Definición de mesoescala

¿Qué es la meteorología de mesoescala?

Ya estamos acostumbrados a ver los productos de los modelos numéricos de mesoescala como COAMPS (Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System), el sistema acoplado océano-atmósfera de predicción de mesoescala de la Armada de EE.UU., el modelo de mesoescala para América del Norte (North American Mesoscale, NAM) empleado por el National Weather Service o el modelo de mesoescala empleado en cualquier otro servicio meteorológico del mundo. Pero aunque conozcamos el término mesoescala, es posible que el significado exacto y la aplicación del concepto de meteorología de mesoescala aún no nos resulte completamente natural.

Meteorología a escala sinóptica

Tradicionalmente, la formación del pronosticador operativo se centra en el estudio de la meteorología de escala sinóptica. Esta rama de la meteorología se ocupa del análisis y la predicción de las estructuras meteorológicas cuya escala excede los 2000 km. Comprendemos bien las estructuras tales como vaguadas, dorsales, anticiclones, depresiones y límites frontales. Con el tiempo, los pronosticadores han formulado ciertas reglas empíricas que permiten derivar los parámetros del tiempo sensible, como temperatura, viento, engelamiento, turbulencia y precipitación, a partir de los modelos sinópticos. También han desarrollado la capacidad de evaluar las fortalezas y debilidades de los modelos numéricos de escala sinóptica.

Meteorología de mesoescala

Sin embargo, ¿qué sucede con otros tipos de estructuras meteorológicas más pequeñas? ¿Cuántas veces ha fallado un pronóstico porque alguna estructura de escala subsinóptica forzada por la topografía quedaba oculta dentro del patrón sinóptico principal?

Si pudiéramos saber exactamente cuánto tardará una máxima de vorticidad en atravesar nuestra zona de pronóstico, ¿no nos permitiría acertar a la hora de pronosticar una tormenta?

¿Y un mejor manejo de los efectos de canalización del viento producidos por el terreno? Eso podría ayudarnos a pronosticar con mayor precisión un mistral o los vientos en el estrecho de Gibraltar.

Todos estos escenarios requieren conocimientos de meteorología subsinóptica o de mesoescala.

¿En qué difieren los pronósticos de mesoescala de los de escala sinóptica?

Los modelos sinópticos y los de mesoescala no son sino dos herramientas de un mismo arsenal, como el martillo y el escoplo, por ejemplo.

Siguiendo esta analogía, podemos concebir las condiciones iniciales y de frontera de un modelo sinóptico en términos del martillo, que da impulso al escoplo, que en este caso es el modelo de mesoescala, y lo guía. Por supuesto que siempre es útil tener un martillo, especialmente para trabajo en bruto. Por otra parte, el escoplo resulta prácticamente inútil sin el martillo.

En el trabajo de predicción meteorológica, siempre será preciso cierto grado de maestría que casi podríamos describir de artística, especialmente cuando se trata de procesos de mesoescala o de los elementos del tiempo sensible a nivel local. Por hábil que sea el modelo, siempre tendrá que intervenir "el ojo del artista", para derivar las condiciones específicas para la región de interés.

Clasificación de la mesoescala

A diferencia de los procesos meteorólogicos sinópticos como los frentes, los anticiclones y las depresiones, que están asociados a longitudes de onda mayores de 2000 km y suelen persistir durante días y hasta semanas, las estructuras de mesoescala oscilan de la escala casi sinóptica (mesoescala-alfa) a las células nubosas individuales, las cuales tienen dimensiones de 1 a 20 km y duran menos de una hora (mesoescala-gamma).

Tanto en el ámbito militar como en el civil, en la actualidad estamos concentrando nuestros esfuerzos tecnológicos en la categoría de mesoescala-gamma. Por ejemplo, el modelo COAMPS, que es el sistema acoplado océano-atmósfera de predicción de mesoescala empleado en el Centro de Meteorología Numérica y Oceanografía de la Flota (Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center), en Monterey, California (EE.UU.), se ejecuta para distintas regiones con una resolución de malla de 15 km (mesoescala-beta). Los centros regionales que trabajan para apoyar directamente a los clientes tácticos suelen ejecutar regiones COAMPS locales con mallas de 5 km y hasta un máximo de 1 km, lo cual permite resolver estructuras en el rango de mesoescala-gamma.

El cono de pronóstico y la pirámide del tiempo

Observe la relación inversa que existe entre el cono de pronóstico y la pirámide del tiempo. El pronosticador operacional siempre tiene que cultivar su pericia en materia de meteorología planetaria y sinóptica, pero tiene además que perfeccionar su capacidad de trabajar al nivel de mesoescala.

No obstante, dado el mayor grado de complejidad que esto implica, será preciso reducir el tiempo que pasamos en el análisis de escala planetaria y sinóptica para dedicar más tiempo y esfuerzo a un estudio minucioso de las estructuras de mesoescala.

Al trabajar con procesos de mesoescala, es preciso tener presente que no podemos depender de las aproximaciones geostróficas e hidrostáticas. Hablamos de equilibrio geostrófico cuando existe un balance entre Coriolis y la fuerza de presión horizontal. En las latitudes extratropicales y en la atmósfera libre, el equilibrio geostrófico puede dar resultados aceptables para movimientos de escala sinóptica, pero no es así con los procesos de mesoescala.

Equilibrio hidrostático

Un aspecto clave de los procesos de mesoescala es el rol de los procesos no hidrostáticos. Como sugiere su nombre, los modelos hidrostáticos presuponen la dependencia del "equilibrio hidrostático". La atmósfera se halla en equilibrio hidrostático cuando la fuerza del gradiente de presión que provoca el ascenso del aire (que se mueve de una zona de presión más alta cerca de la superficie a otra en altura donde la presión es más baja) está en equilibrio con la fuerza de la gravedad que atrae el aire de vuelta hacia la superficie.

Procesos no hidrostáticos y meteorología de mesoescala

A escala sinóptica, e incluso a nivel de mesoescala-alfa superior, la atmósfera se encuentra casi en equilibrio hidrostático. Por consiguiente, las parcelas de aire de escala sinóptica ascienden y descienden muy despacio en comparación con sus movimientos en sentido horizontal.

No obstante, esto no es lo que ocurre a escala de mesoescala-beta inferior y menos aún de mesoescala-gamma. A estas escalas, las velocidades verticales que se alcanzan bajo el efecto de procesos tales como el empuje hidrostático y los efectos topográficos pueden igualar y hasta superar las velocidades horizontales (para distancias cortas). El resultado es que a menudo los procesos de meteorología de mesoescala vienen determinados por procesos no hidrostáticos.

Procesos atmosféricos con efectos no hidrostáticos

Esta figura ilustra varios de los procesos atmosféricos que producen efectos no hidrostáticos, como la turbulencia, la convección, la evaporación, la condensación y los flujos de calor y humedad en la superficie y en la atmósfera. Los modelos meteorológicos deben incorporar tales procesos no hidrostáticos en forma directa para las estructuras que abarcan menos de 10 km.

Resolución de los modelos de mesoescala

Si está familiarizado con los modelos como COAMPS y NAM, también entiende el aumento en el espaciado de malla de los distintos niveles de los productos de tres nidos.

¿Dónde obtienen sus condiciones iniciales o de frontera estos modelos? Todos los modelos de "mesoescala" dependen de un modelo "global" de resolución relativamente baja que genera las condiciones iniciales y de frontera. No se olvide que el escoplo es inútil sin el martillo.

¿Por qué es importante la resolución de malla?

Para que un modelo numérico pueda analizar una forma de onda simple, se precisan al menos cinco puntos de malla para resolver la estructura de la onda. Esto significa que si se trata de un modelo de 50 km (es decir, la distancia horizontal entre dos puntos de la malla es 50 km), éste sólo podrá analizar plenamente las ondas o sistemas que abarcan 200 km o más.

Incluso si ejecutamos el modelo COAMPS con una resolución de 9 km, no cabe esperar que pueda analizar plenamente un sistema que abarca 36 km o más. Estudiaremos las estructuras de mesoescala tales como los chorros de barrera en las costas y los vientos canalizados, para las cuales los modelos pueden necesitar resoluciones de malla de 1 a 2 km.

Ejemplo de resolución de malla

Aunque aumentemos la resolución, lo cual implica una distancia menor entre puntos de malla contiguos, es posible que no se detecten ciertos procesos importantes de mesoescala.

En este ejemplo, la separación de malla del campo es de 30 km.

Lo que muestra la animación es la acumulación de una columna de lluvia convectiva y las bajas temperaturas del aire cerca de la superficie. Conforme evoluciona este proceso, la interacción limitada con los puntos de malla obliga el modelo a trabajar sin la mayor parte de la información.

La meteorología de mesoescala se ve profundamente afectada por la topografía

Al nivel de mesoescala, el terreno afecta profundamente a las manifestaciones meteorológicas y a veces hasta juega un rol dominante. A una resolución del modelo de 20 km o menos, los efectos topográficos son sumamente importantes para comprender las repercusiones locales en el pronóstico. Para modelar con precisión estructuras tales como una brisa de tierra o de mar, los efectos Venturi (canalización) en regiones de montaña, los chorros de barrera en las costas y los vientos anabáticos y catabáticos, debemos contar con una topografía de alta resolución.

Los actuales modelos de elevación digital (MED) brindan aproximaciones bastante buenas de la topografía. Los modelos de mesoescala como COAMPS incorporan esta topografía digitalizada en nuestros campos de pronóstico. Para obtener predicciones exactas y significativas es importante que la resolución del modelo de elevación digital coincida con la resolución del modelo meteorológico.

Las fajas amarillas que vemos en esta imagen reflejan las trayectorias del viento a 300 metros de altura. Observe el efecto de canalización que ocurre en los pasos de montaña.

¿A qué otros elementos del tiempo sensible podemos aplicar nuestros conocimientos de mesoescala?

Evaporación, transpiración y niebla

Independientemente de que sus predicciones sean para una estación costera, una plataforma marina o un lugar a cientos de kilómetros del litoral, pronosticar la niebla puede ser el aspecto más difícil de su trabajo. Los principales motivos de preocupación son la seguridad de los vuelos, de la navegación en la superficie e incluso del tráfico vehicular en las carreteras. El mayor reto consiste en predecir la hora y el lugar exactos de los eventos de niebla.

Una leve variación en la temperatura y la humedad puede tener efectos profundos en la formación y distribución de la niebla. Las variaciones de temperatura y humedad a nivel de mesoescala son producto de los procesos de evaporación y transpiración locales. Por ejemplo, la presencia de un lago, un manto de nieve o un determinado tipo de vegetación en la zona puede afectar a los campos de temperatura y humedad; por eso, para determinar si un episodio de niebla se extenderá a nuestra región de pronóstico, nuestro análisis de mesoescala debe contemplar los efectos a una resolución de 1 ó 2 km.

Efectos naturales y antropógenos

Los efectos naturales y antropógenos son muy importantes en meteorología de mesoescala.

Por ejemplo, muchos factores pueden influir en el tiempo sensible, como las erupciones volcánicas, los incendios forestales y la contaminación del aire.

Desgraciadamente, debido a la naturaleza esporádica y a la escala limitada de estos efectos, resulta extremadamente difícil incorporarlos en los modelos numéricos y es prácticamente imposible pronosticarlos con exactitud.

Efectos en las operaciones de flota

En el ámbito militar, además de producir pronósticos acertados, es importante considerar los efectos de las condiciones del tiempo en el arsenal, las plataformas y los sensores. Por ejemplo:En el ámbito militar, además de producir pronósticos acertados, es importante considerar los efectos de las condiciones del tiempo en el arsenal, las plataformas y los sensores. Por ejemplo:

la niebla y las nubes bajas limitan las operaciones de vuelo;

las ráfagas de viento pueden reducir la capacidad de maniobra de los helicópteros;

la precipitación degrada la refractividad electromagnética y electroóptica;

los vientos locales pueden aumentar la altura de las olas oceánicas;

los vientos junto a la costa pueden crear condiciones de mayor afloramiento capaces de perturbar a nivel local la estratificación térmica de las aguas oceánicas y la acústica submarina.

Ciertas consideraciones tácticas de importancia crítica exigirán el uso de resoluciones incluso más altas que permitan efectuar estudios de "microescala". Sin embargo, con un buen conocimiento de la meteorología de mesoescala estará preparado para pronosticar la gran mayoría de los eventos meteorológicos.