Conjunto de varias células individuales únicas en distinto estado de desarrollo CÉLULA EN ESTADO INICIAL: Gran B y crecimiento rápido de hidrometeoros CÉLULA EN ESTADO MADURO: Existe una región nueva con alta B y una región antigua donde se producen precipitaciones fuertes CÉLULA EN ESTADO TERMINAL: Sin región nueva, sólo poderosísimos movimientos descendentes: mucha precipitación Células dinámicamente ligadas: la fase terminal de unas sirve de mecanismo de disparo para otras -> extensión muy grande y fuerte inestabilidad Cada célula tiene una vida media de aprox 1 h El sistema tiene una vida media de varias horas -> el patrón cambia mucho

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20 Estructura eléctrica: 1ª fase: nubes aún jóvenes, descargas nubenube dentro de la célula o descargas intercélula 2ª fase: adquieren madurez, descargas nube tierra con fuerte componente horizontal. Descargas muy severas 3ª fase: la célula + antigua empieza a disiparse y su zona de carga negativa baja un poquito de nivel -> descargas internas sólo en la más joven

21 4ª fase: la más joven madura mucho y la más vieja está muy terminal -> las cargas negativas de la célula antigua han bajado mucho -> tiene cargas positivas al miso nivel que la joven tiene cargas negativas -> descargas de la zona negativa de la joven a la zona positiva de la vieja. A veces se producen descargas positivas al suelo desde la más antigua En una tormenta multicélula se pueden ver los efectos en la presión (en las células aisladas no). Si la dirección del viento en superficie es contraria a la dirección de desarrollo de la multicélula, se ve un microfrente frío (estructura a mesoescala) por las corrientes de salida que, si hay convergencia, puede producir nuevas células.

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23 NOAA

24 8.4 Tormetas supercélula Poco frecuentes pero extraordinariamente dañinas Tamaño similar a la multicélula Es una sola célula gigantesca (1 fase de ascenso más una de descenso) Tiene una rama ascendente rotante (con vorticidad) Fuertes precipitaciones con granizo - mesofrente (frente frío) originado por los flujos de corriente de las torres - también se forman otro frente frío y un frente cálido Visión desde arriba - donde converge el aire cálido que viene de abajo y el aire frío que desciende de las torres se forma un máximo muy grande de flotabilidad: tornado (vórtice ciclónico de poco radio aproximadamente ciclostrófico) Movimiento de la tormenta Flujo de aire cálido

25 - Tornado: bajas presiones en un radio pequeñísimo con un gradiente horizontal de P grandísimo -> movimiento ascendente muy, muy fuerte (10-40 m/s) - la gran velocidad de ascenso provoca piedras de granizo muy grandes. - a medida que cae precipitación en la dirección desarrollo de la tormenta forma otro microfrente frío salida la de se de

26 12-13km mammatus mammatus precipitación 10-40m/s

27 Overshooting top yunque yunque mammatus Aire frio wall cloud mammatus virga torres Precipitation ligera microfrente microfrente tail cloud tornado

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30 Eumetsat, 2006

31 Distribución de cargas: - cierta distribución de carga negativa a aprox -15ºC - cierta distribución de carga positiva por encima y por debajo - también tienen una capa superior negativa muy fina - yunque: cargas positivas junto con cargas negativas -> descargas máximas donde la flotabilidad es máxima El número de descargas eléctricas es mucho mayor que en otras células: Hipótesis para la capa superior positiva: - Entrainment (entrada de cargas positivas de la estratosfera) -> no probable - Ruptura en la capa -> entrada desde abajo

32 D+ D TIC - D+ D- D+ D- D- Multicélula: - descargas nube-nube: 2-10 por minuto (inicial-madura) - descargas nube-tierra: 1-5 por minuto (madura-terminal) Supercélula: - se pueden producir en cualquier fase de desarrollo de la nube - descargas nube-nube: / minuto (similares a multicélula) - descargas nube-tierra: 5-12 / minuto - igual a multicélula (desde zona de TIC) - desde el yunque, tanto la zona de carga positiva como de la negativa - también desde la parte de atrás (positivas o negativas)

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34 Dinámica de supercélulas La supercélula se divide: a ambos lados de la corriente se forman 2 vórtices, uno ciclónico y otro anticiclónico. Ambos van ligados a movimientos ascendentes (ya que la escala es pequeña). El efecto neto es que la vorticidad horizontal se convierte en vertical -> aparecen los dos vórtices -> la supercélula se divide a la mitad y se generan dos supercélulas En estudios con datos reales uno de los vórtices es mayor que el otro: si el viento va en sentido horario favorece el vórtice que gira en ese sentido y viceversa

35 Cizalladura clockwise Cizalladura counterclockwise FUERZAS DEL GRADIENTE DE PRESIÓN

36 Cizalladura unidireccional FUERZAS DEL GRADIENTE DE PRESIÓN

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38 8.5 Condiciones ambientales que favorecen los distintos tipos de tormentas Que se forme una célula única, multicélula o supercélula depende de: - grado de inestabilidad del aire - cizalla vertical del viento Inestabilidad -> B -> w -> favorece la convección cizalla -> entrainment -> aumenta la estabilidad -> w La estabilidad del aire se suele representar por la energía convectiva potencial disponible CAPE -> CAPE -> inestabilidad (zf=nlc)

39 La cizalla del viento se representa por Us. El perfil de vientos de un Cb es un perfil asintótico en el tope de la nube, es decir que se va acercando a un valor máximo Us (a zs=3km). U=Us tanh(z/zs) Us -> cizalla

40 Us frente a CAPE - Si la cizalla es nula -> célula única (no convergen las corrientes salientes de la célula vieja con el aire en superficie -> no se dispara una segunda célula) - Si la cizalla es moderada -> los max de w se producirán con inestabilidad pero con cierta cizalla -> inestabilidad es suficiente como para que se produzcan ascensos + cierta convergencia para la segunda célula -> multicélula (dejarán de formarse células cuando baje la cizalla o la flotabilidad) - Si la cizalla es grandísima -> fuerte convergencia a niveles bajos pero no se forma una segunda célula porque el entrainment es muy grande y no se puede mantener -> la inestabilidad se emplea en seguir formando la 1ª célula -> supercélula

41 Hodógrafa de viento vertical

42 9.6 Tornados Transición de una supercélula a la fase tornado - Fuerte vorticidad horizontal debida a la cizalladura del viento + fuerte movimiento ascendente - Aparece un vórtice a cada lado -> se disparan los movimientos verticales - Cuando aparece la primera precipitación se producen movimientos descendentes -> división a la mitad - Cuando la corriente descendente llega al suelo se genera vorticidad horizontal debido a gradientes horizontales de flotabilidad a ambos lados de la supercélula - Este aire asciende a cada lado de la supercélula y la vorticidad horizontal se transforma en vertical -> división completada

43 - Cuando estas corrientes llegan al suelo vuelve a repetirse el proceso -> desde niveles bajos a medios se está produciendo vorticidad vertical en un proceso de feedback -> tornado (mesociclón de pequeño radio). - Sólo se mantiene el de la derecha (favorecido por cizalla positiva)

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47 Tornados no asociados a supercélulas Se forman por líneas de convergencia en la PBL (tierra) -> vorticidad vertical -> + algo de inestabilidad latente -> ascenso de aire ya rotante -> tornado

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50 El tornado 4 fases: de organización: se observa una especie de embudo o chimenea (funnel) tocando intermitentemente el suelo madura: el funnel tiene anchura máxima y toca el suelo de encogimiento: funnel disminuye hasta ser una fina columna de decaimiento: chimenea cortada o fragmentada

51 en fase madura, a un radio de unos 200m y una altura de entre m, las velocidades tangenciales son del orden de 50-80m/s Los bordes del funnel suelen estar a lo menos a unos 300m Puede haber otros vórtices menores (vórtices de succión), entre 3 y 6, orbitando alrededor. Tienen entre 0.5 y 50 m de diámetro y los vientos más fuertes

52 En un tornado se produce balance ciclogeostrófico: fuerza del gradiente de presión = aceleración normal Hay varias regiones dinámicas pero en todas se cumple el balance ciclogeostrófico: Región Ia (exterior) -> aire que converge y conserva el momento angular Región Ib (núcleo) -> llega desde el eje a la región de máxima velocidad tangencial. La rotación es similar a la de un sólido rígido (no hay entraiment) Región II (capa frontera turbulenta) -> la fricción desestabiliza el balance ciclogeostrófico. fuerte flujo radial hacia III debido a la fricción Región III (región esquina) -> fuerte corriente ascendente hacia el núcleo por convergencia Región IV (región de salida) -> con flujo ascendente

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57 9.7 Frentes de racha Corriente de aire descendente (tormentas) Vientos muy poderosos Son un ejemplo de corrientes de gravedad (masa de fluido de alta densidad que se mueve sobre una superficie horizontal desplazando el fluido ambiente de menor densidad) u =2 g h 0 2 f uf si o si h

58 Esquema más completo: - cabeza: circulación interna vertical - a la salida: región turbulenta - ondas: subida del aire cálido -> nube arco

59 Se producen por enfriamiento por evaporación asociado a la precipitación producida por nubes convectivas Su extensión vertical está limitada a la altura de la base de la nube Se pueden producir cambios de temperatura de 10º en varias decenas de metros Duran minutos o decenas de minutos, excepto que el aire frío en la base de la nube se mueva con el sistema convectivo -> horas El aire cálido que se mueve sobre el frente ayuda a mantener la actividad convectiva

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61 9.8 Downburst Reventones Flujo de salida de un Cb, muy intenso y en un período muy corto Área de fuertes vientos producida por un flujo de aire descendente sobre un área horizontal de entre 1 y 10 Km2 2 tipos: MACROBURST: área > 4Km2 y t entre 5 y 30 min MICROBURST: área < 4Km2 y t entre 2 y 5 min - microburst húmedo (precip > 0,25 mm) - microburst seco (precip < 0,25 mm) Microburst en aire medio (máx velocidad en el centro) Microburst en suelo (fuertes vientos en superficie)

62 Los microburst van asociados a una circulación ciclónica de pequeña escala (corrientes descendentes en espiral)

63 En aviación: 1- viento de frente 2 y 3- flujo descendente y se pierde el viento de frente (descenso súbito de la velocidad de ascenso) 4 y 5- viento de cola (hay que levantar el morro)

64 9.9 Sistemas convectivos a mesoescala Dimensión horizontal de cientos de Km. Agrupación de múltiples Cb y líneas de tormentas. También están formados por Ns. Enormes cantidades de precipitación estratiforme + cumuliforme. Patrones de circulación a mesoescala producidos por el conglomerado de nubes. Pueden durar desde decenas de horas hasta varios días

65 Ciclo de vida Etapa de formación: grupo de células aisladas distribuidas aleatoriamente o organizadas en línea. Etapa de intensificación: las células individuales crecen y se unen -> hay una sola región de precipitación continua en la que varios centros de precipitación más intensa están conectados por precipitación más débil Etapa madura: Se desarrolla una amplia área de nubes estratiformes cuando las células que se unen comienzan a disiparse. Cada elemento convectivo tiene su ciclo de vida, al final del cual se disipa y pasa a formar parte de la región de precipitación estratiforme. Se vuelven indistinguibles y forman una región extensa de nubosidad estratiforme con un nivel de fusión. Etapa de disipación: disminuye la formación de nuevas células convectivas -> área de precipitación estratiforme que se debilita lentamente con débiles células convectivas embebidas

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70 8.10 Líneas de tormentas A menudo las tormentas ocurren en grupo, y suelen distribuirse a lo largo de líneas horizontales: LÍNEAS DE TORMENTAS Se pueden producir a solas o como parte de un SCM Tiempo de vida más largo que las tormentas individuales que la constituyen 2 tipos: - líneas de tormentas supercélula - líneas de tormentas multicélula (más frecuentes) el primer tipo es mucho más dañino y ocurre cuando existe fuerte cizalladura del viento formando el vector cizalla un ángulo de aprox. 45º con la línea de tormentas

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74 Bibliografía Houze, R.A. (1993): Chapter 8, Thunderstorms. Cloud Dynamics, pags: International Geophysics Series, Vol 53. Ed: Academic Press Inc.

75 Ejercicios de clase: consolidación de las explicaciones 1. A qué se debe que las tormentas de célula única reciban ese nombre? 2. En una tormenta de célula única en qué zonas está más favorecido el ice enhancement? 3. Qué es necesario para que en un Cb se produzcan descargas eléctricas? 4. Qué dos tipos de descargas se producen en una tormenta de célula única? 5. En qué consiste la hipótesis de precipitación que explica la distribución de cargas en una tormenta de célula única? 6. Y la hipótesis de la convección? 7. Qué es una tormenta multicélula? 8. Qué caracteriza a una célula en estado inicial y en estado maduro? 9. Qué es una supercélula? 10. Qué características se dan en la zona del tornado de una supercélula? 11. De qué factores depende el que se forme una célula única, una multicélula o una supercélula? 12. Qué condiciones favorecen la formación de una célula aislada? 13. y una multicélula? 14. y una supercélula? 15. cómo una multicélula se divide en dos?

76 Ejercicios de clase: consolidación de las explicaciones 16. Cómo se forman los tornados no asociados a supercélulas? 17. Cuales son las fases de la vida de un tornado? 18. Qué es un frente de rachas? 19. Qué es un downburst? 20. Tipos de downburst 21. Cómo se forman las nubes estratiformes en un SCM? 22. Qué es una línea de tormentas? 23. En qué condiciones se forma una línea de tormentas supercélula?

77 Acrónimos B: flotabilidad Cb: cumulonimbo g: gravedad h: altura (de una masa de aire) NLC: nivel de libre convección P: presión PBL: capa límite planetaria T: temperatura us: velocidad asintótica del viento w: componente vertical de la velocidad z: altura (coordenada vertical) zs: altura a la que se alcanza us zt: altura a la que se igualan la temperatura potencial de una masa de aire y la del entorno : temperatura potencial de una masa de aire ext: temperatura potencial del entorno : densidad 0: densidad en equilibrio hidrostático