1era Reunión de la Red Temática de Contaminación Atmosférica

y Mitigación del Cambio Climático

Mesa de Discusión: “Efectos de los aerosoles urbanos en el impacto sobre la

microfísica de las nubes y los patrones de lluvia”

“Breve introducción a la temática y algunos antecedentes en México”

Graciela B. RagaCentro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM

Ciudad de México, 3 de octubre de 2017

¿Cómo se llega desde una partícula de aerosol hasta precipitación?Condiciones para que se forme una nube

La mayoría de las nubes en la tropósfera se forman en respuesta a condiciones ambientales adecuadas:

• Presencia suficiente de humedad (pero HR < 100%)

• Inestabilidad condicional:

• CAPE genera ascenso convectivo

• Forzamiento dinámico:

• Ascenso debido a topografía

• Ondas

• Ascenso frontal

El movimiento ascendente causa expansión y enfriamiento del aire y

localmente se generará sobresaturación (HR > 100%)

En nuestro planeta se necesita que haya núcleos sobre los cuales se pueda condensar el vapor de agua, ya que de lo contrario se necesitaría que la HR ~400%!!

• Un subconjunto de las partículas de aerosol son un ingrediente necesario para la formación de gotitas de nube (núcleos de condensación de nubes, CCN). La concentración de CCN natural es baja sobre los océanos (50-200 cm-3) y alta sobre los continentes (400-900 cm-3)

• Estudios observacionales indican que un incremento en la concentración de aerosol (Na ) se relaciona un un aumento en la concentración de gotitas de nube (Nd)

• Si no hay ningun otro cambio en el ambiente, las gotitas tendrán un menor diámetro y las nubes tendrán mayor reflectividad.

Dro

p c

on

cen

trat

ion

, N

d

Aerosol concentration, NaRamanathan et al. 2001

¿Cómo se llega desde una partícula de aerosol hasta precipitación?Presencia de aerosol para formar una nube

“Ship tracks”

¿Cómo se llega desde una partícula de aerosol hasta precipitación?Nube aislada

Feingold et al, 2008

Estos complejos procesosmicrofísicos son no-lineales y deben ser parametrizadosen modelos numéricos, y diferentes parametrizaciones para un mismo proceso introduce incertidumbres que deben ser cuantificadas

Cuantificación de cambios en la precipitación a partir de cambios en la concentración de CCN

Cambio en la precipitación debido a una anomalía de CCN

Eficiencia de precipitación

Cambio en la eficiencia de precipitación

Precipitación es el resultado de la diferencia entre los procesos que generan masa condensada (G) y los que la disminuyen (L)

Khain 2009

Khain 2009

El diagrama hace un resumen esquemático de cómo se afectan la masa que se evapora o sublima (L, “loss”) y la masa que se genera (G), en una variedad de tipos de nubes, bajo diferentes condiciones de humedad relativa y de cortante de viento.

Bibliografía hasta 2008, pero no se incluye el efecto radiativo de aerosol en la estabilidad atmosférica,

• Un incremento de aerosol lleva a un incremento de G y también un incremento de L.

• Donde > habrá MENOR precipitación y donde < habrá MAJOR.

• La diferencia entre estos escenarios microfísicos está relacionada con las condiciones

termodinámicas ambientales (trópico, latitudes medias, etc) y por el tipo de convección

(aislada versus organizada). Por ejemplo: si el aire es muy húmedo, habrá más masa

condensada ( ) y menos perdidas por evaporación ( ) y por tanto un incremento

de precipitación, como ocurre en Cb en zonas tropicales.

• Nubes aisladas experimentan una mezcla turbulenta mayor con el aire subsaturado del

ambiente por lo cual es mayor

• En cambio, en líneas de tormentas, MCSs, tormentas superceldas es mayor y

es menor, porque las regiones convectivas están mas protegidas del aire subsaturado

• La presencia de aerosol afecta la distribución de calentamiento/enfriamiento convectivo,

lo cual puede influenciar la dinámica de sistemas de nubes.

• En topografía compleja, se puede producir una re-distribución de la precipitación , que

disminuye en una zona pero aumenta en otra, dando un resultado neto nulo.

Khain 2009

Tormenta severa con granizoCumulus congestus y Cumulonimbus

Antecedentes en México

Mediciones de CCN en Cd de México: • Montañez y García (1993) mediciones 19 días, 22 julio-9 agosto 1985: 1000-6000 cm-3 , a

0.75% de SS • Baumgardner, Raga y Muhlia (2004) mediciones 17 días 13-29 septiembre de 2000: 2000-

6000 cm-3 , a 1.0% de SS

Mediciones de IN: serán presentadas por Luis Ladino a continuación

Mediciones de CCN, gotitas de nube y gotas de lluvia durante EPIC:• Raga and Baumgardner (2008): Análisis de datos tomados por aviones dentro de nubes

durante el proyecto EPIC en 2001, identificando condiciones ambientales limpias (CN= 500 cm-3, CCN= 200 cm-3) y contaminadas (CN= 2000 cm-3 , CCN= 600-700 cm-3)

Simulaciones numéricas de nubes durante EPIC:• Pozo, Raga y Baumgardner (2013): 20 días de simulaciones numéricas con ARPS y WRF para

casos limpios y contaminados y comparación con datos de TRMM

Raymond et al, 2003

Instrumentación en el C-130:• CNC, CCNC, PCASP (aerosol)• FSSP-100 (gotitas de nube)• 2D-C and 2D-P (gotas)

Proyecto EPIC

• 2 aviones: C-130 NCAR & P3 NOAA (cazahuracán)

• 12 vuelos en la ITCZ entre 3 /09/01 y 7/10/01

• 9 vuelos a lo largo de 95W

N, Polluted S, clean

10 20 30 40 50

0

4

8

12

Fre

qu

en

cy

(%

)

'Clean'

'Polluted'

0E+000 4E+005 8E+0050 40 80 120 160 200

Updrafts

Downdrafts

0 10 20 30 40 50Drizzle Concentration (L-1)

0

5

10

15

Fre

qu

en

cy

(%

)

0E+000 4E+005 8E+005Reflectivity

0 40 80 120 160 200Rainrate (mm hr-1)

• Mayor concentracion de gotitas de nube es mas probable en los casos contaminados en las corrientes ascendentes debido a mayor activación de CCN

• Mayor tamaño de gotitas de nube es mas probables en condiciones limpias• Mayor concentración de gotas de llovizna es mas probable en los casos limpios en las

corrientes ascendentes, debido a una mayor eficiencia de coleccion/coalescencia• Sin embargo, la tasa de precipitacion en las corrientes ascendentes son comparables en

ambos casos.

10 20 30 40 50

0

4

8

12

Fre

qu

en

cy

(%

)

'Clean'

'Polluted'

0E+000 4E+005 8E+0050 40 80 120 160 200

Updrafts

Downdrafts

0 10 20 30 40 50Drizzle Concentration (L-1)

0

5

10

15

Fre

qu

en

cy

(%

)

0E+000 4E+005 8E+005Reflectivity

0 40 80 120 160 200Rainrate (mm hr-1)

0 2 4 6 8 10Updrafts (ms-1)

0

20

40

60

80

Fre

qu

en

cy

(%

)

Clean

Polluted

0 2 4 6 8 10Downdrafts (ms-1)

0

20

40

60

80

100 200 300 400 500

0

4

8

12

16

20

Fre

qu

en

cy (

%)

Clean

Polluted

100 200 300 400 500

Big Drop (> 2 mm) Concentration (m-3)

0

4

8

12

16

20

Fre

qu

en

cy

(%

)Updrafts

Downdrafts

Corrientes ascendentes mas intensas son un poco mas probables en los

casos contaminados. La concentracion de gotas mas grandes es un poco mas probable en los casos contaminados en corrientes descendentes, pero tambien en

ascendentes

Pozo, Raga y Baumgardner (2013)

Líneas sólidas: Perfiles de TRMM para cada caso.

Líneas punteadas: Simulaciones, que sobreestiman la reflectividad observada en el caso contaminado

Simulaciones

Observaciones

PDF de la reflectividad a distintas alturas (colores).

Nota: Para las simulaciones Clean y Pollutedse usó la parametrización de Liu y Daum (2004)

La parametrización default de Lin et al (1983), que fue diseñada para casos continentales, tiene una eficiencia de precipitacion mayor, pero no es adecuada para esta region ITCZ, comparada con datos de TRMM.

La mayor PE se debe a mayor cantidad de aguade nieve y graupel simulados.

Lin83

Resumen:• Repaso de condiciones para la formación de nubes• Importancia del aerosol atmosférico, en particular de CCN. • Complejidad de los procesos que producen precipitación• Intento de clasificación de la respuesta de la eficiencia de precipitación en

función de factores termodinámicos y cinemáticos.

En México:• Casos observados in-situ con avión en la ITCZ del Pacifico oriental durante

EPIC 2001• Al realizar simulaciones numéricas, se debe tener mucho cuidado en la

selección de parametrizaciones microfísicas y validar los resultados contra observaciones, e.g. TRMM

Cortesía Dr. Danny Rosenfeld

Imagen similar a las presentadasen el trabajo de Rosenfeld (2000), calculada especialmente para el centro de México, sobre Puebla, a sotavento de la Ciudad de México.

Corresponde a un solo dia de octubre de 1998.