Índice y objetivos de la lección

Objetivo de la lección

El propósito de esta lección de formación es ayudarle a entender mejor cómo se forma, crece y se disipa la niebla de radiación. Comprender estos mecanismos puede ayudarle a evaluar de manera más exacta y eficiente la capacidad de un determinado ambiente atmosférico para generar y/o mantener la niebla de radiación.

La niebla de radiación se forma cuando el enfriamiento radiativo en la superficie terrestre baja la temperatura del aire cerca del suelo hasta el punto de rocío o una temperatura más baja. La formación de la niebla se ve favorecida cuando hay una capa poco profunda de aire relativamente húmedo debajo de una capa más seca, cielos despejados y vientos calmos en superficie. Esto ocurre principalmente durante la noche o en las primeras horas de la mañana.

Objetivos de aprendizaje

Cuando termine de estudiar esta lección, usted debería tener los conocimientos que se describen a continuación.

En lo referente a las condiciones previas del ambiente:

• identificar las condiciones clave y los ingredientes necesarios para que se forme niebla de radiación;
• distinguir los ambientes de gran escala y en los niveles inferiores que son favorables o desfavorables para la formación de niebla de radiación;
• describir la secuencia de los procesos en la superficie y en la capa límite que son clave para preparar los niveles inferiores del ambiente para la formación de la niebla de radiación;
• demostrar que comprende cómo el enfriamiento de la superficie seca la microcapa límite y no permite que la condensación de los niveles inferiores se deposite en la superficie;
• clasificar varias superficies y los respectivos tipos de cubierta vegetal en términos de la rapidez relativa con que el aire de bajo nivel en contacto las superficies alcanza el punto de saturación.

En lo referente a la fase de formación:

• identificar los niveles en los cuales el enfriamiento radiativo es más activo en las distintas etapas del proceso de formación y crecimiento de la niebla;
• demostrar que comprende los efectos de los diferentes tipos de núcleos de condensación y sus concentraciones en la formación de la niebla;
• conocer la secuencia de procesos y eventos fundamentales que ocurren durante la formación de una capa de niebla de radiación;
• demostrar que comprende cómo la niebla misma crea la inversión en la parte superior de la capa de niebla;
• demostrar que comprende la influencia del flujo de calor de la superficie en una capa de niebla durante su formación y crecimiento.

En lo referente a la fase de mantenimiento:

• describir los procesos fundamentales que se equilibran mutuamente para permitir que una capa de niebla mantenga un espesor relativamente constante;
• identificar las condiciones dentro y arriba de la capa superior de la niebla que mantienen la producción continua de condensado;
• identificar las condiciones dentro y arriba de la capa superior de la niebla que restringen la profundización vertical;
• demostrar que comprende los efectos de los de núcleos de condensación y sus concentraciones en el mantenimiento de la niebla
• demostrar que comprende los efectos de la introducción de una capa nubosa encima de una capa de niebla desarrollada en la superficie;
• demostrar que comprende la influencia del flujo de calor que proviene de la superficie en una capa de niebla desarrollada;
• identificar el nivel típico de la inversión en la parte superior de la capa de niebla;
• demostrar que comprende cómo la capa de inversión situada en la parte superior de la niebla es alimentada por varios procesos en y arriba de la capa superior de la capa de niebla.

En lo referente a la fase de disipación:

• identificar los procesos fundamentales que contribuyen a la disipación de una capa de niebla;
• aplicar un cálculo de razón de deposición de gotitas para predecir el tiempo necesario para que una capa de niebla de determinado espesor se deposite en el suelo, en ausencia de producción de nuevos condensados;
• demostrar que entiende cómo el calentamiento por radiación contribuye a la disipación de una capa de niebla;
• demostrar que entiende cómo la mezcla turbulenta contribuye a la disipación de una capa de niebla;
• demostrar que entiende cómo los cambios en los vientos en los niveles inferiores contribuyen a la disipación de una capa de niebla;
• demostrar que entiende cómo la introducción de una capa nubosa encima de una capa de niebla contribuye a la disipación de la capa de niebla.

En lo referente a la detección de la niebla:

• identificar las observaciones superficiales que muestran las condiciones atmosféricas que conducen a la formación de niebla de radiación;
• identificar los sondeos verticales que muestran las condiciones atmosféricas que llevan a la formación de niebla de radiación;
• identificar la niebla en las imágenes satelitales;
• describir las limitaciones de las imágenes satelitales infrarrojas para la detección de niebla de radiación.

Con respecto al pronóstico de la niebla:

• describir el ciclo diurno de la ocurrencia de niebla de radiación;
• demostrar que comprende la fuerte dependencia estacional de la ocurrencia de niebla de radiación en al menos dos localidades;
• describir los productos de pronóstico que muestran mejor las condiciones atmosféricas que pueden conducir a la formación de niebla de radiación;
• describir las limitaciones de los modelos de pronóstico numérico para pronosticar niebla de radiación.

Conocimientos previos

Para aprender de la forma más eficaz posible al estudiar esta lección, debe tener conocimientos básicos de los procesos físicos tales como conducción, radiación, evaporación, condensación, deposición, sublimación y absorción. Además, debe saber leer e interpretar los sondeos atmosféricos en formato de diagrama oblicuo T - log p. Finalmente, debe tener conocimientos de la estructura y la física de los anticiclones de escala sinóptica en los niveles inferiores.

Un escenario de niebla de radiación

0800 PST (1600 UTC), 7 de enero de 1999

Es el inicio de un turno de día a principios de enero y me dispongo a relevar de su trabajo al pronosticador de guardia en el Destacamento Naval de Meteorología y Oceanografía del Pacífico (Naval Pacific Meteorology and Oceanography Detachment, NPMOD) en Lemoore, California. Lemoore es la base principal de aviones a chorro en la costa oeste de EE. UU. y se encuentra a unos 50 km al sur de Fresno, California, en la zona central del valle de San Joaquín. Es un momento de poca actividad, ya que la mayoría de los integrantes del centro aún no acaban de recuperarse de las festividades de fin de año.

Una revisión rápida de la situación meteorológica actual indica niebla extensa y visibilidad limitada en todo el valle.

Nada de esto me sorprende: solo ha habido un día sin niebla en las últimas cuatro semanas. Esta es la temporada de la nunca apreciada niebla de tular.

Un vistazo rápido al plan de vuelos de la base indica un grado de actividad mínimo por parte de las escuadrillas. Un par de salidas hacia la isla Whidbey, en el estado de Washington, pero no hay vuelos de bajo nivel programados para las cercanías. Aparte de la densa niebla, que es normal, anticipo una tarde sin dificultades.

El suelo aún está húmedo por la tormenta que pasó hace un par de días. Varios centímetros de nieve cubren las montañas al este y las estaciones de esquí de la Sierra Nevada estuvieron atestadas el fin de semana. Ya quisiera tener tiempo libre para estrenar mi nueva tabla de snowboard.

1530 PST (2330 UTC), 7 de enero de 1999

La niebla nunca se disipó cerca de Lemoore, las temperaturas oscilaron entre 4,5 y 7 °C (40 a 45 °F) y la visibilidad se mantuvo entre 3 y 6,5 km (2 a 4 millas), con breves períodos de techo y visibilidad cero (siglas en inglés: WOXOF).

Suena el teléfono; es el oficial de turno del Escuadrón de Helicópteros de Búsqueda y Rescate (SAR, por sus siglas en inglés). Parece que un esquiador de fondo no regresó después de esquiar fuera de los límites al oeste del centro de esquí de monte Mammoth. El alguacil local ha pedido que el escuadrón ayude a realizar una búsqueda en la sierra al oeste de monte Mammoth, donde se vio al esquiador por última vez.

El oficial de turno de SAR explica que su helicóptero no tiene radar, lo cual significa que tendrá que depender de aproximaciones visuales durante la búsqueda. En su opinión, las condiciones de despegue son marginales.

Calcula que el helicóptero podrá participar en la búsqueda hasta el anochecer, pero entonces tendrá que regresar a la base. Si puede despegar de inmediato, solo podrá dedicar una hora a la misión. Antes de despegar necesita un pronóstico del tiempo para la base aérea, para el trayecto a través del valle a 500 m de altura y la zona de las montañas donde tendrá que subir hasta la zona de esquí, a 2500 m de altura. Espera finalizar el rescate y regresar alrededor de las 1830 hora local.

Esto requiere un análisis de mesoescala. El modelo NOGAPS es demasiado tosco para determinar patrones de niebla en las regiones de montaña, por eso examino el ciclo de ejecución de las 12 UTC generado por la mañana del modelo COAMPS (Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System, es decir, sistema acoplado océano-atmósfera de predicción de mesoescala).

Las predicciones de COAMPS para el atardecer en esta parte del valle de San Joaquín muestran niveles persistentes de alta humedad, por encima del 70 %, en los niveles inferiores.

Hay un poco de humedad en los niveles medios, pero también existía esta mañana, cuando había niebla. El sondeo del pronóstico de las 0000 UTC muestra vientos flojos y condiciones húmedas cerca del suelo. Aparte de la capa superficial inestable inducida por el sol, un gradiente de temperatura estable aún se extiende desde cerca de la superficie hasta cerca del nivel de 850 hPa. Todos los sondeos de COAMPS sugieren condiciones persistentes de niebla baja en las próximas horas.

Con excepción de los informes esporádicos que algunos rancheros transmiten a la estación local de TV, las observaciones de superficie sobre el valle y en las estribaciones de la sierra son escasas, de modo que las imágenes satelitales son la mejor fuente de información que tengo a mi disposición. En ellas se observa claramente el patrón dendrítico de la cubierta de nieve en las crestas de la sierra. Las laderas al oeste parecen estar despejadas, pero la niebla persiste por debajo de los 200 m de altura sobre el valle central.

Dendrítico, definición

Dendrítico: en forma de ramas de árbol.

Esta imagen satelital muestra el patrón dendrítico de una cuenca de drenaje localizada en el sur de Yemen, África.

Ahora bien, ¿qué decirle a la tripulación del helicóptero? ¿Deben despegar o quedarse en la base? Es esencial aprovechar el tiempo disponible, dado que la visibilidad está muy cerca del mínimo y en esta época del año anochece temprano. Para el esquiador, esto podría significar una noche a la intemperie. Las temperaturas bajan rápidamente una vez que cae la noche y poca gente puede sobrevivir semejante experiencia.

El piloto de SAR insiste que necesita el pronóstico. Le informo de que las condiciones para despegar son marginales en el mejor de los casos. Si sobrevuelan el valle a 500 m de altura, estarán por encima de la niebla. No habrá niebla o nubosidad importante en las montañas.

El viaje de regreso será otra cosa. Conforme las temperaturas bajen durante el corto crepúsculo, calculo que la visibilidad llegará a estar debajo de los niveles mínimos establecidos para el aeródromo. No puedo recomendar el despegue en estas condiciones, ya que toda la zona se verá afectada y el helicóptero no tendrá donde aterrizar. Con grandes reservas, el piloto acepta que la búsqueda tendrá que esperar hasta las primeras horas del día siguiente. El esquiador tendrá que arreglárselas solo esta noche.

De acuerdo con los campos de viento generados por COAMPS, existe la posibilidad de que mañana la situación mejore. Está previsto el paso de una onda corta débil temprano por la mañana. Si los vientos en los niveles bajos aumentan como resultado del paso de la onda, el ciclo de niebla puede romperse. Gracias a la climatología y las condiciones superficiales persistentes, tengo un buen conocimiento de las temperaturas y la humedad del suelo. Sin la onda, esos factores indican que la niebla podría continuar. En este momento, lo único que podemos hacer es esperar.

Viernes 0800 PST (1600 UTC), 8 de enero de 1999

La niebla continúa, pero hoy podría despejar un poco. La niebla comenzó a disiparse en el extremo norte del valle de San Joaquín a partir de la medianoche. No obstante, aunque solo hay bancos de niebla aislados en Sacramento, aquí en Lemoore la niebla no ha disminuido y la visibilidad se mantiene entre 100 metros y 3,2 km (1/16 a 2 millas) a través del valle y las estribaciones.

A corto plazo, no parece que la visibilidad vaya a mejorar considerablemente y de nuevo no puedo recomendar el despegue. Lo único que puedo decirles a los pilotos es que se mantengan al tanto de las condiciones y que consulten a intervalos de unas horas para ver si se produce algún cambio.

El esquiador sigue perdido, y estamos ante otro día de densa niebla de tular.

La parte más difícil del pronóstico de niebla es valorar la probabilidad y el momento en que la visibilidad local mejorará. Por más que quisiera ayudar, en este momento no puedo recomendar que el helicóptero se sume al esfuerzo de rescate de SAR.

1200 PST (2000 UTC), 8 de enero de 1999

El satélite muestra una región despejada en el área al oeste del valle, dentro de 30 km (~20 millas) de Lemoore. Ya hace varios días que la niebla se disipa parcialmente por la tarde, pero hoy la zona despejada es más extensa de lo que he visto por la tarde en varios días. En Sacramento no hay niebla, pero está demasiado lejos y no se puede usar como punto de retorno para la operación de rescate. En este momento, ninguno de los sitios viables para el regreso presenta condiciones despejadas.

1400 PST (2200 UTC), 8 de enero de 1999

Esta es la última oportunidad de despachar el helicóptero. Si despega ahora, puede contar con una hora para buscar en la zona, calculando una hora de viaje en cada dirección. El cielo se ve más brillante que esta mañana, aunque la base aún se encuentra envuelta en la niebla. Un vistazo a la imagen satelital indica que Lemoore se encuentra cerca del borde de la zona de disipación de la niebla. ¿Seguirá despejando? ¿Debería permitir el despegue del helicóptero? El piloto está al teléfono y exige una respuesta.

Me fijo en los resultados del modelo RUC (Rapid Update Cycle, es decir, sistema de ciclo rápido de actualización). Los valores de humedad relativa del pronóstico forman un núcleo del 100 % centrado en esta parte del valle.

Los vientos son calmos y se espera que se mantengan así.

En el nivel de 700 hPa se observa una región de subsidencia a lo largo del flanco occidental de la Sierra Nevada.

Parece la receta perfecta para la formación de niebla. Me veo obligado a decirle al piloto que tendrá que esperar hasta las horas de la mañana para tener otra oportunidad de unirse a la búsqueda. Su frustración es evidente. Otra vez la niebla ha causado la interrupción de las operaciones en Lemoore.

1600 PST (0000 UTC), 8 de enero de 1999

Recibo noticias de que el equipo local de búsqueda y rescate ha encontrado al esquiador. Aunque sufre de la exposición al frío y quemaduras por congelación, se espera que se recupere.

0000 PST (0800 UTC), 9 de enero de 1999

Resulta que muy probablemente el helicóptero hubiera podido regresar a las 1700. Las condiciones en la región oeste del valle impidieron la formación de niebla hasta alrededor de las 1900 PST, aunque volvió a formarse alrededor de la medianoche, cubriendo por completo el valle.

Claro que en retrospectiva siempre vemos las cosas claramente, y la niebla puede ser difícil de predecir. A pesar del sentimiento de frustración, sabemos que todos hicieron lo mejor posible.

Procesos físicos

Introducción

La niebla de radiación se forma cuando el enfriamiento radiativo en la superficie terrestre baja la temperatura del aire cerca del suelo hasta el punto de rocío o una temperatura más baja. La formación de la niebla se ve favorecida cuando hay una capa poco profunda de aire relativamente húmedo debajo de una capa más seca, cielos despejados y vientos calmos en la superficie. Esto ocurre principalmente durante la noche o en las primeras horas de la mañana.

Esta sección de la lección describe los procesos físicos que llevan a la formación de niebla. La comprensión de estos procesos le preparará para generar mejores pronósticos, especialmente en la mesoescala y la microescala.

Preacondicionamiento

Introducción

La niebla de radiación no puede formarse a menos que se reúnan todas las condiciones y los ingredientes clave. Cuando esto sucede, el enfriamiento radiativo y la formación de una capa estable preceden a la formación de la niebla. El intercambio de calor es un factor importante que afecta estos procesos.

Ingredientes clave

Los ingredientes clave que se necesitan en los niveles bajos para generar niebla de radiación son humedad, enfriamiento rápido y vientos calmos o flojos. Un anticiclón en los niveles bajos puede suprimir los vientos de superficie y desecar el aire en altura por subsidencia, lo cual contribuye a crear condiciones propicias para la formación de niebla de radiación. La presencia de aire seco en altura favorece el enfriamiento radiativo en la superficie.

Es muy poco probable que se forme niebla de radiación si no hay suficiente humedad en la capa límite. Dicha humedad puede haber sido transportada a la zona o ser el producto de la evaporación diurna de algún accidente en la superficie, como un humedal o suelo húmedo.

Nota: en algunas situaciones, es posible que ya exista una cantidad suficiente de humedad en los niveles bajos (p. ej., por evapotranspiración) como para crear la humedad necesaria para que se forme la niebla de radiación.

Enfriamiento radiativo

Cuando cesa el calentamiento diurno, las condiciones arriba de la capa límite aceleran el enfriamiento de la superficie y la capa atmosférica cerca de ella. Cuando el cielo está nublado, menos del 10 % de la radiación emitida por la Tierra escapa al espacio, ya que el dióxido de carbono, el vapor de agua y las gotitas nubosas absorben o reflejan la mayor parte de ella. No obstante, si el cielo está despejado, entre el 20 y el 30 % de la radiación puede escapar de la atmósfera.

Nota: debido a que los vientos producen mezcla turbulenta, la presencia de vientos calmos o flojos en la superficie maximiza el enfriamiento radiativo.

Conforme la energía escapa al espacio, la superficie del suelo se enfría rápidamente e induce el enfriamiento de la capa más baja de la atmósfera, de algunos metros de profundidad, creando una inversión térmica poco profunda en la superficie. Si el aire contiene suficiente vapor de agua y se produce suficiente enfriamiento en la superficie, eventualmente el aire en los niveles inferiores alcanza el punto de saturación.

Esta figura muestra dos ejemplos de la saturación del aire de día y de noche. En el primero, el cielo despejado y las temperaturas altas producen un mayor calentamiento de la superficie, lo cual tiende a prolongar el período en que el aire puede saturarse. En el segundo, las temperaturas por la tarde son más bajas, de modo que el período en que el aire se satura durante una noche despejada es más corto. Esto significa que si las temperaturas por la tarde son más frescas antes del anochecer, en una noche despejada el aire tarda menos tiempo en alcanzar el punto de saturación.

Formación de una capa estable

A medida que el ambiente se enfría, el vapor de agua en el aire cerca de la superficie comienza a condensarse sobre los objetos en forma de rocío o a depositarse como escarcha. Este proceso deseca la capa más baja de la atmósfera, de algunos metros de profundidad, al tiempo que un proceso de difusión por turbulencia débil sigue transportando el aire húmedo hacia la superficie.

Conforme esta capa se enfría, se vuelve más estable y resistente a los efectos de la mezcla turbulenta débil que ocurre cerca de la superficie. Eventualmente, la turbulencia cerca de la superficie cesa por completo y con ella la formación de rocío o escarcha sobre la superficie. A medida que el enfriamiento continúa, el exceso de vapor de agua en la capa saturada justo arriba de la superficie comienza a condensarse, formando gotitas de niebla.

Nota: en este contexto, por «mezcla turbulenta» entendemos la mezcla a pequeña escala (varios centímetros) y no a la mezcla inducida por el viento.

Intercambio de calor en la superficie

La velocidad de enfriamiento de una superficie varía según el material que la compone y la conductividad térmica del material subyacente. Las superficies de alta conductividad térmica, como el suelo desnudo, se enfrían más lentamente después del anochecer, porque el calor conducido hacia arriba desde abajo de la superficie compensa el enfriamiento radiativo en la superficie. Como la conductividad del césped es menor que la del suelo desnudo, se enfría más rápidamente, lo cual permite que el aire circundante se sature en menos tiempo.

La conductividad térmica del suelo también depende en gran medida de su contenido de humedad. El suelo húmedo no se calienta tanto como el suelo seco durante el día, porque conduce el calor con más facilidad, de modo que una porción considerable de la energía solar absorbida por el suelo húmedo contribuye a la evaporación. Además, un suelo húmedo se enfría en menos tiempo que un suelo seco cuando cesa el calentamiento diurno.

Nieve y suelo congelado

La presencia de un manto de nieve en la superficie se asocia a menudo con la niebla de radiación. Esto se debe a tres causas principales:

1. La nieve absorbe mucho menos radiación solar que otras superficies y parte de la energía absorbida se utiliza en los procesos de fusión y sublimación. Esto limita el calentamiento que puede ocurrir por la tarde antes de que se levante niebla.

2. El manto nieve también aísla el suelo por la noche, lo cual limita el flujo de calor ascendente desde la superficie debajo de la capa de nieve.

3. El enfriamiento radiativo nocturno ocurre más rápidamente sobre un suelo cubierto de nieve que sobre suelo desnudo o una superficie cubierta de plantas.

Debido a la combinación de estos efectos, cuando cesa el calentamiento diurno, la capa inferior de varios metros de profundidad de la atmósfera alcanza el punto de saturación más rápidamente en aquéllos lugares donde el suelo está cubierto de nieve.

Nota: si la nieve se está derritiendo, se convierte en otra fuente de humedad para los niveles inferiores de la atmósfera.

Sin embargo, la presencia de un manto de nieve puede inhibir la formación de niebla cuando la humedad en los niveles inferiores tiene poca extensión vertical. Debido a que la presión del vapor de agua alrededor de los cristales de hielo es menor que alrededor de las gotitas de agua, el enfriamiento rápido puede causar la formación de escarcha a expensas de las gotitas de niebla, privando la capa límite del exceso de humedad necesario para que se forme niebla.

Durante el día, las superficies congeladas se calientan menos que las superficies no congeladas. Esto ocurre porque la temperatura del suelo congelado no puede sobrepasar el punto de fusión hasta que el hielo en la superficie se derrita. En contraste, la temperatura del suelo no congelado comienza a subir inmediatamente después de que inicie el calentamiento diurno. Cuando cae la noche, la temperatura inicial del suelo congelado es mucho más baja, lo cual acelera la formación de niebla.

Formación y crecimiento

Introducción

Durante la fase de formación y crecimiento de un evento de niebla de radiación, la capa de niebla se forma y se extiende en sentido horizontal y vertical. Los procesos clave durante esta fase son el enfriamiento radiativo, la formación de la capa de niebla y el flujo de calor desde la superficie.

Enfriamiento radiativo

El enfriamiento radiativo progresa hasta el punto en que el aire justo arriba del suelo queda sobresaturado y se forman gotitas de niebla por condensación.

En algunas situaciones, como cerca del océano o en ambientes contaminados, las gotitas pueden formarse antes de que se produzca sobresaturación, porque algunos núcleos higroscópicos, como las partículas de sal marina, se activan con niveles de saturación inferiores al 100 %. En estos ambientes, la formación de niebla puede ocurrir antes de lo esperado.

Formación de la capa de niebla

Durante la etapa inicial de formación de niebla, el enfriamiento en y cerca del suelo continúa hasta que la niebla alcance varios metros de profundidad, un espesor suficiente como para comenzar a absorber y reemitir la radiación proveniente del suelo. Esto reduce la velocidad de enfriamiento en el suelo y la parte superior de la capa de niebla se convierte en el nivel donde los procesos de enfriamiento radiativo y condensación son más activos.

Flujo de calor desde la superficie

Dependiendo del material de superficie, es posible que el suelo siga conduciendo calor hacia la superficie; cuando la superficie se vuelve más caliente que el aire justo arriba de ella, en los niveles inferiores de la atmósfera se forman corrientes convectivas débiles que causan el ascenso de la base de la inversión térmica cerca de la superficie.

Nota: los mantos de nieve y el suelo congelado minimizan la conducción de calor del suelo hacia la atmósfera.

Mientras tanto, a medida que la niebla se profundiza, la radiación escapa en siempre menor medida de la superficie y de la porción inferior de la capa de niebla. La niebla cubre los niveles inferiores, limitando la pérdida de calor por radiación. En ausencia de un calentamiento residual significativo desde la superficie, los niveles inferiores de la capa de niebla pueden mantener una temperatura casi constante.

Sin embargo, algunos flujos de calor débiles de las superficies de suelo más cálidas pueden causar la evaporación de la niebla cerca del suelo.

Variaciones superficiales

Las variaciones en el material que compone la superficie, como el tipo de suelo, la vegetación y otros factores, causan variaciones locales en la humedad y la velocidad de enfriamiento radiativo. El resultado es que el momento inicial de formación de la niebla de radiación es variable y se desarrolla en forma de jirones o bancos dispersos. Como el flujo de calor ascendente desde el suelo reduce la HR local en la superficie, por la noche la formación de niebla de radiación se ve atrasada sobre superficies muy conductoras, como las áreas pavimentadas, y se acelera sobre superficies de baja conductividad térmica, como una capa de nieve.

Esta figura muestra cuatro ejemplos de la variación en la formación de la niebla en superficies diferentes. En el primer panel, se ha formado niebla sobre la capa de nieve, pero no sobre el césped. En el segundo, hay niebla sobre el césped, pero no sobre las superficies pavimentadas del aeropuerto. El tercer panel muestra niebla sobre el césped, pero no sobre el suelo desnudo. Finalmente, en el cuarto panel hay niebla sobre el suelo húmedo, pero no sobre el suelo seco.

Mantenimiento

Introducción

Durante la fase de mantenimiento, una capa de niebla considerable mantiene una profundidad relativamente constante. Esta fase se caracteriza por un equilibrio entre fuerzas opuestas: el enfriamiento radiativo en la parte superior de la capa de niebla, el asentamiento de las gotitas y el proceso de mezcla en la parte superior de la capa de niebla. Las concentraciones de núcleos de condensación, la presencia o ausencia de una capa nubosa superpuesta y la conductividad térmica de la superficie son factores importantes que afectan la persistencia de la niebla.

Equilibrio entre fuerzas opuestas

Cerca de la parte superior de la capa de niebla hay una inversión térmica cuya base suele encontrarse unos 50 metros debajo de la parte superior de la capa de niebla. El tope de la inversión térmica está justo encima de la parte superior de la capa de niebla. Este diagrama oblicuo T-log p muestra una inversión entre 1000 hPa y cerca de 950 hPa. La niebla está cerca del nivel de 975 hPa.

Durante la fase de mantenimiento, se establece un equilibrio entre la condensación en la parte superior de la capa de niebla y los procesos de evaporación y asentamiento de las gotitas, lo cual mantiene el espesor de la capa de niebla.

En la parte superior de la capa de niebla, el enfriamiento radiativo reabastece la niebla de gotitas al tiempo que van asentándose, e incluso trata de fortalecer la inversión térmica y profundizar la capa de niebla. A la vez, la mezcla turbulenta tiende a debilitar la inversión térmica y erosionar la parte superior de la capa de niebla. Debido a que los vientos suelen ser más fuertes en altura, es normal que una capa de niebla de radiación se profundice durante la fase de crecimiento hasta alcanzar la altura donde los vientos son lo suficientemente fuertes como para inducir la mezcla necesaria en la parte superior de la capa de niebla para detener su crecimiento.

Enfriamiento radiativo de la parte superior de la capa de niebla

La pérdida de calor por radiación en la superficie de la nube aumenta la humedad relativa en esa zona, lo cual contribuye a sustentar tanto el crecimiento de las gotitas como la formación de gotitas adicionales. La condensación en la parte superior de la capa de niebla es el mecanismo por el cual la niebla de radiación mantiene o aumenta su profundidad.

La pérdida de calor por radiación es mayor cuando la capa inmediatamente arriba de la niebla es relativamente seca, los vientos son flojos y no hay capas nubosas en altura. En una noche despejada, la pérdida de calor por radiación en la parte superior de la capa de niebla ocurre mucho más rápidamente que en la capa de algunos metros de espesor más baja de la atmósfera.

Mezcla en la parte superior de la capa de niebla

La incorporación de aire seco por mezcla turbulenta en la parte superior de la capa de niebla evapora las gotitas. Este proceso se intensifica si hay cizalladura de velocidad vertical en y arriba de la parte superior de la capa de niebla.

Concentraciones de núcleos de condensación

Una concentración alta de núcleos de condensación activos aumenta la probabilidad de que la niebla esté compuesta de un gran número de gotitas diminutas en lugar de un número menor de gotitas más grandes. Una concentración alta de gotitas muy pequeñas reduce fuertemente la visibilidad.

Esta figura muestra un ejemplo de niebla enrarecida en un ambiente costero no contaminado (izquierda), la cual que contiene principalmente gotitas relativamente grandes. La niebla densa que se forma en un ambiente costero contaminado (derecha), contiene una alta concentración de gotitas pequeñas.

Los núcleos de condensación más activos, como los de sal marina, son higroscópicos, lo cual significa que tienen afinidad por el agua. Los contaminantes atmosféricos también se comportan como núcleos de condensación. Algunas de las nieblas más densas, como las que se formaban en el Londres de la Revolución Industrial, están relacionadas con altas concentraciones de particulados en el aire. Antes de la promulgación de leyes para mantener limpio el aire, la contaminación atmosférica también contribuía a la formación de nieblas espesas en la región del Mediterráneo.

Superposición de capas nubosas

Durante el día, la superposición de capas nubosas en niveles medios y altos puede contribuir a mantener la capa de niebla de radiación. Estas nubes reducen la cantidad de radiación solar que incide en la superficie del suelo, lo cual impide el calentamiento de la superficie y mantiene un nivel de humedad relativa más alto en las partes inferiores de la capa de niebla. A medida que la capa nubosa aumenta, la cantidad de radiación que llega a la superficie disminuye, la mezcla convectiva débil cesa y la capa de niebla se profundiza.

Sin embargo, cuanto menor sea la altura de la capa nubosa sobre la niebla, tanto mayor será su capacidad de reducir el enfriamiento radiativo y la producción de condensado en la parte superior de la capa de niebla, permitiendo de este modo el desarrollo de procesos de disipación tales como el asentamiento de las gotitas. El enfriamiento en la cima de las nubes es mayor que en la parte superior de la capa de niebla.

Conductividad térmica de la superficie

Cuando el suelo está mojado o hay un manto de nieve, la fase de mantenimiento de la niebla puede prolongarse. El manto de nieve reduce la conductividad térmica de la superficie, lo cual limita el flujo de calor ascendente desde el suelo durante esta fase. La niebla es más densa sobre suelo húmedo y más enrarecida sobre suelo seco.

La nieve también refleja más radiación solar que cualquier otro tipo de superficie, lo cual retrasa el calentamiento diurno después del amanecer. Esta figura muestra que casi toda la radiación solar se ve reflejada si la superficie está cubierta de nieve (izquierda), y el mayor grado de calentamiento superficial y enrarecimiento de la niebla ocurre sobre suelo seco (derecha). El calentamiento de la niebla con suelo húmedo es el caso intermedio (centro).

Disipación

Introducción

La duración de la fase de disipación, que es el momento en que una parte considerable de la capa de niebla se levanta del suelo, se enrarece o desaparece, puede variar debido a una serie de factores. El calentamiento radiativo, tanto cerca de la superficie como en el interior de la capa de niebla, se combina con procesos mecánicos tales como el asentamiento de la gotitas y la mezcla turbulenta en la parte superior de la capa para disipar la niebla. Los cambios en los vientos y la superposición de capas nubosas también pueden afectar la disipación.

Duración de la fase de disipación

Durante la fase de disipación de una niebla de radiación, la profundidad, extensión e intensidad de la niebla disminuyen. La duración de esta fase puede variar de menos de una hora a la mitad de un día. Lo más común es que la fase de disipación dure unas cuantas horas, ya que la mayoría de las nieblas son relativamente poco profundas y de corta duración.

Los eventos de niebla que tardan más de un día en disiparse ocurren en zonas donde la topografía es más protegida, como los valles de montaña. La estación también afecta la duración de esta fase, debido a factores tales como el ángulo de la radiación solar incidente, la velocidad media del viento, la existencia de un manto de nieve, la humedad del suelo y la vegetación. Por ejemplo, en las montañas, la niebla se disipa más rápidamente en las pendientes orientadas hacia el sol.

Calentamiento radiativo cerca de la superficie

La fuente principal del calor radiante es el Sol. Durante el día, el suelo absorbe la radiación solar, incluso si está debajo de una capa de niebla. A medida que el suelo se calienta, la fina capa de aire que está en contacto con la superficie se calienta por conducción. Este calor inicia una mezcla convectiva débil, que comienza a calentar la porción inferior de la capa de niebla.

La humedad relativa en esta capa comienza a disminuir, lo cual reduce la velocidad de formación de gotitas de niebla y, después de cierto tiempo, conduce a la evaporación de las gotitas existentes. A medida que la profundidad de la niebla disminuye, el proceso de calentamiento acelera, lo cual permite que más radiación solar alcance el suelo. Conforme el proceso de mezcla convectiva se vuelve más activo, la niebla empieza a enrarecerse justo arriba de la superficie. Bajo un régimen de radiación solar moderadamente fuerte, la base la capa de niebla o de una nube baja puede levantarse del suelo a una velocidad de más de cien metros por hora.

Calentamiento radiativo en el interior de la capa de niebla

Si bien los efectos principales de la radiación solar ocurren a través del proceso de mezcla convectiva, un proceso de calentamiento secundario también puede contribuir a disipar la niebla. El dióxido de carbono y el vapor de agua en la capa de niebla absorben y reemiten parte de la radiación terrestre. El aire absorbe la energía térmica y se calienta, lo cual aumenta su temperatura y reduce su humedad relativa.

Asentamiento de las gotitas

Independientemente de su tamaño, todas las gotitas de niebla están asentándose continuamente. La profundidad de una capa de niebla disminuye cuando la velocidad de formación de gotitas es menor que la velocidad de asentamiento. El tamaño de las gotitas de niebla varía y las gotitas más pequeñas caen más despacio que las de tamaño mayor. La gotita de niebla promedio, que tiene un diámetro de 20 micrómetros, cae a una velocidad de 1 cm/s.

Esto significa que si eliminamos los procesos de mantenimiento, un banco de niebla que inicialmente medía 30 metros de profundidad debería asentarse sobre el suelo en menos de una hora. Esto produciría una rápida mejora hacia la visibilidad ilimitada. En la atmósfera real, el efecto de los procesos de mantenimiento disminuye de forma gradual, de modo que la mejora en la visibilidad se produce más lentamente.

Mezcla turbulenta en la parte superior de la capa de niebla

A menudo, la inversión térmica que atrapa una capa de niebla está acompañada de una capa con fuerte cizalladura vertical del viento. La base de la inversión térmica suele estar unos 50 metros debajo de la parte superior de la capa de niebla. La mezcla turbulenta de aire más cálido y seco en la parte superior de la capa de niebla puede reducir la humedad relativa en esa capa y bajar la altura de la inversión térmica. Cuanto más débil la inversión térmica, tanto más susceptible será a este proceso de mezcla y erosión.

Esta figura ilustra la mezcla turbulenta en la superficie de una capa de niebla alrededor de 850 hPa. Los vientos son calmos en los niveles inferiores, pero se refuerzan a 25 nudos del oeste sobre la capa de niebla. La mezcla turbulenta hace que la parte superior de la capa de niebla baje según aumentan la depresión de temperatura y el punto de rocío entre 850 y 900 hPa.

Cambios en los vientos

La introducción de vientos entre moderados y fuertes en los niveles bajos puede causar la disipación de la niebla tanto en la parte superior de la capa de niebla como cerca de la superficie del suelo. En la parte superior de la capa de niebla, el viento produce la incorporación de aire más cálido y seco desde arriba de la capa de niebla. Conforme los vientos aumentan, la turbulencia resultante causa el descenso de la parte superior de la capa de niebla y el enrarecimiento de la niebla en la superficie. Cerca de la superficie, los vientos causan la mezcla del aire calentado en la superficie con la niebla arriba del suelo. Ambas situaciones fomentan la evaporación de gotitas de niebla y una mejor visibilidad.

La advección de aire frío sobre la capa de niebla también puede disipar la niebla, ya que debilita la inversión térmica arriba de la capa de niebla e intensifica los procesos de mezcla.

Este diagrama oblicuo T-log p muestra los cambios en una inversión térmica en los niveles inferiores producidos por la advección de aire frío sobre una capa de niebla en la superficie. Al bajar las temperaturas sobre la capa de 900 hPa, la inversión se debilita y la capa superior de la niebla desciende.

Nota: por otro lado, la advección de aire más seco por encima de la parte superior de la capa de niebla puede intensificar el enfriamiento radiativo.

Capas de nubes superpuestas por la noche

Por la noche, la pérdida de calor radiante es más rápida cuando no hay nubes arriba de una capa de niebla establecida. Si se superpone una capa de nubes continua o entrecortada en los niveles medios o una capa gruesa de nubes altas, el enfriamiento de la parte superior de la capa de niebla disminuye, porque una cantidad menor de la radiación puede escapar de la atmósfera. Este efecto puede disminuir la velocidad de formación de gotitas y contribuir a la disipación de la niebla.

La figura muestra la formación de una capa nubosa en altura sobre una capa de niebla superficial por la noche. A medida que aumenta la cantidad de nubes en altura, se reduce el enfriamiento radiativo en la cima de la capa de niebla, lo cual provoca la reducción de su altura.

Detección de niebla de radiación

Introducción

Para detectar la niebla, utilizamos una combinación de

• observaciones directas de superficie,
• observaciones satelitales, e
• inferencias de perfiles verticales y modelos de campo.

Las observaciones satelitales nos brindan la mejor estimación de la extensión y las tendencias del manto de niebla. Las imágenes satelitales pueden ser particularmente útiles por la noche, cuando las observaciones directas son limitadas. Las observaciones de superficie pueden alertar no solo sobre las condiciones de la niebla, sino también sobre las condiciones que llevan a su formación o disipación, como la velocidad del viento y la distribución de temperaturas y puntos de rocío. Los perfiles verticales, tanto observados como modelados, proveen pistas importantes sobre las condiciones atmosféricas que mantienen activo el enfriamiento radiativo. Los campos generados por los modelos también pueden llenar los vacíos considerables que existen en las observaciones de radiosonda, que normalmente se realizan dos veces al día.

Evaluación de las condiciones en superficie

Patrones de observación en la superficie

Junto a las observaciones de superficie, las imágenes satelitales de alta resolución son muy útiles para evaluar las tendencias en la cobertura y la profundidad de una capa de niebla. Incluso las imágenes de baja resolución del canal visible pueden ayudarnos.

Al examinar las nubosidad de los niveles bajos que aparece en las imágenes del producto niebla del GOES, es importante tener presente que puede simplemente tratarse de estratos bajos, de modo que es muy importante confirmar la existencia de la niebla por medio de observaciones en superficie.

Ejemplo de formación de niebla

En primer lugar, consideremos la formación de la niebla. Esta animación de imágenes del producto niebla del GOES y de las observaciones en superficie comienza al atardecer y abarca buena parte de la noche. Este caso ofrece un ejemplo de las observaciones en superficie durante la fase de formación de un episodio de niebla.

Fíjese en las observaciones en superficie sobre el valle de San Joaquín. Conforme pasa el tiempo, la depresión del punto de rocío baja a cero o a un valor muy cercano a cero. Al mismo tiempo, la extensión de la niebla aumenta y la visibilidad disminuye. También cabe resaltar que los vientos en el valle de San Joaquín estaban calmos o bastante suaves durante el período, otra condición favorable para la formación de niebla.

Esta figura muestra las observaciones de superficie realizadas en Fresno, California, a unos 50 km al norte de Lemoore.

Estas observaciones indican vientos flojos en superficie y una leve depresión del punto de rocío durante el período de las observaciones; todas las observaciones menos la primera indicaban la existencia de niebla. Al caer la tarde del día 8, que corresponde al comienzo de la animación, la depresión del punto de rocío era un poco más alta y se observaba bruma, ya que el calentamiento solar había disipado la niebla temporalmente.

Ejemplo de disipación de la niebla

Veamos ahora un ejemplo de disipación de niebla. Esta animación muestra una secuencia de imágenes del canal visible para el período entre las 1900 y 2200 UTC (1100 a 1400 PST) del día 7 de enero de 1999 a las cuales se han superpuesto las observaciones de superficie.

Al comienzo, la niebla estaba distribuida de manera uniforme sobre el valle de San Joaquín. No obstante, note la tendencia de disipación en la mitad sur del valle, que se debe principalmente al calentamiento solar.

Varias observaciones en superficie realizadas en la misma zona indican una mayor separación entre la temperatura y el punto de rocío y la progresión de niebla a bruma durante la tarde a medida que se produce el calentamiento superficial. Recuerde que en la sección anterior sobre procesos físicos explicamos que la niebla puede existir aun cuando se observan condiciones subsaturadas en la superficie. Por supuesto que eventualmente la niebla se disipa si el grado de subsaturación es suficiente y si se extiende cierta distancia sobre la superficie.

Al parecer, la niebla en la parte norte del valle era más profunda o más densa durante este período, de modo que minimizó el calentamiento solar en la superficie.

Análisis satelital de la niebla

Observación de la niebla en imágenes visibles

Gracias a las estaciones de trabajo modernas, que son capaces de procesar los datos multiespectrales en cinco canales del GOES, es fácil producir sectores visibles que muestran detalles de la niebla a escala fina.

Esta imagen en el canal visible muestra una vista matutina de la niebla de tular atrapada en el valle central de California. Observe como coincide con la curva de nivel de 200 m, la línea blanca superpuesta, lo cual sugiere que la cima de la capa de niebla se encuentra cerca de 200 m sobre el nivel del suelo. Note además el aspecto uniforme de la niebla, en contraste con el aspecto 'grumoso' de los estratocúmulos marinos que se ven sobre el océano.

Esta es una fotografía de la niebla tomada poco antes del anochecer. La disipación bajo la débil radiación solar del mes de enero ha sido mínima, pero observe que en la zona sur del valle el espesor de la niebla es menor que en la mañana, lo cual permite ver el terreno sin nubes por debajo de 200 m de altura a ambos lados del valle.

Observación de la niebla por la noche

Los días de invierno son cortos y esto limita el período en que podemos obtener imágenes visibles de la nieve durante las veinticuatro horas. Es difícil discernir el contorno de la niebla en el valle en esta imagen infrarroja nocturna. Las temperaturas en la cima de la capa de niebla no son mucho más bajas que las de las estribaciones de la zona, y el poco contraste impide detectar la niebla con facilidad.

Sin embargo, el contorno de la niebla en del valle central se distingue claramente en esta imagen del «producto niebla», una herramienta importante para el pronóstico operativo. Observe la diferencia entre esta imagen y la imagen infrarroja anterior.

Secuencia de la evolución de la niebla en un ciclo día-noche

El producto niebla nocturno se puede combinar con las imágenes diurnas del canal visible para producir una secuencia de la evolución de la niebla que abarca las veinticuatro horas del día. En la secuencia de imágenes la niebla siempre es blanca, pero por la noche los cirros sobre la capa de niebla se ven negros.

Al comienzo del atardecer la niebla aparece solo en el sur, pero para el amanecer de la mañana siguiente se ha extendido hacia el norte y cubre el valle casi por completo. En esta fase de formación la parte superior de la capa niebla es más alta en el sur, y se extiende más allá de la curva de nivel de 200 metros. Esto indica un flujo cuesta arriba hacia las montañas.

Avanzada la tarde del día siguiente la niebla se disipa, sobre todo en la zona sur, lo cual establece las condiciones propicias para que vuelva a formarse la noche siguiente.

Observación de las diferencias entre los entornos urbanos y rurales

Normalmente dependemos de las observaciones en superficie para analizar las diferencias de severidad de la niebla entre los ambientes urbanos y rurales; a veces estas diferencias aparecen en las imágenes satelitales. La imagen a la izquierda muestra que la ciudad de Fresno está despejada, mientras que las zonas rurales circundantes están bajo un manto de niebla. La imagen a la derecha muestra que la niebla se está disipando sobre las zonas urbanas y las autopistas principales, como las interestatales I-80 e I-5.

Los satélites permiten observar las zonas despejadas a escala meso-gamma en diversas partes del mundo y si están disponibles, las herramientas satelitales que describimos en esta lección se pueden aplicar en dichas zonas. Sin embargo, no es fácil conseguir datos satelitales de alta resolución para ciertas partes del globo.

Ejercicio de análisis satelital

Pregunta

Supongamos que alguien se ha perdido en las estribaciones de la Sierra Nevada, en algún lugar dentro del óvalo verde de la figura. Se está despachando un helicóptero a la zona y el piloto necesita saber la elevación de la cima de la capa de niebla.

¿Cuál es la altura de la cima de la capa de niebla dentro del óvalo?

a) 200 a 400 m

b) 800 a 1000 m

c) 1000 a 1200 m

d) 1200 a 1600 m

La respuesta correcta es b.

Note que el borde del banco de niebla dentro del óvalo se encuentra entre las curvas de nivel rotuladas 800 y 1000 metros. Hacia el norte, la cima de la capa de niebla presenta una altura menor, hasta 600 metros.

Escoja una opción.

Análisis del perfil vertical

Análisis de las características de los radiosondeos

Una forma importante de evaluar las diferentes fases de un episodio de niebla es por medio de la medición de los perfiles de temperatura y humedad en los niveles inferiores con radiovientosondas. Note que típicamente los cambios en los perfiles de temperatura y humedad que se muestran aquí se producen a escalas muy pequeñas, hasta de pocas decenas de metros. Estos cambios pueden o no ser evidentes en los gráficos operativos de sondeo.

Ejemplo de un evento de niebla

Entre el 4 y el 10 de enero de 1999, hubo un episodio de niebla de larga duración en Medford, Oregón y sus alrededores. La ciudad de Medford se encuentra en el valle del río Rogue, en el sur de Oregón, y está sujeta a fuertes inversiones térmicas durante el invierno. Las mediciones de radiosondas tomadas dos veces al día por la oficina del Servicio Nacional de Meteorología (National Weather Service) de EE. UU. en Medford capturaron la esencia del evento, junto con el ciclo diurno de su formación y disipación.

Esta figura muestra la naturaleza diurna particular de este episodio de niebla. En los siete días que se muestran en la secuencia, la niebla se formó casi siempre poco después del atardecer y se disipó alrededor del mediodía, después de varias horas de calentamiento solar. Durante este período, una fuerte dorsal de alta presión dominaba los niveles superiores de la zona.

Esta figura muestra las observaciones de superficie tomadas en Medford el 5 de enero. Para ese día en particular se nota que la niebla persistió hasta después de mediodía y volvió a desarrollarse durante la noche. Observe lo rápido que aumenta la diferencia entre la temperatura y el punto de rocío durante la fase de disipación.

Este sondeo, realizado en condiciones de niebla, muestra la fuerte inversión en la superficie y la capa saturada poco profunda que suelen asociarse con la etapa de formación y mantenimiento de la niebla de radiación.

Por encima de la capa saturada, la temperatura y el punto de rocío divergen muy rápidamente hasta alcanzar una diferencia de casi 20 °C. Los sondeos en los cuales las curvas producen esta forma de Y, similar a los postes de gol o de meta del fútbol americano, son típicos de muchos eventos de radiación. Los vientos indicados dentro de la niebla son suaves, de 5 nudos (2,6 m/s) o menos.

Este sondeo fue tomado un par de horas antes de la primera observación de niebla en superficie, el 8 de enero de 1999. El sondeo muestra la capa de inversión elevada que persiste del episodio de niebla del día anterior y una depresión del punto de rocío de algunos grados en la superficie. Esto es común durante la fase de preacondicionamiento.

Si estuviera pasando por un ciclo diario de formación y disipación de niebla, este sondeo podría llevarle a esperar más niebla después de la puesta del sol, a menos que haya ocurrido algún evento para romper el ciclo de niebla, como el paso de un frente frío.

Pregunta

Evaluación de los sondeos de un modelo

Consideremos ahora el aspecto de la niebla en una simulación del modelo COAMPS. Vamos a ver qué sucede en Lemoore, California, en el valle de San Joaquín, durante el período de 24 horas a partir de las 1200 UTC del 7 de enero. El escenario de búsqueda y rescate que presentamos al comienzo de esta lección ocurrió en esos días. Como recordará, durante este período en el valle de San Joaquín había condiciones de niebla generalizada.

Recuerde que los elementos fundamentales para la formación de la niebla son humedad abundante y vientos calmos en los niveles inferiores, con cielo despejado en altura. Vamos a examinar la simulación del modelo para determinar en qué medida pronostica bien estas condiciones.

A la hora del análisis, las 1200 UTC del 7 de enero, el modelo mostraba condiciones muy subsaturadas en superficie, lo cual sugiere que el modelo COAMPS no analizó correctamente las condiciones de niebla prevalecientes en los niveles inferiores para Lemoore. Además, parte de la humedad era muy evidente cerca del nivel de 700 hPa. Dichas condiciones no llevan a la formación de niebla.

Por otra parte, las condiciones que impulsan la formación de niebla incluyen vientos calmos (de 5 a 10 nudos) en los 100 hPa inferiores de la atmósfera y perfiles de temperatura estables desde la superficie hasta cerca del nivel de 800 hPa.

El análisis en 700 hPa revela el eje de una onda corta débil que en ese momento se extendía a través de California central con una orientación norte-sur y humedad significativa en general confinada al este de dicha onda, que se movía hacia el este.

En las siguientes 6 horas, las capas inferiores se humedecieron muy rápidamente y se estabilizaron hasta cierto punto, lo cual indica que aparentemente el modelo estaba intentando desarrollar un escenario en los niveles inferiores más parecido al de la niebla de radiación.

El día 7 por la tarde se produjo un calentamiento por radiación de alcance menor en la superficie, lo cual redujo la estabilidad de las capas inferiores de la atmósfera.

Aunque la niebla en el centro del valle de San Joaquín no se disipó durante este período, sí se produjo cierta erosión de la niebla cerca de los bordes de la capa de niebla.

Al mismo tiempo, conforme la débil vaguada se movía hacia el este, en las horas de la tarde las capas medias entre 800 y 500 hPa se secaban en el modelo.

El calentamiento en la superficie fue reemplazado rápidamente por el enfriamiento del suelo y del aire cerca del suelo después de las 0300 UTC del 8 de enero, cuando el enfriamiento radiativo nocturno entró en acción. Cerca de las 1200 UTC las capas inferiores estaban casi saturadas y muy estables. En los niveles medios, el aire continuó secándose y los vientos del noroeste se fortalecieron un poco detrás de la débil vaguada, aunque la región de vientos más fuertes se mantuvo lejos de los niveles inferiores. El enfriamiento radiativo cerca del suelo compensó con creces el leve enfriamiento de medio nivel detrás de la onda.

En resumidas cuentas, en el período completo de 24 horas vemos de desecamiento del nivel medio entre 500 y 800 hPa, con vientos calmos 10 nudos (5 m/s) o menos.

Desde el punto de vista del pronóstico, la predicción de la persistencia de la niebla es el problema principal. Nada en este ciclo de ejecución del modelo indica la existencia de condiciones favorables para la disipación de la niebla, lo cual coincide con las observaciones realizadas en el valle de San Joaquín en el mismo período.

La única característica desfavorable para la niebla que pronosticó el modelo es el paso de una vaguada débil en los niveles medios. Recuerde que las nubes en los niveles medios perturban la radiación y el enfriamiento, de modo que la condición más favorable para la niebla es la presencia de un anticiclón en altura.

No obstante, como la niebla ya existía antes de las 1200 UTC del 7 de enero, es poco probable que la vaguada la hubiera disipado después de las 1200 UTC. Además, pese a la presencia de esta onda corta el modelo pronosticó vientos calmos, capas estables y condiciones húmedas cerca del suelo. Es más, tras el paso de la vaguada el modelo pronosticó el desecamiento entre 500 y 800 hPa, fortaleciendo el enfriamiento en los niveles inferiores a través de la radiación y la persistencia de la niebla.

La humedad y las condiciones estables en los niveles inferiores presentes en el pronóstico del modelo después de un par de horas se mantuvieron durante el período de 24 horas, con la excepción de un corto período de calentamiento solar en la tarde del día 7 de enero.

El modelo tuvo algunos problemas con las condiciones subsaturadas iniciales en superficie, pero este comportamiento es típico de todas las simulaciones operativas de los modelos, incluyendo las de los modelos de mesoescala. Por lo general, los eventos locales como los del valle de San Joaquín ocurren a una escala demasiado pequeña incluso para los actuales modelos operativos de mesoescala.

Pregunta

Pronóstico de niebla

Panorama general

Después de esta explicación general de los 3 componentes principales para el pronóstico de la niebla:

1. persistencia y climatología,
2. humedad del suelo y núcleos de condensación en las nubes, y
3. modelos numéricos,

Persistencia y climatología

La persistencia y la climatología son dos herramientas muy importantes para pronosticar con precisión los eventos de niebla de radiación, y su utilidad se ha demostrado en muchos lugares de EE. UU. Por ejemplo, el estudio de Croft et al. mostró que la persistencia es el mejor elemento para efectuar un pronóstico inmediato en las localidades a lo largo del golfo de México. En otras palabras, si hay niebla en este momento, es probable que todavía haya niebla en una hora.

Los datos observados entre el 6 y el 8 de enero de 1999, en California, para el caso que presentamos antes en esta lección constituyen otro ejemplo de persistencia. La climatología local de Lemoore, disponible en el Centro Nacional de Datos Climáticos (National Climatic Data Center, o NCDC) de EE. UU., muestra un promedio de 25 días en los meses de diciembre y enero en los que se informa de niebla. En este caso, es muy probable que el pronóstico típico de invierno contenga niebla.

En los eventos que duran varios días, como el episodio del 1 al 10 de enero de 1999, la animación de los datos satelitales para varios días puede representar evidencia sólida de que el patrón puede persistir al menos un día más, a menos que se produzcan cambios considerables en la atmósfera a escala sinóptica.

Sin embargo, no debemos olvidar que la niebla de radiación suele presentar un ciclo diurno: por lo general, se forma cerca del amanecer y se disipa en las próximas horas. Esta gráfica muestra un pico en los episodios de niebla observados alrededor de las 6 de la mañana, hora local, y el número de observaciones de episodios de niebla cae muy rápidamente conforme avanza el día. Son pocos los informes de niebla después del mediodía.

La climatología puede ser muy útil para evaluar en términos generales la probabilidad de ocurrencia de un evento de niebla. Como se nota en esta figura tomada del atlas climático del territorio continental de EE. UU., se observan máximos muy marcados para eventos importantes de niebla en distintas partes del país, como el noroeste del Pacífico, el valle de San Joaquín, la costa del Golfo, los Apalaches y el noreste. Muchos de estos eventos son forzados principalmente por procesos radiativos.

La compilación de eventos ocurridos en el pasado es particularmente útil. La comparación de la situación actual con los eventos del pasado en términos de la época del año, la profundidad de la capa de humedad y otros aspectos es de gran importancia para generar un pronóstico.

Observe en esta figura que la ocurrencia de niebla en Albany, Nueva York tiene su máximo en septiembre y octubre, mientras que el máximo en Lemoore, California, se da en diciembre y enero. Igual de importante es el hecho de que la probabilidad de niebla durante el verano en Lemoore es casi nula, mientras que la probabilidad de niebla durante el invierno en Albany es muy baja. Estos ejemplos demuestran la importancia de conocer la climatología de la zona para la cual se quiere hacer un pronóstico.

Pregunta

Humedad del suelo

Como explicamos antes, la humedad del suelo puede jugar un papel clave, ya que representa la fuente de humedad en los niveles inferiores para el desarrollo de la niebla de radiación. Obviamente podemos usar los datos de la precipitación reciente para hacer una primera aproximación de la cantidad de humedad en el suelo. La lluvia reciente y la disipación posterior de las nubes producen suelos húmedos y una situación más favorable para la formación de niebla.

Para una mejor cobertura local, en EE. UU. el Centro de Predicción Climática (CPC) de la NOAA mantiene mapas regionales y nacionales de estimaciones de precipitación líquida acumulada diaria o mensual que se basan en mediciones de radar. Por ejemplo, este mapa muestra la precipitación del 11 de octubre del 2001. Por supuesto que se deben vigilar las temperaturas recientes para evaluar si la evaporación está eliminando una cantidad significativa de humedad de la capa superior del suelo.

Núcleos de condensación en las nubes

Si está disponible, la información sobre los núcleos de condensación en las nubes puede ser de gran utilidad para pronosticar la niebla. Si la masa de aire local es predominantemente de naturaleza marítima, la gama de núcleos de condensación en las nubes tiende a fomentar la producción de gotitas de niebla más grandes y valores de visibilidad más altos en comparación con los valores asociados a un ambiente urbano contaminado.

El conocimiento de las fuentes y los sumideros de núcleos de condensación a nivel local puede ser útil cuando se considera un posible episodio de niebla, incluso si es desde un punto de vista general y cualitativo. En Estados Unidos, se puede obtener información útil de la Agencia de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency, EPA). El sitio web Air Now (http://airnow.gov/) permite enlazar a pronósticos de contaminación del aire para muchas zonas urbanas.

Pronóstico de la disipación de la niebla

Las herramientas primarias de observación para pronosticar la disipación de un episodio de niebla de radiación son las observaciones en superficie, las observaciones satelitales, los sondeos y/o los datos de perfilador. La animación de imágenes en el canal visible durante el día o del producto niebla durante la noche pueden ayudar a determinar tendencias en la extensión horizontal de la niebla.

Las animaciones de imágenes que abarcan varios días pueden demostrar la existencia de patrones diurnos que se pueden implementar en un pronóstico, siempre y cuando el pronóstico de escala sinóptica no indique cambios importantes. Recuerde que la disipación puede ser temporal, como lo fue en este caso, y que la niebla puede volver a formarse la noche siguiente.

Cuando los vientos en los niveles inferiores se fortalecen, ya sea por procesos de escala sinóptica o de mesoescala, pueden inducir mezcla y la evaporación de la niebla. Los procesos tales como el paso de un frente o de ondas cortas, gradientes mayores de presión horizontal y advección fría en altura intensifican la mezcla en los niveles inferiores. Esta mezcla deseca el aire y erosiona la capa de inversión. Las nubes en los niveles medios pueden reducir el enfriamiento radiativo por la noche, lo cual contribuye a disipar la niebla de radiación.

Todos estos procesos se detectan fácilmente con datos satelitales, de superficie y de sondeo y perfilador. Los mapas de superficie, los sondeos o los cortes más bajos de los datos de perfilador del viento permiten detectar la intensificación del viento en los niveles inferiores. Los signos del debilitamiento de la capa de inversión y de la advección de aire seco aparecen en los mapas de superficie y en los sondeos. La nubosidad en los niveles medios se puede observar en las imágenes satelitales.

Uso de los modelos de pronóstico

Introducción

Aunque todos los modelos de pronóstico numérico, incluyendo los modelos de mesoescala, tienen dificultades para detectar la niebla, a la hora pronosticar un episodio de niebla es útil examinar varios de los campos de los modelos, como los siguientes:

1. humedad relativa en todos los niveles
2. vientos en los niveles inferiores
3. velocidad vertical en altura

Para demostrar el uso de la guía numérica en un episodio de niebla, volvamos a considerar el caso que ocurrió a inicios de enero en el valle de San Joaquín, en California.

Análisis de superficie

A las 2200 UTC del 8 de enero, los informes de las estaciones del valle de San Joaquín no indicaban observaciones de niebla, aunque sí de bruma. La niebla de horas atrás se había disipado, pero volvió a formarse pocas horas más tarde. En términos generales, durante este período en la región dominaban dorsales en los niveles superiores. El análisis RUC de superficie de las 2200 UTC mostraba vientos bastante débiles sobre la región, una condición favorable para el desarrollo de niebla.

El análisis también mostraba valores altos de humedad relativa sobre el valle dentro de una amplia región generalmente más seca. Recuerde que en la sección sobre procesos físicos aprendimos que estas condiciones son favorables para la formación de niebla.

El estudio de la niebla de radiación en la región de la costa del golfo de México realizado por Croft et al. llegó a la conclusión de que la humedad relativa en 1000 hPa es el mejor predictor de niebla de las técnicas de interpretación estadística de la salida de los modelos numéricos (MOS, o Model Output Statistics).

Condiciones en altura

En general, los modelos de escala sinóptica, como Eta y NOGAPS, tienen dificultades para analizar o predecir los eventos de niebla de radiación, principalmente debido a una resolución limitada en los niveles inferiores. La niebla de radiación es, por naturaleza, un fenómeno de mesoescala limitado espacialmente.

Un estudio detallado del pronóstico meso-Eta para este período revela cierta utilidad de este modelo en el proceso de pronóstico. La simulación empleada para estas animaciones es la que se inicializa a las 0300 UTC del 8 de enero de 1999. Un examen del pronóstico meso-Eta de 18 horas de la variable omega para las 2100 UTC muestra una fuerte subsidencia en los niveles medios cerca de la Sierra Nevada dentro de un área de vientos moderados provenientes del noreste en 700 hPa.

Es más, los valores de humedad relativa sobre el área de interés oscilaban entre el 10 y el 20 %. El terreno en altura se halla hacia el noreste del valle de San Joaquín y probablemente la subsidencia en los niveles medios eliminaría la posibilidad de nubosidad en los niveles medios en este momento. Aunque esto implica un calentamiento solar mayor en los niveles inferiores por la tarde, se produciría un fuerte enfriamiento radiativo al final de la tarde y en las primeras horas de la noche. Todas estas condiciones son favorables para el renovado desarrollo de niebla y podrían llevarnos a creer que la niebla podría reaparecer rápidamente durante el final de la tarde o en las primeras horas de la noche, conforme decrece el calentamiento solar.

Los vientos en 700 hPa y el campo de humedad muestran una onda corta débil que atraviesa la región en el primer par de horas, y luego predominan vientos secos del noreste en los niveles medios. La desecación en los niveles medios fomenta la falta de nubes, lo cual permite el máximo enfriamiento radiativo en los niveles inferiores.

Los campos de velocidad vertical muestran que al principio existía un débil movimiento ascendente asociado con el paso de la onda corta. Poco después, los vientos del noreste y la subsidencia predominaron durante un lapso de 12 horas. Luego se observó una subsidencia débil. La subsidencia en el nivel de 500 hPa tiende a asociarse con la disminución de la humedad en el nivel de 700 hPa.

La aproximación y el paso de una onda corta podría causar el aumento de la velocidad de los vientos en altura (lo cual aumentaría la mezcla vertical) y el debilitamiento directo de la inversión en la parte superior de la capa de niebla debido a advección fría en los niveles medios de la atmósfera. Si la onda corta es suficientemente fuerte, podría incluso eliminar la inversión. En este caso, es muy probable que la onda corta disipe la niebla, puesto que los procesos de mezcla vertical llevan en poco tiempo a la evaporación. Recordará que mencionamos esto en la sección sobre procesos físicos como un mecanismo de disipación. En este caso, parece que la onda corta no fue lo suficientemente fuerte como para disipar la niebla sobre el valle de San Joaquín.

Condiciones en superficie y en los niveles inferiores

El campo de humedad relativa en 975 hPa mostraba claramente valores altos persistentes sobre el valle de San Joaquín durante las 33 horas simuladas, hasta las 1200 UTC del 9 de enero, aunque se observaba un decrecimiento estable en la magnitud del valor máximo sobre el valle.

Variación diurna

Para explicar la estructura vertical de los campos de humedad, mostramos una sección transversal de tiempo y altura para la humedad relativa en Lemoore correspondiente a la simulación de 33 horas del período entre las 0300 UTC del día 8 hasta las 1200 UTC del día 9 de enero de 1999. Esto corresponde aproximadamente al intervalo entre el atardecer del día 7 y el amanecer del día 9 en Lemoore.

Observe que el día 8 por tarde la humedad relativa en los niveles inferiores decrece a valores muy por debajo de los que se habían observado la noche anterior. Estos datos constituyen una pista valiosa que puede llevarnos a considerar que la niebla no se formará de nuevo la noche del 8 de enero.

Además, como muestra esta sección transversal de tiempo y altura para la temperatura potencial, la capa de inversión pronosticada en los niveles inferiores es más fuerte durante la noche del 7 y 8 de enero que 24 horas más tarde. En otras palabras, la atmósfera inferior era más estable la noche del 7 y 8 de enero.

La capa de inversión sigue siendo considerable la mañana del 9 de enero, pero no es tan intensa como 24 horas antes, y además el límite superior de la capa de inversión está a menor altura. Si la capa de inversión hubiera desaparecido, o fuera muy débil, desde el punto de vista del modelo la probabilidad de que se formara niebla disminuiría durante las primeras horas de la mañana del 9 de enero.

Aquí vemos la evolución de los campos de temperatura del modelo en 1000 hPa. Note como estas predicciones reflejan claramente la características diurnas, que implican un fuerte enfriamiento en la superficie después del 8 de enero, lo cual podría conducir nuevamente al desarrollo de niebla. Las condiciones más frías en el valle ocurrieron a las 1200 UTC del 8 y del 9 de enero, mientras que las condiciones más cálidas ocurrieron a las 0000 UTC del 9 de enero. Note que las temperaturas no estaban tan frías a las 1200 UTC del 9 de enero como 24 horas antes, lo cual coincide con los valores pronosticados en la sección transversal de tiempo y altura para la temperatura potencial.

Resumen

Los siguientes son los campos del modelo indicadores de niebla:

• Humedad relativa en todos los niveles: busque valores altos de humedad relativa en superficie y valores bajos de humedad relativa en altura.
• Vientos en niveles bajos: busque vientos calmos en superficie.
• Velocidad vertical en altura: busque subsidencia en altura.

Recuerde que los ingredientes fundamentales que llevan a la formación de niebla son la humedad alta y los vientos calmos en superficie, con cielo sin nubes en altura. Busque patrones previstos en los campos de pronóstico que sustenten estas condiciones.

La mayor parte de los campos de pronóstico usados como ejemplo en esta sección estaban asociados a condiciones favorables para la persistencia general de niebla durante un período de 33 horas en el valle de San Joaquín, con la excepción del calentamiento en superficie durante la tarde del 8 de enero. En general, la evaluación de la disipación temporal de la niebla a pequeña escala causada por el calentamiento solar es un problema difícil, incluso para modelos de mesoescala como meso-Eta. Un ejemplo de este tipo de disipación es el que se asocia con el calentamiento intenso de la superficie sobre áreas urbanas.

Resumen de la lección

Los ingredientes esenciales en los niveles inferiores para la generación de niebla de radiación son: humedad, enfriamiento rápido y viento suave o calmo.

La humedad puede ser:

• trasportada por advección al área de interés;
• producto de la evaporación de la superficie durante el día;
• preexistente (por ejemplo, producida por evapotranspiración).

Los anticiclones en los niveles inferiores pueden suprimir los vientos de superficie y secar el aire en altura por subsidencia, creando de este modo condiciones propicias para la niebla de radiación.

El enfriamiento radiativo se maximiza cuando existen condiciones secas y despejadas por encima de la capa límite, además de viento calmo o suave.

El rápido enfriamiento de la superficie induce el enfriamiento de los primeros metros de la atmósfera, creando una capa de inversión poco profunda basada en la superficie. La conductividad térmica fomenta el enfriamiento acelerado. Por ejemplo, la nieve y el césped se enfrían muy rápido, mientras que el suelo desnudo se enfría más lentamente.

El enfriamiento radiativo progresa hasta que el aire justo encima del suelo queda sobresaturado y se forman gotitas de niebla por condensación.

El enfriamiento de la superficie continúa hasta que la capa de niebla sea lo suficientemente profunda como para empezar a absorber y reemitir la radiación proveniente del suelo. Luego la parte superior de la capa de niebla se convierte en el nivel donde los procesos de enfriamiento radiativo y condensación son más activos.

Las variaciones en la composición de la superficie pueden causar variaciones locales en la humedad y la tasa de enfriamiento radiativo. Como resultado, la cobertura inicial de la niebla de radiación no es continua, sino en jirones.

Durante la fase de mantenimiento, la condensación en la parte superior de la capa de niebla establece un equilibrio entre la evaporación y el asentamiento de las gotitas, manteniendo así la profundidad de la capa de niebla.

Típicamente, la capa de niebla de radiación se profundiza hasta alcanzar una altura en la que los vientos son lo bastante fuertes como para inducir suficiente mezcla en la parte superior de la capa niebla y detener su crecimiento.

Hay una inversión de temperatura cerca de la capa superior de la niebla. Normalmente la base se encuentra a unos 50 metros debajo de dicho límite. El límite superior de la capa de inversión está justo por encima de la parte superior de la capa de niebla.

El calentamiento por radiación, tanto cerca de la superficie como dentro de la capa de niebla, se combina con los procesos mecánicos tales como el asentamiento de las gotitas y la mezcla turbulenta en la parte superior de la niebla para disipar la niebla. Los cambios en los vientos y en las capas nubosas superiores también pueden influir en la disipación de la niebla.

La fuente principal de calor por radiación es el Sol. Este calor inicia una mezcla convectiva débil que empieza a calentar la porción inferior de la capa de niebla. La humedad relativa en esta capa empieza a decrecer y eventualmente las gotitas existentes se evaporan. Conforme la niebla pierde altura, el proceso de calentamiento se acelera.

Todas las gotitas de niebla se depositan continuamente, independientemente de su tamaño. La profundidad de la capa de niebla disminuye cuando la velocidad de formación de gotitas es menor que su tasa de deposición.

La mezcla turbulenta de aire más tibio y seco en la parte superior de la capa de niebla puede reducir la humedad relativa en ese nivel y disminuir la altura de la capa de inversión.

La inserción de vientos de intensidad moderada a fuerte en los niveles inferiores puede causar la disipación de la niebla tanto en la capa superior como cerca de la superficie.

La introducción de una capa nubosa discontinua o estratificada en los niveles medios, o bien de una capa nubosa delgada en los niveles superiores, disminuye el enfriamiento en la parte superior de la capa de niebla debido a que menos radiación puede escapar de la atmósfera.

Las imágenes satelitales de alta resolución combinadas con las observaciones de superficie pueden ser muy útiles para determinar las tendencias en la cobertura y el grosor de la niebla. Entre las características que conviene buscar cabe mencionar el grosor de la capa de niebla, su persistencia y la variación diurna.

No es fácil distinguir los contornos de la niebla durante la noche en las imágenes infrarrojas, pero el producto niebla del GOES permite hacerlo.

Una manera importante de examinar las diferentes fases de un evento de niebla consiste en medir la temperatura y los perfiles de humedad en los niveles inferiores por medio de radiosondeos.

La persistencia y la climatología son dos herramientas fundamentales para el pronóstico exacto de los episodios de niebla de radiación.

Normalmente, la niebla de radiación exhibe un ciclo diurno: se forma cerca del amanecer y se disipa unas cuantas horas más tarde.

En EE. UU. se han observado máximos muy definidos para los eventos de niebla importantes en diferentes lugares, como el noroeste del Pacífico, el valle de San Joaquín, la costa del golfo de México, los montes Apalaches y las zonas del noreste.

Se puede obtener una primera aproximación de la humedad del suelo con los datos más recientes de precipitación de las estaciones meteorológicas. Por ejemplo, en EE. UU. se pueden conseguir mapas de estimaciones de precipitación líquida acumulada diaria o semanal calculados por medio de radar del Centro de Predicción Climática de la NOAA.

La intensificación de los vientos en los niveles inferiores provocada por procesos sinópticos o de mesoescala puede impulsar la mezcla y evaporación de la niebla. Ciertos procesos, como el paso de frentes o de ondas cortas, intensos gradientes horizontales de presión y advección fría en altura, producen una intensificación de la mezcla en los niveles inferiores.

Aunque los modelos de predicción numérica, incluidos los modelos de mesoescala, muestran cierta dificultad para detectar la niebla, hay algunos factores útiles en los modelos que se pueden examinar para pronosticar episodios de niebla de radiación. Entre ellos cabe mencionar:

• la humedad relativa en todos los niveles: busque alta humedad relativa en la superficie y baja humedad relativa en altura;
• los vientos en los niveles inferiores: busque vientos calmos en superficie;
• la velocidad vertical en altura: busque subsidencia en altura.

Recuerde que los ingredientes fundamentales para la formación de niebla son la humedad alta y los vientos calmos en superficie, y cielos despejados sobre la zona. Se deben buscar patrones en los campos de pronóstico que sustenten estas condiciones.

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Colaboradores

Las siguientes personas han contribuido a la producción de Pronóstico de niebla de radiación

Patrocinadores de COMET

• National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)
• National Weather Service (NWS)
• Naval Meteorology and Oceanography Command (NMOC)
• Air Force Weather Agency (AFWA)
• National Environmental Satellite Data and Information Service (NESDIS)
• National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System (NPOESS)
• Meteorological Service of Canada (MSC)

Principales asesores científicos

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Diseño instruccional/Diseño multimedia

• Dr. Alan Bol - UCAR/COMET
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• Steve Deyo - UCAR/COMET

Diseño de interfaz/gráficos

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Administración de derechos de autor

• Lorrie Fyffe - UCAR/COMET

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