Para demostrar las capacidades mejoradas de los actuales satélites de nueva generación —en concreto, las de los satélites GOES-R—, hemos agregado los casos de estudio de dos accidentes aéreos ocurridos en condiciones de engelamiento en los Estados Unidos. El primero ocurrió temprano la mañana el 19 abril de 2018 en el centro-oeste del estado de Pensilvania, mientras que el otro ocurrió en Nevada en las primeras horas de la noche del 11 de enero de 2018.
Nos centraremos exclusivamente en los datos satelitales actualizados que pueden ser útiles para identificar las regiones de posible engelamiento. En la práctica, los productos de estos satélites de nueva generación se deben utilizar junto con las demás herramientas disponibles para determinar el potencial y la intensidad de las condiciones de engelamiento. Los eventos relacionados con estos casos ilustran la importancia de contar con datos de observación oportunos y útiles para identificar y diagnosticar las condiciones atmosféricas que pueden representar una amenaza para la aviación.
Una vez que haya estudiado estos casos, regrese a la lección y continúe con los casos de estudio originales, los cuales no solo siguen siendo útiles, sino que presentan varios puntos clave que no se mencionan en esta sección.
Estudie las observaciones de las 1200 UTC del 19 de abril de 2018 que se presentan en estas pestañas.
El análisis de superficie de las 1200 UTC (las 8 de la mañana en la zona del este, EDT) muestra dos centros de baja presión conectados por una serie de límites frontales ubicados al este y al sur de la región de Pensilvania. El accidente ocurrió en la masa de aire frío al oeste de dichas estructuras. En superficie se registraban temperaturas entre 0 y 6 °C (30 a 40 °F) y depresiones psicrométricas de 1,6 °C (3 °F) o menos.
Los mapas de altura presentan un entorno sinóptico en el cual predomina una vaguada de gran escala a través de toda la profundidad de la troposfera, con vaguadas en rotación de escala menor en los niveles bajos a través de la región.
Este radiosondeo obtenido al oeste del lugar del accidente indica la presencia de abundante humedad entre la superficie y las capas medias, lo cual apoya la posibilidad de que exista nubosidad entre la superficie y el nivel de 18 000 pies (~5500 m). Se notan un ambiente condicionalmente inestable en la capa entre la superficie y 3000 pies (~900 m) debajo de una capa estable hasta el nivel de 6500 pies (~2000 m) y una serie de capas adicionales de inestabilidad condicional hasta el nivel de 17 000 pies (~5200 m). Esto también apoya la posibilidad de formación de nubes y precipitaciones débiles. El sondeo indica además la posibilidad de acumulaciones de hielo opaco y hielo transparente entre ligeras y moderadas en la capa entre 2300 y 18 000 pies (~700 a 5500 m) con temperaturas entre 0 y -20 °C.
Dada la posibilidad de engelamiento en la capa nubosa entre 600 m y 5500 m (2000 a 18 000 pies), ¿qué indicaciones de la posible existencia de condiciones de engelamiento cabe buscar en las imágenes satelitales? (Escoja todas las respuestas pertinentes).
Las respuestas correctas son a), c) y d).
Dado que las imágenes IR de onda larga (10,3 y 11,2 μm) pueden estimar la temperatura de los topes nubosos y que un rango de temperatura de 0 a -20 °C es favorable para la presencia de gotitas sobreenfriadas, esa información permite inferir la existencia de un potencial de engelamiento en los topes de las nubes.
Hace mucho tiempo que utilizamos los productos de diferencia nocturnos para niebla como los de diferencia de temperatura de brillo IR de onda larga menos IR de onda corta (p. ej.: 10,3 μm – 3,9 μm) para identificar las nubes que se componen de gotas de agua. Los valores de diferencia positivos indican la presencia de gotitas de agua, mientras que los valores cerca de cero y negativos indican la presencia de hielo. El producto diferencia del GOES-R también se utiliza como dato de entrada en un producto RGB diseñado para distinguir los tipos de nubes (p. ej.: las nubes de agua de las de hielo) que se conoce como RGB microfísica nocturna (Nighttime Microphysics). Es importante recordar que, de forma análoga a las imágenes de una sola banda, estos productos derivados solo detectan las condiciones en los topes de las nubes y no ofrecen información específica sobre las capas por debajo de dicho nivel. Para obtener información adicional acerca de estos dos productos visite las guías rápidas de los productos diferencia nocturna para niebla (Night Fog Difference) en http://rammb.cira.colostate.edu/training/visit/quick_guides/ y microfísica nocturna (Nighttime Microphysics) en https://www.meted.ucar.edu/satmet/goes_resources/sport_quick_guides_es/QuickGuide_GOESR_NtMicroRGB_Final_20171026_es.pdf.
La reflectancia (el albedo) de las nubes en las imágenes visibles se puede utilizar para inferir el potencial de engelamiento en los topes nubosos. En el visible, la reflectancia de una nube aumenta con su espesor (la profundidad y concentración de humedad en la nube) y su contenido de agua líquida. No obstante, es preciso examinar las imágenes con cuidado, ya que es probable que el tope de una nube espesa (p. ej.: una nube convectiva profunda) contenga hielo pese a presentar una reflectancia similar a la de otras nubes convectivas cercanas que se componen principalmente de gotitas de agua. Por supuesto que es probable que las nubes convectivas más profundas que contienen hielo en los niveles más altos, como los cumulonimbos, contengan una carga considerable de agua sobreenfriada en las capas por debajo de dichos niveles.
Si bien las tres bandas de vapor de agua a bordo del GOES-R son sensibles a las nubes y a la humedad, la humedad que detectan se encuentra mayormente por encima del nivel de las nubes. La presencia de cirros muy delgados o de nubosidad fragmentada puede limitar la vista de las estructuras de humedad en niveles inferiores. Sin embargo, esto no nos informa sobre las condiciones de temperatura y de humedad en la capa nubosa y debajo de ella, dos aspectos más importantes a la hora de evaluar la posible existencia de condiciones de engelamiento.
Ahora que ha examinado los datos de las observaciones sinópticas convencionales y ha tomado conciencia de la posibilidad de condiciones de engelamiento, veamos qué información adicional pueden aportar los productos satelitales.
Examine estos tres productos y luego conteste la pregunta que sigue. Las imágenes en el IR cercano e IR tienen una frecuencia de cinco minutos.
¿Cuáles de estos productos permiten identificar más claramente las regiones de posible engelamiento? (Escoja todas las respuestas pertinentes).
Las respuestas correctas son b) y c).
Las imágenes visibles son útiles para identificar el manto nuboso y los brillantes topes reflectantes se pueden relacionar con la presencia de gotitas de agua. Sin embargo, no es fácil determinar la altura de los topes nubosos, ni tampoco dónde su temperatura baja al rango que implica el mayor riesgo de engelamiento (entre 0 °C y -20 °C).
Las bandas IR de onda larga «limpias» (10,3 y 11,2 µm) aportan información sobre la temperatura de los topes nubosos, una indicación de su altura y del potencial de engelamiento. Sería útil contar con información adicional sobre la fase del agua en las nubes.
La imagen de la banda IR cercana de 1,6 µm proporciona información sobre la fase del agua en los topes nubosos durante el día. Las gotitas de agua en las nubes reflejan la radiación solar entrante, por eso tienen un aspecto más brillante que las nubes que contienen partículas de hielo, las cuales absorben esta longitud de onda de la radiación solar y se ven más oscuras. Todo esto es similar a lo que acostumbramos ver en las imágenes más tradicionales de la banda IR de onda corta de 3,9 µm, las cuales también pueden ser útiles para identificar la fase del agua en los topes nubosos.
Utilice los tres colores para delinear en la imagen IR las áreas correspondientes a las distintas fases del agua de los topes nubosos sobre Pensilvania. Trace en verde el contorno de las áreas de topes nubosos que contienen agua líquida, en magenta las que contienen una mezcla de agua líquida y hielo y en naranja las que contienen principalmente hielo.
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La resolución mejorada de 2 km de la banda IR de onda larga de 10,3 µm del GOES-16 presenta una buena aproximación de la temperatura de los topes nubosos. En la imagen se nota que un manto de nubes estratiformes predomina en grandes partes del oeste y el centro de Pensilvania y que hay un poco de nubosidad convectiva en el sudeste del estado. La temperatura de brillo de la mayoría de estas estructuras oscila entre 0 °C y -25 °C. En el oeste de Pensilvania, la temperatura de brillo de los topes nubosos parece bajar a un rango algo más frío (entre -15 °C y -25 °C), lo cual indica una mayor probabilidad de condiciones de hielo mixto o de topes nubosos con concentraciones de cristales de hielo incluso más altas. El radiosondeo de la ciudad cercana de Pittsburgh permite estimar la altura de los topes nubosos en aproximadamente 10 400 pies (~3150 m).
Aunque los productos del GOES-16 en el visible, IR cercano (1,6 µm) e IR de onda larga (10,3 µm) ofrecen información útil, existen otros productos capaces de presentar una imagen más clara de las posibilidades de engelamiento.
La cobertura espectral expandida de los instrumentos más modernos a bordo tanto de satélites geoestacionarios como en órbita polar permite caracterizar con mayor claridad varias propiedades de las nubes, como su fase y el tamaño de las partículas que contienen, lo cual puede ayudarnos a definir mejor el riesgo de engelamiento. El gran número de bandas de imágenes adicionales a considerar puede dificultar la elección de las más apropiadas para una tarea de detección en particular.
¿Cómo podría un producto RGB ayudarle a perfeccionar su análisis de una posible amenaza de engelamiento? (Escoja todas las respuestas pertinentes).
Las respuestas correctas son a), b) y c).
Las imágenes RGB aprovechan las capacidades de detección de varias bandas satelitales individuales y las presentan en un único producto combinado que puede simplificar la interpretación de una escena.
Un producto que resulta particularmente útil para identificar el potencial de engelamiento es el RGB diferenciación diurna de la fase de las nubes (Day Cloud Phase Distinction, DCP). Este producto, que se desarrolló principalmente para detectar los topes nubosos que contienen agua y hielo, combina la información de las tres bandas que acabamos de ver. La información de reflectancia de las bandas en el visible e IR cercano de 1,6 µm ayuda a distinguir entre las fases de agua y de hielo en las nubes. La información de temperatura de la banda IR de onda larga de 10,3 µm indica si las estructuras nubosas son de nivel alto o bajo, identifica las regiones de topes nubosos en el rango de temperaturas de 0 °C a -20 °C (condiciones favorables para el engelamiento) y ayuda a distinguir las superficies terrestres y oceánicas cálidas de las frías.
Al igual que cualquier imagen visible o infrarroja, el producto RGB no puede detectar las capas nubosas en niveles bajos ocultas por la nubosidad más alta, a menos que esta presente zonas abiertas o que se componga de cirros muy delgados.
Para obtener información adicional acerca de la combinación específica de bandas espectrales empleada, pautas de interpretación y ejemplos, consulte la guía rápida para el producto RGB diferenciación diurna de la fase de las nubes (Day Cloud Phase Distinction, DCP) en la página de guías rápidas de VISIT.
El producto RGB diferenciación diurna de la fase de las nubes (Day Cloud Phase Distinction, DCP) puede proporcionar información útil para diagnosticar las posibles condiciones de engelamiento cerca del nivel de los topes nubosos, donde las observaciones del satélite en el visible e infrarrojo son más sensibles.
El estudio de Rauber y Tokay (1991) demostró que las gotitas de agua líquida tienden a acumularse en una capa de varios centenares de metros de espesor en los niveles más altos de las nubes estratiformes, lo cual significa que las observaciones satelitales pueden ser eficaces en muchas situaciones relacionadas con las condiciones de engelamiento.
Examine la animación del producto RGB DCP y nuestro análisis anterior de la imagen IR de 10,3 µm de las 1242 UTC que se presentan a continuación y luego conteste la pregunta.
A partir de lo que ve en estos dos productos, use la pluma para perfeccionar su análisis del potencial de engelamiento en la imagen siguiente.
Herramienta: | Tamaño: | Color: |
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Utilizando el rango de temperatura de 0 °C a -20 °C como guía para identificar el mayor potencial de engelamiento en la imagen IR, observamos una región extensa en ese rango que cubre gran parte de Pensilvania. El análisis indica la existencia de nubes de hielo en el estremo noroeste del estado, donde las temperaturas infrarrojas bajan a menos de -20 °C, y la posibilidad de nubes con una mezcla de agua y hielo y algunas estructuras de nubes convectivas sobre el este y el sudeste extremos.
El producto RGB DCP ayuda a confirmar esta situación y aclara un poco el análisis. Vemos principalmente topes nubosos de agua líquida a través del norte y el centro de Pensilvania, con posibles nubes en proceso de glaciación y también nubes de hielo en niveles más altos en el extremo oeste del estado (los tonos de verde a amarillo a naranja). También se nota un poco de nubosidad de niveles medios (en tonos rosa a magenta) entre el oeste de Pensilvania y el sudoeste de Ohio, donde los colores indican la presencia de gotitas de agua. En la animación del producto RGB DCP, los movimientos relativos y la textura de las estructuras nubosas indican que los topes nubosos de hielo que se observan en el noroeste de Pensilvania bien podrían ser cirros en niveles altos que se desplazan de SO a NE por encima de un manto de estratos subyacente.
Este mapa muestra los informes de piloto (PIREP) que mencionan engelamiento en la región cerca del lugar del accidente (marcado por el círculo negro) durante el período de dos horas antes y dos horas después del momento del accidente. Pase el cursor sobre cada lugar para ver el PIREP correspondiente.
Los informes ayudan a validar las observaciones satelitales que indicaban condiciones favorables para el engelamiento en los topes nubosos con temperaturas entre 0 °C y -25 °C y una extensa capa nubosa estratiforme de gotitas de agua. Los informes PIREP individuales indican engelamiento (IC) de ligero (LGT) a moderado (MOD) a entre 4000 y 12 000 pies (1200 a 3600 m) de altura, siendo el modo de engelamiento predominante la formación de hielo opaco (RIME) a hielo mixto (MIX).
No todos los episodios de engelamiento ocurren durante el día. A continuación estudiaremos un evento que ocurrió en las primeras horas de la noche.
En las primeras horas de la noche del 11 de enero de 2018, a eso de las 1800 PST (hora estándar del Pacífico, equivalente a las 0200 UTC), una avioneta civil se estrelló en la pendiente este de las montañas Ruby del nordeste de Nevada, a una altura aproximada de 3000 m (10 000 pies).
La situación sinóptica sobre el norte de Nevada al final de la tarde presentaba una onda corta en niveles medios y altos con un frente frío asociado al oeste, sobre los estados de Washington y Oregón.
¿Por qué en este caso se necesita un producto RGB satelital diferente?
La respuesta correcta es a).
El accidente ocurrió aproximadamente una hora y media después del anochecer, de modo que los productos satelitales que dependen de las bandas visibles y de infrarrojo cercano, los cuales incluyen un componente solar, no hubieran servido para monitorear el manto nuboso en ese momento. Esto excluye todos los productos RGB diurnos, como el de diferenciación diurna de la fase de las nubes (Day Cloud Phase Distinction o DCP) que vimos en relación con el accidente en Pensilvania.
Por suerte, los satélites de la generación GOES-R actual utilizan varias bandas infrarrojas de onda corta y de onda larga de alta resolución (2 km) que permiten detectar las nubes e identificar sus fases por la noche.
Dado que el accidente tuvo lugar antes de que el GOES-17 pasara a ser el nuevo satélite GOES-Oeste operativo, examinaremos los datos captados por el GOES-16 (GOES-Este), el primer satélite de la serie GOES-R.
Examine la animación y luego conteste la pregunta.
Identifique los lugares que le parecen más preocupantes en términos de posibles condiciones de engelamiento. (Escoja todas las respuestas pertinentes).
Las respuestas correctas son b), c), d) y e).
Esta escena contiene varios tipos de nubes y propiedades de nubes diferentes. Las opciones b), c), d) y e) indican el posible de riesgo de engelamiento. Los colores en estos puntos indican principalmente topes nubosos de niveles medios que comprenden agua o una mezcla de agua y hielo. Las temperaturas IR cotejadas con el radiosondeo obtenido en la estación cercana de Elko, Nevada, a las 0000 UTC indican que los topes nubosos están cerca del nivel de 15 500 pies (~4700 m) y que las temperaturas están cerca de los -12 °C. Es probable que las nubes en el punto A sean cirros de niveles altos entre gruesos y delgados, mientras que el punto F marca una gruesa nube en niveles medios-altos compuesta principalmente de partículas de hielo.
El accidente ocurrió cerca del punto D.
Es importante señalar que los colores de este RGB tienen buenas probabilidades de variar, lo cual repercute en la interpretación de la imagen. Los factores que influyen en estos cambios son la hora del día (especialmente en el período de transición de la noche al día y viceversa), la estación (cambios de temperatura y en el aporte de la componente solar en 3,9 µm) y el ángulo de observación más oblicuo del satélite.
Este mapa muestra dos informes de piloto (PIREP) que mencionan engelamiento en la región cerca del lugar del accidente (marcado por el círculo negro) durante el período de dos horas antes y dos horas después del momento del accidente.
Aunque informes provienen de lugares a entre 70 y 80 km de distancia al norte del lugar del accidente, son lo suficientemente cercanos para representar el ambiente meteorológico de la zona. Los informes ayudan a validar las observaciones satelitales que indican condiciones favorables para el engelamiento en los topes nubosos cargados principalmente de agua o de una mezcla de gotitas de agua y hielo con temperaturas entre -3 °C y -15 °C (según el sondeo obtenido en Elko a las 0000 UTC, dos horas antes del accidente). Los dos PIREP indican la formación de hielo opaco (RIME/RM) ligero (LGT) a hielo mixto (MX) moderado (MOD) entre 12 000 y 17 000 pies (~3600 a 5100 m) en el interior de la nubosidad estratiforme entrecortada que existía en ese momento.
Para obtener información adicional sobre la combinación de bandas espectrales empleadas, una guía de interpretación y ejemplos, consulte la guía rápida del producto RGB microfísica nocturna (Nighttime Microphysics) en la página de Recursos de formación multilingües para los satélites de la serie GOES-R.
En la próxima página volveremos a considerar el accidente de Pensilvania para mostrar algunos productos provisionales más avanzados que se están sometiendo a pruebas.
Tanto el potencial como la intensidad del engelamiento en aeronaves dependen de distintas propiedades meteorológicas, como la temperatura en la nube, su contenido de agua líquida y el tamaño de las gotitas. Las considerables mejoras en la resolución espacial, temporal y espectral de los satélites GOES-R nos ha permitido incorporar descripciones más exactas de las propiedades de las nubes que definen mejor el riesgo de engelamiento y, en consecuencia, mejoran la generación actual de productos para detectar las condiciones de engelamiento. Los algoritmos empíricos extraen de los datos satelitales la información de fase en los topes nubosos, temperatura, espesor óptico, radio efectivo de las gotitas y contenido de agua líquida integrado en la vertical y la emplean para inferir tanto la probabilidad de engelamiento (baja, media o alta) como su posible intensidad (ligera, moderada o mayor, o fuerte).
Los productos derivados para engelamiento también aprovechan varios otros datos de entrada para mitigar algunas limitaciones de las observaciones satelitales en relación con la evaluación del engelamiento debajo del tope nuboso, como los ambientes con múltiples capas de nubes superpuestas y cuando los cirros en niveles altos ocultan algunas capas inferiores en las cuales existe el riesgo de engelamiento.
Encontrará información adicional sobre los productos de la actual generación de satélites para evaluar el potencial de engelamiento en la página de NASA Langley sobre engelamiento en aeronaves.
Volvamos a considerar el accidente en Pensilvania: examine los productos satelitales de evaluación del potencial de engelamiento y compárelos con el RGB diferenciación diurna de la fase de las nubes (Day Cloud Phase Distinction o DCP) y luego conteste las preguntas que siguen.
Las respuestas correctas están resaltadas arriba. Conteste la pregunta siguiente.
¿Cómo contribuyen estos productos indexados a reforzar su análisis del potencial para engelamiento?
Algunos productos más avanzados, como los productos para engelamiento basados en datos satelitales que se presentan en esta página, emplean algoritmos que permiten incluir como datos de entrada varias bandas espectrales, observaciones y datos de los modelos numéricos. Los algoritmos obtienen las estimaciones cuantitativas a partir de dichos datos de entrada. Las estimaciones crean una representación más exacta de las propiedades de las nubes que nos ayuda a identificar tanto el rango de probabilidad como la intensidad potencial del engelamiento en un lugar en particular. Cada producto derivado y realce RGB tiene sus propias ventajas y en el uso los distintos productos se complementan mutuamente.
Fíjese otra vez en las imágenes IR y RGB y en los productos derivados para engelamiento y luego conteste las preguntas que siguen.
¿Cuáles son los beneficios clave de cada uno de estos productos?
Las respuestas correctas se identifican arriba. Conteste la pregunta siguiente.
¿Por qué conviene utilizar estos productos conjuntamente?
Las imágenes satelitales, ya sea de bandas únicas o de combinaciones de bandas (como el RGB DCP), ofrecen un vistazo del manto nuboso y el potencial de engelamiento. Los realces de color de las imágenes IR se pueden ajustar para centrar la atención en ciertos rangos de temperatura de interés. En el caso análogo de los realces RGB, los colores indican diferentes propiedades de las nubes, como las fases de hielo y agua líquida en los topes nubosos. La elevada resolución espacial (1 km para las bandas en el visible e IR cercano y 2 km para las bandas IR) y la frecuencia de actualización de 5 minutos de las imágenes del GOES-R producen observaciones frecuentes y detalladas que permiten monitorear los cambios en el manto nuboso casi en tiempo real.
En la actualidad, se ofrecen productos derivados con frecuencia horaria que brindan información cuantitativa adicional, como el índice de engelamiento y la altura de los topes engelantes, los cuales ayudan a definir mejor la situación y aumentan nuestra conciencia del riesgo potencial de engelamiento. Los algoritmos que generan dichos productos aprovechan varias fuentes de datos satelitales, así como datos de observación y de salida de los modelos numéricos, para presentar un análisis tridimensional más completo de las posibles condiciones de engelamiento.
Además de las imágenes y los productos derivados del GOES-R que se presentan en esta lección, los satélites JPSS en órbita polar cuentan con capacidades espectrales similares —y con una resolución espacial aún más fina— que pueden ayudarnos a monitorear el peligro de engelamiento. Las observaciones de estos satélites son incluso más valiosas en regiones de latitudes altas, donde la resolución de los productos de los satélites geoestacionarios se degrada debido al ángulo de observación más oblicuo. En latitudes altas, las observaciones de los satélites en órbita polar también son más frecuentes, debido al mayor solapamiento de la cobertura en órbitas consecutivas.
Las observaciones de la generación actual de satélites geoestacionarios y en órbita polar ofrecen capacidades mejoradas, como resoluciones espectrales, espaciales y temporales más altas, para evaluar y monitorear el peligro de engelamiento en vuelo. Además de las imágenes de bandas individuales, el mayor número de bandas espectrales permite generar productos RGB capaces de caracterizar la fase en los topes nubosos tanto de día como de noche. Los productos cuantitativos para engelamiento también siguen mejorando su representación del potencial de engelamiento a medida que fusionan y aprovechan los datos de entrada de varias bandas satelitales, plataformas de observación convencionales y modelos de predicción numérica del tiempo. Es importante aprovechar las herramientas cada vez más potentes que tenemos a nuestra disposición para producir la información de pronóstico más útil posible.
Para obtener más información acerca de los accidentes en los cuales se centran los casos de estudio, consulte los informes de accidente de la Junta Nacional de Seguridad en el Transporte (National Transportation Safety Board, NTSB) de los EE. UU. por medio de los enlaces proporcionados en la página «Materiales de referencia».
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Rauber, R.M. y A. Tokay, 1991: An explanation for the existence of supercooled water at the top of cold clouds. J. Atmos. Sci.,48 (8), 1005-1023.
NTSB, 2018: National Transportation Safety Board, Aviation Investigation CEN18FA144. Consultado en https://data.ntsb.gov/Docket?ProjectID=97066
NTSB, 2018: National Transportation Safety Board, Aviation Investigation WPR18FA073. Consultado en https://data.ntsb.gov/Docket?ProjectID=96615