Curso sobre interpretación de mapas meteorológicos: la CAPE (Convective Available Potencial Energy)

Palabras clave. Mapas, convección, eficiencia, severidad, inundaciones, granizo, tornado, cape, sondeo, burbuja, parcela de aire, nivel de ascenso, uso, limitaciones.

Uno de los índices más populares obtenido a partir de datos de sondeos o mapas previstos de modelos numéricos de predicción, muy usado para la estimación de la inestabilidad convectiva, es la CAPE.

Resumen

Se comienza en la RAM un curso básico sobre el uso e interpretación de mapas meteorológicos donde se pretende dar al lector algunas pautas sobre las utilidades y limitaciones de ciertos campos meteorológicos disponibles en Internet. De ninguna manera se pretende hacer un curso de Meteorología sobre los campos a analizar en estos artículos, para ello se remite al lector a los libros de texto o cursos avanzados sobre el tema. Empezaremos en esta entrega con la CAPE (Convective Available Potencial Energy), uno de los campos meteorológicos estrella para el diagnóstico y predicción de la convección. Su uso, y sobre todo su mal uso, está muy extendido.

Se recuerda a los lectores de la RAM digital que D. Manuel Palomares, antiguo predictor del INM, ya había realizado algunos módulos o artículos referentes al uso de mapas meteorológicos de superficie y de otros niveles de presión. Ver referencia final para mayor detalle sobre los artículos relacionados.

Introducción

Siguiendo con la línea que se inició en algunos artículos de la RAM digital (www.tiempo.com/ram/) retomamos la iniciativa de tratar y mostrar el uso de mapas y campos meteorológicos. Para ello, y mientras no se diga lo contrario, usaremos los mapas de los portales que se indican en REFERENCIAS: los de Meteoblue y Convective Weather Maps. Ya que la convección es un fenómeno estrella, arrancaremos con uno de los campos y mapas más utilizados: los relativos a la CAPE.

Uno de los problemas en la estimación de la inestabilidad atmosférica (uno de los ingredientes necesarios para el desarrollo de la convección, junto con la humedad y mecanismo de disparo que inicie el ascenso de la masa de aire) es su cuantificación y su aplicabilidad en la realidad diaria. Para poder llegar a este punto vamos a presentar uno de los índices más populares y usados para tal fin, la CAPE (Convective Available Potencial Energy, en inglés) o energía potencial disponible convectiva. La CAPE se mide en Julios por kilogramos, J/kg, y estrictamente hablando no es un índice de inestabilidad propiamente dicho como otros índices más clásicos.

En cualquier libro de texto de Meteorología se puede leer que, básicamente, “la CAPE representa la cantidad de energía de flotabilidad disponible de una parcela o burbuja de aire que se eleva vertical y libremente” o “la cantidad de trabajo que una burbuja o parcela de aire hace en el medio ambiente al ascender libremente”. Para encontrar o cuantificar la CAPE en un emagrama, o diagrama termodinámico skew-T como el de la figura 1, simplemente se determina el área total donde la parcela o burbuja al elevarse es más cálida (línea magenta) o quede a la derecha del sondeo atmosférico (línea roja). En este caso se corresponde con la zona en gris del sondeo de la figura 1. En la tabla de la derecha de la figura aparece el valor de 1357 asociado a la CAPE de este sondeo y de una partícula que se ve obligada a elevarse desde niveles bajos hasta un nivel de convección libre (LFC, Level of Free Convection), a partir del cual su temperatura es más cálida que la del ambiente.

Figura 1. Diagrama termodinámico skew-T de un sondeo donde se señalan ciertos índices y parámetros derivados de él y descritos en el texto. Ver dicho texto para más detalles.

¿A qué energía nos referimos cuando hablamos de la CAPE?

Lo primero que llama la atención es que la CAPE es energía por unidad de masa y no posee las medidas típicas de otros índices de inestabilidad (el índice K, el Total Totals, TT o el Lifted Index, LI, entre otros): la misma unidad de medida así lo delata, Julios por kilogramos. Por otra parte, la energía puede manifestarse de diversas formas pudiendo ser de tipo potencial, cinética, electrostática, elástica, etc. Y no sólo eso, sino que puede transformarse de un tipo a otro, e incluso manifestarse en forma de calor.

Usaremos el concepto “egoísta” de la energía que se suele emplear muy a menudo en termodinámica: un valor energético es positivo, si la recibimos o podemos disponer potencialmente de ella y se le da un valor negativo si tenemos que dar o suministrar energía. En estas condiciones, la CAPE (positivo) sería potencialmente un valor energético que recibiríamos de una burbuja que asciende libremente en la atmósfera por unidad de masa. Por el contrario, el CIN, Convective InhibitioN energy, o energía de inhibición, representaría la energía que se le debe suministrar a una burbuja ideal para elevarla desde su posición inicial hasta que iguale la temperatura ambiente y comience a ascender libremente.

En segundo lugar la CAPE es potencial (según la R.A.E. el concepto de potencial está asociado a “que puede suceder o existir, en contraposición de lo que existe”), es una energía que no podríamos obtener de forma inmediata sino que está latente y que necesita ser liberada o disparada por otro factor que desencadene su liberación. El término disponible es ficticio ya que, aunque podríamos teóricamente disponer egoístamente de esa energía, realmente no ocurre así y es la misma atmósfera la que recibe para sí dicha energía potencialmente liberada por la burbuja al ascender. No podemos usarla de forma tal y como la conocemos actualmente para, por ejemplo, mover un coche. Tampoco existe el aparato para medirla: un “capemómetro”

CAPE y convección

Lo que más llama la atención de la CAPE es su adjetivación de convectiva. Pero, ¿qué es la convección? La convección es un proceso por el cual la atmósfera, o un fluido en general, trata de redistribuir los desequilibrios que se producen en su seno por el calor, temperatura y humedad mediante corrientes verticales relativamente intensas, tanto ascendentes como descendentes. Y esto sí que puede caracterizar a la convección, mediante la intensidad de las corrientes ascendentes y descendentes.

Una manera de cuantificar o graduar INDIRECTAMENTE la convección es a través de la intensidad o de la velocidad de dichas corrientes verticales, “w”. Y es aquí donde entra de lleno la CAPE, ya que está relacionado directamente y teóricamente con las corrientes verticales máximas que teóricamente puede alcanzar una burbuja de aire en su ascenso libre, como se verá más adelante. Por este motivo el apelativo de convectivo se añade a dicha energía potencial disponible.

Figura 2. Es muy común representar los mapas de CAPE, coloreado según la escala adjunta, con otros campos o índices para estimar, por ejemplo, en este caso la existencia de un potencial forzamiento sinóptico externo que posibilite elevar burbujas gracias a vaguadas en altura, digamos 500 hPa (línea coloreada en metros geopotenciales), y bajas en superficie (línea negra, presión en superficie y en hPa). Nótese cómo se ha obtenido la CAPE: a partir de una burbuja con los valores medios del estrato del primer km, MLCAPE. Fuente www.LightningWizard.com.

Pero, ¿por qué por unidad de masa?

En meteorología y termodinámica es muy útil referir y estudiar muchos procesos utilizando una partícula de masa unidad, de esta forma se deja de arrastrar un factor tan importante como es la masa. En muchas ocasiones se tomará una burbuja o parcela de aire que se mueve de masa unidad (1 kg, un gramo) o una burbuja de masa unidad.

Cuando se trata de estudiar la flotabilidad o la inestabilidad atmosférica, conceptos diferentes pero íntimamente relacionados, se suele trabajar con a una burbuja ideal de masa unidad, 1 kg. Por dicho motivo, muchas unidades llevan dividiendo los “kg”, como por ejemplo la CAPE.

Breve repaso a la Teoría ideal y simple de la “burbuja de aire”

Tomemos una burbuja o parcela de aire de masa unidad con una temperatura dada y dejémosla rodeada, pero separada, del aire ambiente por una membrana ideal impermeable. Si la temperatura de la burbuja, T, es mayor que la temperatura ambiente, Te, la fuerza de la flotabilidad tenderá a elevar a la partícula, que lo hará, al menos, hasta que se igualen la temperatura de la burbuja y del ambiente. El símil es parecido al de una esfera de corcho de masa unidad sumergida en agua: la menor densidad del corcho hará que la fuerza de flotabilidad o empuje del líquido, que es mayor que la del peso del propio corcho, desplace el corcho hacia arriba. La diferencia es que el corcho no se puede mezclar con el agua y la burbuja sí lo hace. Pero dejemos este tema aparcado. Por el contrario, si la temperatura de la partícula es menor que la ambiente (su densidad es mayor que la del ambiente), la burbuja descenderá. Lo mismo que le ocurriría a una bola de acero de masa unidad en el agua, ya que su densidad es mayor que la del fluido.

Intuitivamente se observa que la flotabilidad está íntimamente ligada al desarrollo potencial de corrientes ascendentes y descendentes. Es de esperar que la convección esté también relacionada con la flotabilidad y, ésta en última instancia, con la CAPE.

Por la ley de Newton se tiene que (vectores en negrita)

F=ma (1)

Supongamos una burbuja de masa m= 1 kg y temperatura T de la partícula o burbuja, que se encuentra en el aire, cuya temperatura ambiente es Te. Para mayor sencillez supondremos el aire seco desprovisto de vapor de agua.

La burbuja estará sometida a una fuerza de flotabilidad en la vertical, B, que tiene en cuenta su peso, P=g, que apunta hacia abajo, y una fuerza de empuje E hacia arriba, que es igual al volumen del aire ambiente que desaloja.

B=E +P (2)

Se demuestra que en estas condiciones la flotabilidad de la burbuja se puede expresar en términos de temperaturas (mejor sería usar las densidades pero para nuestro razonamiento conceptual vale tomar las temperaturas) de la burbuja y del aire ambiente:

B=g (T-Te)/Te (3)

(Las temperaturas son positivas ya que están en grados K)

B estará según la vertical (ya hemos quitado la notación vectorial) y dirigida hacia abajo si la T Te, y la burbuja podría ascender potencialmente.

Volviendo a (1) y usando (3) se tiene que

d w /dt= B= g(T-Te)/Te (4)

La velocidad w representa la de la partícula y la dw/dt será su aceleración. Observamos que la fuerza de flotabilidad B es proporcional a la diferencia entre la temperatura de la partícula y del ambiente: a mayor diferencia, mayor será la aceleración a la que esté sometida la burbuja. Por otra parte, la Energía cinética de la burbuja es:

Ec=1/2 m w<sup>2</sup> (5)

Como m=1, y derivando respecto al tiempo, se tiene que

d(1/2 w <sup>2</sup>)/dt= w dw/dt= wB=B dz/dt (6)

ó

d(1/2 w <sup>2</sup> )/= B dz (7)

Esta expresión es muy importante y nos dice que: la variación de la energía cinética de la partícula al ascender o descender un estrato “dz” es proporcional a la flotabilidad, B. A mayor flotabilidad mayor será la variación de la energía cinética que experimenta la burbuja.

En el caso de una situación con flotabilidad positiva (T>Te) la partícula asciende, se acelera y mientras su flotabilidad B sea positiva irá ganado energía cinética, aumentando su velocidad hasta que la flotabilidad sea 0 a un nivel superior, ver figura 1, en el nivel de equilibrio, EL. La fuerza de flotabilidad es la responsable del aumento de la energía cinética de la burbuja al ascender que se acelera con el tiempo. Si suponemos que la velocidad ascensional era cero al inicio y la burbuja parte del nivel de convección libre inicial, le llamaremos LFC (Level of Free Convection), y llega a un nivel de equilibrio, EL (Equilibrium Level) con una wpmax, entonces integrando (7) se tiene que

1/2 w<sub>max</sub><sup>2 </sup>- 0 = ? B dz (8)

El primer miembro de (8) es la energía máxima que alcanza la burbuja idealmente. El segundo miembro es la integral entre dos niveles fijos donde la flotabilidad es positiva. En la práctica meteorológica diaria no se trabaja con velocidades verticales obtenidas por este método, ni se usa la velocidad vertical teórica para estimar la inestabilidad, sino que se usa como estimador o índice de inestabilidad para el desarrollo de la convección. Por este motivo, al segundo miembro de (8) se le denomina energía potencial disponible para el desarrollo de la convección, o CAPE en las siglas anglosajonas. Sus unidades son de energía por unidad de masa, J/kg.

½ w<sub>max</sub><sup>2</sup> = CAPE <sup>(9)</sup>

Por lo tanto, se podría estimar idealmente la velocidad máxima teórica de la burbuja sin más que despejar wmax .

Resumiendo, y en una primera aproximación simple, la CAPE representaría la flotabilidad positiva integrada verticalmente de una parcela o burbuja que experimenta un ascenso sin interaccionar con el medio y sin recibir ningún tipo de energía exterior ni interiormente (proceso adiabático).

Transporte de calor y redistribución de energía

dw /dt= B= g(T-Te)/Te <sup>(4)</sup>

d(1/2 w2)/dt= w dw/dt= wB=B dz/dt (6)

De (4) y (6) podemos poner en primera aproximación que

d(Ec)/dt= g w(?T/T)/Te=g/Te (?T)w

? T se corresponde con la diferencia de temperatura de la burbuja respecto al ambiente y ?T w representa un término asociado a transporte de dicha anomalía o diferencia en la distribución térmica de la burbuja y el ambiente por unidad de masa. En un ascenso se transporta un flujo de calor que es proporcional a la diferencia térmica y a la velocidad ascendente de la burbuja. Lo mismo ocurriría para movimientos descendentes. Éste es el papel de la convección: redistribución de desequilibrios térmicos en la atmósfera.

Los movimientos convectivos tienden a redistribuir e igualar los desequilibrios de calor (se podría también demostrar para el vapor y humedad) mediante movimientos ascendentes en la vertical y esto es a costa de la variación de la energía cinética de la burbuja. A una ascendencia convectiva de una masa unidad, le corresponde un flujo de calor por unidad de masa de ?T w positiva. Los días cálidos de verano, donde el suelo es calentado por el sol, suelen ser propensos para la formación de térmicas o burbujas de aire cálido que ascienden y liberan calor y energía cuando llegan a niveles superiores, a la vez que su espacio es ocupado por otras masas de aire descendentes desde otros niveles más frías que las primeras.

Sobre velocidades verticales y la CAPE

¿Por qué no se representan los mapas de CAPE como velocidades verticales para indicar la intensidad de la convección?. Realmente la expresión (8) o (9) de la velocidad ascensional máxima, que estima la velocidad máxima de la burbuja que asciende, se ha obtenido por aproximaciones ideales y simples, pero muy efectivas y aclaratorias, ya que a mayor valor de la CAPE le debe corresponder mayores velocidades ascensionales potencialmente convectivas. Las velocidades reales o modelizadas se suelen obtener explícitamente a partir de las ecuaciones dinámicas que controlan a los fluidos como es el caso de la atmósfera. Una de las salidas de los modelos numéricos de predicción son los valores de dichas velocidades verticales a diferentes niveles de presión (850, 700, 500 … hPa) de igual manera que se obtienen los mapas de temperatura y humedad a cada nivel.

Sobre la burbuja de partida para obtener la CAPE y su representatividad: Los otros CAPE

El valor de la CAPE es muy sensible al nivel de la partícula o burbuja de partida. No es lo mismo obtener el valor de la CAPE de una burbuja que parta del suelo o de 850 hPa. ¿Qué partícula o nivel se toma para calcular la CAPE?, ¿de qué y con qué condiciones de partida se trabaja? No es fácil de obtener un CAPE representativo cuando son muchas las partículas o parcelas teóricas que pueden ascender desde diferentes niveles, pero hay que tomar referencias en las altitudes de partida. Por ejemplo, se pueden tomar las características térmicas y de humedad de una burbuja que parta desde superficie, o de otra que tenga las características medias de una capa de 3 kilómetros o de los 100 primeros milibares cercanos a la superficie. De aquí que surjan diferentes CAPE: SFCCAPE (la burbuja parte de la superficie SFC), MLCAPE (la burbuja toma las condiciones media de una capa, mean layer), etc. Otra posibilidad es tomar diferentes partículas o burbujas que partan de diferentes niveles, cada 10 mb y de esta forma tomar el máximo CAPE obtenido en todas las integraciones en un punto y en su vertical: MAXCAPE. Tenga en cuenta este hecho. Insistiremos más adelante en este tema.

Figura 3. Dos burbujas ideales que se vean forzadas a elevarse y que partan de diferentes niveles pueden dar lugar a CAPE diferentes. En este ejemplo: a) la burbuja parte desde las condiciones de superficie y b) la burbuja lo hace con las condiciones de alrededor de 850 hPa. Es muy común tomar unas condiciones medias de partida considerando una capa superficial de 100 hPa o 1 km de espesor. Fuente de estos sondeos previstos cercanos a un lugar de Madrid, Meteoblue.ch.

Usos y limitaciones de la CAPE

a. Usos

Con todo el carácter “ideal y las aproximaciones realizadas”, resulta que la CAPE es uno de los índices potenciales más usados para estimar uno de los ingredientes en el desarrollo de la convección: la inestabilidad.

  • El CAPE es un índice que integra una porción substancial de la información termodinámica contenida en un sondeo, o en un modelo que disponga de información tridimensional de las variables meteorológicas básicas (temperatura y humedad). Es proporcional a la energía disponible potencial de una burbuja en ascendencia libre una vez superado el nivel de ascenso de convección libre.
  • Proporciona una estimación de la intensidad máxima de la corriente aérea ascendente, (wmax), en los focos convectivos potenciales que se pueden formar por la relación:
    w<sub>max</sub> = (2CAPE)<sup>1/2</sup>
  • Su valor tiene un efecto significativo en intensidad de las tormentas, siempre y cuando otros factores o ingredientes se den a la vez (humedad y mecanismo de disparo). No use sólo la CAPE para predecir convección.
  • Es un indicador fundamental para estimar la intensidad potencial de la convección profunda y húmeda.
  • Operacionalmente, es más efectivo que otros índices tales como el TT o el índice K que utilizan datos de la temperatura y del punto de condensación solamente de algunos niveles obligatorios en el radiosondeo.
  • Las investigaciones han mostrado que la CAPE en bajos niveles puede tener importancia en la producción de tornados. Más CAPE en los niveles más bajos sobre tierra sugiere un potencial más fuerte para las aceleraciones grandes en niveles bajos y la intensificación baja realzada del mesociclones. Es útil utilizar la CAPE obtenido hasta el ascenso de la burbuja a los 3 km de altura.
  • Sobre tierra y en días despejados la CAPE suele tener un comportamiento que está asociado al calentamiento diurno con valores máximos después del medio día.
  • Los valores de CAPE en los meses fríos suelen ser más bajos que en los meses cálidos.
  • Cuando analice los valores de la CAPE en una zona no se fije el valor puntal de un sitio concreto, analice la estructura de la CAPE en el sentido “amplio”.
  • Los mapas de CAPE son “planos” y esto es una limitación. En la mayoría de las ocasiones se deberá analizar la distribución vertical de T y Td del sondeo o sondeo previsto para ver cómo se distribuye verticalmente dicha inestabilidad y si existen inversiones o tapaderas que inhiban el desarrollo de las corrientes ascendentes por inversiones o tapaderas. Use el índice CIN, ver más arriba, como inhibidor de la convección.
  • Ya que la CAPE está relacionado con la intensidad máxima de las corrientes verticales, valores elevados de CAPE podrían generar condiciones para la formación de granizo, dependiendo de la profundidad de la nube convectiva ideal y del grado de penetración de dicha nube sobre la isoterma de -10ºC y -20ºC. Para ello se debería analizar cuál es la porción de la nube teórica que queda en dichos niveles.
  • Los desplazamientos de las tormentas están condicionados groseramente por la suma del flujo rector medio (en primera aproximación al nivel de 700 hPa) más el componente de propagación en capas bajas. Este último depende de las características de las masas de aire que en niveles bajos alimentan a las tormentas. Dicho de otra manera, la propagación de los focos convectivos, uno de los componentes del movimiento, se realiza hacia las zonas donde se aporta aire cálido, húmedo e inestable o de alto contenido de CAPE.

b. Limitaciones

El CAPE, aún siendo un índice convectivo muy útil, no es la panacea para el pronóstico de la convección.

  • El CAPE no es un número mágico que permite obtener o pronosticar “ipso facto” la presencia o no de los desarrollos convectivos y tormentas. Es un error decir “a tal valor de la CAPE le corresponde una probabilidad alta de tormentas multicelulares”, por poner un ejemplo.
  • El CAPE es muy sensible al nivel del que parte inicialmente la burbuja. Puede variar considerablemente cuando se utiliza un sondeo y diferentes niveles de partida de la partícula que asciende. Esto también vale para diferentes modelos que pueden dar valores de CAPE diferentes con configuraciones atmosféricas similares pero métodos de cálculo diferentes y partículas que ascienden inicialmente de niveles diferentes.
  • Las estimaciones del máximo de velocidad vertical basadas en CAPE son más altas que las observadas en la realidad, ya que la carga de vapor de agua y los procesos de mezcla con el aire circundante disminuye la CAPE. Por el contrario, en las estructuras multicelulares, y debido a otros efectos que no se tratarán aquí, los valores máximos de velocidad vertical derivados de la CAPE se aproximan a las velocidades reales.
  • Es condición necesaria pero no suficiente. La presencia de inestabilidad por flotabilidad es uno de los ingredientes que deben darse para que se desarrolle la convección humedad y profunda. Los otros dos, humedad y mecanismo de disparo, deben estar presentes en el mismo instante y lugar, para el desarrollo de nubes convectivas profundas.

Debido a la incertidumbre de la particular que va a ascender se suelen calcular varios CAPE con los prefijos anglosajones "sb", "mu", y "ml". Por ejemplo en el SPC se pueden calcular la CAPE o el LI de la:

SB = Parcela que parte de superficie

MU = Parcela más inestable encontrada más abajo de 300 mb

ML = Parcela que parte con las condiciones medias de los 100 mb más bajos.

  • En algunas ocasiones se disponen de mapas de CAPE donde se muestra inestabilidad marcada en una zona pero, cuidado, para elevar la burbuja y liberar dicha inestabilidad es necesario superar las tapaderas o inversiones en capas bajas y suministrar cierta energía a la partículas. Para ello deberá analizar el sondeo de la zona (observado o previsto) o mediante los mapas de CIN y evaluar si existe un mecanismo de disparo que fuerce y pueda elevar la burbuja venciendo la “tapadera que se opone a ello”.

El CAPE no puede ser usado en exclusividad para pronosticar la presencia o no de tornados. Se necesitaría información del campo de vientos en la vertical y en especial de niveles bajos. Y aún así no sería tarea fácil.

Este mismo razonamiento vale para lluvias intensas: no hay una relación directa y unívoca entre la CAPE y las precipitaciones de origen convectivo. Puede haber casos con valores de CAPE altos y poca lluvia (convección seca: la lluvia se evapora al dejar la base de la nube y no llegar al suelo) y casos donde la CAPE es cero o no existe y disponer de nubes con altas tasas de precipitación.

Condiciones meteorológicas que modifican la CAPE

Ya que la CAPE integra la diferencia entre la temperatura de la burbuja ascendente y ambiente, como medida de flotabilidad, los factores que favorecen el aumento de la CAPE son aquéllos que hagan que el área de integración sea o se haga más grande. Por lo tanto:

  • Advecciones de aire frío en niveles altos, que tiendan a disminuir la temperatura ambiental, como por ejemplo la presencia de vaguadas térmicas en 500 hPa. Su efecto es aumentar la diferencia entre la burbuja y el aire circundante, T-Te, en niveles medios- altos.
  • Aumento del nivel de la tropopausa. Tormentas que se desarrollen delante de una vaguada en altura tenderán a tener una tropopausa elevada permitiendo potencialmente que se desarrollen tormentas más profundas de mayor espesor hasta dichos niveles. Su nivel de equilibrio aumentará. Las tormentas que se desarrollen en el seno del núcleo frío de una baja tendrán la troposfera más baja y serán u ocuparán menor espesor.
  • Aumento de temperatura apropiada en niveles bajos, digamos 850 hPa.
  • Aumento del gradiente térmico vertical entre niveles bajos y medios: aumento de temperatura en niveles bajos y disminución de la temperatura en niveles medios
  • Destrucción o eliminación de inversiones en capas bajas. Estrictamente hablando esto no aumenta la CAPE pero sí disminuye los procesos que facilitan el ascenso de la burbuja hasta llegar al nivel de ascenso libre. Las áreas de CIN disminuyen.
  • La lluvia o la propia mezcla del aire con la burbuja tiende a disminuir los valores de CAPE. La lluvia generada por la propia convección puede y debe disminuir la CAPE tendiendo a que las curvas de T, Te y Td se aproximen reduciendo el valor de la CAPE.

MAPAS DE LA RED USADOS

REFERENCIAS

Esta entrada se publicó en Reportajes en 30 May 2012 por Francisco Martín León