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Índices de Estabilidad Michel Davison y José Gálvez

Índices de Estabilidad Michel Davison y José Gálvez. E.g. CAPE. IR4 Sat. K. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. ?. Por qué son importantes?. Los índices de estabilidad ayudan a determinar el potencial, severidad y tipo de convección esperada:.

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Índices de Estabilidad Michel Davison y José Gálvez

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  1. Índices de EstabilidadMichel Davison y José Gálvez E.g. CAPE IR4 Sat K ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

  2. Por qué son importantes? • Los índices de estabilidad ayudan a determinar el potencial, severidad y tipo de convección esperada: • Llana Profunda 1/47

  3. Estabilidad de la Columna • Evaluación objetiva de la estabilidad de la atmósfera es uno de los retos más grandes para el meteorólogo en los trópicos. • Índices tradicionales diseñados con latitudes medias en mente (no siempre funcionan para los trópicos). • Esencial el poder distinguir entre periodos donde hay mayor riesgo para convección • Llana • Profunda 2/47

  4. Índices Tradicionales • Método de Parcelas • LiftedIndex(LI) • ShowalterStabilityIndex (SSI) • Total Totals (TT) • K Index (K) • Método Termodinámico • CAPE 3/47

  5. Método de Parcelas Para determinar la inestabilidad, una parcela de aire es desplazada entre niveles asumiendo que no hay interacción con el medio ambiente 4/47

  6. Método de Parcelas Para determinar la inestabilidad, una parcela de aire es desplazada entre niveles asumiendo que no hay interacción con el medio ambiente 5/47

  7. Método de Parcelas Ejemplo: Convección llana (Key West, FL, 04-Mar-2013 00z) -Inestable/neutral debajo de 800 hPa -Muy estable de 800 a 700 hPa (inversión o “tapa”) -Estable por encima Estable (la parcela necesita mucho forzamiento para ascender o descender) Extremadamente estable, inversión de subsidencia (la parcela no ascenderá ni descenderá) Inestable/neutral: parcela puede fácilmente ascender o descender (convección favorecida) 6/47

  8. Índice Lifted (LI) • LI = Temperatura del medio ambiente en 500 hPa – Temperatura de la parcela en los 500 hPaascendiendo desde superficie (capa limite) LI = T500– TPARCELA_500 TPARCELA_500 T500 7/47

  9. ÍndiceLifted (LI) • Mientras más negativo más inestable. • Limitantes: • Considera sólo dos niveles. • Aplicable a masas barotrópicas y del lado cálido de vaguadas troposféricas. LI = T500– TPARCELA_500 _ + NEGATIVO: INESTABLE POSITIVO: ESTABLE 8/47

  10. Valores del LI • Positivo: Estable • 0 a -4: Marginalmente Inestable • -4 a -6: Gran Inestabilidad • Igual o menor de -8: Inestabilidad Extrema 9/47

  11. Índice de Estabilidad Showalter (SSI) • Similar a LI pero ascendiendo desde 850hPa: SSI = Temperatura del medio ambiente en 500 hPa – Temperatura de la parcela en 500 hPa ascendiendo desde 850 hPa • Funciona cuando hay una capa fría llana por debajo de los 850 hPa • No funciona cuando la capa fría sobrepasa los 850 hPa • No toma en consideración calentamiento diurno • No funciona si el nivel de la estación es sobre los 850 hPa 10/47

  12. Valores del SSI • Positivo: Estable • 0 a -4: Marginalmente Inestable • -4 a -6: Gran Inestabilidad • Igual o menor de -8: Inestabilidad Extrema 11/47

  13. Comparación del LI y el SSI • Ambos solamente consideran dos niveles • 500 hPa • Nivel original de la parcela a evaluar • LI >0 y SSI > 0 = Capa bien estable • LI < 0 y SSI>0 = Capa limite inestable, posible inversión en altura. • LI > 0 y SSI < 0 = Capa limite estable, pero atmósfera tiende a ser mas inestable con altura • LI < 0 y SSI < 0 = Capa inestable profunda 12/47

  14. Total Totals TT = (T850 + Td850) - (2*T500) Se calcula con la temperatura de 500 hPa y con la temperatura y rocío en 850 hPa. ESTABLE (Valores bajos) INESTABLE (Valores altos) Valores más bajos cuando atmósfera media es cálida, atmósfera baja fría y seca. Valores más bajos cuando atmósfera media es cálida, atmósfera baja fría y seca. FRIO CALIDO 500 500 850 850 SECO HUMEDO CALIDO FRIO 13/47

  15. Total Totals PROS • Es fácil de calcular. • Funciona bien en latitudes medias y, en algunas ocasiones, en los trópicos. LIMITACIONES • Sólo usa dos niveles. • No funciona en terrenos elevados (Psfc>850 hPa). • Problemas cuando inversiones ocurren entre estos dos niveles. • En masas post-frontales tiende a dar valores extremadamente altos 14/47

  16. Índice K K = (T850 – T500) + [ Td850 – (T700-Td700) ] • Al tomar en consideración el contenido de agua en 850 y 700 hPa, tiende a funcionar bien en los trópicos • Masas marítimas tropicales en particular. • CIMH • Norte del Caribe > 24 • Sur del Caribe/SA > 30 Contenido de humedad entre 850 y 700 hPa (agua disponible) Gradiente vertical de temperatura (estabilidad) 15/47

  17. Valores del K(Latitudes Medias) • Cuando los rocíos en 850 son altos, y la depresión en 700 es baja, es indicativo de una masa caliente y húmeda profunda • 15 – 25 = Potencial Convectivo Bajo • 26 – 39 = Potencial Convectivo Moderado • +40 = Potencial Convectivo Alto 16/47

  18. Limitantes del K • No ve inversiones en niveles medios. • Solo no funciona para determinar severidad de tormentas. • Si diferencia en temperatura entre 850 y 500 es muy grande, el K puede generar valores muy altos y no realísticos. • No es aplicable a terreno montañoso, funciona mejor en llanos de poca elevación. 17/47

  19. Método Termodinámico 18/47

  20. CAPE • Representa energía potencial de parcelas de aire que ascienden sobre el nivel de convección libre (LFC). • Mientras más bajo el LFC, mayor probabilidad de desarrollo. • También una manera de evaluar el potencial/riesgo de tiempo severo. • Unidades de Joules por Kilogramo (Energía por unidad de masa) • Representa la cantidad de energía disponible para “forzar” una parcela de aire a ascender • También representa la cantidad de trabajouna parcela ejerce en el medio ambiente. 19/47

  21. Áreas Positivas/Negativas 20/47

  22. Inhibidores a la Convección(CINS/CINH) • La área de la parte negativa en la sonda es el CINH. • Cuando CINH es muy alto, suprime la convección • Cuando CINH es muy bajo, se facilita la liberación de energía y el desarrollo convectivo. • Cuando CINH esta en el medio, la formación de la convección depende de cuan alto sea el CAPE. • Si el CAPE es bajo, inhibe la convección • Si el CAPE es alto, favorece convección tardía y potencial de tiempo severo (como si fuese una olla a presión).

  23. Valores de CAPE(en latitudes medias) Valor de CAPE Potencial de Convección 0 Estable 0-1000 Marginalmente Inest. 1000-2500 Moderadamente Inest. 2500-3500 Bien Inestable 3500+ Extremadamente Inest. 21/47

  24. Limitantes del CAPE • Tiene que tomar en consideración los inhibidores convectivos (CINH) • CINHno directamente proporcional en magnitud a los valores de CAPE • Masas en los trópicos generalmente exhiben altos valores de CAPE y en algunos casos no se desarrolla convección profunda. Ejemplo: Imagen de satélite IR4 CAPE 22/47

  25. Sonda, Curasao 23/47

  26. Sonda, Curasao 24/47

  27. Sonda, Santo Domingo 25/47

  28. Problemas en los Trópicos • Atmósfera en los trópicos suele quedar más inestable subsiguiente a la ocurrencia de convección (no antes): -Efectos de la liberación de calor latente y humedecimiento de la columna. • Método de parcela funciona mejor cuando hay aire frío en niveles superiores • TUTT presente • La columna en los trópicos es más profunda, lo cual tiende a generar valores muy altos de CAPE que no siempre son conducibles a convección profunda. 26/47

  29. Posible Solución En los trópicos… • Tenemos que considerar la columna completa • Distribución vertical de humedad es muy importante. • Gradientes verticales de temperatura son muy sutiles. • Forzamiento meso-sinóptico en los trópicos por lo general es también muy suave/sutil. • Forzamiento depende mas de efectos de radiación, brisas, efectos topográficos. • Convección tropical tiende a depender más de la inestabilidad convectiva. • Más de la termodinámica de la columna. 27/47

  30. Inestabilidad Convectiva en la Columna • Puede evaluarse con perfiles verticales de temperatura equivalente potencial (THTE). • Esta combina efectos de temperatura y humedad. • La columna se considera convectivamente inestable cuando la temperatura equivalente potencial (THTE) disminuyecon la altura. • Si THTE aumenta con la altura, donde aire cálido y húmedo queda sobre aire frío y seco, la columna esta convectivamente estable. 28/47

  31. Temperatura Equivalente PotencialInestabilidad Convectiva Inversion Inestabilidad Profunda

  32. Inestabilidad Convectiva • Solución: Si sacamos la diferencia algebraica entre dos niveles, esto capturaría la tendencia en la atmósfera y nos permitiría ver rápidamente en el plano donde la columna esta convectivamente inestable. • THTE 500 – THTE 700 • Dif > 0, Estable • Dif < 0, Inestable 30/47

  33. Diferencia de THTE entre dos niveles 31/47

  34. Diferencias de THTE en el Corte Vertical Honduras ITCZ Sur ITCZ 32/47

  35. Problemas con este método • No toma en consideración espesor de la columna • No distingue entre cuñas termales y las inversiones atmosféricas • Gradientes verticales en las cuñas más pronunciados • Exhibe las mismas limitantes del método de parcelas 33/47

  36. Temperatura Equivalente Potencial Δ = -8 Δ = -21 Δ = -6 34/47

  37. El Índice de Inestabilidad Convectiva Gálvez-Davison (GDI) para la cuenca del Caribe José Manuel Gálvez Mike Davison 35/47

  38. En qué se basa? En nuestras experiencias en pronósticos y en estudios. Observado Mike Davison noto la relación clara entre las cuñas termales (TC) y la convección tropical TC = columna de alto contenido de calor y humedad con respecto al medio que le rodea Factores importantes en los tropicos -Inversión en los alisios. “Tapa” estable que frecuentemente, aunque no siempre, determina la profundidad de la convección. También, determina el potencial de intrusión de aire seco cuando convección la penetra. -TUTTs con su núcleo frío, pueden resaltar la convección al enfriar la columna media/superior. Dorsales tienden a tener efecto opuesto, según calientan/estabilizan los niveles medios. 36/47

  39. Modelo Conceptual de Diferentes Procesos Atmosféricos y Campo de θe Asociado Inversión de los alisios e intrusión de aire seco. Convección tropical llana también puede resultar en montos excesivos de lluvia por alto contenido de humedad. 37/47

  40. Inestabilidad Convectiva Para poder funcionar, el índice debe tomar en cuenta diferentes factores: (1) No puede ser linear • Integración entre varios niveles (2) Debe considerar los efectos de inversiones en los alisios y las intrusiones de aire seco asociadas. (3) Debe considerar el efectodestabilizador de las TUTTs. (4) Debe considerar el terreno • Aplicar correcciones donde hay terreno elevado/montañoso para corregir interpolaciones ficticias de los modelos. 38/47

  41. Algoritmo (detallessobre el cálculo del GDI): Variables de entrada: θe a 6 niveles (975, 950, 850, 700, 600, 500 hPa), T a 500 hPa (1) Promedios simples de θe (en K): (2) Factor de cuñatermal (TCF)  “Combustible” (núcleos de calor y humedad) (2a) Resaltamiento(E): función de θe cerca al suelo. Mayor θe  másenergía  másresaltamiento. α=303 K (2b) θe a nivelesmedios (MTTF): Valores altos reflejan energíadisponible a nivelesmedios. (2c) TCF: MTTF se resaltasólosi E > 0 (i.e. si hay poca energíacerca al suelo no se resalta) (3) Factor térmico de atmósfera media (MWF) enfriamientopor TUTTs Mientrasmáscalientes los nivelesmedios, másestable e inhibiciónes mayor. (4) Indice de cuñatermal (TCI): Suma de factores (2) y (3). 39/47

  42. (5) Indice de la inversión (II)  Inversión de los Alisios e intrusiones de aireseco (5a) Intrusión de aireseco(DF): diferencia de θe (5b) Inversión (IF): estabilidad de los nivelesbajos (5c) Indice de la inversión (II): Secamiento y estabilidad (6) Correccionesterreno y valoresexcesivoscerca a la ITCZ/NET (6a) Terreno: Balanceainterpolacionesficticias de datos del modelo en zonaselevadas. (6b) Reductor de valoresexcesivoscerca a la ITCZ/NET: Balanceaefectos de valoresexcesivos de energía, resaltando la estructura y laszonas de mayor potencial de desarrollocerca a ITCZ/NET. (7) Indice final! Cuñatermal (TCI) + Inversión y secamiento (II) + Correcciones 40/47

  43. Valores Tipicos del GDI bajo Diferentes Escenarios. 41/47

  44. GDI Índice GDI vs. Dos Niveles Dos niveles Noten mejor resolución del GDI sobre Centro América, donde la diferencia directa entre dos niveles sugería mayor potencial de convección que el GDI. 44/47

  45. Validación del Índice Comparación con otros índices Evaluación: • Capacidad del GDI para pronosticar el potencial para convección húmeda profunda. • Comparado con índices tradicionales • -CAPE -K Index -LiftedIndex -TOTAL TOTALS • Observaciones utilizadas (“verdad”)  Promedios de la temperatura imágenes IR4 en 24-hr • Periodos de tiempo fueron sincronizados: promedios de 24 hr. El GDI funcionó mejor que los índices tradicionales, detallando mejor las áreas con potencial de convección profunda y llana! 42/47

  46. Como evaluamos? Topes algofríos convecciónllana o pocasceldasprofundas Topes cálidos, pocaconvección Topes másfríos Convecciónprofunda SAT Temperature scale in Celsius Valoresbajos, en GDI, K, CAPE/50, TOTALS-30 menorpotencial. Indices Index scale Cuálsería un buenresultado? Indice Satélite 43/47

  47. Otrosejemplos GDI funcionabien! Nov.4.2012 IR4 (‘observado’) GDI Escala de temperatura en C CAPE/50 K Intercomparación Satellite-Index Totals Lifted+20 45/47

  48. Ejemplo 2  GDI funcionabien! Nov.5.2012 IR4 (‘observado’) IR4 GDI Escala de temperatura en C K CAPE/50 Intercomparación Satellite-Index Totals Lifted+20 46/47

  49. Ejemplo 3  GDI funcionabien! Nov.17.2012 IR4 (‘observado’) GDI Escala de temperatura en C K CAPE/50 Intercomparación Satellite-Index Totals Lifted+20 47/47

  50. Resultados Preliminares • El GDI se ve bastante prometedor para evaluar rápidamente el potencial (y tipo) de convección en el Caribe y trópico en general. • El GDI depende de la calidad del pronóstico. • Si el pronóstico del modelo es bueno, el pronóstico del GDI es bueno • Debido a la gran densidad de datos en la cuenca del Caribe, los pronósticos a corto plazo tienden a ser generalmente buenos • Funciona mejor que el índice K sobre terreno montañoso/elevado y cerca a la ITCZ/NET, donde el K no refleja la estructura detallada del potencial de cierto tipo de convección. • También funciona mejor que el K sobre océanos/islas del Caribe: es más detallado.

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