Imagen única: Vórtices mesoescalares en las imágenes de vapor de agua

Vórtices mesoescalares en las imágenes de vapor de agua:

Estructura en “diente de sierra”

Francisco Martín León

Meteorólogo

Palabras claves. Imágenes de vapor de agua, vorticidad, zonas de deformación, curvatura, cizalladura, mesoescala, niveles altos.

Introducción

Las imágenes de vapor de agua, WV, nos ofrecen, en determinadas ocasiones, espectáculos a los que estamos poco acostumbrados si la comparamos con sus homólogas de tipo visible, VIS, e infrarroja, IR. Este es el caso de las imágenes del 15 de enero de 2006. La imagen que tomaremos de referencia es de las 18 UTC por su espectacularidad en cuanto al número de remolinos ciclónicos que se observan en ella. Más adelante os ofrecemos una secuencia del WV del día comentado para ver la evolución de estos vórtices ciclónicos.

En la imagen superior podemos ver un conjunto de familias de vórtices orientados de norte a sur. Destaca por su tamaño y número los situados en la zona de Europa occidental, que arrancan desde el Mediterráneo y alcanzan las latitudes escandinavas. Estos vórtices son de dimensiones espaciales del orden de decena a centenas de kilómetros y su ciclo de vida puede durar desde unas horas a algún día. Sus dimensiones y ciclo de vida caen dentro de la escala denominada Mesoescala, lejos de los grandes vórtices ciclónicos asociados a borrascas de tipo Sinóptico de mayor extensión (horizontal y vertical, y ciclos de vida del orden de días). Otras series de vórtices se indican en la figura asociados a una vaguada profunda al oeste de la península Ibérica, tanto en su parte delantera como trasera.

En este reportaje nos centraremos en analizar someramente los remolinos ciclónicos de niveles altos del día 15 de enero de 2006 de mayores dimensiones. Antes de entrar en materia de este trabajo repasaremos algunos conceptos básicos sobre interpretación de imágenes de WV, los conceptos de vorticidad y zonas de deformación.

La familia de vórtices mesoescalares de niveles altos se puede orientar de otras formas, como se muestra en la imagen siguiente de WV06.2 del día 30 de enero a las 06 UTC. En este caso, los remolinos ciclónicos se disponían de este a oeste, desde centro Europa hasta Irlanda.

Imagen de WV06.2 del 30 de enero de 2006 a las 06 UTC. Imagen de Eumetsat - Universidad de Dundee.

Algunas consideraciones básicas

Sobre la interpretación de las imágenes de vapor de agua, WV

Los canales de WV del Meteosat (MET8 tiene dos, y el MET 7 tiene uno) usan las bandas de absorción del vapor de agua atmosférico, de forma tal que en dichas imágenes vemos justamente eso: la distribución espacio temporal del vapor de agua que hay en determinadas capas de la atmósfera. Cuando nos referimos a la distribución de humedad incluimos las zonas secas, las propiamente húmedas y zonas nubosas.

En las longitudes de onda de dichos canales (0.62, 0.73 um, WV06.2 y WV0.73, respectivamente) la radiación que sale de la superficie terrestre, a una temperatura Ts, es absorbida por la capa de aire húmedo que se encuentra sobre ella. Parte de esa señal es reemitida por dicha capa hacia arriba y hacia abajo. Cuanto mayor sea el contenido de vapor de agua de la capa, mayor radiación absorberá la capa comentada y menor será la emita hacia arriba. Obsérvese que por este motivo se está perdiendo parte de la información que nos viene de superficie: el vapor de agua absorbe parte de la información que viene de niveles inferiores.

Este proceso se repite en las sucesivas capas de forma tal que el vapor de agua de la atmósfera irá absorbiendo y reemitiendo la energía radiativa e iremos perdiendo por absorción la información térmica que nos viene de niveles inferiores.

Por el contrario, en niveles superiores de la troposfera, y capas superiores, el contenido de vapor de agua es muy pequeño y, por lo tanto, las capas superiores de la troposfera emitirán una energía en dichas longitudes de onda que será captada por el satélite sin ser absorbida o alterada.

Al satélite, en las longitudes de onda de WV (y en particular en las longitudes de onda de 0.62 um) no le llegará información térmica de los niveles inferiores y de la superficie terrestre, al ser absorbida por el vapor de agua atmosférico de niveles superiores de la troposfera. En la troposfera alta la radiación térmica emitida por las capas superiores no será absorbida por el vapor de agua de capas inmediatamente más alta, por no haber más vapor de agua.

En resumidas cuenta en las imágenes de vapor de agua (WV06.2) estaremos viendo, mayormente, contribuciones o información de la humedad en niveles altos, como si fuera “una radiografía térmica” de la alta troposfera, pero no se observará ni llegará información de las capas bajas y superficie.

Con tres trazadores como elementos fundamentales, en las imágenes de WV06.2 veremos zonas de humedad, secas y de nubosidad de la alta troposfera. Al haber tres trazadores en las imágenes de WV (las imágenes IR y VIS sólo tienen uno: las nubes), las estructuras de la alta troposfera (e incluso baja estratosfera) aparecen más continuas, tanto espacial como temporalmente.

Por lo tanto, las imágenes de WV y sus secuencias nos suministran información de la dinámica de alta troposfera. No podemos asignar un nivel, digamos 300 hPa, a la información que nos suministra dicha imagen. A niveles prácticos y operativos se suele comparar y superponer con ciertos campos de 300 ó 250 hPa.

Más información sobre los canales de WV puedes encontrarlos en las referencias finales y, en espacial, en los módulos TEMPOweb del INM.

Sobre la vorticidad en la atmósfera y sus tipos: curvatura y cizalladura

La vorticidad es una medida del grado e intensidad del giro de las partículas en un fluido, como es el aire, que a su vez se ve sometido al propio giro de la Tierra. En la RAM ya han sido tratados los conceptos básicos de vorticidad.

Se remite al lector para más información en estas RAMs:

Y aquí puedes ver ejemplos y animaciones conceptuales donde se explican las ideas de vorticidad por curvatura y cizalladura.

http://meted.ucar.edu/norlat/sat_features/vort_max_concept.htm

De los anteriores reportajes tenemos que (ver figura superior para un resumen rápido):

- La vorticidad se puede generar bien por giro o curvatura como lo haría las partículas u objetos de un tío vivo, o bien por cizalladura (cambio de la intensidad de viento con la distancia). Por lo tanto, tendremos en la atmósfera giros ciclónicos o vórtices por curvatura y cizalladura. Los huracanes y ciclones tropicales son buenos ejemplos de vórtices ciclónicos donde predomina con creces la curvatura: las partículas giran alrededor del centro del ciclón. Los máximos de vientos de latitudes medias y vientos donde la velocidad decrece o crece con la distancia son ejemplos donde se dan vórtices por cizalladura. Por otra parte y en el hemisferio norte, decimos que la vorticidad es positiva/negativa si las partículas o el fluido giran (por curvatura o cizalladura) en sentido contrario/ a favor de las agujas de un reloj. Las vaguadas y borrascas llevan asociadas máximos de vorticidad ciclónica; por el contrario, los anticiclones y dorsales llevan asociados mínimos de vorticidad. En el hemisferio sur los sentidos se invierten para las borrascas, vaguadas, ciclones y anticiclones.

En la atmósfera y en las cercanías del chorro o circulaciones donde el módulo de la velocidad cambia con la distancia pueden aparecer vórtices por cizalladura aún no existiendo giro como tal. Pero lo que es más importante: el tipo de vorticidad se puede transformar. De aquí que:

- En la atmósfera, y en los fluidos en general, suelen existir procesos de transferencias de vorticidad por cizalladura a curvatura y viceversa. Basta pensar, por ejemplo, en un chorro (que lleva asociada en si mismo vorticidad por cizalladura) en 300 hPa que toma una orientación norte –sur, se desgaja de la circulación madre, dando lugar a una DANA (Depresión Aislada en Niveles Altos), que en el fondo es un centro de vorticidad amplio generado por una circulación ciclónica cerrada por curvatura. En la génesis de formación de una DANA tiene lugar en niveles altos un proceso de transformación de vorticidad de cizalladura a curvatura. Hay otros procesos atmosféricos donde ocurre lo contrarío: la vorticidad por curvatura se transforma en cizalladura.

- Una zona con vorticidad (ciclónica o anticiclónica) forma parte del flujo general atmosférico y, normalmente en latitudes media, está embebida en el flujo general atmosférico del oeste sin apariencia de rotación. Esta rotación embebida en flujos intensos casi paralelos quedando remarcada y realzada en los campos de vorticidad que proporciona los modelos numéricos de predicción. En otras palabras, en los flujos intensos pueden existir embebidas rotaciones (y deformaciones como veremos más adelante) que se pueden analizar mediante los campos de verticidad, propiamente dicho.

Sobre zonas de deformación

Una zona de deformación es un área que, desde el punto de vista cinemático, posee un eje contracción y otro de dilatación y donde las masas nubosas, áreas de polvo o de humedad-sequedad, se dilatan y contraen sin modificación aparente del área que ocupan. Las zonas de deformación se observan con facilidad en situaciones casi estacionarias como amplias zonas de contrastes entre áreas nubosas y no nubosas, áreas húmedas-secas que se elongan, dilatan y se contraen con el tiempo sin generar nubes, tan sólo modifican la forma de las ya pre existentes.

En la imagen siguiente se observan los elementos fundamentales de una zona de deformación pura.

En la parte izquierda A representa un área nubosa o de un trazador. Su extensión no se ve alterada pero sí su forma cuando se deja en un campo de deformación. Dos lados se contraen y los otros dos se elongan a lo lardo de DD, que es el eje de dilatación. El eje perpendicular es el de contracción. Las flechas representan el flujo, en este caso, respecto a los puntos cardinales.

En la parte derecha se tiene la típica zona de deformación que une a dos vórtices ciclónico, X, en el hemisferio norte y que se suele observar en las imágenes de satélite.

Las zonas de deformación se pueden encontrar dentro de estructuras más amplias con centros de vorticidad ciclónico y anticiclónico, como se muestra en este diagrama conceptual de estructura en “champiñón o ancla”, de la siguiente imagen. En estos casos los centros de rotación curvan los ejes de dilatación y contracción.

X y N representan centros de rotación ciclónica y anticiclónica en el hemisferio norte, respectivamente. DD y CC son los ejes de dilatación y contracción, respectivamente. J es la señal de un máximo de viento. En la parte de la izquierda de la anterior figura se han señalado las zonas de deformación, en rosa, embebidas en el flujo absoluto.

Con todos estos elementos pasemos a describir la imagen de vapor de agua que nos ocupa y ha sido objeto del análisis.

Condiciones sinópticas

El día 15 de enero de 2006 la situación sinóptica estuvo dominada por una dorsal en altura cuyo eje se orientaba de norte a sur al este de la península. Un potente anticiclón de bloqueo aparecía en la vertical de Polonia. Mientras, una vaguada muy profunda se situaba en 500 hPa al oeste de la Península y una depresión cerrada se localizaba en la vertical de Italia. El sistema europeo baja-anticiclón desarrollaba un flujo del sureste que impedía que las vaguadas atlánticas penetrasen con facilidad en Europa. Un rosario de vórtices mesoescalares se aprecian sobre diferentes puntos que van desde España a Suecia pasando por Francia y Alemania. Todo el sistema se trasladaba en niveles altos hacia el este. Obsérvese en el siguiente mapa la amplia zona de deformación sinóptica que aparece sobre Europa: un gran eje de dilatación orientado desde la Península hasta Escandinavia y un eje de contracción desde Turquía hasta la frontera franco-belga.

Mapa de 500 hPa del 15 a las 18 UTC. Geopotencial en línea continua, temperatura según la escala de colores adjunta. Fuente NOAA/NECP y Meteoblue.ch.

Ídem que en el caso anterior pero líneas de corriente, en blanco, e isotacas, en m/s, en el nivel de 250 hPa. Fuente NOAA/NECP y Meteoblue.ch.

Evolución de las imágenes de vapor de agua

Es muy útil, antes de analizar la imagen de 18 UTC, observar una evolución de los vórtices durante todo el día 15 en esta secuencia de imágenes de WV del MET7. Pinche para ver la secuencia.

Nos centraremos en la familia de vórtices que se generan de norte a sur en la línea de deformación ondulada que atraviesa la Península. Algunos de los vórtices se ponen de manifiesto al ir ganado curvatura a medida que pasa el tiempo (se transfiere vorticidad de cizalladura a curvatura). Otros ya son vórtices ciclónicos bien definidos con una circulación casi cerrada. Nótese que el sistema globalmente, se traslada en el flujo general de oeste a este en la anterior animación.

Aquí puedes ver una secuencia de imágenes IR del MET7. En este caso las bandas nubosas subyacentes a los vórtices se ven alteradas por la presencia de estos en altura y sobre ellas.

Como se puede ver en la secuencia, sobre una zona de deformación, que no es pura, se generan unos vórtices por la cizalladura del viento que se amplifica, se disponen como “dientes de una sierra de cortar” (de aquí el nombre subjetivo que se le ha dado al título del artículo). En su evolución posterior, se amplifican y al final de su ciclo de vida, si no han desaparecido antes, llegan a configurar vórtices de curvatura.

Campos derivados: Problema de la resolución de los modelos

Los modelos numéricos suelen ser muy útiles para analizar y diagnosticar estas estructuras tan llamativas. Pero existe un problema inherente a ellos: su resolución. Estos vórtices suelen poseer unas dimensiones relativamente pequeñas cuando se comparan con la resolución de los modelos numéricos, sobre todo con los disponibles en Internet. Por lo tanto, los centros de vorticidad de mesoescala que estamos analizando no suelen ser captados individualmente por los modelos numéricos y sus campos derivados, pero sí nos ofrecen una luz sobre los entornos donde se desarrollan.

Las imágenes de WV son las que mejor nos ponen de manifiesto su presencia ya que son de niveles altos y suelen dar forma a las estructuras de humedad en dichos niveles. Si existe nubosidad, estos vórtices generan sobre ellas formas curvadas, pero sólo allí donde la nubosidad está presente. En este caso sí se observa como algunas bandas de nubes se retuercen por la presencia de dichas perturbaciones de altura.

Como su origen hay que buscarlo en la troposfera alta deberemos emplear mapas de niveles altos. Hemos tomado el nivel de 300 hPa (se podría tomar otro de parecidas características como 200 ó 250 hPa) como referencia del análisis. Un campo ideal sería el de vorticidad relativa (geostrófica) en dicho nivel que nos cuantifica el grado de rotación del flujo atmosférico sin tener en cuanta la rotación terrestres. Si los vórtices están muy bien definidos y poseen cierto grado de penetración atmosférica, entonces podremos verlo en los mapas de vorticidad relativa en 500 hPa. No suelen reflejase en niveles inferiores tan claramente.

Como podemos ver en los siguientes mapas, los vórtices coinciden con una zona alargada y rica en vorticidad en diferentes niveles

Mapa de 500 hPa, geopotencial en línea continua y vorticidad pero en una zona más reducida. Un filamento de vorticidad relativa se orienta de sur a norte en la vertical de Francia coincidiendo con los vértices en la imagen de WV. Fuente NOAA/NCEP-meteoblue.com

Desgraciadamente la resolución de los remolinos y la de los modelos utilizados, hacen que no podamos discriminarlos y analizarlos individualmente.

Con lo expuesto hasta ahora podemos analizar la imagen inicial de partida. En la siguiente imagen ponemos algunos elementos cinemáticos que hemos considerados interesante.

Consideraciones operativas

Los vórtices de mesoescala de niveles altos generados en zonas de deformación no puras suelen estar asociados a máximos de vorticidad en altura (300-500 hPa). Se suelen observar nítidamente en las imágenes de vapor de agua al conformar zonas ciclónicas. Inicialmente son vórtices generados con la cizalladura horizontal del viento que encuentran una zona favorable para su desarrollo y amplificación. Su evolución natural es la de generar vórtices ciclónicos por curvatura, debido a la transferencia de vorticidad de cizalladura a curvatura. Los mapas de vorticidad relativa en 300 hPa y en 500 hPa suelen dar una señal orientativa de su posición y evolución sinóptica, aunque los modelos no suelen reflejarlos con los detalles deseados. Suelen tener un reflejo en niveles inferiores y conformar a la nubosidad subyacente, siempre que exista, y realzar ciertas zonas nubosas por la advección de vorticidad que generan, provocando ascensos en dichas zonas. Otros reflejos de estos vórtices se suelen dar en el campo de vorticidad potencial y en el campo térmico en 500 hPa. En el último caso, llevan asociados mínimos relativos de temperatura que, lógicamente, tampoco son reflejados como se desearía en los mapas de los modelos de baja resolución. En verano, y gracias al calentamiento diurno, pueden desarrollar convección en ausencia de nubosidad pre existente, si otros ingredientes convectivos se dan en la misma zona (inestabilidad y humedad). El canal del WV 06.2 (06.2 um para el MET8) es ideal para analizarlos y estudiarlos.

Referencias

- Secuencia generada de WV

Universidad de ULM. Departamento de dispositivos electrónicos y circuitos

http://meteosat.e-technik.uni-ulm.de/meteosat/index.html

- Mapas y modelos obtenidos de www.meteoblue.ch

- Módulos TEMPOweb del INM

Identificación de nubes de satélites: Canal de WV

http://www.inm.es/web/sup/ciencia/divulga/tempoweb/ins/index.htm

Diagnóstico de Niveles altos

http://www.inm.es/web/sup/ciencia/divulga/tempoweb/gtdiag/gtdiag.htm

- Sobre vorticidad en la atmósfera

Vorticidad por curvatura y cizalladura

http://meted.ucar.edu/norlat/sat_features/vort_max_concept.htm