Martes, 30 de Mayo de 2017

Predicción de Tormentas



Fernando Domínguez Rodríguez (shear_puentems)
Email:
ferdomr@hotmail.com



Las tormentas son una de las fuerzas más destructivas de la naturaleza, todos los años en España se producen en multitud de ocasiones inundaciones, fuertes rachas de viento huracanadas, granizo que llega a superar el tamaño de una pelota de golf y tornados, muy probablemente más de los que pensamos. Es importante alertar cuando haya riesgo de que se produzca algún tipo de fenómeno severo; con la tecnología que se dispone en la actualidad no se puede predecir con exactitud ni la hora ni el lugar en los que se va a producir una tormenta ni la severidad de la misma, pero cada vez nos estamos aproximando más con nuevos conocimientos e instrumentos.

Con este trabajo, dirigido principalmente a aquellos que tengan un gran interés en cazar y pronosticar tormentas y quieran tener una habilidad mayor en ello, pretendo solventar los problemas de los modelos en las situaciones donde la convección está presente, los cuales entre otras cosas no nos permiten conocer el tipo de tormenta (unicelular, multicelular o supercelular) que tendrá lugar o los distintos fenómenos de tiempo severo y en muchas ocasiones tampoco modelizan correctamente la precipitación.

El trabajo está dividido en cuatro partes: en la primera se expondrán los distintos ingredientes responsables de que la convección tenga lugar; posteriormente se tratarán los todos los fenómenos relacionados con el tiempo severo; en la siguiente sección hablaremos de los distintos tipos de tormenta y finalmente mediante distintos ejemplos reales de tormentas ocurridas en España durante los últimos años argumentaré, basándome en los distintos ingredientes, las tormentas que se hayan formado y los fenómenos severos que hayan tenido lugar en cada situación.

INGREDIENTES


Uno de los métodos más conocidos en cuanto a la predicción de tormentas convectivas es el de los ingredientes. Mezclándolos de maneras distintas y en cantidades diferentes obtendremos distintos tipos de tormentas pero dentro de cada tipo, no existen dos tormentas exactamente iguales y cada una tendrá sus propias características (mayor o menor riesgo de inundaciones, de fuertes rachas de viento…). No es necesario que estén presentes todos los ingredientes para que se produzca un episodio de tiempo severo, pero cada uno cumple una función importante: más posibilidades de que se produzca una supercélula, incremento de la probabilidad de granizo de gran tamaño… Hay lugares en los que una determinada combinación de los mismos se da con mayor frecuencia que en otros.

Imaginemos que somos cocineros y nos dicen que tenemos que preparar una tormenta, para ello disponemos de una serie de ingredientes, que se pueden dividir en tres grupos:

Los de forzamiento: constituyen el mecanismo de disparo, son los que facilitan a una parcela de aire ascendente alcanzar el nivel de convección libre (NCL), sin una buena fuente de elevación, una parcela con una inestabilidad condicional tendrá problemas para  formar una tormenta.

Los de flotabilidad: tratan de determinar cómo serán los movimientos verticales del  aire, es decir la fuerza de las corrientes ascendentes convectivas que se puedan formar, pero también la fuerza de las corrientes de aire descendentes o la energía que necesita una parcela para llegar al NCL.

Los relacionados con la cizalladura: su aumento en la gran mayoría de ocasiones implica una mayor longevidad y organización de las tormentas convectivas, así como un aumento en la virulencia de los fenómenos asociados al tiempo severo. Algunos determinan la existencia de corrientes ascendentes rotatorias que pudieran dar lugar a supercélulas y tornados.

También existen otros ingredientes que no se pueden encuadrar en ninguno de los tres grupos anteriores.

Ahora vamos a ver los ingredientes uno por uno, me centraré principalmente en los aspectos más importantes relacionados con la predicción de tiempo severo.

 

a) Ingredientes de forzamiento:

Sin este tipo de mecanismos habitualmente el CAPE (inestabilidad) no se puede liberar a causa del CIN (una capa cercana a la superficie en la que la temperatura de la parcela ascendente es menor que la temperatura ambiente) y por lo tanto ese parcela de aire no conseguirá seguir ascendiendo a no ser reciban un empuje extra para poder atravesarla


Forzamiento dinámico cuasigeostrófico: en las zonas donde la advección de vorticidad y la advección de temperatura sean positivos (negativos) existirán condiciones para ascensos (descensos) verticales. Si las advecciones de vorticidad y de temperatura tienen signo opuesto no podemos saber si existirán movimientos verticales del aire ascendentes o descendentes. Si uno de los dos términos es cero, sólo se tendrá en cuenta el otro. Vamos a explicar más detalladamente cada término.

Advección de vorticidad: con el objetivo de no complicar la definición, nos centraremos únicamente en las vaguadas. Una vaguada es un máximo de vorticidad ciclónica. La advección de vorticidad ciclónica, que da lugar a ascensos de aire, aumenta según se va acercando una vaguada a un punto concreto. Como normalmente la velocidad del viento se incrementa con la altura también aumentará la advección de vorticidad con la altura y eso en la zona delantera de las vaguadas da lugar a una diferencia de advección de vorticidad ciclónica o advección diferencial de vorticidad ciclónica que es lo que principalmente favorece a los ascensos.

Advección de temperatura: cambio de temperatura causado por el movimiento del aire por el viento. Una advección de aire cálido en niveles bajos da lugar a ascensos.

Conclusión: los ascensos del aire predominan en la parte delantera de una vaguada aunque también hay algunas zonas próximas a la corriente de chorro que pueden presentar forzamiento dinámico, para determinar con  más exactitud esas zonas de ascensos a gran escala se pueden utilizar el siguiente mapa:

Figura 1. Las zonas de ascensos en rojo y las de descensos en azul, más intensos cuanto más fuerte sea el ascenso y descenso respectivamente.

 


Cuando los dos términos del forzamiento dinámico cuasigeostrófico se cancelan se puede usar el método del vector q:
Existirán ascensos allí donde el vector Q tenga valores negativos, descensos donde existan valores positivos y cuanto mayores sean esos valores, mayores serán los movimientos verticales asociados.

Figura 2. Cuanto menores sean los valores de los colores, los ascensos serán más fuertes. El amarillo y sobretodo el rojo representan los ascensos.

 

Otra forma muy importante de averiguar dónde están los ascensos del aire es buscando las regiones en las que exista divergencia en altura, a unos 500 o 300hpa. Allí donde las isohispas diverjan, es decir que se van separando, existirán movimientos verticales hacia arriba del aire a escala sinóptica. Si las isohipsas convergiesen ocurriría lo contrario.


Forzamiento frontal: se produce cuando entran en contacto dos masas de aire de diferentes características, la zona en la que chocan se denomina frente. En estas zonas se producen circulaciones atmosféricas ascendentes. Este tipo de forzamiento está asociado a las bajas dinámicas.


Forzamiento térmico: en épocas de fuerte insolación, el calentamiento diferencial de la superficie terrestre puede provocar ascensos incipientes de las masas superficiales de aire, las cuales pueden permanecer más cálidas que el aire de su entorno durante gran parte de su ascenso hasta el NCL y no necesitar ningún otro mecanismo de disparo adicional a gran escala para que se pueda liberar el CAPE.


Línea de convergencia (en niveles bajos): Línea horizontal que denota un flujo de aire convergente horizontal. La convergencia en un campo de viento horizontal indica que, en un área dada, está entrando más aire del que sale, a ese nivel. Para compensar este "excedente" resultante, se produce un movimiento vertical: forzamiento hacia arriba, si la convergencia se produce en niveles bajos. El forzamiento hacia arriba a partir de convergencia en niveles bajos incrementa la probabilidad de desarrollo de tormentas cuando otros factores, tales como inestabilidad, son favorables.

Figura 3. La convergencia en superficie la representan las líneas de color rojo y la divergencia las de color azul. Colores intermedios indican valores prácticamente neutros.

 

Otros tipos de forzamiento son el frente de racha, borde principal de los vientos superficiales racheados procedentes de la/s región/es de corrientes descendentes de una o varias tormentas o los frentes de brisa marina que se forman en las zonas costeras y ambos facilitan el desarrollo de la convección en las zonas donde se encuentren o los vientos anabáticos aire que fluye hacia terrenos más elevados y de ahí, es forzado a ascender.

b) Ingredientes de flotabilidad

CAPE: energía potencial convectiva disponible, es la energía potencial que una parcela de aire tiene cuando alcanza el nivel de convección libre y se vuelve más cálida que el aire a su alrededor experimentando empuje ascensional hacia arriba. La energía potencial se convertirá en energía cinética reflejada en un movimiento hacia arriba.

Existen distintos tipos de CAPE dependiendo de la altura de la parcela a partir de la cual es calculado:

MLCAPE (EPCD de la capa de mezcla) es el más habitual y para calcularlo se toma la media de la proporción de mezcla y de la temperatura potencial del kilómetro inferior de la troposfera (MLCAPE1km), de los 100hpa inferiores (MLCAPE100)… A partir de ahora cuando diga “CAPE” sin especificar más, me referiré a esta clase.

Figura 4. Las regiones con CAPE están coloreadas, tener en cuenta la escala de la derecha

 

SBCAPE (EPCD de superficie) usa la temperatura y el punto de rocío medidos a 2 metros sobre la tierra. En días con un fuerte calentamiento térmico y viento débil es ostensiblemente mayor que el MLCAPE.

MUCAPE (EPCD de la parcela más inestable): hay situaciones en las que una parcela en la superficie no tiene CAPE y sin embargo parcelas situadas en torno a los 900 hpa o 800 hpa  sí tienen. A esto se le llama inestabilidad elevada y a la convección resultante convección elevada. Suele ocurrir al norte de un frente cálido en superficie o durante la noche, cuando se produce inversión térmica en la superficie. En este caso se elevará la parcela del perfil que tenga un mayor CAPE. Conviene tenerlo en cuanta en las situaciones mencionadas anteriormente

0-3 Km CAPE (EPCD en los niveles bajos) en los tres kilómetros inferiores de la atmósfera. Indica si una parcela puede acelerar rápidamente sobre el NCL. Este índice es especialmente importante para la formación de tornados.


Figura 5.
Los colores grises representan el CAPE 0-3 km, cuanto más fuerte sea el gris mayor será este tipo de CAPE

 


DCAPE (energía potencial convectiva disponible de una corriente de aire descendente):  energía cinética que una parcela en los niveles medios puede llegar a obtener cuando desciende o máxima energía disponible para una parcela que desciende. Este valor puede ser útil conocerlo principalmente cuando se vayan a desarrollar tormentas en zonas en las que exista una capa seca en los niveles medios (700-500 hpa) que puede dar lugar a intensas rachas de viento y severos downburst  o microburst. Estos dos últimos fenómenos son especialmente probables cuando la diferencia de temperatura potencial equivalente entre la superficie y la menor encontrada en capas medias supera los 20 kelvin y raros cuando esta temperatura es menor a 13 K.

Cuanto más CAPE tengamos más intensa será la velocidad vertical de las corrientes ascendentes, más fuertes serán las tormentas y traerán un riesgo mayor de granizo (esto último especialmente si existen valores altos en la capa entre –10 y –20ºC) y otros tipos de tiempo severo. Un incremento del CAPE está asociado con:
Un aumento de la humedad en niveles bajos.
Un aumento de la temperatura en niveles bajos
Una disminución de la temperatura en niveles altos y medios de la troposfera.


LI, índice de elevación: mide la flotabilidad de una parcela de aire elevada desde la superficie a los 500 hpa, como la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura de la parcela a esa altura.


CIN: es la cantidad de energía necesaria para iniciar la convección. Puede impedir que una parcela alcance el nivel de convección libre y evitar la formación de tormentas incluso cuando las condiciones en altura sean muy inestables. Cuanto mayor sea la inversión que provoca el CIN, mayores serán los valores de CIN y mayor será la resistencia para elevar una parcela. En caso de que exista CIN se necesita algún mecanismo adicional para iniciar la convección como el forzamiento dinámico o una línea de convergencia por ejemplo. En ausencia de levantamiento de mesoescala hay tres mecanismos capaces de vencerla:
Un aumento de la humedad en niveles bajos (humectación)
Un aumento de la temperatura en niveles bajos (calentamiento)
Ascenso de escala sinóptica.
Aunque cuanto mayores son los niveles de CIN menos probable es que haya convección, en caso de formarse una tormenta es más probable que sea severa si el valor del CIN es alto.

Figura 6. El CIN son las flechas, únicamente aparecen en las zonas donde hay cape, cuanto más altas sean esas flechas el CIN es mayor

 


c) Ingredientes de cizalladura:

La cizalladura
(vertical) es la diferencia de intensidad y/o dirección del viento con la altura.
 
Tiene un importante papel en la formación de nuevas células a lo largo del flujo de salida de una célula más antigua y por lo tanto influye en la propagación del sistema.
Afecta a las velocidades verticales de las corrientes ascendentes y descendentes de una tormenta causando perturbaciones de la presión, lo cual es especialmente importante para las supercélulas. En la mayoría de los casos un aumento de la cizalladura implica un aumento de la organización y duración de las tormentas, pero si ésta es exageradamente alta podría desestructurarlas

Cizalladura 0-6 km (cizalladura de la capa profunda): diferencia entre la velocidad y dirección del viento en superficie y a 6 km de altura. Influye fuertemente en la organización convectiva.

SI EXISTEN LAS CONDICIONES DE INESTABILIDAD (CAPE) SUFICIENTES se puede hacer la siguiente clasificación, es muy general, puesto que se excluyen otros factores y no existen “valores mágicos”. La organización convectiva está fuertemente influenciada por el tipo de forzamiento que haya también:

Las tormentas unicelulares predominan con valores inferiores a 5m/s.

Las tormentas multicelulares se pueden dar con cualquier valor de CAPE, incluso con valores próximos a 0; en cuanto a la cizalladura, también se pueden formar con valores de 5 m/s en adelante, o incluso menos si la humedad es alta. Incrementando el valor de la cizalladura, normalmente aumenta su duración y organización de las células y la peligrosidad del tiempo severo relacionado con estas tormentas

Las tormentas supercelulares aparecen en ambientes con valores en torno a 20 m/s y superiores siempre que existan adecuados valores de helicidad.

Más información sobre los distintos tipos de tormentas en la sección del mismo nombre.

Generalmente el producto del CAPE y de la cizalladura de 0-6 km está bien correlacionado con un aumento de la probabilidad de cualquier tipo de tiempo severo relacionado con las tormentas.

Cizalladura 0-1 km (cizalladura en niveles bajos): diferencia entre la velocidad y dirección del viento en superficie y a 1 km de altura. Importante para la tornadogénesis. Valores alrededor de 10m/s o superiores considerados junto con otros factores implican la posibilidad de que aparezcan.


Figura 7. Cizalladura 0-6 km: líneas de color negro
Cizalladura 0-1km: regiones coloreadas, mirar los valores en la escala de la derecha. Los valores están en nudos, 1 nudo = 0,51440 m/s = 1,85200 km/h.
 


Helicidad relativa a la tormenta 0-3 km
: sirve para estimar la capacidad para generar una rotación en la corriente ascendente principal de una tormenta, es importante para la formación de supercélulas. Los valores de SRH superiores a 150 m2/s2 son indicativos de la posibilidad de la aparición de supercélulas si existe una alta cizalladura 0-6 km, aunque se pueden dar con valores algo inferiores.

Figura 8. Helicidad 0-3 km: zonas coloreadas, mirar escala a la derecha

 


Helicidad relativa a la tormenta 0-1 km
: se puede coger la definición anterior pero en lugar de tener en cuenta la cizalladura de los 3 primeros km de la troposfera, sólo tiene en cuenta la del primer km. Importante para la aparición de tornados. A partir de 100 m2/s2 la posibilidad de tornados asociados a las supercélulas aumenta, teniendo en cuenta que una tormenta con características supercelulares esté presente.

Otros tipos de ingredientes:


Nivel de condensación por ascenso (NCA): es la altura a la cual una parcela de aire se saturará, es decir la altura de la base de la nube. Cuando es menor que 1500 m las posibilidades de tornados aumentan, especialmente por debajo de 1000 m.


Nivel de convección libre (NCL): es la altura a la cual una parcela de aire se vuelve más cálida que su entorno y experimentará empuje hidrostático hacia arriba. A partir de este nivel no necesitará ningún mecanismo de forzamiento para seguir elevándose. También es importante que sea baja para que haya posibilidad de tornados.


Figura 9. NCA: zonas coloreadas, mirar escala de la derecha
NCL: flechas, rojas NCL-NCA < -300m; negras cortas NCL-NCA <500m y negras gruesas NCL-NCA >1500m


 


Agua precipitable: es la cantidad total de agua contenida en una columna de aire de sección unidad, se mide en mm. Da una idea de lo importantes que pueden ser las lluvias asociadas a las tormentas, de producirse estas. Además, si la alta humedad está distribuida de forma homogénea en toda la columna, tendremos tormentas de alta eficiencia, esto es, aprovecharán buena parte del agua precipitable.

Figura 10. Agua precipitable: zonas coloreadas, mirar la escala de la derecha

 


Los parámetros convectivos que toman una sola variable física son los más útiles. Por ejemplo, si predices tormentas severas porque el valor que toma el SWEAT index así lo refleja y luego no ocurre tal hecho no sabrás explicar qué es lo que ha fallado, por eso en este trabajo no explico parámetros que combinen distintos ingredientes, sino los distintos ingredientes por separado.


Fenómenos de tiempo severo



a) Inundaciones:

Hay que tener en cuenta tanto la intensidad como la duración de las precipitaciones.

Intensidad: está relacionada con el conjunto de vapor de agua que es condensado en una corriente ascendente convectiva (mayor cuanto más alto sea el punto de rocío en niveles bajos) y con la velocidad a la cual esta condensación ocurre (mayor cuanto más alto sea el CAPE). Una alta inestabilidad lleva a fuertes corrientes ascendentes y a un alto contenido en vapor de agua disponible para la condensación, es decir que existe una gran cantidad de agua precipitable, los cuales son importantes para el conjunto de la precipitación. Por lo general, cuanto más húmeda y profunda sea la capa límite ( más intensas serán las precipitaciones. Un ambiente húmedo hasta al menos 500 hpa que aproveche eficientemente el agua precipitable, un NCA bajo (con una capa húmeda debajo de la base de las nubes) que reduzca la evaporación de las gotas de agua durante su caída, junto con nubes cálidas con una profundidad superior a 3 km son otros factores que implican una mayor intensidad de las precipitaciones

Duración: cuando un conjunto de células convectivas pasan una tras otra sobre un mismo área (tren convectivo) la duración de las precipitaciones es muy larga. Una línea de turbonada que se propague perpendicularmente a su línea convectiva causa poco riesgo de inundaciones porque las precipitaciones no son duraderas, pero si el movimiento del sistema convectivo que está determinado por la advección y la propagación del mismo es paralelo a la línea de tormentas existe un gran riesgo de inundaciones, esto puede ocurrir en el caso de que se prevea que el movimiento de un grupo de tormentas sea paralelo a una línea de convergencia en superficie. Otro riesgo es que las tormentas permanecieran prácticamente estáticas en un lugar, este es el caso de algunas tormentas unicelulares solamente si poseen un CAPE muy alto, de algunos sistemas multicelulares que se muevan muy lentamente y principalmente de las supercélulas si permanecen estacionarias.

Más información sobre el movimiento de las tormentas en la sección donde se explican los distintos tipos de tormentas.

Figura 11.

 

b) Fuertes rachas de viento:

Se pueden producir de varias maneras: desde corrientes descendentes que alcanzan la superficie a vientos provocados por líneas de turbonada.

Ningún método toma todos los factores para predecir la intensidad de las rachas de viento, por lo que los distintos valores que reflejen esos métodos no se pueden tomar al pie de la letra

Factores:

Enfriamiento evaporativo: es uno de los elementos más importantes a la hora de crear una fuerte corriente descendente. Su efecto se puede estimar con el DCAPE. También se puede hallar haciendo la diferencia entre la temperatura potencial equivalente de la superficie y la menor de los niveles medios. Si es >20 Kelvin es probable que ocurran severos downburst, mientras que si es <13 kelvin, los downburst son raros. Este tipo de fenómenos ocurren con la presencia de una capa seca en niveles medios de la troposfera.

Enfriamiento por fusión: deshielo del granizo o de la nieve principalmente, tiene un efecto similar al anterior.

Carga de agua: cuando la humedad que entra en una corriente ascendente es grande, lo cual implica un alto CAPE, y la nube tiene una alto contenido de agua líquida, su peso favorece el empuje hidrostático negativo de la corriente descendente. También es importante para iniciar los downdrafts.

Descenso de los vientos horizontales en niveles medios-bajos hasta la superficie: si ya existen vientos fuertes en niveles medios, se pueden preveer rachas de viento más fuertes en superficie que si no existieran. Los vientos a 1500 metros de altura sobre el suelo nos pueden dar una idea de lo fuerte que puede ser este efecto. Importante sobretodo cuando aparezcan ecos en arco en el radar y líneas de turbonada.

Efectos de las perturbaciones en la presión: tienen una importancia significativa en la creación de fuertes corrientes descendentes en las supercélulas, a parte de los factores mencionados anteriormente.

Figura 12.

 

c) Tornados

Tornados supercelulares:

Presencia de una tormenta con características supercelulares.

Cizalladura en niveles bajos (0-1km): cuando está alrededor de 10 m/s o es mayor que ese valor este tipo de tornados es más probable.

Helicidad relativa a la tormenta (0-1km): muchos tornados intensos ocurren cuando existe un brusco cambio en la dirección del viento en el kilómetro inferior. Valores > 100 m2/2 indican que existe riesgo de tornados intensos.

CAPE (0-3km): la mayoría de los tornados ocurren con valores cercanos a 100 J/kg  o superiores.

Cuando el nivel de condensación por ascenso y el nivel de convección libre estén por debajo de 1500 metros, las posibilidades de tornados aumentan ostensiblemente, más cuanto menores sean esas alturas.

Bajos valores de CIN

Figura 13.

 

Spouts:

Waterspouts o landspouts según se produzcan en el agua o en tierra respectivamente. No suelen ser intensos.

Vientos flojos en niveles bajos (<5m/s en la capa 0-1km)

Altos valores de CAPE (0-3km)

Figura 14.

 

Gustnados

Vórtices que se forman a lo largo de los frentes de racha. Se pueden extender hasta la base de la nube y a veces son invisibles. Se forma como resultado de la combinación de la cizalladura y la inestabilidad en el frente de racha de un sistema tormentoso.

Figura 15.

 

Todos los tipos de tornados son favorecidos por:

Bajos NCL y NCA (<1500 m o mejor <1000 m), alto CAPE 0-3 km (>100J/Kg) y vorticidad vertical preexistente

Los tornados mesociclónicos fuertes son favorecidos por:

Alta helicidad relativa a la tormenta 0-1 km >100m2/s2
Alta cizalladura 0-1 km >10m/s

Los tornados no mesociclónicos son favorecidos por por:

Un preexistente cambio de viento a lo largo de una débil línea de convergencia en superficie con una cizalladura en los niveles bajos (0-1 km) de 5 m/s o menor, o vorticidad vertical preexistente en los niveles bajos, por ejemplo a lo largo de una línea de convergencia o de un frente de brisa marina.


d) Granizo de gran tamaño (>2cm):

El granizo aumentará de tamaño más rápidamente cuanto mayor sean:

1. La velocidad vertical de las piedras de granizo con respecto al aire
2. El contenido de agua líquida en el aire
3. Un parámetro que representa la eficiencia del acrecentamiento.

Estos factores son especialmente importantes en células cuya vida es corta, ya que necesitan alcanzar el máximo tamaño posible en un espacio muy breve de tiempo.


El tamaño final del granizo dependerá de durante cuánto tiempo pueda seguir creciendo. El granizo de gran tamaño es favorecido por:

1. Grandes velocidades y amplias áreas de la corriente ascendente: alto CAPE (sobretodo favorece que sea grande en la capa entre –10ºC y –30ºC) o en tormentas supercelulares
2. Alto contenido en agua líquida sobre el nivel de congelación: cuando el aire que entra a la tormenta es húmedo (alta temperatura de puntos de rocío que implica una alta proporción de mezcla).
3.Largo tiempo de vida de la tormenta: influida principalmente por la cizalladura, que conviene que sea fuerte en la capa profunda.
4. Alta humedad absoluta en capas bajas.

 

Figura 16.


 

Tipos de tormenta



a) Célula ordinaria o unicelular:

Es el sistema convectivo o tormentoso más simple. Esta formado por una sola estructura cuyo ciclo de vida suele ser de 30-60 minutos y afectar a un área relativamente pequeña y está poco organizado. No suele producir fenómenos adversos en superficie. Según la célula se disipa, el frente de racha avanza alejándose de la célula original en todas direcciones. El flujo hacia fuera puede iniciar el crecimiento de otra nueva célula dependiendo de la altura del NCL, la profundidad de la bolsa de aire frío, variaciones en la estabilidad y otros factores. Sin embargo, lo más habitual es que el levantamiento producido por el frente de racha en condiciones con una débil cizalladura sea insuficiente para generar nuevas células consistentemente por sí mismo. En un ambiente de baja cizalladura las células ordinarias se mueven con la misma velocidad y dirección que el viento ambiental de la capa de las nubes.

Estas tormentas ocurren con un CAPE en muchas ocasiones moderado o fuerte (>1000 J/Kg), aunque se pueden formar con valores inferiores a 500 J/kg, pero entonces no suelen alcanzar una intensidad extraordinaria y CIN bajo para que puede traspasar esa capa.

Cizalladura muy débil, cuando la cizalladura 0-6 km es mayor a 5 m/s se suelen formar otros núcleos alrededor del primero, entonces se considera que es un sistema multicelular.

 



Figura 17.

 



b) Tormenta multicelular

Son aquellas que tienen cierto grado de organización, con capacidad de autorregenerarse, produciendo familias de estructuras tormentosas y de esta forma perpetuase por sí mismas. Se puede distinguir en su ciclo de vida células madres que generan a hijas y éstas toman el protagonismo de sus madres, perpetuándose sus efectos mientras las condiciones sean las apropiadas. Sus ciclos de vida son mayores, tanto espacial y temporalmente, afectado a grandes áreas y por periodos más largos. Estas son potencialmente adversas y pueden causar fenómenos severos intensos. La mayoría de las tormentas son de este tipo.

El sistema se va regenerando en la dirección de propagación de la cizalladura, de tal manera que la célula mas vieja de la que finalmente solo queda el yunque hasta desaparecer definitivamente, se localiza al principio, en el lugar de proveniencia de la cizalladura y las células nuevas van apareciendo cada vez más lejos respecto respecto de la más antigua, en la dirección de propagación de la cizalladura. Este modelo de evolución es una característica diferenciadora de lo que es un sistema multicelular organizado. Las células individuales del sistema se asemejan a las células ordinarias en su estructura y evolución, y cada una se desplaza a la velocidad del viento medio de la capa nubosa.

En un ambiente con una cizalladura moderada, el frente de racha asociado a un sistema multicelular sigue extendiéndose en sentido horizontal, pero el crecimiento de nuevas células se produce principalmente en el lado de la propagación de la cizalladura de la bolsa de aire frío donde el ascenso es más fuerte. Por supuesto, también pueden aparecer nuevas células en otros puntos a lo largo de la frontera del flujo de salida, dependiendo de factores externos. También si los vientos en niveles bajos son suficientemente fuertes, el frente de racha no se extenderá simétricamente.

La interacción entre la bolsa de aire frío y la cizalladura ambiental a niveles bajos modula en gran medida la tendencia a generar nuevas células en sistemas multicelulares. En ausencia de otros mecanismos de forzamiento los sistemas multicelulares más fuertes y más longevos ocurren en ambientes caracterizados por una cizalladura fuerte en niveles bajos. Las condiciones óptimas para la generación de nuevas células ocurre cuando la vorticidad horizontal inducida por la bolsa de aire frío se equilibra con la vorticidad horizontal de la cizalladura ambiental del viento en los niveles bajos en el flanco de propagación de cizalladura del sistema.

Se pueden formar con cualquier valor de CAPE, aunque sea muy pequeño y a partir de valores en torno a 5m/s de cizalladura  0-6 km o incluso menores en algunos casos. Serán más duraderos, organizados e intensos cuanto mayores sean estos valores.

Figura 18.

 

Dentro de las tormentas multicelulares hay varios tipos.

No es fácil predecir si las tormentas se agruparán en un SCM ni cómo de rápido lo harán. Éstos habitualmente se forman cuando las distintas bolsas de aire frío formadas por las tormentas se fusionan.
 
Factores que favorecen la aparición de SCM:
Fuerte forzamiento: causado por una intensa vaguada de onda corta por ejemplo.
Inicio de la convección a lo largo de un límite.
Débil tapón (bajo CIN).


Sistemas convectivos de mesoescala:

Son estructuras de mayor grado de organización que las anteriores. Un conjunto de tormentas se suelen organizar preferentemente en línea, “aúnan sus esfuerzos” para organizarse en un sistema lineal de tormentas bajo un gran manto superior de nubes altas. Las zonas afectadas  por los SCM son amplias y generalizadas, ya que la duración y extensión de estas estructuras son descomunales.  En su evolución se puede observar en su fase madura una zona de lluvia continua y estratiforme donde puede haber tormentas embebidas y otra zona, más o menos lineal, con focos tormentosos muy intensos potencialmente adverso y severo. Cuando los SCM alcanzan ciertos tamaños descomunales se les denomina CCM o Complejos Convectivos de Mesoescala.

La cizalladura controla tanto la forma como la evolución de los distintos sistemas tormentosos. Las características de los SCM están fuertemente influenciadas por los perfiles medioambientales de empuje hidrostático y de cizalladura. La fuerza, el grado de organización e intensidad de un SCM se suele incrementar con mayores valores de los factores mencionados. La bolsa de aire frío en superficie, que unifica el conjunto de tormentas, interactúa con la cizalladura en niveles bajos controlando la evolución del sistema.

Figura 19.

 


Líneas de turbonada:

Pueden aparecer con un amplio rango de CAPE y cizalladura. Sin embargo para un CAPE determinado, la fuerza y longevidad del sistema aumentará incrementando la profundidad y la fuerza de la cizalladura. Las líneas de turbonada, ya sean severas o no, suelen aparecer en ambientes de fuerte cizalladura, especialmente en los niveles inferiores. Normalmente son más severas cuanto mayores son los valores de cizallura.

Si la componente de la cizalladura en niveles bajos es perpendicular a la línea de turbonada ejerce el mayor grado de control en su evolución y en su estructura.

Las líneas de turbonada no precisan para formarse un mínimo de cizalladura, con tal de que exista un mecanismo de forzamiento lineal. Sin embargo aumentando la cizalladura en niveles bajos se aumenta la organización y duración de las líneas de turbonada, por lo que las severas suelen estar asociadas con una cizalladura en niveles bajos más fuerte.

El movimiento de una línea de turbonada está determinado por:

Movimiento por advección: viento medio de 0-6 km.
Movimiento de propagación: es opuesto al flujo en los niveles bajos, aproximadamente a unos 850 hpa.

Cuando ambos se contrarrestan o el vector de movimiento resultante es prácticamente paralelo al conjunto de tomentas existentes hay un alto riesgo de inundaciones en la zona. Este método al ser el más sencillo puede tener un pequeño grado de error en algunos casos.



Figura 20.


 

Ecos en arco:

Son una forma muy intensa de SCM. Habitualmente empiezan como una potente célula aislada o una pequeña línea de células que evolucionan hasta formar un segmento simétrico en forma de arco y luego eventualmente a un eco en forma de coma. Este proceso ocurre a lo largo de varias horas y una vez más, la cizalladura juega un papel importante en el proceso.

Los ecos en forma de coma severos son más comunes en ambientes con una cizalladura en niveles bajos moderada-fuerte y un CAPE muy alto. El índice de elevación está en torno a los –8 K, el cual habitualmente indica valores de CAPE superiores a 2500 J/Kg. A 700 hpa, la velocidad del viento promedia los 17 m/s.

Los ambientes de los ecos en arco y de las supercélulas tienen mucho en común. Los ecos en arco habitualmente están presentes en las últimas etapas de un evento supercelular.

Los ecos en arco ocurren principalmente en perfiles del viento en los cuales la cizalladura vertical del viento está confinada a los niveles inferiores (2 ó 3 km sobre el nivel del suelo), mientras que las supercélulas ocurren principalmente con perfiles de cizalladura más profundos (cizalladura intensa que se extiende hasta al menos 4 a 6 km sobre el nivel del suelo). Además, los ecos en forma de arco tienden a propagarse en la dirección del vector cizalladura vertical del viento en los niveles inferiores (0 a 3 km sobre el nivel del suelo).

 



Figura 21.

 


c) Supercélulas:

Presentan un grado superior de organización y de adversidad. Una única célula muy intensa es capaz de auto regenerarse y dar unas particularidades  y señales en las imágenes de satélite y, sobre todo, en el radar que las hacen ser una de las estructuras potencialmente más dañinas. Pueden llevar asociado granizo severo, tornados y vientos fuertes en superficie. En determinadas ocasiones los efectos en superficie se traducen también en lluvias muy intensas, especialmente las que poseen un lento desplazamiento.

La interacción entre una corriente ascendente y una cizalladura fuerte y en línea recta puede generar una pareja de centros de rotación en los niveles medios de una tormenta que está creciendo. Cuando la cizalladura vertical del viento es suficientemente fuerte, la rotación en niveles medios y el forzamiento de la presión asociada pueden ser suficientes como para generar nuevas corrientes ascendentes en los flancos laterales de la tormenta. La rotación en niveles medios también es generada cuando la cizalladura fuerte es curva, pero la curvatura solamente favorece la formación de una nueva corriente ascendente en un lado o en el otro. Bajo determinadas circunstancias, esta rotación puede producir una corriente ascendente giratoria y sostenida Una corriente ascendente rotatoria es una característica principal de las tormentas supercelulares las cuales están habitualmente asociadas con el tiempo severo.

Acabamos de ver que la cizalladura combinada con suficiente empuje hidrostático puede conducir a la formación de supercélulas. Además, la forma del perfil de cizalladura, dibujado en una hodógrafa, influye fuertemente en la evolución de la supercélula.

Una cizalladura en línea recta y fuerte tiende a partir el sistema y producir un par de supercéulas idénticas.
Los perfiles de cizalladura con al menos esta curvatura en dirección de las agujas del reloj, son los responsables de producir supercéulas con movimiento predominantemente hacia la derecha
Ocasionalmente, la cizalladura ambiental crea una hodógrafa curvada en dirección contraria a las agujas de reloj que favorece la formación de supercélulas que se mueven hacia la izquierda.

Con unos valores adecuados de helicidad 0-3 km (>150m2s2), una cizalladura con magnitudes de 25 m/s o superiores en los 6 km sobre el nivel del suelo es suficiente para generar supercélulas. Una cizalladura en esa capa inferior a 15 m/s generalmente es insuficiente para producir supercélulas. En ambientes con magnitudes de cizalladura entre estos umbrales existe más incertidumbre, pero algunos procesos supercelulares siguen siendo posibles. Estos umbrales se aplican independientemente de la forma de la hodógrafa. También si la cizalladura se extiende a través de una capa demasiado poco profunda (2-3 km o menos), tiende a fomentar una línea de células en lugar de supercélulas.

El movimiento de las supercélulas nunca es fácil de predecir, a veces siguen el flujo sinóptico y otras no. Existen varios métodos para calcular su movimiento como el de Bunkers, pero que por su complejidad trataré más adelante.

Figura 22.

 

Cuando existe una capa seca en los niveles medios se pueden producir downbursts con cualquier tipo de tormentas.

Figura 23.


 


Ejemplos



a) Primer ejemplo:

Fecha: 10 agosto 2009
Localización: Sur de Madrid y Norte de Toledo
Tipo: tormentas unicelulares


Figura 24.


                            

Comentario
Durante los días anteriores tuvimos una vaguada  entrando desde el W y NW en España a partir de la cual se formaría una dana poco profunda en el interior. Esa  DANA estaba asociada a una bolsa de aire frío (unos -15ºC a 500 hpa), que se situaría durante este día  en el centro y este, pero que será suficiente para que unido al calentamiento diurno tengamos valores superiores a 1000 J/kg de CAPE en el interior, el SBCAPE en algunas zonas pudo superar los 2000 J/kg. Con un viento en todas las capas hasta al menos 500 hpa muy escaso y una cizalladura inferior a 5 m/s en los 6 primeros km de altura cabía esperar tormentas unicelulares aisladas y estáticas que en algunos casos podrían ser severas y dejar grandes cantidades de lluvia, granizo con un diámetro grande y fuertes rachas de viento.

La intensidad de las precipitaciones en algunos puntos superó los 200 mm/h y las tormentas como la de Parla que duró unos 40 minutos dejaron entre 30 y 60 mm en las zonas afectadas. Curiosamente las tormentas que traían mucha precipitación en forma de granizo apenas dejaron aparato eléctrico mientras que otras que no tenían tanto granizo dejaron gran cantidad de relámpagos, a pesar de tener reflectividades parecidas. Esto puede ser debido a que las nubes poseyeran más o menos gotas de agua sobreenfríadas que son las que provocan las descargas eléctricas.

No tengo mapas de ese día, pero me atrevería a decir que debido a la forma en que aparecieron las tormentas podría haber una línea de convergencia débil desde el Norte de Ciudad Real que pasaría por Toledo, S y E de la CAM y llegaría hasta el centro de la provincia de Guadalajara y sería la que dio inicio a la convección.

b) Segundo ejemplo:

Fecha: 25 agosto 2007
Localización: Sierra de Gredos
Tipo: SCM


 

Comentario
La situación meteorológica de este día vendrá marcada por una profunda DANA al W peninsular, la cual dará lugar a una región de intensa divergencia en altura centrada sobre Portugal. La cizalladura (0-6km) estaba entre 15-20m/s, el cual pudo mantener vivas durante un largo periodo de tiempo las múltiples tormentas multicelulares que se formaron durante la mañana, la tarde y la noche. El gradiente térmico en niveles medios era muy acusado, principalmente a últimas horas de la tarde y noche. En niveles bajos tuvimos un low level jet, es decir una zona con vientos superiores a 15 m/s en por debajo de 1500 metros sobre el suelo. Exactamente a 850 hpa el viento era superior a 20 m/s. El LLJ provocó una advección de aire cálido y húmedo que consiguió reducir de una manera drástica el CIN y aumentar el CAPE que estuvo en torno a los 1000J/kg en muchas zonas del interior. Los sistemas tormentosos se alimentaron de un aire rico en humedad, por lo que en algunas zonas de Gredos dejaron cantidades en torno a 100mm en 12 horas. Una de las formas para que caiga este tipo de cantidades en regiones del centro peninsular alejadas del mar, es la presencia de intensos vientos en niveles bajos que consigan aportar aire húmedo a la capa límite que es de donde se alimentan las tormentas. También debido a la existencia de mucha cizalladura en el primer km ( 20 m/s), los vientos asociados a las tormentas que se produjeron fueron de gran intensidad superando los 100 Km/h en zonas como en los llanos de Velada, al norte de Talavera de la Reina, donde causó graves destrozos en el tendido eléctrico derribando grandes torres de alta tensión. El riesgo de supercélulas no era alto principalmente porque la cizalladura 0-6 km no superaba los 20m/s, pero en caso de haber aparecido alguna probablemente hubiera podido traer un tornado intenso: cizalladura 0-1 km  de 20m/s, helicidad 0-1 km de 400 m2/s2, probablemente alto cape 0-3 km, muy bajo CIN y NCA por debajo de 1500 metros, todos los factores claves para la formación de tornados.




c) Tercer ejemplo:

Fecha: 4 octubre 2007
Localización: Islas Baleares
Tipo: línea de turbonada con supercélula

http://www.tiemposevero.es/ver-reportaje.php?id=173


Figura 25.


 

Comentario: Este ejemplo fue el que más me costó redactar puesto que algunos datos varían en gran medida según las fuentes consultadas

Había una DANA en el centro de la península ibérica, la cual impulsaba a una masa de aire cálido desde el Atlas y otra masa de aire marítima y húmeda en la capa límite que provocaban inestabilidad. El jet estaba presente en el oeste del Mediterráneo con vientos del sur. En superficie había bajas presiones en el SW del Mediterráneo que se extendían hacia el Atlas y los vientos en niveles bajos del este dieron lugar a una capa límite relativamente fresca pero a la vez húmeda. La cizalladura era de 35 m/s en en los 6 primeros km y en torno a 10 m/s en el primer km. La helicidad 0-3 km era superior a 100 m2/s2. Había algo de inestabilidad, pero también una capa de inversión que provocaba un CIN muy elevado que pudo ser superado seguramente porque teníamos forzamiento dinámico debido a una advección diferencial de vorticidad ciclónica. En esas condiciones era probable el desarrollo de tormentas organizadas y supercélulas. Con las células más fuertes se esperaban fuertes rachas de viento y granizo de gran tamaño y tampoco se podría descartar la posibilidad de tornados.



d) Cuarto ejemplo:


Fecha: 24 de mayo de 2009
Localización: Navarra, La Rioja y País Vasco
Tipo: línea de turbonada y supercélula

http://www.cazatormentas.net/foro/reportajes-de-meteorologa-extrema/la-caza-de-la-supercelula-verde-que-arraso-una-comarca/


Figura 26.


 

Comentario:

Habrá una DANA profunda, con su centro al oeste de España, impulsando al jet desde el sur en su flanco delantero. Se formará una débil ciclogénesis sobre España y probablemente se desarrollará una pequeña baja en superficie que se desplazará hacia Francia.

Se espera una configuración cinemática favorable en esta región, la cual estará bajo un jet en el lado delantero de la baja en niveles medios con más de 20 m/s, incluso en algunos casos 25 m/s de cizalladura en la capa profunda y la cizalladura en los 3 km inferiores estará en torno a 15 m/s. Durante el día el calentamiento de la superficie conducirá a la liberación de entre 500 y 1000 J/kg de MLCAPE, incluso algo mayores. El forzamiento dinámico junto con el levantamiento frontal debería ayudar en el inicio de las tormentas y está previsto que se formen tormentas bien organizadas, incluyendo multicélulas y supercélulas. El desarrollo de la baja en superficie conducirá a un refuerzo del flujo en superficie y a un cinturón de helicidad intensificado, con los valores más altos al norte de España y SW de Francia, sosteniendo a las corrientes ascendentes rotatorias.

Se espera granizo de gran tamaño, especialmente en el caso de que se formen supercélulas. Además otro riesgo serán las severas rachas de viento, con aire más seco en los niveles inferiores como preveen los sondeos de los modelos. Si se da el caso de que una línea de turbonada se desarrollara con segmentos en arco embebidos, el riesgo de rachas de viento podría incluso convertirse en el más peligroso del día. Los modelos simulan una fuerte liberación de la inestabilidad en niveles bajos y una débilmente intensificada cizalladura en niveles bajos (sobre 10 m/s), por lo que no se pueden descartar tornados. Podría ocurrir un episodio de fuertes lluvias también, debido al hecho de que la propagación de las tormentas deberías ser paralelo a la frontera y se podría formar un tren convectivo. En este momento, parece que se formará un SCM sobre España y viajará hacia el norte a través del Golfo de Vizcaya. En la trayectoria del SCM se simulan grandes cantidades de lluvia.



e) Quinto ejemplo:


Fecha: 9 de septiembre de 2004
Localización: País Vasco y regiones limítrofes
Tipo: supercélula y otras tormentas que actuaban independientemente

http://www.tiemposevero.es/ver-reportaje.php?id=59


Figura 27.


 

Comentario

Una depresión en altura y en superficie permanece en el Atlántico al noroeste de la península ibérica y causará una intensa advección de aire cálido en España y de este modo causará un cambio en la dirección del viento con la altura. Un frente frío débil o una línea de convergencia separará el aire Atlántico del que procede del N de África.

La cizalladura 0-6 km está en torno a los 15 m/s, que permitirá la formación de tormentas multicelulares bien organizadas, especialmente debido a la advección de aire cálido inducido por la hodógrafa que gira en la dirección de las agujas del reloj, lo cual indica que existe potencial para las corrientes ascendentes rotatorias. A 700 hpa existen unas ondas cortas que se mueven sobre una línea de convergencia en Francia y esto está asociado con movimientos hacia arriba del aire. Con 500-1500 J/kg de CAPE, cizalladura moderada y unos niveles medios relativamente secos, se formarán sobre España SCM y algunas supercélulas, igual que por el SW de Francia y llevarán un riesgo de severas rachas de viento y de granizo de gran tamaño. En torno al País Vasco y SW de Francia, donde los NCL son inferiores y el empuje hidrostático en los niveles inferiores mayor, también hay posibilidad de algún tornado. La cizalladura 0-1 km está en torno a 10 m/s y puede permitirlos.



f) Sexto ejemplo:

Fecha:11 de octubre de 2007
Localización: Comunidad Valenciana, litoral y cercanías.
Tipo: SCM

http://www.tiemposevero.es/ver-reportaje.php?id=206


Figura 28.


 


Comentario:

El geopotencial es bajo por todo el mar Mediterráneo con una DANA embebida al E de la península ibérica. A niveles inferiores la baja impulsará vientos húmedos e inestables a parte de la costa mediterránea.

Una masa de aire inestable está presente al suroeste del mar Mediterráneo. Hay una capa límite húmeda y gradientes verticales de temperatura grandes. Se espera un aumento de la humedad en los niveles bajos cerca de la frontera africana, esta humedad será advectada hacia el oeste llegando a alcanzar puntos del SE peninsular. A niveles medios un fuerte jet desde el oeste está presente en el norte de África. El jet en niveles altos hará una curva alrededor de la DANA situada sobre España, proporcionando forzamiento dinámico cuasigeostrófico al SW del Mediterráneo. El forzamiento en niveles bajos será máximo cerca de las costas españolas donde haya convergencia en niveles bajos.

Se prevee que aparezcan algunas células convectivas durante las horas matinales que continuarán presentes durante todo el día desde el Este de la península a las Baleares. La cizalladura alcanzará los 25 m/s en los 0-6 km y el perfil de viento será especialmente favorable cerca de la costa africana para que se formen supercélulas. Se pronostican granizo de gran tamaño y fuertes rachas de viento asociadas a las células más fuertes, especialmente si se forman líneas en coma. Los tornados son más probables al sur de las Baleares donde el giro de los vientos en los niveles bajos y el empuje hidrostático son más fuertes



g) Séptimo ejemplo:

Fecha:5 de septiembre de 2003
Localización: Alicante
Tipo: supercélula con downburst

http://www.tiemposevero.es/ver-reportaje.php?id=41


Figura 29.


 

Comentario:

Por último me gustaría señalar de este día la presencia de una capa seca en los niveles medios que dio lugar a un downburst junto con la presencia de una supercélula. En el sondeo entre 600 y 450 hpa las dos líneas negras, la de la derecha representa la temperatura ambiente y la de la izquierda la temperatura del punto de rocío están muy separadas, eso indica la presencia de una capa seca, con muy poca humedad entre esos niveles y la posibilidad de aparición de un downburst. También se puede ver que en algunos casos no es necesaria gran cantidad de  CAPE para la formación de supercélulas mientras la cizalladura 0-6 km  sea intensa (>20 m/s aprox.) y halla suficiente helicidad 0-3 km (>150 m2/s2 aprox.) ya sabemos que no existen valores mágicos, en la zona donde se formó había pocos cientos de julios de CAPE en ese momento.


Figura 30.


 



Agradecimientos

 

Estofex:

Training material
Pieter Groenemeijer, Ari-Juhani Punkka, Jenni Teittinen (FMI)
Forecasting severe thunderstorms
Oscar van der Velde
Guide to Using Convective Weather Maps
NOAA´s Warning Decision Training Branch
Distance-learning courses on several aspects of severe convective weather

Diversos módulos de MetEd sobre tiempo convectivo, principalmente los de principios de convección

Diccionario de términos meteorológicos de Cazatormentas

Artículos de la ram

Radar Aemet

Las fotografías, tanto las de los diversos reportajes como las de distintos portales de Internet.

Análisis de estofex

Y especialmente a todos los que han hecho que este trabajo sea posible de tiemposevero.es, otros que me han pasado la información que necesitaba y a la gente que me ha apoyado. ¡Muchas gracias a todos vosotros! Espero continuar haciendo más trabajos de este tipo, así que ¡hasta el próximo!.

Fernando Domínguez Rodríguez (shear_puentems)
E-mail:
ferdomr@hotmail.com
01 de Abril de 2010

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