*Componentes de capa límite planetaria (CLP)
Esta página presenta información detallada sobre los elementos de la CLP observados en la atmósfera real y cómo se representan en los modelos de PNT.
La variedad de estructuras de la CLP y su evolución diurna son más evidentes en la estación cálida, cuando en las latitudes medias el ciclo diurno de radiación solar entrante produce las diferencias más grandes en la cantidad de energía disponible para los procesos de superficie durante el día y por la noche.
Esta gráfica muestra de forma esquemática los componentes que pueden estructurar la CLP y los cambios en su profundidad y orientación que ocurren a lo largo del ciclo diurno. Observe que conforme la profundidad de la CLP real y del modelo cambia, también cambia la cantidad de niveles que la forman en el modelo y la capacidad del modelo de capturar los procesos de la CLP. Los componentes diurnos son impulsados por conducción, convección y turbulencia. Los componentes nocturnos son impulsados por conducción y enfriamiento radiativo. Haga clic en cada elemento de la figura para obtener más información sobre las características de las capas y cómo se emulan en los modelos.
Capa de contacto
Características reales
- Situada en el fondo de la CLP; una capa fina (centímetros de profundidad) que está en contacto directo con la superficie terrestre.
- Transfiere calor y humedad verticalmente por conducción y procesos moleculares.
- Se halla en el punto donde comienza el intercambio entre la superficie terrestre y la atmósfera.
- Las diferencias de temperatura y humedad entre el aire y la superficie física determinan la dirección del intercambio (por ejemplo, aire caliente sobre una superficie fría produce la conducción de calor del aire a la superficie, el enfriamiento del aire y el calentamiento de la superficie).
Emulación numérica
- Normalmente, los flujos de la capa de contacto se estiman:
- usando las diferencias entre los valores de temperatura y humedad de la superficie y la primera capa (o los valores de temperatura y humedad a la altura de la garita meteorológica extrapolados a partir de la primera capa del modelo, si la resolución vertical del modelo cerca del suelo es demasiado gruesa) para obtener cálculos aproximados de los gradientes verticales de temperatura y humedad;
- usando las diferencias entre los valores del viento de la superficie y la primera capa (o un nivel de 10 m extrapolado como en el punto anterior) para obtener cálculos aproximados de los efectos aerodinámicos en el flujo de calor sensible y latente.
- Por lo general, un fuerte gradiente vertical del viento producirá flujos más intensos. Un fuerte gradiente vertical de temperatura y humedad producirá flujos verticales más grandes de calor y humedad, respectivamente.
- La exactitud de los gradientes verticales de temperatura, humedad y viento (y, por tanto, de los flujos) depende de:
- la temperatura pronosticada de la capa superficial del suelo, la cual depende de la emulación exacta de los balances de energía y de agua en la superficie);
- la temperatura, la humedad y el viento pronosticados para la primera capa (y extrapolación al nivel de la garita, si corresponde);
- la rugosidad asignada a la superficie, que determina en parte el gradiente vertical del viento. Según el modelo, la rugosidad de la superficie puede ser fija, pasar por un ciclo anual (p. ej.: vegetación caducifolia) o variable según la velocidad del viento (p. ej.: emulación del efecto de las olas oceánicas en la rugosidad de la superficie). Sobre tierra firme, es posible que la rugosidad de la superficie se asigne de acuerdo con el tipo de vegetación o a partir de un conjunto de datos independiente.
Atmósfera libre
Características reales
- Situada más allá de la cima de la CLP, donde la superficie no afecta el flujo directamente.
- En su parte inferior se producen intercambios de calor, humedad y momento con la CLP.
- No está sujeta a forzamientos directos por parte de los procesos radiativos.
- Aunque el transporte horizontal y vertical por movimientos de escala inferior a la malla (por ejemplo, remolinos turbulentos horizontales y verticales y ondas de gravedad) es menor que en la CLP, se debe tener en cuenta.
- En términos generales, los remolinos son forzados por la cizalladura horizontal y vertical del viento.
- Las ondas de gravedad de rápida propagación son forzadas en topografía de superficie muy variada, con picos muy marcados, un comportamiento muy distinto del flujo de momento en la CLP creado por la cizalladura vertical del viento.
- El rozamiento que afecta el momento horizontal cuando la topografía de superficie es muy variable se coloca donde la velocidad de la onda de gravedad equivale a la velocidad horizontal del viento.
Emulación numérica
- Los procesos dinámicos dominan.
- Determina la velocidad de la mezcla turbulenta a partir de parámetros de estabilidad y cizalladura del viento (esto es importante, por ejemplo, en regiones con fuertes gradientes de temperatura y en proximidad de un máximo de velocidad de corriente en chorro).
- Usa los gradientes verticales de humedad, calor y momento para determinar el resultado final de la mezcla. Aunque la mezcla tiende a ser leve en la atmósfera libre, puede ser intensa en la zona de contacto entre la CLP y la atmósfera libre.
- Ondas de gravedad (un caso especial de turbulencia).
- Normalmente, los efectos se emulan mediante las variaciones topográficas dentro de cada celda de malla.
- La velocidad de la onda de gravedad se estima con base en criterios de estabilidad y la rugosidad de la topografía.
- Se precisa la velocidad de la onda de gravedad para determinar la cantidad y distribución vertical del momento generado por dicha onda (donde la velocidad estimada de la onda coincide con el viento horizontal).
- Los errores de gradiente vertical de temperatura y viento (estabilidad) y los errores de velocidad del viento (ubicación de las regiones donde se debe colocar el momento generado por la onda de gravedad) producirán ciertos efectos en la posición de la corriente en chorro en proximidad y a sotavento de las montañas, la ciclogénesis a sotavento y el movimiento de aire frío al lado de sotavento de las cordilleras.
- Normalmente, los efectos se emulan mediante las variaciones topográficas dentro de cada celda de malla.
Capa límite estable (CLE)
Características reales
- Se forma en noches calmas y despejadas y cuando aire más cálido pasa sobre una superficie más fría.
- Evoluciona principalmente por conducción con el aire en la capa de contacto, con cierto aporte adicional por enfriamiento radiativo.
- Se forma después de la descomposición de la capa superficial superadiabática que ocurre a medida que el suelo se enfría después del calentamiento máximo de media tarde.
- A la puesta del Sol, la capa superficial, la capa de contacto y la capa límite de superficie pueden fusionarse. Conforme avanza la noche y continúa el enfriamiento por conducción de la superficie fría, la capa superficial se convierte en una fracción más pequeña de la capa límite de superficie, con flujos de humedad, calor y momento constantes y normalmente pequeños y/o negativos.
- La capa límite de superficie no tiene un tope marcado, sino que hay una transición gradual en la parte superior de la inversión térmica nocturna.
Emulación numérica
Indirecta:
- Estimando las tasas de conducción entre las capas inferiores del modelo y el suelo sobre la base de los gradientes verticales de temperatura, humedad y momento.
- Normalmente se usa el mismo esquema empleado para una capa mezclada.
Capa superficial
Características reales
- El calor, la humedad y el momento se transportan por convección (inestabilidad térmica) durante el día y, por la noche, por conducción con la capa de contacto.
- Comprende aproximadamente el próximo 10 % de la CLP arriba de la capa de contacto en una CLP diurna bien desarrollada o una capa límite estable (CLE) nocturna bien desarrollada.
- La magnitud de los transportes en la capa de superficie depende de los flujos salientes de la capa de contacto y, por tanto, es sensible a los perfiles de temperatura, humedad y vientos cerca de la superficie.
- Es la fuente de los remolinos ascendentes o térmicas que dan impulso a la capa mezclada durante el día.
- Actúa como un «amortiguador» entre la capa de contacto y la capa superficial del suelo y el resto de la atmósfera, por turbulencia, con transportes de calor, humedad y momento casi constantes entre la capa de contacto y la capa mezclada durante el día y la capa límite de superficie por la noche.
- Por la noche, la evolución es un poco más complicada: inmediatamente después de la puesta del Sol, la capa de contacto, la capa superficial y la capa límite de superficie se fusionan, pero posteriormente se desarrollan las tres entidades individuales.
Emulación numérica
- Asigna o determina la profundidad de la capa superficial de acuerdo con el comportamiento observado de la capa superficial y la resolución vertical del modelo.
- Se supone que el flujo de la capa de contacto es constante a través de la capa superficial.
- La exactitud depende del cálculo de flujo de la capa de contacto (vea capa de contacto).
Capa mezclada
Características reales
- El modo de transporte principal es por turbulencia durante el día, cuando la superficie es más caliente que la atmósfera suprayacente.
- Situada entre la capa superficial y el área donde se incorpora el aire seco de la atmósfera libre en la CLP (la zona de efecto de arrastre).
- Los transportes verticales varían y dependen del tamaño y la intensidad de los remolinos turbulentos.
- El tamaño vertical de los remolinos turbulentos depende del gradiente térmico vertical, la distancia de la superficie y la cizalladura vertical del viento (de modo que la velocidad de evolución de la capa mezclada depende de la cantidad de calentamiento en la superficie).
- Nota: los remolinos grandes individuales creados por el calentamiento diferencial de la superficie a escalas pequeñas (entre decenas y centenas de metros) pueden efectuar transportes en sentido contrario al gradiente predominante de gran escala antes de que los gradientes verticales de gran escala se tornen inestables, como ya observamos en la descripción de la evolución de la CLP; esto produce el transporte de aire cálido y húmedo de una capa que a escala de malla es fría, a las capas suprayacentes más cálidas. Este flujo contragradiente rompe la inversión nocturna y permite la evolución de la CLP antes de los que se hubiera esperado.
- Tiene una superficie superior o tope bien marcada que se caracteriza por una capa estable o inversión térmica.
Emulación numérica
- Según el modelo, la altura del tope de la CLP se diagnostica de acuerdo con criterios de estabilidad de las capas inferiores del modelo.
- Calcula o establece coeficientes de mezcla para cada capa entre la capa superficial y el tope de la CLP.
- Puede permitir la mezcla entre capas no contiguas en un solo paso de tiempo o limitar la mezcla exclusivamente a capas contiguas.
- Puede emular la mezcla vertical por remolinos de pequeña escala antes de que lo permitan los gradientes verticales de temperatura y humedad de gran escala (compensa el flujo contragradiente).
Zona de arrastre
Características reales
- Área donde las parcelas de la «atmósfera libre» se pueden incorporar a la CLP por mezcla turbulenta; crece hacia arriba a medida que aumenta la profundidad de la capa superadiabática.
- Si se ha alcanzado el nivel de condensación por ascenso (NCA), contendrá cúmulos o estratocúmulos.
- A menudo, el tope de la zona de arrastre se caracteriza por una inversión térmica producto de subsidencia de gran escala y el enfriamiento y la humectación producto de la evaporación de los cúmulos poco desarrollados. La existencia de una inversión térmica tiende a suprimir el desarrollo vertical de la CLP y permite la acumulación de energía húmeda estática en la CLP.
- El enfriamiento y la humectación de la zona de arrastre a través de intercambio turbulento o del ascenso de gran escala puede reducir la intensidad de esta capa e incluso eliminarla, y provocar convección explosiva si la CLP es suficientemente inestable.
Emulación numérica
- No se emula directamente, aunque en los modelos de PNT suele existir una zona de transición entre la CLP y la atmósfera libre, la cual puede incluir a capa de inversión estable.
- Algunos modelos usan un esquema de convección poco profunda como una extensión del esquema de CLP para manejar la zona de arrastre.
- Si la resolución vertical del modelo es demasiado baja, es posible que esto no se capture en absoluto y que no se observe la inversión.
Capa de inversión
Características reales
- Una capa estable arriba de una capa mezclada residual después del desacoplamiento de la superficie y la atmósfera producido por el efecto de arrastre anterior en la CLP activa de día.
- La inversión se mantiene hasta que la capa mezclada alcance su nivel al día siguiente.
- Impide la interacción con la atmósfera libre.
- La advección y subsidencia afectan la intensidad de la inversión limitante.
Emulación numérica
- No se emula directamente, aunque en los modelos de PNT suele aparecer una capa de inversión estable como zona de transición entre la CLP y la atmósfera libre.
- A menudo es demasiado poco profunda para poderse representar bien en los modelos, especialmente donde la resolución del modelo es relativamente baja debido a la elevación y cuando la CLP es mucho más profunda de lo acostumbrado.
Capa residual
Características reales
- La capa bien mezclada e inactiva (ya no se produce mezcla) que queda después del anochecer, una vez que la atmósfera se desacople de la superficie. La mezcla turbulenta se vuelve insignificante poco después de la puesta del Sol.
- Conserva las características de la capa mezclada diurna, y solo se modifica por enfriamiento radiativo o advección horizontal.
- Sigue existiendo hasta que el calentamiento de la superficie del día siguiente vuelva a acoplar la superficie y la capa mezclada residual, produciendo un rápido «salto» en la altura de la CLP.
Emulación numérica
- Suele emularse bien cuando la superficie terrestre se desacopla de la atmósfera, pero depende de la capacidad del modelo de describir la estructura de la capa límite.