Predicción de fenómenos convectivos. Más allá de la CAPE: Reflectividad

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Predicción de fenómenos convectivos. Más allá de la CAPE: Reflectividad

Mensajepor Tropelio » Jue Abr 19, 2018 10:53 am

Hola.

En este otro ladrillo, CAPE, discutimos el uso de la Convective Available Potential Energy para predecir el riesgo de tormentas y, en general, fenómenos convectivos como supercélulas, tornados, etc. La CAPE es un índice integrado (es decir, que tiene en cuenta todos los niveles de la atmósfera) para determinar la estabilidad de la atmósfera sobre un punto determinado en un instante dado. Pero que la atmósfera sea inestable no significa que necesariamente se vaya a producir, se dispare, la convección. La CAPE predice la inestabilidad atmosférica, no predice la convección. ¿Por qué?

Predecir la convección es complicado. La razón es que la mayoría de modelos numéricos, en particular los modelos globales y los modelos a escala mesoscópicas, son hidrostáticos. Eso quiere decir que suponen que la atmósfera se halla permanentemente en equilibrio hidrostático, es decir, que la fuerzas hacia arriba sobre una lámina de aire debida a la diferencia de presión atmosférica entre la base y la cara superior de la lámina (recuerda que la presión atmosférica disminuye siempre con la altura) está exactamente compensada por el peso del aire de la lámina. En otras palabras, una lámina de aire flota en el aire que la rodea. Puesto que en esta aproximación la fuerza neta en sentido vertical es nula no hay movimiento vertical del aire. Y la convección es el movimiento vertical del aire...

Así que modelos globales como el GFS no pueden predecir la convección. El movimiento vertical del aire en estos modelos ha de inferirse a posteriori analizando los mecanismos de forzamiento dinámico como la advección de temperatura y la advección diferencial de vorticidad (esto está explicado en detalle en el capítulo 5 del libro de meteoroligía, e incluso con mucho más detalle aquí). Esta figura es un resumen del tipo de modelos numéricos que existen y los fenómenos meteorológicos para los que son adecuados en función de las escalas espacial y temporal de los mismos:

Imagen

Como vemos, modelos hidrostáticos como el GFS no son adecuados para predecir fenómenos convectivos como tormentas eléctricas, tornados, etc. Es el usuario de esos modelos quien ha de complementarlos para hacer tales predicciones, utilizando la CAPE y el resto de índices de estabilidad, el conocimiento de le meteorología local, herramientas más sofisticadas coo la diagnosis del movimiento vertical a partir de los mecanismos de forzamiento dinámico, la ecuación Omega, los vectores Q, etc.

La predicción directa de la convección por parte del modelo numérico requiere modelos no-hidrostáticos, modelos que no utilicen la suposición de que la atmósfera se encuentra en equilibrio hidrostático permanente. Tales modelos no existen a escala global porque un modelo global no-hidrostático requeriría una potencia de computación aun no disponible hoy día para poder ser resuelto. Pero empiezan a existir modelos no hidrostáticos locales de alta resolución. En particular el modelo OpenWRF cuyas salidas, en formato Grib, están disponibles gratuitamente aquí. Estas son las zonas cubiertas por el modelo a día de hoy:

Imagen

Este modelo proporciona, al igual que los modelos globales, la CAPE, es decir, predice las propiedades de estabilidad de la atmósfera medidas por este índice integrado. Pero también proporciona predicciones de la convección, es decir, predicciones que indican si esa convección se disparará o no. ¿Cómo lo hace, cómo proporciona esas predicciones y qué herramienta podemos utilizar para analizarla? Este es el objetivo del resto de este ladrillo que continuaré en el siguiente post para que puedas descansar un rato, ir al baño, comer, etc, no te vaya a sentar mal este ladrillo si te lo jincas de una sola sentada.
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Mensajepor Tropelio » Jue Abr 19, 2018 12:37 pm

Nos habíamos quedado en la cuestión de como se las arreglan los modelos locales no hidrostáticos para predecir la convección. La manera práctica, en la realidad, de comprobar si está teniendo lugar convección o no son las imágenes de radar que proporcionan los servicios meteorológicos. Por ejemplo, la AEMET muestra imágnes de radar en tiempo real (y guarda imágenes de hasta 24 horas previas) aquí.

El modelo OpenWRF proporciona la predicción de Simulated Composite Reflectivity, reflectividad compuesta simulada. ¿Y eso que es lo que es? Pues simplemente que el modelo predice cómo un haz de radar meteorológico es reflejado por la atmósfera, teneiendo en cuenta todos los nieveles. No se trata, obviamente, de la imagen en tiempo real obtenida mediante el radar sino de la predicción de la imagen que obtendremos en el futuro en el instante de la predicción. Así que estamos prediciendo no si hay posibilidad de convección porque la atmósfera es más o menos inestable sino que estamos prediciendo directamente la convección que realmente tiene lugar. Cómo se refleja una señal radar en la atmósfera depende de la cantidad de agua y su estado (el estado de esa agua). Por ejemplo, el granizo produce altos valores de la reflectividad, La regla empírica es que reflectividades del orden de 45-50 decibelios y superiores significan tormentas eléctricas y fenómenos convectivos incluso más severos.

Voy a terminar el ladrillo con un ejemplo práctico que me servirá, además, para explicar cómo mostrar las predicciones del modelo OpenWRF (hasta donde yo sé, el único que en el momento de escribir esto proporciona predicciones de reflectividad). Hoy es jueves 19 de abril. En la siguiente figura muestro la predicción de la CAPE para el próximo sábado 21 a las 06:00 UTC en la mitas sur de España según el modelo OpenWRF:

Imagen

A la vista de esta imagen uno diría que de tener fenómenos convectivos apreciables ocurrirán en el mar al SW del Cabo San Vicente. Sin embargo, la predicción de reflectividad acumulada, es decir, la predicción del modelo para la imagen radar que obtendremos el sábado a las 06:00 UTC, es esta:

Imagen

que indica una apreciable actividad convectiva justo en San Vicente. Los 45 decibelios corresponden al color amarillo. Es más, la predicción de precipitación el mismo día y a la misma hora según el mismo modelo es esta:

Imagen

que indica zonas con precipitaciones de hasta 20 litros/m2 por hora (el color rosa) coincidentes con las zonas de mayor reflectividad.
A modo de comparación, estas son las predicciones de la CAPE y la precipitación para el mismo día y hora según el modelo global GFS:

Imagen


Imagen

Como se observa claramente, el GFS predice una mucha menor precipitación a pesar de que las predicciones para la CAPE son muy parecidas en ambos modelos. Veremos qué ocurre el sábado...

Me falta, por último, explicar con qué programa está hecha la imagen de reflectividad prevista por el modelo OpenWRD. Como ya dije por ahí arriba, las salidas de los modelos se proporcionan en formato Grib. La aplicación para visualizar estos archivos (y analizar la enorme cantidad de información meteorológica que contienen) de la que tantas veces he hablado en este mismo foro venía siendo hasta ahora zyGrib. Sin embargo, esta aplicación, creada y desarrollada por una única persona, lleva mucho tiempo estancada, sin actualizaciones. Por ello, un equipo de desarrolladores ha optado por continuar su desarrollo mediante una bifurcación, es decir, a partir del código fuente de la última versión zyGrib (la 8.0.1). La nueva aplicación se llama XyGrib e incluye en su primera versión disponible para el público general (como siempre de forma totalmente gratuita) la posibilidad de mostrar mapas de reflectividad si el archivo Grib que hemos abierto contiene esa información.

Además de los mapas de reflectividad, la primera versión de XyGrib ha corregido algunos piojos conocidos de la versión 8.0.1 de zyGrib sobre la que está basada y, también, incluye la posibilidad de elegir una interfaz de color gris. Espero y deseo larga vida a XyGrib y aprovecho la ocasión para agradecer al creador de zyGrib todo su esfuerzo dedicado este extraordinario programa.

Y te estarás preguntando, supongo, ¿cómo consigo yo XyGrib para instalarlo, jugar con él y aprovechar todas sus ventajas? Pues muy sencillo: toda la información, foro para preguntat, sugerir, colaborar, etc, está aquí:

XyGrib

Estoy seguro de que hablaremos largo y tendido de este programa en este foro en el futuro inmediato. Mientras tanto, espero que lo disfrutes con mucha salud.
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Mensajepor Tropelio » Sab Abr 21, 2018 7:20 am

Buenos días,

Una vez que ha pasado ya el instante de las predicciones de las figuras anteriores (sábado 21 a las 06:00 UTC) podemos comprobar que tal han funcionado esas predicciones.

Esta es la imagen radar real correspondiente a hoy día 21 a las 06:00 UTC según publica la AEMET:

Imagen

imagen que debemos comparar con la de reflectividad de arriba prevista por el moelo OpenWRF. Está claro que las predicciones del modelo han sido bastante buenas.

Saludos,
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