Perea Hitos, Carlos

Revista Tiempo y Clima

Spanish

Agencia Estatal de Meteorología

TIEMPO Y CLIMA   enero 2016  Nº 51321.- introducciónEl estado de la atmósfera influye cada vez más en la activi-dad humana. De entre toda la fenomenología adversa a que pue-de dar lugar, destacan las supercélulas y los tornados (los cua-les pueden estar asociados a supercélulas o no). Una supercélula se define como una estructura convectiva que se caracteriza por la presencia de un mesociclón persistente que afecta a una par-te importante de la corriente ascendente. Hoy día se acepta que debe persistir al menos 20’, que es el tiempo medio estimado que invierte una burbuja en recorrer la totalidad de corriente ascen-dente, y ocupar al menos ¼ de la profundidad de la corriente as-cendente  (Markowski, 2010).Aparte de la caracterización dinámica y térmica del entorno convectivo, hay una variable física, la helicidad, que nos permite identificar zonas en las que potencialmente se pueden desarro-llar supercélulas y/o tornados. Disponer de mapas espaciales de este parámetro puede permitir la emisión de alertas tempranas a la población. A continuación veremos lo que representa la helici-dad y los distintos tipos de cálculo, así como la revisión concreta de los valores de dicha magnitud en un caso concreto de torna-do, donde se pone de manifiesto el importante valor añadido que presenta la helicidad efectiva relativa a la tormenta.2.- la Helicidad y el tÉrMino de inclinación  en la ecuación de la tendencia de vorticidadLa helicidad es una magnitud física asociada a los fluidos en movimiento y mide en cada punto la proyección de la vorticidad en la dirección del movimiento del fluido. En meteorología, la he-licidad se suele calcular respecto al movimiento horizontal (   ) de la corriente ascendente denominándose ‘Helicidad Relativa a la Tormenta’ (con acrónimo SRH en inglés) y matemáticamente viene expresada por:            donde    es el campo de velocidad horizontal del fluido y     la ve-locidad horizontal de movimiento de la corriente ascendente. La helicidad la podemos visualizar como un ‘sacacorchos’ girando, cuyo eje estuviera alineado con el movimiento del fluido. La vorticidad se define matemáticamente como el rotacional del campo de velocidades (              ), y es una medida del giro o rotación en cada punto del campo de velocidades. Al ser un campo vectorial consta de tres componentes. Aquí nos interesa ver cómo las componentes horizontales de la vorticidad y su giro asociado se puede transformar en rotación vertical, generadora del mesociclón característico de las supercélulas. La respuesta nos la proporciona la ecuación de la tendencia de la vorticidad vertical, que se presen-ta a continuación, y en la que se han despreciado el término vorti-cidad planetaria y la generación baroclima de vorticidad vertical.                                                              (1)                    2)                                         (3)El cambio de la vorticidad vertical con el tiempo (          ) cons-ta de tres términos: el primero se denomina ‘de advección’ (1) y está relacionado con la existencia de un campo previo de vorti-cidad vertical, el segundo se denomina ‘de inclinación’ (2), y el último es el ‘de estiramiento’ (3). Estos últimos son mecanismos de generación de vorticidad vertical, al no necesitar de la existen-cia de un campo de vorticidad previo. El término ‘de inclinación’ depende de gradientes verticales de la velocidad horizontal (que es lo que denominamos cizalladura vertical del viento), y de gra-dientes horizontales de la velocidad vertical (que es lo que suce-de en las proximidades de una corriente ascendente). Pues bien, en ambientes con cizalladura vertical del viento y en la proximidad de corrientes ascendentes se puede producir una transferencia de vorticidad horizontal a vorticidad vertical y por tanto es probable la generación de supercélulas (figura 2). La dificultad estriba en el cálculo del valor de la helicidad. De su de-figura 1: vorticidad horizontal anticiclónica fruto de la existencia de cizalladura vertical de viento. se observa cómo el vector vorticidad horizontal es perpendicular al vector cizalladura. fuente: the comet Programfigura 2: transferencia de vorticidad horizontal a vorticidad vertical en un ambiente con cizalladura vertical del viento y en la proximidad de una corriente ascendente convectiva. fuente: the comet ProgramCarlos perea Hitos. aemet, málagala Helicidad efectiva en el Pronóstico de suPercÉlulas y tornados→→→→∫ Χ∇−= dzVCVSRH hzzh )()(21→→→→∫ Χ∇−= dzVCVSRH hzzh )()(21→→→→∫ Χ∇−= dzVCVSRH hzzh )()(21→→→→∫ Χ∇−= zVCVSRH hzzh )()(21=∇+∇−=∂∂ →→ ωωζζ vt=∇+∇−=∂∂ →→ ωωζζ vt→×∇= Vω→×∇= Vω=∇+∇−=∂∂ →→ ωωζζ vt zwyvxu∂∂−∂∂−∂∂−ζζζzwyvxu∂∂−∂∂−∂∂−ζζζywxwzuxwzvyw∂∂∂∂−∂∂+∂∂∂∂−∂∂+ywxwzuxwzvyw∂∂∂∂−∂∂+∂∂∂∂−∂∂+zwyuxv∂∂∂∂−∂∂+. .asociación Meteorológica esPañola33finición vemos que depende de la velocidad de movimiento hori-zontal de la corriente ascendente (   ), y del espesor de la atmos-fera que se use para su cálculo. Pequeñas variaciones en estos valores pueden dar lugar a grandes cambios del valor de la heli-cidad. Bunkers (1998) y Thompson (2006) en sendos experimen-tos intentaron delimitar el valor de la velocidad de movimiento de la tormenta, y del espesor idóneo para el cálculo de la helicidad.3.- el eXPeriMento de M. J. bunKers sobre las cÉlulas divididasTradicionalmente se ha tomado como vector movimiento de las células convectivas el viento en 700 hPa, o el viento medio de un cierto espesor de la atmosfera ajustado de manera que inten-te reproducir el movimiento real. En concreto se tomaba el 75% del viento medio de los 6 primeros km girado 30º a la derecha. Estos métodos no eran útiles en ciertas situaciones en que las cé-lulas observadas se movían hacia la izquierda del viento medio.Es un hecho observado que en un determinado ambiente con-vectivo con importante cizalladura vertical del viento, las tormen-tas con cierto desarrollo pueden dividirse (storm-splitting) en dos que se mueven, respectivamente, a la derecha e izquierda del vien-to medio como se observa en la figura 3. La helicidad calculada para cada una de ellas puede ser muy diferente pues tienen mo-vimientos distintos. En el experimento se trató de correlacionar el movimiento real de un conjunto de supercélulas (moviéndose a derecha e izquierda del viento medio) con valores del perfil del viento observado. La conclusión fue que el error en el movimien-to de las células divididas se minimizaba tomando su posición en la hodógrafa 7.5 m/s a la derecha (VRM ) y 7.5 m/s a la izquier-da (VLM) del viento medio de los 6 km inferiores como se mues-tra en la imagen de la derecha de la figura 3.  4.- el eXPeriMento de ricHard l. tHoMPson sobre la caPa efectivaEl segundo factor de incertidumbre en el cálculo de la helici-dad es la determinación de los niveles de integración. Tradicional-mente se ha tomado como estrato de integración el que compren-de 1 km o 3 km hacia arriba desde el suelo. Aunque puede tener algún fundamento físico, no deja de ser una elección un tanto ar-bitraria. El objetivo es encontrar un estrato, definido por su base y tope, que sea representativo del flujo horizontal que puede es-tar alimentando la corriente ascendente de la supercélula, pues es la helicidad de ese flujo la que estamos interesados en calcular. Flujos alimentadores compuestos por ‘burbujas’ con mucho CIN (Convective Inhibition), o que teniendo poco CIN desarrollen en su ascenso poco CAPE (Convective Available Potencial Energy),  difí-cilmente van a contribuir al desarrollo de la corriente ascendente. El experimento de Richard L. Thompson trata de delimitar el estrato de integración a burbujas que cumplan unos valores ade-cuados conjuntos de CIN y CAPE. Para ello ejecutó un modelo de alta resolución temporal y vertical, en el entorno de un con-junto de supercélulas observadas. Se calculó las pareja de valo-res (CIN-CAPE) para burbujas representativas de cada uno de los niveles en la vertical del modelo de alta resolución utilizado, y se encontró que la pareja de valores (CAPE=100 J/kg, CIN=250 J/kg) permitía definir un estrato en el 95% de las supercélulas ob-servadas sin aumentar mucho los casos de falsas alarmas. Así, este estrato de integración llamado ‘capa efectiva’, estaría limita-do por la base efectiva, primer nivel en el que se cumple el crite-rio de (CIN, CAPE) y el tope efectivo, primer nivel en el que deja de verificarse la condición.Así pues, la helicidad calculada para las células divididas, por el método de Bunkers y en la capa definida por el espesor efecti-vo nos proporciona la helicidad efectiva5.- eJeMPlo. Helicidad efectiva en un caso real de un tornadoPara finalizar, en la figuras 4 y 5 se representan las helicida-des relativas a la tormenta calculadas según distintos métodos a partir del modelo IFS actualmente operativo en el ECMWF, para el día 16 de septiembre de 2014 a 12 UTC en el que se produjo un tornado en Valdelamusa (Huelva). Estuvo acompañado de tormen-ta y lluvias fuertes y fue clasificado como EF1 en la escala de Fu-jita. Hay que tener en cuenta que la aplicabilidad operativa de la helicidad no sólo vale para supercélulas sino también para deter-minados tipos de tornados de cierta entidad.En la figura 4, en la primera fila se muestra la helicidad cal-culada por el método ‘clásico’ en el que se toma como movimien-to de la corriente ascendente el 75% del viento medio de los 6 km junto al suelo girado 30º hacia la derecha, en las capas con es-pesores de 1 km y 3 km desde el suelo. En la segunda fila apare-ce la helicidad calculada por el método de Bunkers de las célu-las divididas (con movimientos a izquierda y derecha del viento →→→→∫ Χ∇−= dzVCVSRH hzzh )((21figura 3: storm-splitting como se observaría en una imagen radar (figura de arriba) y valores del vector movimiento de las células divididas (a derecha e izquierda del viento medio) representados sobre una hodógrafa (figura de la izquierda). la línea verde indica el vector cizalladura. los vectores movimiento de cada célula se sitúan 7.5 m/s a izquierda y derecha del viento medio de los 6 km junto al suelo, sobre una perpendicular al vector cizalladura. fuente: the comet Program y elaboración propia.TIEMPO Y CLIMA   enero 2016  Nº 5134medio) con espesores de 1 km y 3 km junto al suelo, Por último, en la figura 5, se muestra la helicidad efectiva, que es la helici-dad calculada por el método de Bunkers de las células divididas en la capa efectiva.La helicidad calculada por el método clásico se caracteriza por dar señales muy extensas y valores altos. La helicidad calculada por el método de Bunkers sigue dando señales extensas aunque el valor lo reduce ligeramente. Por último la helicidad efectiva redu-ce considerablemente el área con señal significativa (>150 m2 s-2 ) ajustándola bastante bien al área en donde se produjo el tornado como se aprecia en la imagen de la derecha de la figura 5. En conclusión podemos decir que el uso de la helicidad efec-tiva  proporciona un alto valor añadido al pronóstico de tornados y supercélulas. Hay que subrayar que no es suficiente con que haya valores altos de la helicidad efectiva (150 m2 s-2 ), sino que es necesario que ésta se de en zonas dónde se estén produciendo corrientes ascendentes. Por otra parte, en el área de la Península Ibérica y Mar Medi-terráneo, existen indicios de que el mero hecho de que exista una capa efectiva, aunque la helicidad efectiva calculada en sea capa sea pequeña (menores de 100-150 m2 s-2), también puede ser útil para el pronóstico  de algún tipo de fénomeno extremo como llu-vias fuertes, granizo o trombas marinas.referencias PrinciPalesl bunkers, M. J., b. a. Klimowski, J. W. zeitler, r. l. thompson, and M. l. Weisman, 2000: Predicting supercell motion using a new   hodograph technique. Wea forecasting, 15, 61-79.l r. l. thompson, c. M. Mead and r. edwards, 2006: effective storm-relative helicity and bulk shear in supercell thunderstorm  environments.l P. Markowski, y. richardson, 2010: Mesoescale Meteoroloy in Mi-dlatitudes.  Wiley-blackwell.la Helicidad efectiva en el Pronóstico de suPercÉlulas y tornadosfigura 4: se representa en la primera fila la helicidad ‘clásica’ calculada en los espesores de 1 km y 3 km junto al suelo. en la segunda fila la helicidad calculada por el método de bunkers para las células divididas, en los espesores de 1 km y 3 km junto al suelo, junto a los vectores movimiento (C) de las células divididas.Helicidad (srH) calculada a 1km y 3kmfigura 4: Helicidad efectiva para las células que se mueven a izquierda y derecha y vectores movimiento (C) de las células divididas. en la zona de ocurrencia del tornado (marcada con una cruz), la helicidad efectiva de las células con movimiento a derecha muestra valores altos en torno a 150  m2 s-2.Helicidad efectiva calculada para células divididas en la capa efectivaHelicidad (bunKers) calculada a 1km y 3km para células divididas a izquierda y derecha 

La helicidad efectiva en el pronóstico de supercélulas y tornados

https://repositorio.aemet.es/bitstream/20.500.11765/9583/1/TyC_2016_51%285%29.pdf

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