Esta lección explora cómo los modelos de predicción numérica del tiempo (PNT) representan tanto los procesos microfísicos (precipitación) de escala de malla como los procesos convectivos mediante técnicas de parametrización y métodos explícitos. La lección pone el énfasis en cómo el tratamiento de dichos procesos (y los errores en su activación) en el modelo afectan a la representación de la precipitación y a las variables de pronóstico relacionadas. El contenido que sigue corresponde al rectángulo «Física» del diagrama «La PNT y el pronóstico del tiempo».
Usted trabaja en la oficina de predicción regional de Nueva Gales del Sur (Australia) en la estación cálida. Tanto las observaciones como los modelos indican que se formará convección profunda durante la tarde.
El modelo que usted utiliza como guía indica 20 mm de lluvia en las sierras al oeste de Sydney y 1-2 mm en la ciudad.
Sin embargo, durante la tarde hubo crecidas repentinas en el distrito central de la ciudad. ¿Qué ocurrió? Esta lección considera las posibles causas de este error de pronóstico.
Cuando complete esta lección, podrá:
Los procesos de convección y de formación de la lluvia suelen ser de escala inferior a la malla del modelo, de modo que ambos se deben parametrizar. Esta lección examina dos tipos de parametrización de la precipitación:
parametrización de la convección (PC): el método empleado en los modelos para incluir los efectos de la convección a través de la redistribución de la temperatura y la humedad en una columna, a fin de reducir la inestabilidad atmosférica.
microfísica: la emulación en los modelos de los procesos de nubes y precipitación que eliminan el exceso de humedad atmosférica producido directamente por la dinámica del modelo que modifica los campos de viento, temperatura y humedad pronosticados.
Considere la importancia relativa de los esquemas de parametrización de la microfísica y de los campos de forzamiento del modelo en el desarrollo de un pronóstico de precipitación. De acuerdo con su experiencia, ¿cuál de los siguientes parámetros es el menos importante para producir un pronóstico de precipitación? Escoja la mejor respuesta.
La respuesta correcta es e).
La figura siguiente muestra la relación entre los procesos de precipitación y otros componentes del modelo. El esquema de parametrización de la microfísica se considera menos importante que los parámetros de forzamiento (advección de viento, movimiento vertical, humedad y temperatura), ya que esencialmente dichos parámetros impulsan el esquema. De hecho, estos campos de forzamiento se consideran críticos para el pronóstico de precipitación y cuando son incorrectos el pronóstico de precipitación del modelo no puede ser exacto. Cabe notar que algunos modelos de PNT reincorporan los hidrometeoros de las nubes y la precipitación generados por la parametrización de la microfísica en el esquema de asimilación de datos, a fin de reducir el tiempo de inicialización necesario para generar las nubes y la precipitación.
Aunque por lo general el forzamiento en la gran escala y el balance hídrico asociado son los factores que regulan la cantidad de agua que generará un sistema atmosférico en particular, la parametrización de la microfísica determina la distribución espacial y temporal exacta de la precipitación en el modelo.
Tenga presente que los modelos no representan el movimiento vertical de la misma forma que la advección de viento, humedad y temperatura. El movimiento vertical es una magnitud derivada que resulta directamente de las interacciones entre los parámetros anteriores. En este sentido, los modelos no suelen representar la posición ni la intensidad del movimiento vertical con la misma exactitud que la advección de viento, humedad y temperatura. Por consiguiente, a menudo los errores en los campos de movimiento vertical del modelo conducen a errores en el pronóstico de precipitación.
¿Cuáles de las siguientes afirmaciones acerca de los modelos son correctas? Escoja «Verdadero» o «Falso».
Las opciones correctas se muestran arriba. La mayoría de los modelos pronostican mejor la dinámica de la atmósfera (temperatura, alturas, humedad y vientos), mientras que su habilidad para manejar la física de cualquier tipo es más susceptible a errores, especialmente en relación con los procesos de precipitación.
Dada la complejidad de los procesos de precipitación reales de la atmósfera, comprender cómo los modelos los tratan es uno de los principales desafíos de los predictores y los modelizadores. Esta lección le ayudará a comprender mejor los procesos de precipitación de los modelos de predicción numérica y a usar su experiencia para mejorar los pronósticos de precipitación del modelo.
El resto de esta sección presenta los métodos empleados para producir la precipitación y las nubes en los modelos.
En la naturaleza, la convección no solo produce precipitación, sino que transporta calor hacia arriba y redistribuye la humedad, estabilizando la atmósfera. Si se produce suficiente convección sobre un área suficientemente grande, también puede generar chorros asociados a las corrientes de salida y vórtices en niveles medios, e impulsar así grandes circulaciones atmosféricas que llegan a afectar a las condiciones meteorológicas en lugares distantes. Los modelos deben tratar de tener en cuenta estos tipos de efectos convectivos mediante los esquemas de parametrización.
Los esquemas de parametrización de la convección (PC) se diseñan principalmente para:
Es importante observar que:
Los esquemas de PC necesitan un mecanismo de disparo que inicialice la convección en el modelo. Esto suele requerir la existencia de CAPE, aunque también pueden incluirse otros factores, como la convergencia de humedad, un sondeo húmedo, un espesor mínimo de la nube, una capa de inversión poco profunda o un ambiente desestabilizador.
Una familia de esquemas, los llamados «de ajuste convectivo», modifica el perfil de temperatura a lo largo del tiempo y la convección cesa cuando el perfil alcanza su estado final. Dicho perfil puede ser una adiabática saturada o un perfil posconvectivo tipo elegido por la climatología.
Otra familia de esquemas, los llamados «de flujo de masa», no define un perfil final establecido si no que intenta parametrizar los principales procesos que redistribuyen el calor y la humedad. Los esquemas complejos suelen ser esquemas volumétricos, ya que incluyen la media del conjunto de nubes de distintos grosores. La serie de modelos ACCESS y el modelo del Centro Europeo de Predicción a Plazo Medio (CEPPM/ECMWF) son dos ejemplos que usan un esquema de este tipo.
Los modelos pueden usar esquemas de convección simples o complejos. Indique cuáles de las siguientes son las desventajas de usar un esquema de convección simple en lugar de uno complejo. Escoja todas las opciones pertinentes.
Las respuestas correctas son b) y c).
Todos los esquemas de PC requieren un mecanismo de disparo; de hecho, así funciona la convección en la realidad. La ventaja principal de los esquemas simples con perfiles predeterminados es que, precisamente por su simplicidad, no requieren grandes prestaciones de cómputo para ejecutarse rápidamente. Por otra parte, la simplicidad implica que no pueden cubrir muchos procesos (como el enfriamiento que las corrientes descendentes provocan debajo de las nubes) o que ignoran el papel de las capas de inversión en el desarrollo de la convección. Es enteramente posible que el perfil de referencia no sea apropiado para la situación.
Los esquemas más complejos incluyen más procesos físicos (como el desprendimiento de aire de la nube, las corrientes descendentes impulsadas por evaporación, etc.) y, por tanto, son más realistas. Sin embargo, estos esquemas se ejecutan más lentamente. Cada esquema individual tiene sus propias ventajas y desventajas específicas.
En un mundo perfecto, el esquema de PC modificaría el entorno de forma realista. Como ya vimos, sin embargo, la precipitación es un subproducto del proceso de reajuste del calor y la humedad por parte del esquema de PC, y si dicho reajuste no ocurre de forma realista, el modelo no producirá cantidades realistas de lluvia.
Esta figura ilustra los entornos preconvectivo, convectivo y posconvectivo.
En el entorno preconvectivo, la convección somera o poco profunda no ha logrado romper la capa de inversión débil.
Durante la etapa de convección se produce la humectación, alcanzándose la saturación respecto al agua en los niveles medios del ascenso y la saturación respecto al hielo en las capas altas. Esto produce lluvias moderadas. En la etapa posconvectiva, la subsidencia y el enfriamiento por evaporación estabilizan la baja troposfera y la desecan. Por encima del nivel de congelación, el calor latente liberado calienta y estabiliza la atmósfera, lo cual produce precipitaciones estratiformes.
Pero, ¿qué ocurre si el esquema de PC no modifica el entorno de forma realista?
Compare la evolución del diagrama termodinámico y el tiempo sensible en la naturaleza y con la que produce un esquema superactivo.
Lo primero que salta a la vista es la ausencia de la capa de inversión en el esquema de PC. Las lluvias son mucho más intensas durante la convección y la atmósfera posconvectiva, que es excesivamente seca en los niveles bajos y en altura, no produce nubes en niveles medios y altos.
Escoja «Verdadero» o «Falso» para los siguientes enunciados.
Las opciones correctas se muestran arriba. Debido a que el esquema de PC es superactivo, produce demasiada lluvia convectiva y deseca la columna atmosférica. Esto ocurre rápidamente y no deja suficiente humedad para la lluvia estratiforme. Por lo tanto, en el modelo las precipitaciones duran menos tiempo en comparación con el proceso natural.
Vuelva a considerar el ejemplo de la página introductoria de la lección. Se forman tormentas en las sierras al oeste de Sydney, con un flujo rector del oeste, y luego se forman, más tarde, en las regiones costeras al este. ¿Cómo modificaría la predicción de precipitación para compensar por un esquema de PC superactivo?
Las respuestas correctas son a) Aumentar y b) Disminuir. Los esquemas de PC superactivos producen demasiada lluvia en el lugar y extraen cantidades excesivas de humedad de la atmósfera, que de otra forma hubieran precipitado corriente abajo.
Dado un esquema de PC superactivo, ¿cómo cambiaría la predicción de la temperatura mínima en superficie después de una tarde de actividad convectiva profunda?
La respuesta correcta es a).
Debido a que la atmósfera en el modelo es excesivamente seca, será preciso aumentar la nubosidad y la humedad esperadas. Por la noche, la nubosidad y la humedad elevada disminuyen la cantidad de radiación que escapa y aumentan la mínima nocturna. Durante el día, estos factores reducen la insolación solar y, por tanto, disminuyen las temperaturas diurnas.
Un esquema de PC subactivo elimina poca humedad e inestabilidad de la atmósfera y produce una convección irreal en el modelo. El resultado se caracteriza por el retraso del comienzo de las lluvias y la formación de cantidades excesivas de nubosidad estratiforme en comparación con el proceso natural.
Las lluvias pueden ser excesivas o insuficientes, según la parametrización de la microfísica de nubes produzca convección a escala de malla o no. Recuerde que los esquemas de microfísica de nubes se diseñan para eliminar el exceso de humedad de la atmósfera en respuesta directa a los campos de viento, temperatura y humedad.
La respuesta correcta se muestra arriba.
El esquema de PC debe producir la convección en respuesta a un factor de disparo, pero si no responde fácilmente al estímulo del ambiente y en su lugar depende de que la microfísica produzca las nubes y las precipitaciones, lo hará más tarde de lo que sería natural.
El ambiente posconvectivo será excesivamente húmedo y menos estable de lo que corresponde, una situación que no se ajusta a la función propia de los esquemas de PC de redistribuir la humedad y la temperatura a fin de estabilizar la atmósfera.
Cuando el esquema de PC es subactivo, ¿cuál de estas opciones indica los cambios apropiados para su estrategia de predicción de la temperatura?
La respuesta correcta es b).
Usted debe modificar los valores de superficie para compensar por la cantidad de nubosidad menor que existe en la naturaleza en comparación con el modelo: un mayor calentamiento por radiación solar y máximas más altas durante el día y un mayor grado de enfriamiento radiativo y, por tanto, mínimas más bajas, durante la noche.
¿Cuáles de estos enunciados sobre cómo conviene modificar los campos de lluvias en el modelo en respuesta a un esquema de PC subactivo son verdaderos?
Las opciones correctas se muestran arriba.
Dado que el proceso de convección natural es menos activo que en el esquema, los cambios deben producir actividad convectiva como la que ocurre en la realidad, es decir, moderada, de corta duración y ligada en mayor medida a los forzamientos de superficie. Un esquema subactivo permite una advección exagerada de la lluvia en comparación con un evento impulsado más directamente por la convección.
¿Cuáles de las siguientes afirmaciones acerca de los esquemas de PC son verdaderas? Escoja todas las opciones pertinentes.
Las respuestas correctas son a), c) y d).
Los esquemas de PC no fueron diseñados para pronosticar la precipitación convectiva, sino para eliminar el exceso de inestabilidad. La condensación y la precipitación son subproductos del proceso de eliminación de la inestabilidad por parte del esquema.
Aunque sabemos que las tormentas convectivas generan tremendas corrientes ascendentes y descendentes, los esquemas de PC no alteran directamente el campo de movimiento vertical. Sin embargo, en el futuro los modelos no hidrostáticos de muy alta resolución con convección explícita podrán modificar ambos campos de movimiento, el horizontal y el vertical.
Supongamos que la salida de un modelo muestra mucha precipitación «a escala de malla» (es decir, precipitaciones que llenan una celda de malla) y muy poca o ninguna precipitación convectiva en una situación convectiva que afecta al área de pronóstico. ¿Cómo describiría el esquema de PC?
Ahora conteste esta pregunta.
De acuerdo con su respuesta a la pregunta anterior, ¿cómo tendrá que reajustar el pronóstico del modelo? Use los cuadros de selección para elegir la mejor respuesta para cada enunciado.
Las opciones correctas se muestran arriba.
La respuesta correcta a la pregunta 2 es b). Si se está produciendo una cantidad considerable de convección en un determinado lugar pero el modelo no predice un componente sustancial de precipitación convectiva en ese momento o lugar, cabe sospechar que el esquema de PC está actuando de forma subactiva.
Respecto de la pregunta 2a:
Aumentar la precipitación convectiva del modelo y disminuir el pronóstico de precipitación a escala de malla. Esto compensará el hecho de que a) es probable que la PC no haya eliminado suficiente inestabilidad y humedad de la atmósfera del modelo en el lugar donde se pronostican precipitaciones y b) que haya demasiada precipitación estratiforme si el esquema de microfísica actúa en lugar del esquema de PC para convertir en precipitación una cantidad excesiva del vapor de agua disponible. Es también posible que se hayan exagerado la cantidad de precipitación y la zona de cobertura en el pronóstico.
Iniciar la precipitación más temprano de lo indicado por el pronóstico del modelo. Es probable que el inicio de la precipitación en el modelo esté atrasado, ya que se debe alcanzar el umbral de saturación de microfísica sobre toda la celda de la malla.
Debilitar la intensidad de la baja presión en superficie. El calentamiento excesivo en los niveles inferiores creado cuando el esquema de microfísica actúa en lugar del esquema de PC puede conducir a una ciclogénesis errónea en niveles bajos. Esta circulación errónea y la advección con ella asociada pueden tener un impacto en los pronósticos posteriores del modelo, corriente abajo, aún después de que haya finalizado la precipitación real que no fue pronosticada apropiadamente.
Usted debe preparar el pronóstico de la tarde para las sierras al oeste de Sydney, algo a lo cual ya aludimos antes, y observa que los campos de lluvia total tienen valores altos y coinciden en gran medida con el campo de lluvias convectivas de las 03 UTC y las 06 UTC, y que para las 09 UTC el modelo no produce lluvia para su área de responsabilidad.
¿Cómo describiría el esquema de PC?
Ahora conteste esta pregunta.
¿Qué efectos podría producir la actuación del esquema de PC en los siguientes parámetros? Use el cuadro de selección para elegir la mejor respuesta para cada enunciado.
Las opciones correctas se muestran arriba.
La respuesta correcta a la pregunta 3 es a). Las precipitaciones estratiformes escasas o ausentes junto con lluvias muy intensas son una indicación de un esquema de PC superactivo.
Respecto de la pregunta 3a:
si se está produciendo muy poca convección real en un área, pero el modelo pronosticó un componente significativo de precipitación convectiva para ese momento o lugar, cabe sospechar que el esquema de PC ha sido superactivo. Si este es el caso, puede influir en su pronóstico de las siguientes maneras:
Es probable que el esquema de PC elimine demasiada inestabilidad. La eliminación de una cantidad excesiva de inestabilidad (humedad) de la atmósfera del modelo donde se pronostica la precipitación convectiva puede tener como consecuencia la advección de aire estable corriente abajo.
Quedará demasiado poca humedad en el ambiente del modelo. Es probable que el ambiente del modelo en la zona de la convección sea excesivamente seco, como resultado de lo cual el esquema de microfísica no podrá generar mucha precipitación corriente abajo del área de convección.
La duración de la precipitación convectiva será demasiado corta. Los sistemas convectivos pronosticados pueden generar demasiada lluvia inicialmente y disiparse demasiado rápidamente conforme la atmósfera del modelo se estabiliza.
Posteriormente, no habrá suficiente nubosidad. La sequedad excesiva creada por la superactividad del esquema puede llevar a subestimar el pronóstico posterior de cobertura nubosa (principalmente nubes bajas y medias) en el modelo. Esto también causará errores en las temperaturas previstas por el modelo.
Posteriormente, estos elementos pueden influir también en el pronóstico del modelo para las zonas corriente abajo del área de convección, incluso después de haberse terminado la exageración del pronóstico de precipitación del modelo.
La parametrización de la microfísica a escala de malla es la emulación en los modelos de los procesos de nubes y precipitación que eliminan el exceso de humedad atmosférica producido directamente por los campos de viento, temperatura y humedad pronosticados sobre la base de la dinámica. El ascenso orográfico y la convergencia a gran escala son dos ejemplos de forzamientos dinámicos que pueden producir la saturación.
Si bien el forzamiento viene determinado por los movimientos a escala de malla, hay otros procesos de precipitación y nubes que influyen en la verdadera respuesta microfísica y que ocurren a una escala mucho menor que el tamaño de una celda de la malla. Por lo tanto, las nubes y la precipitación forzadas por los movimientos a escala de malla no se pueden pronosticar en todo su detalle, por lo que se recurrirá a algún tipo de parametrización. La parametrización de la microfísica juega un papel directo en la inclusión de estos procesos a escalas submalla.
El desarrollo de nubes y precipitación en el esquema de microfísica libera calor latente de condensación (indicado por el área roja en la animación) que altera los campos de viento, temperatura y humedad. La liberación de calor latente está asociada con los movimientos ascendentes y con la generación de vorticidad ciclónica.
En las capas subsaturadas debajo de la región donde se forma la precipitación (el área azul en la animación) el aire se enfría por el efecto de evaporación de la precipitación. Con el paso del tiempo, estas retroalimentaciones con las variables del modelo pueden intensificar aún más la circulación que inicialmente produjo las nubes y precipitación en el modelo. La circulación intensificada puede aumentar la precipitación y la liberación de calor latente, lo cual a su vez puede ocasionar retroalimentaciones adicionales. Los efectos de estas retroalimentaciones se analizarán más en detalle a lo largo del módulo.
Los esquemas que emplean nubes pronosticadas siguen una secuencia de formación de las nubes que se basa en la física antes de producir las precipitaciones. En los esquemas que utilizan nubes simples, la precipitación se diagnostica solamente a partir del agua (o hielo) en la nube. En los esquemas de nubes complejos, las precipitaciones se pronostican modelizando directamente los procesos internos de las nubes, incluyendo la existencia de múltiples tipos de hidrometeoros en las nubes y en la precipitación. Observe, por ejemplo, que un esquema de nubes simple no produce copos de nieve.
En este contexto, centraremos nuestra atención en los modelos que utilizan esquemas complejos, como ACCESS, ECMWF y WRF.
Descripción: estos esquemas, que se basan en la humedad relativa (HR) para pronosticar las nubes y la precipitación, generan una predicción directa de los hidrometeoros de precipitación y toman en cuenta los procesos internos de las nubes. Dichos esquemas se usan solo en los modelos de alta resolución, porque requieren un grado de resolución suficiente para resolver las estructuras de pequeña escala que afectan a los procesos microfísicos.
Modelos: los modelos ACCESS, UKMO, ECMWF, RUC y WRF usan esquemas de nubes complejos.
Proceso de eliminación de la humedad a escala de malla: el texto y las ilustraciones de las próximas páginas describen los pasos iniciales del proceso empleado por los esquemas de nubes complejos para eliminar la humedad a escala de malla. Recuerde que el diagrama termodinámico skew-t representa las condiciones medias en una celda de malla (la ilustración derecha en las figuras que siguen) y no las condiciones en un punto discreto. Tenga en cuenta que estamos representando el comportamiento de un esquema aislándolo de los demás procesos del modelo, de modo que es posible que los perfiles de sondeo no se parezcan a los sondeos observados en ningún modelo en particular: los estamos usando solamente para ilustrar el comportamiento del esquema de precipitación.
Use un nivel crítico de HR (generalmente por debajo del 100 %) para tener en cuenta la variabilidad de la humedad a escalas por submalla y la nubosidad parcial.
Donde el vapor de agua se condensa para formar hidrometeoros de cualquier tipo o se convierte en líquido o hielo en la nube, se libera calor latente, lo cual aumenta la temperatura del entorno. El vapor de agua se usa en el proceso de condensación, lo cual reduce la humedad específica del ambiente.
Conforme la precipitación empieza a caer en la nube:
Conforme la precipitación cae de la nube:
Fortalezas de los esquemas complejos
Los modelos que ejecutan esquemas complejos pueden:
Limitaciones
Estos modelos:
Puede asimismo ser difícil determinar cuáles son los hidrometeoros más importantes en las nubes para diferentes situaciones y aplicaciones, como el engelamiento de aeronaves.
Utilice el mapa siguiente y la información que se acaba de presentar para escoger la(s) estructura(s) que usted cree que un esquema de nubes complejo puede representar, dentro de lo razonable, en un modelo con un espaciado de malla de 10 km. Escoja todas las opciones pertinentes.
Las respuestas correctas son a) y c).
Dado que los esquemas de nubes complejos incluyen numerosos procesos que ocurren en el interior de las nubes, la predicción de nubes delante de un frente —la opción a)— es mejor en comparación con los esquemas que usan nubes simples y a menudo es acertada.
En el caso de un ciclón tropical que toca tierra —la opción b)—, el esquema de microfísica de nubes complejo puede predecir hielo y nieve en las nubes y se puede alimentar con información sobre nieve y hielo proveniente del esquema de PC, si está disponible. Estas partículas de hielo alimentan las bandas de lluvia internas, contribuyendo a una alta eficiencia en la precipitación. Si bien la resolución de una malla de 10 km es marginalmente adecuada para representar la estructura del ciclón tropical, normalmente la tormenta resuelta no es suficientemente intensa para obtener los valores correctos de balance de humedad, movimientos verticales, presión central y temperatura potencial equivalente. El pronóstico de precipitación resultante aún no es bueno, pero sin duda será mejor que el de un modelo con una resolución de 40 km y un esquema de nubes simple.
Aunque la convección todavía no se resuelve explícitamente, la capacidad de un esquema de microfísica con nubes complejas de incorporar diversas clases de hidrometeoros diagnosticados a partir de un esquema convectivo puede producir un mejor pronóstico cuantitativo de la precipitación (Quantitative Precipitation Forecast, QPF) en situaciones de líneas de turbonada prefrontales —la opción c)— con regiones de precipitación en el yunque considerables. Sin embargo, los hidrometeoros convectivos son producto del esquema de PC más que de los movimientos pronosticados, de modo que la precisión del pronóstico dependerá de la activación apropiada del esquema de PC, algo que, como es sabido, puede estar cargado de problemas.
Aún con una malla de 10 km, las supercélulas —la opción d)—, las tormentas de masa de aire —la opción e)— y los chaparrones detrás de un frente frío —la opción f)— no se pueden resolver. El esquema de parametrización de convección del modelo podrá representar estas características de la forma más adecuada.
En términos generales, ¿cuál de los siguientes factores tiene el impacto más significativo en el pronóstico de la ubicación de la precipitación en los modelos a gran escala? Escoja la mejor respuesta.
La respuesta correcta es d).
El pronóstico del lugar donde se producirán las precipitaciones depende principalmente del forzamiento considerado en el modelo y solo de forma indirecta de la precisión del esquema de microfísica y su interacción con el esquema de PC. Por lo tanto, al considerar la ubicación de la precipitación indicada por el modelo, es importante evaluar los campos de humedad y de viento (así como los movimientos verticales derivados) tanto al inicio del ciclo como en el momento del pronóstico.
¿Cómo contribuyen los esquemas de microfísica más complejos a generar pronósticos de precipitación más exactos? Escoja todas las opciones pertinentes.
Las respuestas correctas son a), c) y d).
Además de simular los procesos de precipitación más fielmente, los esquemas de microfísica más complejos pueden mejorar los pronósticos de las variables dinámicas, y tener impactos indirectos considerables en los pronósticos de precipitación. Esto se consigue a través de mejores pronósticos de la distribución vertical del calentamiento y enfriamiento diabático que afecta a la mesoescala y a la escala sinóptica —la opción a)—; enlazando de forma más realista los ciclos de agua y energía atmosféricos en el modelo, mediante el uso de las nubes pronosticadas por el esquema de radiación del modelo —la opción c)—; y mediante la capacidad de asimilar otros tipos de datos satelitales —la opción d)—.
Estas mejoras en la asimilación de los datos y la predicciones de los mecanismos de forzamiento de la precipitación producen mejoras adicionales en los pronósticos de precipitación.
Los enunciados b) y e) son falsos en relación con los esquemas de microfísica más complejos. La complejidad de los esquemas requiere recursos de cómputo adicionales que incrementan el tiempo de ejecución del modelo. Los esquemas de nubes complejos no pronostican los movimientos verticales, sino más bien estos constituyen uno de los parámetros de forzamiento que ayudan a controlar el esquema de microfísica.
Usted está trabajando en el pronóstico para un lugar corriente abajo de un complejo convectivo de mesoescala (CCM) en fase de debilitamiento. Los campos del modelo muestran el desarrollo de un centro de circulación en niveles medios a altos asociado con el CCM que se propagará hacia su zona en las próximas 24 horas, produciendo precipitaciones entre moderadas y fuertes. Las observaciones satelitales y de radar no indican la existencia de un vórtice y no se observan otras estructuras meteorológicas que puedan contribuir a concentrar o aumentar la precipitación. ¿Qué ajustes podrían ser necesarios en el pronóstico del modelo? Escoja todas las opciones pertinentes.
Las respuestas correctas son a) y c).
La formación de una circulación en niveles medios a altos es un indicio de que el esquema de PC creó la convección en respuesta al calor latente liberado en la parte superior de la troposfera. Incluso suponiendo que el esquema de PC funcione correctamente, la circulación resultante puede ser un artefacto que, al propagarse corriente abajo, es capaz de aumentar la nubosidad y la precipitación en esa zona. Puede resultar apropiado reducir el pronóstico de intensidad de precipitación y nubosidad esperada, y aumentar la temperatura diurna, siempre y cuando no existan otros factores capaces de intensificar las precipitaciones.
Sin embargo, es importante notar que, de existir realmente un vórtice, el pronóstico de precipitación entre moderada y fuerte del modelo puede ser correcto. Por lo tanto, es preciso evaluar el vórtice atentamente para determinar si es un artefacto del modelo o una estructura real.
Si el esquema de PC del modelo es subactivo, el esquema de microfísica puede producir convección. ¿Cuáles de estos enunciados son ciertos en estas circunstancias?
Las respuestas correctas son b) y d).
El esquema de microfísica genera convección a escala de malla, lo cual no es realista en un modelo con una resolución de decenas de kilómetros, y lluvias intensas. No obstante, se extraen cantidades insuficientes de humedad e inestabilidad del modelo.
Los movimientos ascendentes generados por la ecuación de continuidad serán unos dos órdenes de magnitud menores que los que ocurren en el interior de los cúmulos de desarrollo vertical.
Los esquemas de PC parametrizan el vigoroso transporte vertical de las corrientes ascendentes y descendentes de escala inferior a la malla, las cuales mueven el aire de la troposfera baja calentado diabáticamente a la troposfera alta y el aire de la troposfera media enfriado por evaporación hacia la capa límite. Además, debajo de las cimas de las nubes convectivas el ambiente en el entorno de la nube se calienta por subsidencia. El resultado neto tendrá un aspecto similar a la curva azul de la gráfica que aparece a continuación, la cual presenta el calentamiento máximo en los niveles medios y altos, pero dado que la convección ocurre solo sobre una parte de la celda de la malla, las tasas de calentamiento aplicadas a la celda entera disminuyen proporcionalmente, como ilustra la curva verde.
Para simular la convección directamente, sin un esquema de PC, el modelo tendría que responder correctamente ante la convergencia y el movimiento vertical ascendente, factores que humedecen las capas inferiores primero y luego las capas más altas, conforme el movimiento vertical en la celda de la malla transporta la humedad hacia arriba. Puesto que las velocidades verticales pronosticadas por el modelo son mucho menores que las velocidades convectivas ascendentes reales, la humedad se transporta hacia arriba con demasiada lentitud y el esquema de microfísica libera el calor latente durante un período más largo, sobre todo en la baja troposfera.
Utilice el lápiz para dibujar el aspecto que tendría el perfil de calentamiento si el esquema de microfísica determinara la convección a escala de malla.
Herramienta: | Tamaño: | Color: |
---|---|---|
|
Dada la menor velocidad de advección vertical, el calentamiento conserva el mismo valor máximo, pero se halla en un nivel mucho más bajo, como lo indica la curva roja.
La ciclogénesis ocurre en regiones donde el la liberación de calor latente aumenta rápidamente con la altura. Esto aumenta los movimientos ascendentes con la altura, lo cual a su vez fuerza la producción de convergencia y vorticidad ciclónica.
Si un esquema de microfísica produce convección, ¿qué repercusiones tendrá esto en la ciclogénesis? Escoja todas las respuestas pertinentes.
La ciclogénesis:
Las respuestas correctas son b), d) y e).
Dado que la ciclogénesis tiende a ocurrir en la capa donde el ritmo de calentamiento aumenta rápidamente con la altura, se produce ciclogénesis de bajo nivel si el modelo trata de crear convección a escala de malla con el esquema de microfísica. En contraste, cuando el esquema de PC crea convección, la tendencia a la ciclogénesis existe en los niveles medios (por ejemplo, en un vórtice de CCM) y es mucho más débil.
Para complicar el asunto, la ciclogénesis de bajo nivel producida por la convección a escala de malla generada por el esquema de microfísica se retroalimenta, reforzando la convergencia de bajo nivel, lo cual intensifica aún más el calentamiento y la ciclogénesis. Si el tamaño de la región de liberación excesiva de calor latente y precipitaciones aumenta, la perturbación resultante puede alcanzar un estado de equilibrio dinámico y persistir durante mucho tiempo, como un típico ciclón sinóptico, aunque puede tener características de núcleo cálido, especialmente en la baja troposfera. Aunque esta situación se ha llegado a denominar retroalimentación convectiva, ¡los errores de pronóstico se deben a las deficiencias del esquema de PC!
Pese a que en la mayoría de los modelos de PNT la convección generada por la microfísica se considera indeseable, los modelos no hidrostáticos de alta resolución, como el modelo RUC (Rapid Update Cycle), utilizan la convección explicita.
Los modelos no hidrostáticos de alta resolución (1-2 km) se pueden ejecutar sin esquemas de PC porque el espaciado de malla es lo suficientemente pequeño para se puedan empezar a resolver los movimientos convectivos. Por ejemplo, la resolución puede ser lo suficientemente fina para que algunas celdas de la malla se llenen completamente de corrientes de aire ascendentes y condensación mientras otras se llenan de corrientes descendentes.
Como cualquier modelo anidado, el RUC depende en parte de la calidad de la asimilación y el análisis de los datos del modelo en el cual se anida. Esta información se actualiza a intervalos de 6 horas para el RUC, mientras que el modelo RUC en sí se ejecuta cada hora.
Una ventaja de estos modelos de alta resolución que usan convección explícita es que pueden asimilar los vientos de la convección preexistente observados con el radar doppler.
Este breve caso de estudio le permitirá examinar una posible situación convectiva y evaluar el comportamiento de tres modelos. El caso se desarrolla sobre Queensland y el Golfo de Carpentaria, en el noreste de Australia, en noviembre de 2014.
Específicamente, usted tratará de evaluar el comportamiento de los esquemas de parametrización de la convección (PC) aplicando estos principios que se presentaron a lo largo de la lección:
Este es el análisis del modelo ECMWF de vientos a 10 m (nudos), presión al nivel medio del mar y temperatura de punto de rocío (Celsius). Utilice el lápiz para dibujar las vaguadas significativas de acuerdo con las indicaciones del campo de vientos.
Herramienta: | Tamaño: | Color: |
---|---|---|
|
La vaguada principal se observa donde el rumbo del viento cambia en sentido ciclónico; la acompaña una línea seca, visible en los tonos de color de la temperatura de punto de rocío. Una línea de convergencia se extiende hasta el sur del Golfo de Carpentaria. Hay otra región de cambio ciclónico del viento y convergencia que se extiende desde la depresión en el sudeste de Queensland hacia el noreste, sobre Brisbane.
Compare el pronóstico de las 00 UTC de los tres modelos con el análisis y luego conteste las preguntas que siguen.
¿Cuál de estos modelos captó con más habilidad la posición de la vaguada? Elija la mejor respuesta.
La respuesta correcta es e).
En esta situación en particular, los modelos están todos actuando de manera similar. Aparte unas pequeñas variaciones en las posiciones exactas de las bajas a lo largo de la vaguada, todos coinciden bastante bien.
Dado que el modelo ECMWF se utiliza en los análisis de las observaciones, era de esperar una buena correspondencia entre el análisis y el campo de pronóstico de ese modelo.
Análisis de la humedad
¿Cómo compara la posición de la vaguada en el análisis con la de la línea seca?
La respuesta correcta es c).
Aunque la vaguada y la línea seca coinciden en el sur, eso no parece ser el caso al sur del golfo de Carpentaria. También se nota una región seca al este de la vaguada.
Comparación de la humedad en los modelos
¿Cuál de los modelos analiza mejor el campo de humedad?
La respuesta correcta es b).
Como ya observamos antes, es lógico que el modelo que constituye las bases del análisis coincida a la hora de pronóstico relevante. Aún así, fíjese que incluso el modelo ECMWF no captura el campo de humedad de forma adecuada al sur del golfo de Carpentaria.
Potencial de tormentas
Evalúe su nivel de confianza respecto de la ocurrencia de tormentas por la tarde en Georgetown (YGTN).
La respuesta correcta es c).
En todos los modelos y en el análisis de las 00 UTC, Georgetown se encuentra al este de la vaguada. La formación de tormentas es posible al este de una vaguada debido a la convergencia ageostrófica hacia la vaguada.
Sin embargo, un factor clave en la predicción de tormentas es la temperatura de punto de rocío en la superficie. El análisis muestra valores bajos de hasta 8 °C. También se nota que los pronósticos de las 00 UTC para este paso de tiempo no están de acuerdo. ¿Cree que esto implique incertidumbre respecto de la ubicación del aire seco? ¿Cuál de los modeles vamos a seguir, dada esta incertidumbre?
Use las pestañas para comparar los tres campos de precipitación para las 00 UTC con la imagen compuesta de radar.
¿Demuestran algunos de los tres modelos habilidad en su predicción de las precipitaciones a las 00 UTC? Escoja todas las respuestas pertinentes.
Las respuestas correctas son a) y b).
A las 00 UTC, el modelo US-GFS presenta un foco pequeño en el sur de Queensland, pero nada de la precipitación en la costa o sobre el mar que indican los modelos ACCESS-R y ECMWF. De forma análoga, el modelo GFS no muestra la lluvia sobre el golfo de Carpentaria que se nota en los campos de los otros modelos.
Examine estas animaciones del producto de 3 horas de la precipitación total entre las 00 y las 06 UTC y luego conteste las preguntas. Ya mencionamos algunas de las deficiencias que presenta el modelo US-GFS a las 00 UTC; ahora nos centraremos en los pasos de tiempo posteriores.
Golfo de Carpentaria
Los modelos ECMWF y ACCESS-R exhiben un comportamiento particular en relación con las lluvias en el golfo de Carpentaria. ¿Cuál de estas declaraciones describe mejor el comportamiento de los tres modelos? Escoja la mejor respuesta.
La respuesta correcta es d).
Las precipitaciones nocturnas sobre el golfo de Carpentaria son un evento bastante típico en esta época del año y el hecho de que el modelo US-GFS no logre reproducir esta actividad pone en duda su desempeño, de modo que las opciones a) y b) son incorrectas. Típicamente, las observaciones indican un máximo de precipitación entre el amanecer y media mañana y un mínimo diurno en la tarde y las primeras horas de la noche, algo que los modelos ACCESS-R y ECMWF captaron, de modo que la opción c) es incorrecta.
Lluvias sobre el sur del golfo de Carpentaria
¿Cuál de los modelos captó la lluvia sobre tierra en la región al sur del golfo en el transcurso horas de la tarde? Escoja todas las opciones pertinentes.
Las respuestas correctas son a) y b).
Esto coincide con nuestras otras observaciones acerca del desempeño pobre del modelo US-GFS en este caso.
Lluvias en el SE de Queensland
Examine la evolución de las lluvias en el SE de Queensland. ¿Cuál de estos enunciados describe mejor cómo el modelo US-GFS capta esa evolución?
La respuesta correcta es a).
Aparte el pequeño foco de lluvias a las 00 UTC, la mayor parte de las lluvias en el modelo US-GFS comienza a las 03 UTC y se forma más al sudeste que en los otros modelos. En los modelos ACCESS-R y ECMWF las precipitaciones tienen una orientación más pronunciada de noroeste a sudeste que en el modelo US-GFS. Pese a que utiliza el espaciado de malla mayor (~27 km, en este caso) en comparación con los otros dos (12 km y 16 km para ACCESS-R y ECMWF, respectivamente), el modelo US-GFS genera los totales de lluvias más altos. ¿Cree que todos estos factores sugieren que el problema radica en más que la resolución?
Lluvias convectivas
Estas pestañas comparan la precipitación total con la lluvia convectiva a las 06 UTC para cada modelo. Examine estos productos y luego conteste las preguntas.
Indique el mecanismo de generación de lluvia principal de cada modelo.
La lluvia producida por los tres modelos es principalmente de tipo convectivo. En cada caso hay una buena correspondencia con los patrones de precipitación y los totales.
Comportamiento del esquema de PC
Dadas las observaciones realizadas hasta el momento, ¿cuál de estas declaraciones es probablemente correcta?
La respuesta correcta es c).
La opción d) también podría serlo. Los problemas del modelo US-GFS para la fecha parecen estar relacionados con el análisis, quizás debido a su menor resolución en comparación con los otros modelos. En el modelo US-GFS, las lluvias comienzan en un lugar distinto que en los modelos ECWMF y ACCESS-R.
La secuencia de radar (cada tres horas a partir de las 00 UTC) muestra las precipitaciones matutinas sobre el golfo de Carpentaria. Las precipitaciones persisten en el transcurso del día hacia el mar en el sudeste de Queensland; por la tarde se forma convección a lo largo de la vaguada en el sudeste de Queensland y en el sur del golfo de Carpentaria. La comparación con los datos de satélite y del sistema de detección de rayos GPAT indica que los chubascos comenzaron antes y las tormentas hacia las 06 UTC.
Este caso de estudio pretendía comparar el comportamiento de tres modelos sobre Queensland para evaluar el funcionamiento de los esquemas de PC. Para hacerlo seguimos este método:
Hemos encontrado que:
La parametrización de la convección (PC) es el método mediante el cual los modelos incluyen los efectos de la convección a través de la redistribución de temperatura y humedad en una columna de malla, lo cual reduce la inestabilidad atmosférica. Cuando estos esquemas no funcionan bien, es necesario reajustar las predicciones de precipitación y temperatura. La ciclogénesis puede verse afectada también. Para diagnosticar si el comportamiento de un esquema de PC no es adecuado se requiere un buen análisis del entorno y la comparación con las predicciones de lluvia de otros modelos.
Los esquemas de microfísica eliminan el exceso de humedad atmosférica producido directamente por los campos de viento, temperatura y humedad pronosticados sobre la base de la dinámica. Estos pueden actuar mientras no se activen los esquemas de PC.
Puesto que las velocidades verticales pronosticadas por el modelo son mucho menores que las velocidades convectivas ascendentes reales, la humedad se transporta hacia arriba con demasiada lentitud y el esquema de microfísica libera el calor latente durante un período más largo, sobre todo en la baja troposfera. Además, las «retroalimentaciones convectivas» pueden crear «ciclones» duraderos y en equilibrio dinámico.
La convección explícita solo es válida para los modelos no hidrostáticos de alta resolución, ya que su resolución es suficientemente alta para que algunas celdas de la malla se llenen completamente con corrientes de aire ascendentes y condensación mientras otras se llenan de corrientes descendentes.
Thomas Warner, Numerical Weather and Climate Prediction, (Cambridge University: Cambridge University Press: 2011), capítulo 4.
The COMET® Program está patrocinado por el National Weather Service (NWS) de NOAA, con fondos adicionales de las siguientes organizaciones: