Date post: | 12-Jan-2015 |
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Índices de EstabilidadMichel Davison y José Gálvez
E.g. IR4 SatCAPE K
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Por qué son importantes?
• Los índices de estabilidad ayudan a determinar el potencial, severidad y tipo de convección esperada:
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Llana Profunda
Estabilidad de la Columna
• Evaluación objetiva de la estabilidad de la atmósfera es uno de los retos más grandes para el meteorólogo en los trópicos.
– Índices tradicionales diseñados con latitudes medias en mente (no siempre funcionan para los trópicos).
– Esencial el poder distinguir entre periodos donde hay mayor riesgo para convección
• Llana• Profunda
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Índices Tradicionales
• Método de Parcelas– Lifted Index (LI)– Showalter Stability Index (SSI)– Total Totals (TT)– K Index (K)
• Método Termodinámico– CAPE
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Método de ParcelasPara determinar la inestabilidad, una parcela de aire es desplazada entre niveles asumiendo que no hay interacción con el medio ambiente
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Método de Parcelas
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Para determinar la inestabilidad, una parcela de aire es desplazada entre niveles asumiendo que no hay interacción con el medio ambiente
Ejemplo: Convección llana (Key West, FL, 04-Mar-2013 00z)-Inestable/neutral debajo de 800 hPa-Muy estable de 800 a 700 hPa (inversión o “tapa”)
-Estable por encima
Inestable/neutral: parcela puede fácilmente ascender o descender (convección favorecida)
Extremadamente estable, inversión de subsidencia (la parcela no ascenderá ni descenderá)
Estable (la parcela necesita mucho forzamiento para ascender o descender)
Método de Parcelas
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• LI = Temperatura del medio ambiente en 500 hPa – Temperatura de la parcela en los 500 hPa ascendiendo desde superficie (capa limite)
LI = T500 – TPARCELA_500
TPARCELA_500 T500
Índice Lifted (LI)
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• Mientras más negativo más inestable.• Limitantes:
– Considera sólo dos niveles.– Aplicable a masas barotrópicas y del lado cálido de
vaguadas troposféricas.
NEGATIVO: INESTABLE POSITIVO: ESTABLE
LI = T500 – TPARCELA_500
+_
Índice Lifted (LI)
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• Positivo: Estable• 0 a -4: Marginalmente Inestable• -4 a -6: Gran Inestabilidad• Igual o menor de -8: Inestabilidad Extrema
Valores del LI
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• Similar a LI pero ascendiendo desde 850hPa:
SSI = Temperatura del medio ambiente en 500 hPa – Temperatura de la parcela en 500 hPa ascendiendo desde 850 hPa
• Funciona cuando hay una capa fría llana por debajo de los 850 hPa
• No funciona cuando la capa fría sobrepasa los 850 hPa• No toma en consideración calentamiento diurno• No funciona si el nivel de la estación es sobre los 850 hPa
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Índice de Estabilidad Showalter (SSI)
• Positivo: Estable• 0 a -4: Marginalmente Inestable• -4 a -6: Gran Inestabilidad• Igual o menor de -8: Inestabilidad Extrema
Valores del SSI
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Comparación del LI y el SSI
• Ambos solamente consideran dos niveles– 500 hPa– Nivel original de la parcela a evaluar
• LI >0 y SSI > 0 = Capa bien estable
• LI < 0 y SSI>0 = Capa limite inestable, posible inversión en altura.
• LI > 0 y SSI < 0 = Capa limite estable, pero atmósfera tiende a ser mas inestable con altura
• LI < 0 y SSI < 0 = Capa inestable profunda
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Total Totals
Se calcula con la temperatura de 500 hPa y con la temperatura y rocío en 850 hPa.
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ESTABLE (Valores bajos)
850
500CALIDO
FRIOSECO
Valores más bajos cuando atmósfera media es cálida, atmósfera baja fría y seca.
Valores más bajos cuando atmósfera media es cálida, atmósfera baja fría y seca.
FRIO
850
500
CALIDOHUMEDO
INESTABLE (Valores altos)
TT = (T850 + Td850) - (2*T500)
Total Totals
• Es fácil de calcular.• Funciona bien en latitudes medias y, en algunas
ocasiones, en los trópicos.
• Sólo usa dos niveles.• No funciona en terrenos elevados (Psfc>850 hPa).• Problemas cuando inversiones ocurren entre estos dos
niveles.• En masas post-frontales tiende a dar valores
extremadamente altos
PROS
LIMITACIONES
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Índice K
• Al tomar en consideración el contenido de agua en 850 y 700 hPa, tiende a funcionar bien en los trópicos– Masas marítimas tropicales en particular.
• CIMH• Norte del Caribe > 24• Sur del Caribe/SA > 30
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K = (T850 – T500) + [ Td850 – (T700-Td700) ]
Gradiente vertical de temperatura
(estabilidad)
Contenido de humedad entre 850 y 700 hPa
(agua disponible)
Valores del K(Latitudes Medias)
• Cuando los rocíos en 850 son altos, y la depresión en 700 es baja, es indicativo de una masa caliente y húmeda profunda
• 15 – 25 = Potencial Convectivo Bajo• 26 – 39 = Potencial Convectivo Moderado• +40 = Potencial Convectivo Alto
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Limitantes del K
• No ve inversiones en niveles medios.• Solo no funciona para determinar severidad de
tormentas.• Si diferencia en temperatura entre 850 y 500 es
muy grande, el K puede generar valores muy altos y no realísticos.
• No es aplicable a terreno montañoso, funciona mejor en llanos de poca elevación.
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CAPE• Representa energía potencial de parcelas de aire que
ascienden sobre el nivel de convección libre (LFC).– Mientras más bajo el LFC, mayor probabilidad de
desarrollo.
• También una manera de evaluar el potencial/riesgo de tiempo severo.
• Unidades de Joules por Kilogramo (Energía por unidad de masa)
• Representa la cantidad de energía disponible para “forzar” una parcela de aire a ascender– También representa la cantidad de trabajo una
parcela ejerce en el medio ambiente.19/47
Valores de CAPE(en latitudes medias)
Valor de CAPE Potencial de Convección
0
0-1000
1000-2500
2500-3500
3500+
Estable
Marginalmente Inest.
Moderadamente Inest.
Bien Inestable
Extremadamente Inest.
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Limitantes del CAPE
• Tiene que tomar en consideración los inhibidores convectivos (CINH)– CINH no directamente proporcional en magnitud a
los valores de CAPE• Masas en los trópicos generalmente exhiben altos
valores de CAPE y en algunos casos no se desarrolla convección profunda. Ejemplo:
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CAPE Imagen de satélite IR4
Problemas en los Trópicos
• Atmósfera en los trópicos suele quedar más inestable subsiguiente a la ocurrencia de convección (no antes):
-Efectos de la liberación de calor latente y
humedecimiento de la columna.
• Método de parcela funciona mejor cuando hay aire frío en niveles superiores– TUTT presente
• La columna en los trópicos es más profunda, lo cual tiende a generar valores muy altos de CAPE que no siempre son conducibles a convección profunda.
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Posible Solución
• Tenemos que considerar la columna completa– Distribución vertical de humedad es muy importante.– Gradientes verticales de temperatura son muy sutiles.
• Forzamiento meso-sinóptico en los trópicos por lo general es también muy suave/sutil.– Forzamiento depende mas de efectos de radiación,
brisas, efectos topográficos.
• Convección tropical tiende a depender más de la inestabilidad convectiva.– Más de la termodinámica de la columna.
En los trópicos…
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Inestabilidad Convectiva en la Columna
• Puede evaluarse con perfiles verticales de temperatura equivalente potencial (THTE). – Esta combina efectos de temperatura y humedad.
• La columna se considera convectivamente inestable cuando la temperatura equivalente potencial (THTE) disminuye con la altura.
• Si THTE aumenta con la altura, donde aire cálido y húmedo queda sobre aire frío y seco, la columna esta convectivamente estable.
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Inestabilidad Convectiva
• Solución: Si sacamos la diferencia algebraica entre dos niveles, esto capturaría la tendencia en la atmósfera y nos permitiría ver rápidamente en el plano donde la columna esta convectivamente inestable.
– THTE 700 – THTE 850• Dif > 0, Estable• Dif < 0, Inestable
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Problemas con este método
• No toma en consideración espesor de la columna
• No distingue entre cuñas termales y las inversiones atmosféricas– Gradientes verticales en las cuñas más pronunciados
• Exhibe las mismas limitantes del método de parcelas
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El Índice de Inestabilidad Convectiva Gálvez-Davison (GDI)
para la cuenca del Caribe
José Manuel GálvezMike Davison
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En qué se basa?En nuestras experiencias en pronósticos y en estudios.
Mike Davison noto la relación clara entre las cuñas termales (TC) y laconvección tropical
TC = columna de alto contenido de calor y humedad con respecto al medio que le rodea
Observado
Factores importantes en el Caribe-Inversión en los alisios. “Tapa” estable que frecuentemente, aunque no siempre, determina la profundidad de la convección. También, determina el potencial de intrusión de aire seco cuando convección la penetra.
-TUTTs con su núcleo frío, pueden resaltar la convección al enfriar la columna media/superior. Dorsales tienden a tener efecto opuesto, según calientan/estabilizan los niveles medios.
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Modelo Conceptual de Diferentes Procesos Atmosféricos y Campo de θe Asociado
Inversión de los alisios e intrusión de aire seco.
Convección tropical llana también puede resultar en montos excesivos de lluvia por alto contenido de humedad.37/47
Inestabilidad Convectiva
Para poder funcionar, el índice debe tomar en cuenta diferentes factores:
(1) No puede ser linear– Integración entre varios niveles
(2) Debe considerar los efectos de inversiones en los
alisios y las intrusiones de aire seco asociadas.
(3) Debe considerar el efecto destabilizador de las TUTTs.
(4) Debe considerar el terreno– Aplicar correcciones donde hay terreno elevado/montañoso
para corregir interpolaciones ficticias de los modelos.
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Algoritmo (detalles sobre el cálculo del GDI):
Variables de entrada: θe a 6 niveles (975, 950, 850, 700, 600, 500 hPa), T a 500 hPa
(1) Promedios simples de θe (en K) :
(2) Factor de cuña termal (TCF) “Combustible” (núcleos de calor y humedad) (2a) Resaltamiento (E): función de θe cerca al suelo. Mayor θe más energía más resaltamiento. α=303 K
(2c) TCF: MTTF se resalta sólo si E > 0 (i.e. si hay poca energía cerca al suelo no se resalta)
(2b) θe a niveles medios (MTTF): Valores altos reflejan energía disponible a niveles medios.
(3) Factor térmico de atmósfera media (MWF) enfriamiento por TUTTsMientras más calientes los niveles medios, más estable e inhibición es mayor.
(4) Indice de cuña termal (TCI): Suma de factores (2) y (3).
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(5) Indice de la inversión (II) Inversión de los Alisios e intrusiones de aire seco(5a) Intrusión de aire seco (DF): diferencia de θe
(6) Correcciones terreno y valores excesivos cerca a la ITCZ/NET
(5b) Inversión (IF): estabilidad de los niveles bajos
(5c) Indice de la inversión (II): Secamiento y estabilidad
(6a) Terreno: Balancea interpolaciones ficticias de datos del modelo en zonas elevadas.
(6b) Reductor de valores excesivos cerca a la ITCZ/NET: Balancea efectos de valores excesivos de energía, resaltando la estructura y las zonas de mayor potencial de desarrollo cerca a ITCZ/NET.
(7) Indice final! Cuña termal (TCI) + Inversión y secamiento (II) + Correcciones
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Noten mejor resolución del GDI sobre Centro América, donde la diferencia directa entre dos niveles sugería mayor potencial de convección que el GDI.
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Índice GDI vs. Dos Niveles
GDI
Dos niveles
Evaluación:
• Capacidad del GDI para pronosticar el potencial para convección húmeda profunda.
• Comparado con índices tradicionales
-CAPE -K Index -Lifted Index -TOTAL TOTALS
• Observaciones utilizadas (“verdad”) Promedios de la temperatura imágenes IR4 en 24-hr
• Periodos de tiempo fueron sincronizados: promedios de 24 hr.
El GDI funcionó mejor que los índices tradicionales, detallando mejor las áreas con potencial de convección profunda y llana!
Comparación con otros índicesValidación del Índice
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Topes cálidos, poca convección
Topes algo fríos convección llana o pocas celdas profundas
Topes más fríos Convección profunda
Temperature scale in Celsius
Como evaluamos?
Index scale
Valores bajos, en GDI, K, CAPE/50, TOTALS-30 menor potencial.
SAT
Ind
ices
Cuál sería un buen resultado?Satélite Indice
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Nov.4.2012Otros ejemplos GDI funciona bien!
IntercomparaciónSatellite-Index
GDI
CAPE/50 K
Lifted+20 Totals
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IR4 (‘observado’)
Escala de temperatura en C
IR4 GDI
K
Lifted+20 Totals
CAPE/50
Nov.5.2012Ejemplo 2 GDI funciona bien!
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IR4 (‘observado’)
Escala de temperatura en C
IntercomparaciónSatellite-Index
IR4 (‘observado’)
Escala de temperatura en C
Nov.17.2012Ejemplo 3 GDI funciona bien!
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GDI
CAPE/50 K
Lifted+20 Totals
IntercomparaciónSatellite-Index
Resultados Preliminares• El GDI se ve bastante prometedor para evaluar rápidamente el
potencial (y tipo) de convección en el Caribe y trópico en general.
• El GDI depende de la calidad del pronóstico.
– Si el pronóstico del modelo es bueno, el pronóstico del GDI es bueno
– Debido a la gran densidad de datos en la cuenca del Caribe, los pronósticos a corto plazo tienden a ser generalmente buenos
• Funciona mejor que el índice K sobre terreno montañoso/elevado y cerca a la ITCZ/NET, donde el K no refleja la estructura detallada del potencial de cierto tipo de convección.
• También funciona mejor que el K sobre océanos/islas del Caribe: es más detallado.
Preguntas
• ¿Cuáles son las limitantes del método de parcelas?• ¿Qué ventajas ofrecen métodos termodinámicos para
evaluar la atmosfera sobre el método de parcelas?• ¿Por qué el índice K funciona mejor que los otros
índices tradicionales para evaluar la atmosfera tropical?• ¿Por qué valores altos de CAPE son típicamente
observados en la cuenca del Caribe? • ¿Cuándo la columna esta convectivamente estable?• ¿Cuándo la columna esta convectivamente inestable?• ¿Qué ventajas ofrece el índice GDI sobre el índice K?