Desde las tormentas ordinarias a los grandes sistemas de tormentas organizados

Francisco Martín León, meteorólogoEl objetivo de este trabajo es presentar un conjunto de imágenes de focos convectivos o tormentosos con diferentes grados de organización que van desde la simple tormenta ordinaria hasta los grandes sistemas convectivos tomados desde la EEI.Artículo de noviembre de 2009. Recuperado en agosto de 2011.

Colaboraciones de la RAM Colaboraciones de la RAM 29 Ago 2011 - 16:27 UTC

Estos últimos sistemas, los que poseen mayor organización y tamaño, son capaces de ocupar la cuarta parte o más de la península ibérica y de generar lluvias torrenciales e intensas. En algunos lugares del mundo la llegada de estas estructuras precipitantes es esperada como "pan bendito" por la tierra seca ya que generan periodos de lluvias vitales para mantener la vida.

La novedad de esta presentación es que no se van a utilizar las cásicas imágenes de satélites convencionales ni las de radar para explicar estas estructuras. Por contra, se van a usar fotos tomadas desde la EEI, Estación Espacial Internacional, y dar una visión más realista que por ejemplo de lo que se ve desde tierra o satélite, con sus limitaciones de resolución espacial y temporal.

Generalidades

Las nubes convectivas son aquellas en las que en su seno se desarrollan fuertes corrientes ascendentes y descendentes, ocupando grandes proporciones en la vertical. Normalmente estas nubes suelen desarrollar tormentas y rayos. Por dicho motivo, también se les denomina tormentosas por su capacidad de generar gran cantidad de descargas eléctricas.

Las nubes convectivas o tormentosas, empelaremos este último término aunque estrictamente es el mejor el primero, crecen en la vertical y horizontal. Gracias a la presencia del vapor de agua atmosférico podemos verlas en sus colores blanquecinos, tanto más cuanto más espesas sean, mejor iluminadas y mayor sea el contenido de agua líquida. Al crecer se encontrarán con tapaderas o inversiones térmicas que tratarán de impedir su desarrollo vertical. Si las corrientes ascendentes no son muy intensas la parte superior de la nube no podrá romper dicha tapadera y el tope nuboso se extenderá de forma divergente y expandiéndose a lo largo de dicha superficie. Si la corriente ascendente es muy intensa, podrá romper la tapadera, perforarla y seguir creciendo.

Hay una inversión o tapadera inhibidora de los desarrollos que es la tropopausa, situada una altura de 12 Km, aproximadamente sobre latitudes medias, sobre la que se encuentra la estratosfera. La tropopausa en como una membrana casi irrompible e impenetarble, que impide que las nubes "salten" a la estratosfera. Pero aún así las corrientes ascendentes más intensas a ese nivel pueden perforarla momentáneamente para dar lugar a unas protuberancias temporales que llegan a modificar a dicha membrana. Estos son los torreones convectivos se les denomina en ingles “overshooting tops” o simplemente torreones o domos convectivos.

Las corrientes ascendentes de la nube en la tropopausa la perforan temporalmente pero la nubosidad queda retenida a la vez que el flujo en dicho nivel genera zonas amplias de nubosidad cirriforme. Son los cirros de origen cumulogenitus que formados por cristalinotes de hielo brillan y reflejan la luz solar de forma menos clara e intensa. Su forma caracteristica a un yunque, hace que se les llame con dicho nombre.

En la siguiente figura se observa el modelo conceptual del ciclo de vida de una tormenta, o foco convectivo, ordinaria que se desarrolla verticalmente en un ambiente sin cizalladura (el viento no cambia con la altura, ni en dirección ni en intensidad). En el pie de figura te llevará a un link con una animación más clara de lo que acontece en una nube convectiva (Fuente, COMET).

Link a una animación (fichero wmv) de una nube convectiva ideal donde se aprecian sus principales elementos: corrientes ascendentes y descendentes, torreones y cirros cumulogénitus. Fuente COMET.

Fotos desde la EEI y diferentes tipo de focos convectivos

Tormentas ordinarias: torreones y cirros cumulogénitos

Una de las formas de manifestarse la convección es mediante los focos convectivos ordinarios o tormentas ordinarias. Son aquellas donde las corrientes ascendente y descendentes de desarrollan verticalmente en la misma zona, de tal forma que al final las descendencias erosionan las ascendencias y la nube desaparece en un corto periodo de tiempo: la propia convección que se ha desarrollado para eliminar los desequilibrios de temperatura y humedad se autodestruye. Su ciclo de vida es muy corto, dependiendo del sensor que utilizamos para detectar a la tormenta: desde el punto de vista radar puede durar entre 30 min., y una hora, desde el punto de vista de los rayos, o menos. Desde satélite la estructura puede perdurar algo más de una hora. Un chubasco convectivo de corta duración suele ser lo más significativo desde el punto de vista de la precipitación.

Descarga Grande Medio OriginalCumulonimbus sobre Canadá, 19 agosto de 2003 a las 18:13:39.563 GMT

visto por la EEI (Expedición 7)

Latitud: 49.6 • Longitud: -113.1 • Altitud: 202 millas náuticas • Azimut solar: 148° • ángulo solar de elevación: 50°

Detalle de la imagen anterior. Foco convectivo ordinario y sus elementos característicos: torreón, cirros cumulogénitus, Ci cum., Zonas de corrientes ascendentes (descendentes). Nivel de la Inversión, cúmulos realzados, Cu, y sombra. Nótese la verticalidad de la estructura, hecho que denota la ausencia de cizalladura vertical del viento en la zona.

Tormentas organizadas: la cizalladura

Cuando la velocidad o dirección del viento cambia con la altura, o existe cizalladura vertical del viento, entonces la convección que se desarrolle se pude organizar. Dicha organización se manifiesta de diferente forma:

  • Las corrientes ascendentes se inclinan en la dirección del viento con la altura
  • Las corrientes descendentes, cuando aparecen, caen desacopladas de las ascendentes y no erosionan a las primeras.
  • Las corrientes descendentes cercanas en superficie generan los frentes de racha que a su vez actúan para reforzar a las nuevas corrientes ascendentes y desarrollar nuevos focos convectivos.
  • El proceso se repite de forma que aparece un ciclo de vida de creación continuada y desplazamiento de focos convectivos donde se distinguen unas células madres otras hijas, y este ciclo se repite.
  • El resultado es que disponemos de tormentas organizadas cuyos ciclos de vida pueden ser de varias horas, ocupando porciones espacio-temporales mayores que las ordinarias.

Son la tormentas organizadas que pueden dar lugar episodios de lluvias intensas e incluso persistentes de varias decenas de minutos y generar otros efectos en superficie (granizo, vientos fuertes e incluso tornados) dependiendo del grado de organización.

Si pudiéramos sobrevolar desde el espacio a una de estas nubes veríamos como la inclinación de las torres convectivas es notoria, como los cirros convectivos se extienden corriente abajo y, sobre todo, como existen células convectivas de menor tamaño o hijas que crecen a expensas de la célula madre, repitiéndose el ciclo de vida hasta que las condiciones les sean poco propicias.

Dos focos convectivos bien desarrollados con cierta inclinación en su estructura vertical y cirros expandiéndose en la dirección de viento en niveles altos. Todo ello debido a la cizalladura ambiental.

Detalle de uno de ellos. Nótese que siguen persistiendo la presencia de torreones y cirros cumulogénitos como en el caso de las tormentas ordinarias. En su parte izquierda se ven nuevas células convectivas “hijas”.

Descarga Grande Medio OriginalSistema tormentoso en un entorno de cizalladura sobre el Golfo de México, 8 octubre a las 22:17:44.585 GMT

Vistos por el EEI (Expedición 15)

Latitud: 29.5 • Longitud: -88.0 • Altitud: 183 millas náuticas Azimut solar : 254° • Angulo de elevación solar: 15°

Debajo de las zonas más activas es probable que se estén desarrollado fuertes chubascos de origen convectivo. En la zona trasera donde se extienden los cirros de origen convectivo la precipitación, si existe, suele ser más persistente, continua y menos intensa pero no por eso menos importante.

Tormentas muy organizadas: los SCM y CCM

La gran mayoría de las lluvias intensas y torrenciales, que se atribuyen a la pintoresca “gota fría”, se suelen producir por estructuras de tal grado de organización, ciclo de vida y tamaño cuyas dimensiones observadas por satélite pueden ocupar más allá de varias provincias españolas, por ejemplo. Este es el caso de las tormentas súper organizadas y de dimensiones colosales conformadas por un conjunto de tormentas agrupadas unas veces en línea y otras veces en forma de “racimos” que se autogeneran en sucesivas células madres e hijas y todas ellas “unen sus esfuerzos” para crear un ente vivo que va más allá de una simple tormenta. El resultado de todo ello son los llamados, técnicamente, Sistemas Convectivos de Mesoescala, SCM, y cuando son de dimensiones colosales y cumples unos criterios de tamaño en las imágenes infrarrojas se les denomina Complejos Convectivos de Mesoescala, CCM. Son los que en última instancia generan las fuertes lluvias torrenciales y lluvia continua persistentes, dependiendo donde nos encontremos debajo de ellas. Veamos un ejemplo en la figura siguiente.

Todas las tormentas juntas: observando elementos singulares

Descarga los tamaños: Grande Mediano Original

Imagen tomada el 20 de agosto de 2007 a las 22:17:35.634 GMT, vista desde la International Space Station (Expedition 15). Latitud: 51.3 • Longitud: -94.1 Altitud: 184 Millas náuticas Azimuth del sol: 253° • Angulo de elevación solar: 29°

Elementos individuales de la escena

Tomando como referencia la anterior imagen vamos a tratar de analizar los elementos singulares más importantes, etiquetados como 1, 2…5. Las zonas nubosas a analizar están marcadas en la anterior figura. Hay otros elementos significativos pero se los dejamos al lector que los descubra.

1.- Tormenta ordinaria

Junto al gran Sistema Convectivo de Mesoescala nos encontramos un conjunto de focos convectivos de diferente grado de desarrollo vertical posiblemente generado por el frente de racha. Hemos tomado uno de ellos en la siguiente figura. Nótese la diferencia de tamaño entre ambos. Y entre éste elementos y el resto de lis cúmulos y Cb que le rodean. La tormenta analizada ya se ha desarrollado, está soportada por corrientes ascendentes en su parte superior y se encuentra en su fase final del ciclo de vida.

2.- Nubes alimentadoras en niveles bajos

Las grandes tormentas deben ser alimentadas desde niveles bajos por flujos intensos de aire húmedo e inestable. A veces existen máximos de viento en capas bajas dirigidos a la parte más activa para mantener y ser fuente alimentadora de estos sistemas. La interacción de esta masa de aire inestable con el sistema da lugar a estructuras nubosas convectivas en forma de capas o mantas de nubes de menor altura que el sistema y que forman parte del sustrato alimentador. A medida que se acercan en su conjunto experimenta la cercanía del SCM y son realzadas en sus cercanías.

3.- Torreones, protuberancias o domos convectivos

Son los elementos nubosos que sobresalen de la capa continua de cirros cumulogénitos, Estas protuberancia llegan a perforar o modificar la membrana cuasi impenetrable de la tropopausa. Las sombras son elementos característicos de estos domos sobre las nubes más bajas y continuas. Si la geometría sol-domo-nube es la adecuada, entonces las sombras son notorias.

Dichos torreones están soportados por intensas corrientes ascendentes al nivel de la troposfera alta. Es de suponer que debajo de dichas corrientes ascendentes están los núcleos de precipitación más intensos como se vera más adelante.

4.- Zona estratiforme o de cirros cumulogénitus del SCM

La nubosidad estratiforme trasera de los SCM está formada básicamente por una manta o cubierta nubosa de cirros como topes nubosos muy fríos. Es el yunque. Debajo del sistema cirriforme se extiende una gran capa de nubosidad y lluvia estratiforme que puede dejar en superficie cuantiosa precipitación. Estas precipitaciones son de carácter continua y persistente y dejan grandes cantidades en zonas que posteriormente se pueden ver afectadas por las lluvias convectivas ligadas al propio SCM.

Nótese que el manto de cirros no es plano, por el contrario es posible observar estructuras ondulatorias que en las animaciones o realces en las imágenes infrarrojas están asociadas en determinadas condiciones ondas gravitatorias producidas por los torreones al modificar la tropopausa; como la hace una piedra al tirarla a un estanque de agua tranquila.

5. Otras estructuras cercana de gran tamaño

Los grandes SCM se pueden desarrollar con otras estructuras convectivas, como se ha visto anteriormente con las tormentas ordinarias. En este caso además existen otras estructura de gran tamaño donde se desarrollan de nuevos torreones, cirros cumulogenitus, frentes de racha, nubes alimentadoras, etc. Como se muestra en esta imagen

Zonas y “tipos” de lluvia de estos SCM

Estos sistemas tormentosos muy organizados, como los SCM, CCM y las líneas de turbonadas, suelen desarrollar dos zonas de lluvias bien diferenciadas y representadas en a siguiente figura. El sistema conceptual es visto desde arriba y en gris está representado las zonas nubosas. Las zonas precipitantes se dibujan en la escala adjunta en lluvia débil, moderada y fuerte con posible granizo.

Las dos zonas de lluvias o de precipitaciones de estos sistemas en su fase madura son:

  • Zona de lluvia convectiva o tormentosa. Es una zona ocupada por los núcleos compactos de precipitación intensa que en el radar están ligados a lluvia muy intensas y a veces con granizo. En las imágenes de satélites y en su tope superior aparecen los torreones sobresalientes de la capa de cirros. Los núcleos más intensos suelen dejar intensidades muy altas en breves periodos de tiempo, generando a veces lluvias de carácter torrencial. En la fase inicial solo aparecen estas estructuras y en la fase de disipación desaparecen, quedando sólo la lluvia estratiforme, continua y suave.
  • Zona de lluvia estratiforme. Suele aparecer en la fase madura como consecuencia del desarrollo de a nubosidad estratiforme corriente debajo de los grandes focos tormentos y ligadas a la lluvia intensa. Esta son de nubosidad estratiforme es de origen convectivo pero no se suele llamar como tal al ser las precipitaciones más suaves y continuas. Cuando el entorno es rico en humedad las precipitaciones que alcanzan el suelo suelen tener estas características. Por el contrario, si el entorno es seco la precipitación estratiforme difícilmente llega al suelo y sus efectos se suelen dejar sentir porque al evaporarse se enfría el aire más de lo que se debería calentar al descender y aparecen descendencias localmente intensas. Hay que hacer notar que en determinadas ocasiones las precipitaciones continuas y persistentes pueden generar tantos problemas o más que las propias ligadas la convección.

Vista superior de un SCM en forma de línea de turbonada con las zonas de lluvia fuerte, moderada y débil. La zona gris es la zona nubosa vista por satélite. Corte AB en ésta y la siguiente figura. Fuente TEMPOweb.

Corte vertical A-B de un gran SCM donde se observan las corrientes ascendentes y descendentes dentro de la estructura nubosa: dos regiones de precipitación aparecen en la figura: la convectiva y estratiforme.

Conclusiones

En este artículo se ha tratado de visualizar y analizar las imágenes obtenidas desde la EEI que nos ofrecen una perspectiva única. Aunque sea el radar meteorológico el encargado de detectar las zonas de lluvia, desde la perspectiva satelital cercana es posible identificar ciertos elementos que nos ponen en guardia del tamaño, organización y complejidad de los grandes sistemas tormentosos con sus torreones sobresaliendo del escudo compacto de los topes cirriformes. Las nubes alimentadoras de capas bajas, las nubes forzadas a elevarse por los frentes de rachas generados por el sistema, debajo del cual se encuentran las grandes masas nubosas.

Los grandes grupos de tormentas de gran organización, poseen tamaños espectaculares, si lo comparamos con la simple tormenta ordinaria que suele llevar asociado un chubasco sin más. Estos grandes sistemas se le denominan técnicamente Sistemas Convectivos de Mesoescala, SCM, y los de mayor tamaño, según unos criterios predefinidos en la imágenes de satélite, Complejos Convectivos de Mesoescala, CCM. Todos ellos se caracterizan por poseer dos zonas de lluvias significativas:

- La zona de lluvia intensa donde se generán las precipitaciones más dañinas, ligadas a la convección más activa y las tormentas más virulentas, y

- La zona de lluvia estratiforme y continua que aunque tiene su origen en la propia convección, es la zona más amplia de lluvia estratiforme y “trasera” que se genera corriente abajo de las tormentas más activas.

El grado de organización de estos sistemas es muy complejo y pueden no sólo ocupar grandes extensiones sino que además su ciclo de vida puede llegar a ser superior a un día.

Por último, indicar que las persistentes e intensas lluvias generadas por estos sistemas organizados tormentosos son las que en general causan los daños e inundaciones en las zonas mediterráneas y en época otoñal. Estás grandes tormentas organizadas son las que popularmente se le conoce como “gota fría”. Término pintoresco y no técnico de una realidad ajena al mundo meteorológico internacional y moderno, reliquia de un pasado llamativo y que se ha instalado en el lenguaje popular y en el periodístico de baja calidad técnica que tan sólo busca titulares llamativos.

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