Los diagramas de fase de los ciclones tropicales y extratropicales de latitudes medias. Parte I

Francisco Martín León, meteorólogo
Palabras clave: ciclón tropical, mapas, diagnosis, espesores, transición extratropical, borrasca, transición tropical, diagrama de fase, viento térmico, ciclón subtropical.
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Artículo de mayo de 2008. Recuperado en agosto de 2012

RESUMEN

Se pretende con este artículo repasar brevemente los conceptos relativos a los diagramas de fase asociados a los ciclones atmosféricos y mostrar cómo se pueden utilizar para el caso de los ciclones tropicales y de las borrascas de latitudes medias como herramientas de diagnóstico y de pronóstico. Un caso especial será el de las transiciones extratropicales que tiene lugar en latitudes medias, cuando un ciclón tropical pasa a tener características extratropicales como el caso de la tormenta tropical Delta a su paso por Canarias cuando era borrasca extratropical. Comenzaremos por los principios básicos y mostraremos las diferencias entre un ciclón tropical y extratropical en dichos diagramas, para entrar de lleno en la explicación de dicha herramienta. Se terminará con ejemplos de casos conocidos donde se usará y explicará sus usos, aplicaciones y limitaciones de esta herramienta meteorológica.

Por su extensión, el trabajo esta dividido en dos partes.

1.Introducción

Disponer de herramientas fáciles de utilizar y que sinteticen varios conceptos, ideas y elementos contenidos en los datos observacionales o en los propios modelos numéricos, permite al predictor diagnosticar una gran cantidad de información de forma simple. Éste es el caso de la herramienta  que se presenta:  los diagramas de fase de un ciclón. Su aplicabilidad es para cualquier tipo de ciclón (tropical, extratropical, subtropical, polar,etc.) que tenga reflejo en los mapas de superficie.

Desde hace mucho tiempo se ha tratado de clasificar a los ciclones atmosféricos de tipo sinóptico. Una manera de hacerlo es a partir de sus características dinámicas y térmicas por las que crecen, se mantienen, se amplifican y disipan. En este trabajo se analiza un método muy útil para una clasificación a nivel operativo, y en tiempo real, de los ciclones a nivel sinóptico, clasificación que en si misma no es absoluta y cerrada, si no que debe ser complementada por otro tipo de información complementaria (datos de satélite, de superficie,etc.).

Un "paseo" por los principios básicos

Un ciclón es un sistema atmosférico de escala sinóptica, bien definido en la vertical cuyos vientos giran alrededor de un centro, donde la presión es más baja que la circundante, en sentido contrario (a favor de) a las agujas del reloj en el Hemisferio Norte (Sur).  Pero los ciclones se caracterizan además por otros elementos a destacar.

a. Estructura térmica y viento térmico

Básicamente y atendiendo a su estructura térmica, existen dos tipos de ciclones: los ciclones de núcleo cálido, CNC, tales como tormentas tropicales, tifones y huracanes, y los ciclones de núcleo frío, CNF, como la mayoría de las borrascas de latitudes medias.

Los primeros, figura 1, se constituyen como una anomalía de temperatura cálida respecto al aire circundante, concentrándose preferentemente dicha anomalía en niveles bajos y medios, en sus primeros estados de su ciclo de vida, y alcanzando dicha anomalía niveles superiores en su madurez.

Figura 1. Estructura conceptual de un ciclón de núcleo cálido típico de latitudes tropicales. Superficies isobáricas en línea continua, isotermas en discontinua fina, nivel de la tropopausa en discontinua gruesa. La anomalía cálida en su fase de madurez ocupa una amplia porción en la vertical sobre la baja en superficie, Bc. Fuente: figura de Mariano Medina, adaptada para la RAM.

Los segundos, figura 2, son fundamentalmente anomalías de temperatura fría, encontrándose dicha singularidad térmica en niveles medios y bajos. Aunque hay otras diferencias térmicas, cinemáticas y dinámicas en sus génesis, desarrollo, madurez y disipación, nos quedaremos en una primera aproximación con la de carácter térmico como referencia básica.

Figura 2. Estructura conceptual de un ciclón de núcleo frío o borrasca fría de latitudes medias no inclinada. Superficies isobáricas en línea continua, isotermas en discontinua fina, nivel de la tropopausa en discontinua gruesa. La anomalía fría se concentra debajo de la tropopausa y en la vertical de la baja en superficie. Fuente: figura de Mariano Medina, adaptada para la RAM.

Por otra parte, los dos sistemas “térmicos” son, ni más ni menos que, extremos conceptuales de un amplio espectro o abanico de ciclones, donde se pueden situar la mayoría de las perturbaciones ciclónicas atmosféricas a escala sinóptica. Lo común a todos es que son sistemas de bajas presiones respecto a la presión circundante, donde el viento converge en capas bajas.

Las diferencias térmicas tienen consecuencias fundamentales y capitales en los llamados campos de espesores, o la distancia entre dos superficies de presión o isobáricas, por ejemplo entre 500 y 1000 hPa, 850  y 1000 hPa, por citar dos ejemplos. Estos mapas de “espesores”, 500-1000 ó 850-1000 hPa, son muy útiles para analizar la temperatura media del estrato considerado entre los dos niveles de presión de referencia. En latitudes medias los mapas de espesores 500-1000 hPa sirven para separar las zonas frías y cálidas, las regiones donde se producen intrusiones polares de carácter muy frío frente a la  respuesta cálida de latitudes más bajas. Las zonas frontales suelen ser regiones donde el gradiente de espesor es muy intenso.

Los mapas de espesores 850-1000 hPa se utilizan, por ejemplo, para pronosticar nieve, allí donde el espesor/temperatura media del estrato es menor, frío y el adecuado para que la precipitación, si se produce, llegue al suelo en forma de nieve.

Existen ecuaciones que relacionan el espesor con la temperatura media de dicha capa. De esas ecuaciones se obtiene un resultado muy útil: a mayor (menor) espesor, mayor (menor) es la temperatura media del estrato, o sea, más cálido (frío) es dicho estrato de aire.  Pero no sólo eso, si los ciclones  – de núcleo cálido o frío – tienen campos de espesores relativamente simétricos, también son simétricos los campos de temperatura media del espesor. El contrario también es cierto. Esta simetría o asimetría térmica y de espesores es muy acusada en los ciclones de núcleo frío o borrascas de latitudes medias.  Todos estos elementos conducen a que los campos de espesores o temperaturas medias de estratos atmosféricos de los ciclones sean  campos o candidatos “aventajados” para ser usados en una posible clasificación posterior, que se va comentar.

De los mapas de espesores se pueden obtener unos vientos ideales, de la misma forma que de un mapa de geopotencial, digamos a 500 hPa, se puede obtener un viento ideal llamado geostrófico y que se aproxima al real, tanto más cuanto más alto se esté. El viento ideal obtenido de los mapas de espesores térmicos, por ejemplo 500 – 100 hPa se le llama viento térmico, Vt.  El viento térmico tiene varias propiedades destacables para los intereses que se buscan, entre otras y referidas al Hemisferio Norte:

• La intensidad del viento térmico, Vt, es función del apelmazamiento o gradiente de las líneas de espesores (de la misma forma que el viento geostrófico): cuanto mayor sea dicho apelmazamiento, mayor será el viento térmico.
• El vector viento térmico deja a su izquierda las zonas más frías o espesores más bajos, y a su derecha las más cálidas o espesores más altos.
• El viento térmico  y el viento real aumentan con la altura en los ciclones de núcleo frío, mientras que en las de núcleo cálido ocurre lo contrario, el viento y viento térmico es máximo en capas bajas y disminuyen con la altura.

Nótese en la figura 2, cómo el aire frío concentrado en niveles inferiores de la troposfera genera que la altura o espesores entre dos niveles de presión (línea continua) sean muy pequeños comparados con los sistemas de núcleo cálido, donde los espesores o altura entre dos niveles de presión es mayor.

b. Sobre la estructura de los vientos

Los dos extremos conceptuales poseen varias diferencias estructurales fundamentales en el campo de viento.

En general, en los CNC los vientos más intensos se encuentran en niveles bajos, concentrados alrededor del centro de la baja y la intensidad del viento tiende a decrecer con la altura, y por lo tanto el Vt es negativo.

Mientras que en los CNF, a menudo, los flujos más fuertes se sitúan a  nivel del chorro y en los niveles superiores (este punto llega a ser crítico más adelante), entre los 9-11 km. En otras palabras, al aumentar la intensidad del viento con la altura, el Vt es positivo en un amplio espesor del sistema.

En esta misma línea, los sistemas ciclónicos cálidos la intensidad del viento decae rápidamente con la distancia a medida que nos alejamos de su centro en capas bajas, mientras que en los sistemas fríos tienen, a menudo, sus vientos máximos situados más lejos del centro de la perturbación y no decaen tan rápidamente con distancia.

Los ciclones de “corazón frío” se desplazan rápidamente por los vientos conductores que aumentan con la altura en entornos de alta cizalladura. Los de “corazón cálido” tienen movimientos más lentos que los primeros ya que se desarrollan en entornos donde el flujo rector es menos intenso que en latitudes medias. Los vientos más intensos se dan en capas bajas.

c. Procesos de desarrollo y mantenimiento

Otra diferencia fundamental, y quizá la más importante, surge en la manera en que estos sistemas se desarrollan, se mantienen e interacciona con el entorno. Los ciclones tropicales obtienen su energía del calor y de la humedad liberados desde los océanos cálidos (calores latente y sensible) o mediante las diferencias de temperatura entre niveles altos y bajos que son capaces de generar focos convectivos y tormentosos cuando hay mecanismos apropiados para que la convección se dispare. Los ciclones fríos toman gran parte de su energía de la fuerte cizalladura del viento, de los gradientes horizontales de temperatura y, por ende, de los gradientes de vorticidad, que en última instancia de derivan de los gradientes y contrastes de temperatura horizontal y vertical (inestabilidad baroclina).

La cizalladura del viento tiende a crear entornos hostiles al desarrollo y mantenimiento de ciclones tropicales.

Entornos diferentes, producen ciclones diferentes

Estas diferencias (y otras más no enumeradas aquí) conducen a estructuras absolutamente distintas y opuestas, en su desarrollo, mantenimiento y evolución entre los ciclones de corazón caliente y los ciclones de núcleo frío. Los primeros son generalmente simétricos y verticales en naturaleza (es decir el campo del viento es algo circular, al igual que el campo de la temperatura), mientras que los últimos se inclinan generalmente con altura y son altamente asimétricos en naturaleza (basta ver sus estructuras  nubosos frontales, cintas transportadoras de la humedad y temperatura o “conveyor belt”, y a muchos otros factores  que no se expondrán aquí y que van  más allá del alcance de este artículo).  Estas diferencias son sensibles tanto en niveles más bajos y como en niveles altos.

Figura 3. Entre un ciclón tropical típico de núcleo cálido, parte superior izquierda, y otro de núcleo frío con sus frentes asociados, parte inferior derecha, existe un espectro muy amplio de sistemas que se aproximan a uno u otro tipo. Incluso más, los ciclones de unas características pueden experimentar transiciones al otro extremo del espectro: son las transiciones tropical y extratropical, según el caso. Imágenes de la NOAA. Fuente: Hart y Evans.

Los mapas de espesores: un “candidato” para clasificar a los ciclones

Inherente a sus definiciones,  los CNC se les denomina así porque sus temperaturas son más cálidas que las del ambiente circundante, mientras que los ciclones fríos son llamados  así porque sus temperaturas son más frías que el aire de alrededor. Estos hechos tienen impactos muy importantes en unos mapas o campos meteorológicos muy usados, como son el campo de espesores que mide la distancia  o espesor entre dos superficies de presión. Se tienen ecuaciones para definir el espesor y relacionarlo con la temperatura media del estrato: cuando la temperatura media del estrato aumenta, también lo hace el espesor o distancia entre las dos superficie de presión de referencias. De la misma forma se puede definir los mapas de espesores 500-1000 hPa ó  600-1000 hPa, etc.

Si tomamos como referencia los mapas de espesor  500 -1000 hPa, tendremos que dicha diferencia depende de las características medias de la masa de aire y, en particular de la temperatura media del aire entre 1000 y 500 hPa y del contenido medio de agua del aire entre 1000 y 500 hPa. Estas dos características se combinan juntas para generar la llamada temperatura virtual: una temperatura no medible pero que desde el punto de vista teórico tiene en cuenta la temperatura y humedad del aire. Por lo tanto, el espesor es una función de la temperatura virtual media entre 1000 y 500 hPa. Los espesores aumentarán si la temperatura virtual media aumenta (aumento de la temperatura o el contenido de humedad o ambos a la vez). El opuesto también es cierto.

Figura 4. Las zonas con espesores menores están ligadas a áreas frías y secas, mientras los espesores mayores están asociados a áreas cálidas, húmedas y más ligeras y livianas. En estas circunstancias el viento horizontal en los ciclones fríos tiende aumentar con la altura, mientras que en los ciclones cálidos tiende a disminuir con la altura, dándose los máximos en capas inferiores.

Los ciclones simétricos – de núcleo cálido o frío -- tendrán campos relativamente simétricos de espesores (como los campos de temperatura  virtual deben, por definición, ser relativamente simétricos); el contrario es también cierto para  los ciclones asimétricos, como a  menudo son los ciclones de latitudes medias. Además, al ser un ciclón tropical un sistema con gran contenido de humedad y altas temperaturas, tendrán un espesor muy marcado entre dos niveles de presión entre capas bajas y niveles medios, por ejemplo 500-1000 hPa. Este gran espesor está preferentemente concentrado alrededor de su centro  y distribuido simétricamente alrededor de él. No ocurre lo mismo con las borrascas extratropicales en su estado de desarrollo y maduro.

Algunos de estos hechos permiten clasificar a los ciclones más por su dinámica interna que por el lugar geográfico en que se forman. La idea de disponer de un esquema rápido de clasificación se presentó inicialmente en los años 90 por Jack Beven del NHC, Nacional Hurricane Center, de EEUU. Más adelante, Bob Hart, entonces estudiante de grado en  Penn St, y hoy profesor de la Universidad  de Florida,  siguió con los estudios de clasificación y encontró unos campos básicos dinámicos y térmicos que definen y resaltan las diferencias fundamentales entre los ciclones de núcleo cálido y frío --  por su simetría y su intensidad con los espesores --  y que se pueden utilizar para clasificar cualquier ciclón dado, basado en la estructura observada o incluso prevista por los modelos numéricos de predicción. Esto no quiere decir que otras características o campos que diferencian a los dos tipos de ciclones no sean importantes pero sí que a través de dos o tres campos es posible llegar a una clasificación fundamental, pero no absoluta en si misma. 

2. - PARÁMETROS PARA CLASIFICAR A LOS CICLONES

En el trabajo originario de  Hart y Evans (ver Referencias finales), donde se clasifican  los ciclones, se analizan siempre que cumplan estos criterios:

• Exista un mínimo local  de presión en los mapas de superficie (dentro de una rejilla o caja de 5º x 5º)  menor que 1018 hPa. 
• Tenga un ciclo de vida de al menos 24 horas, si existe o es previsto por los modelos numéricos de predicción, MNP.

Estos criterios se siguen empleando en las herramientas desarrolladas para tal fin y en el portal correspondiente, aunque levemente retocados, ver referencia final. Con estos dos criterios se trata de centrarse en estructuras de cierto tamaño en superficie, lejos de las bajas de origen orográfico o de pequeña escala. Un ciclo de vida superior a las 24 horas delata cierto grado de organización que va más allá de las bajas mesoescalares de escasa duración.

Para localizar una baja en superficie se utilizan los análisis correspondientes o las salidas previstas de modelos numéricos donde se tenga en cuenta dichas cartas de presión a nivel del mar. La capacidad con que el análisis o previstos de un modelo sea capaz de reproducir una baja en superficie es fundamental, de la misma manera que el MNP, modelo numérico de predicción, la desarrolle y la prediga correctamente. La bondad y posible uso de los diagramas de fases están íntimamente unidos a la bondad y exactitud del MNP. Lógicamente las DANA, Depresiones Aisladas en Niveles Altos, no son tratas adecuadamente en su fase inicial ya que, al ser perturbaciones de niveles, superiores no suelen tener reflejo inmediato y directo en el campo de presión en superficie.

Para cada análisis del modelo y periodos de predicción, cada ciclón es etiquetado  con una “L” en los mapas de análisis de presión a nivel del mar. Para cada ciclón analizado o previsto se puede generar dos diagramas de fase de su evolución.

Parámetros o campos fundamentales de un ciclón usado en los diagramas de fase

Cada ciclón viene caracterizado por tres parámetros fundamentales:

1. "B" Parámetro de asimetría térmica. Es el gradiente de espesor 900-600 hPa relativo al desplazamiento del ciclón.

(1)
donde h vale: 
1 = HN (Hemisferio Norte)
ó
-1 = HS (Hemisferio Sur)

ΔZ_R, es el espesor medio de 900-600 hPa en un semicírculo a la derecha del movimiento del ciclón.

ΔZL, ídem pero a la izquierda.

El espesor medio se evalúa en un semicírculo de 500 km de radio. Este parámetro, B, mide la intensidad de la naturaleza frontal del ciclón. La figura adjunta muestra con más detalle cómo se obtiene B.

Figura 5. El parámetro de asimetría térmica, B, de un ciclón y su cálculo. Fuente: Hart y Evans.

Pueden darse varios casos:

Figura 6a. Valores posibles de B (=0) para espesores altos. Fuente: Hart y Evans.

B = 0

En este ejemplo se ilustra un valor cercano al cero de B. La magnitud de B se calcula como la diferencia en el espesor (sombreado) del semicírculo a la derecha del movimiento y el de la izquierda. Un valor cercano a cero para B indica un ciclón  con características no frontales. El ejemplo anterior estaría inicialmente asociado al diagrama esquemático de un ciclón tropical convencional, que tiene un máximo de espesor en el centro del ciclón (anomalía cálida y de humedad)  y que disminuye casi uniformemente hacia afuera en todas las direcciones.

Figura 6b. Valores posibles de B (=0) pero para espesores bajos. Fuente Hart y Evans.

B = 0

En el siguiente ejemplo también muestra un valor de B cercano a cero pero en este caso los espesores son bajos, muy uniformes y parecidos en los dos círculos. Este es el ejemplo de un ciclón extratropical ocluido.

Figura 6c. Valores posibles de B (>0). Fuente Hart y Evans

B >> 0

El ejemplo siguiente ilustra un valor positivo de B. La derecha del semicírculo del movimiento tiene un espesor substancialmente más grande (más cálido o/y húmedo) que el de la izquierda del movimiento. Así, este diagrama esquemático representaría a un ciclón frontal con fuertes gradientes de temperatura perpendiculares al movimiento de la baja. Este diagrama esquemático es típico de un ciclón intensificándose o maduro de tipo extratropical.

A modo de resumen conceptual tenemos la siguiente figura, figura 7, donde se muestran los valores típicos del parámetro de asimetría térmica, B, para dos tipos de ciclones.

Figura 7. Valores típicos de parámetro B de asimetría térmica y su evolución para los dos ciclones “tipos” y conceptuales: tropical (arriba) y extratropical (abajo). Nótese que al final del ciclo de vida de un ciclón extratropical su valor es 0, sin ser tropical ni haber sufrido una transición (ver detalles más adelante).  Fuente: Hart y Evans.

2. Vientos térmicos de dos espesores: -V_T^L  entre 900-600hPa   y  -V_T^U entre 600-300hPa

Los otros parámetros a utilizar tienen que ver con el valor negativo del módulo de la velocidad del viento térmico en dos campas bien diferenciadas: una de niveles bajos, 900-600 hPa, y otra de niveles superiores, 600-300 hPa.  En las expresiones siguiente, L es indicativo de niveles bajos y U de niveles altos.

Las diferencias de alturas isobáricas se calculan en un radio de 500 km, respecto al centro del ciclón, ver figura 8.

(2)

Por otra parte dicha diferencia es proporcional a la intensidad del viento geostrófico, V_g

(3)

Siendo d= distancia entre los extremos de altura,  f= parámetro de coriolis y g=gravedad.

Por otra parte, el perfil vertical de  Z_MAX-Z_MIN es proporcional al viento térmico, -V_T , si d es constante

(4)

En la figura adjunta se tiene cómo se realizan los cálculos, donde el ciclón se sitúa en el centro de la circunferencia de 500 km.

Figura 8. Obtención de la diferencia de geopotencial Z, para la clasificación de un ciclón tomando como referencia un radio de 500 km. Fuente: Hart y Evans.

Cuando se analiza la estructura vertical de los espesores en niveles bajos de los ciclones de núcleo cálido y frío, se tiene algo parecido a lo mostrado en las figuras adjuntos para dos casos concretos:

1. Ciclón de núcleo cálido: caso del huracán Floyd
   Figura 9. Distribución  vertical de las anomalías de temperatura de un ciclón tropical, en concreto del Floyd,  perfiles de Z_MAX-Z_MIN y -V_T^L. Fuente: Hart y Evans.
   Como puede observarse en la figura  9, las mayores anomalías térmicas, y por tanto de espesores, se dan en capas bajas  en los ciclones bien definidos de núcleo cálido, el valor de -V_T^L  es considerablemente positivo. Por su parte, -V_T^U  sigue siendo positivo, pero menos.
2. Ciclón de núcleo frío: caso de la borrasca extratropical muy intensa
   Figura 10. Distribución  vertical de las anomalías de temperatura de un ciclón extratopical o borrasca de latitudes medias, en concreto de la superbomba de Cleaveland,  perfiles de Z_MAX-Z_MIN y -V_T^L. Fuente: Hart y Evans.
   Para los ciclones extratropicales, especialmente los  más activos y asociados a ciclogénesis explosiva o superbombas, se tiene que tanto  -V_T^L  como  -V_T^U tienen valores negativos,  siendo más negativos cuanto más alto sea el espesor considerado.
   Para los diferentes tipos de ciclones se tiene que el valor negativo del viento térmico es tal que:
   Figura 11. Valores típicos de la magnitud del viento térmico,  -V_T, para los ciclones de núcleo frío y núcleo cálido. Fuente: Hart y Evans.
   Ya se está en condiciones de caracterizar básicamente a los ciclones de escala sinóptica en función de los valores de tres parámetros característicos y fundamentales:
   B         Parámetro de asimetría térmica
-VTL    El valor negativo del viento térmico en capas bajas
-VTU    El valor negativo del viento térmico en capas medias-altas
   Estos parámetros variarán con el tiempo a medida que lo hacen los ciclones y su estructura interna, tanto en su aspecto dinámico como térmico.

Parte II

https://www.tiempo.com/ram/2549/los-diagramas-de-fase-de-los-ciclones-tropicales-y-extratropicales-de-latitudes-medias-parte-ii/

Referencias

Hart, R.E., 2003: A cyclone phase space derived from thermal wind and thermal asymmetry. Mon. Wea. Rev., 131, 585-616.
Evans, J.L. and R. Hart, 2003: Objective indicators of the extratropical transition lifecycle of Atlantic tropical cyclones. Mon. Wea. Rev., 131, 909-925.
Beven, J.L. II, 1997: A Study of Three "Hybrid" Storms. Proc. 22nd Conf. on Hurricanes and Tropical Meteorology, Fort Collins, CO. Amer. Meteor. Soc., 645-646.
Miner, T., P. J. Sousounis, J. Wallman, and G. Mann, 2000: Hurricane Huron. Bulletin of the American Meteorological Society. 81, 223-236.
Mariano Medina, 1976. Meteorología Básica Sinóptica. Editorial Paraninfo.

Más en Internet

Un breve recordatorio, introducción  y  de los diagramas de fase en tiempo real en: https://moe.met.fsu.edu/cyclonephase/