Índices de EstabilidadMichel Davison y José Gálvez

E.g. IR4 SatCAPE K

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Por qué son importantes?

• Los índices de estabilidad ayudan a determinar el potencial, severidad y tipo de convección esperada:

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Llana Profunda

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

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Índices Tradicionales

• Método de Parcelas– Lifted Index (LI)– Showalter Stability Index (SSI)– Total Totals (TT)– K Index (K)

• Método Termodinámico– CAPE

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Método de ParcelasPara determinar la inestabilidad, una parcela de aire es desplazada entre niveles asumiendo que no hay interacción con el medio ambiente

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Método de Parcelas

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Para determinar la inestabilidad, una parcela de aire es desplazada entre niveles asumiendo que no hay interacción con el medio ambiente

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

Inestable/neutral: parcela puede fácilmente ascender o descender (convección favorecida)

Extremadamente estable, inversión de subsidencia (la parcela no ascenderá ni descenderá)

Estable (la parcela necesita mucho forzamiento para ascender o descender)

Método de Parcelas

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• LI = Temperatura del medio ambiente en 500 hPa – Temperatura de la parcela en los 500 hPa ascendiendo desde superficie (capa limite)

LI = T500 – TPARCELA_500

TPARCELA_500 T500

Índice Lifted (LI)

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• Mientras más negativo más inestable.• Limitantes:

– Considera sólo dos niveles.– Aplicable a masas barotrópicas y del lado cálido de

vaguadas troposféricas.

NEGATIVO: INESTABLE POSITIVO: ESTABLE

LI = T500 – TPARCELA_500

+_

Índice Lifted (LI)

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• Positivo: Estable• 0 a -4: Marginalmente Inestable• -4 a -6: Gran Inestabilidad• Igual o menor de -8: Inestabilidad Extrema

Valores del LI

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• 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

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Índice de Estabilidad Showalter (SSI)

• Positivo: Estable• 0 a -4: Marginalmente Inestable• -4 a -6: Gran Inestabilidad• Igual o menor de -8: Inestabilidad Extrema

Valores del SSI

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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

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Total Totals

Se calcula con la temperatura de 500 hPa y con la temperatura y rocío en 850 hPa.

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ESTABLE (Valores bajos)

850

500CALIDO

FRIOSECO

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

850

500

CALIDOHUMEDO

INESTABLE (Valores altos)

TT = (T850 + Td850) - (2*T500)

Total Totals

• Es fácil de calcular.• Funciona bien en latitudes medias y, en algunas

ocasiones, en los trópicos.

• 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

PROS

LIMITACIONES

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Índice K

• 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

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K = (T850 – T500) + [ Td850 – (T700-Td700) ]

Gradiente vertical de temperatura

(estabilidad)

Contenido de humedad entre 850 y 700 hPa

(agua disponible)

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

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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.

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Método Termodinámico

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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 trabajo una

parcela ejerce en el medio ambiente.19/47

Áreas Positivas/Negativas

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Valores de CAPE(en latitudes medias)

Valor de CAPE Potencial de Convección

0

0-1000

1000-2500

2500-3500

3500+

Estable

Marginalmente Inest.

Moderadamente Inest.

Bien Inestable

Extremadamente Inest.

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Limitantes del CAPE

• Tiene que tomar en consideración los inhibidores convectivos (CINH)– CINH no 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:

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CAPE Imagen de satélite IR4

Sonda, Curasao

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Sonda, Curasao

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Sonda, Santo Domingo

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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.

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Posible Solución

• 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.

En los trópicos…

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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) disminuye con la altura.

• Si THTE aumenta con la altura, donde aire cálido y húmedo queda sobre aire frío y seco, la columna esta convectivamente estable.

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Temperatura Equivalente PotencialInestabilidad Convectiva

Inestabilidad Profunda

Inversion

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 700 – THTE 850• Dif > 0, Estable• Dif < 0, Inestable

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Diferencia de THTE entre dos niveles

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Diferencias de THTE en el Corte Vertical

Honduras ITCZ

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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

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Temperatura Equivalente Potencial

Δ = -6Δ = -21Δ = -8

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El Índice de Inestabilidad Convectiva Gálvez-Davison (GDI)

para la cuenca del Caribe

José Manuel GálvezMike Davison

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En qué se basa?En nuestras experiencias en pronósticos y en estudios.

Mike Davison noto la relación clara entre las cuñas termales (TC) y laconvección tropical

TC = columna de alto contenido de calor y humedad con respecto al medio que le rodea

Observado

Factores importantes en el Caribe-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.

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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

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 efecto destabilizador de las TUTTs.

(4) Debe considerar el terreno– Aplicar correcciones donde hay terreno elevado/montañoso

para corregir interpolaciones ficticias de los modelos.

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Algoritmo (detalles sobre 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 cuña termal (TCF) “Combustible” (núcleos de calor y humedad) (2a) Resaltamiento (E): función de θe cerca al suelo. Mayor θe más energía más resaltamiento. α=303 K

(2c) TCF: MTTF se resalta sólo si E > 0 (i.e. si hay poca energía cerca al suelo no se resalta)

(2b) θe a niveles medios (MTTF): Valores altos reflejan energía disponible a niveles medios.

(3) Factor térmico de atmósfera media (MWF) enfriamiento por TUTTsMientras más calientes los niveles medios, más estable e inhibición es mayor.

(4) Indice de cuña termal (TCI): Suma de factores (2) y (3).

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(5) Indice de la inversión (II) Inversión de los Alisios e intrusiones de aire seco(5a) Intrusión de aire seco (DF): diferencia de θe

(6) Correcciones terreno y valores excesivos cerca a la ITCZ/NET

(5b) Inversión (IF): estabilidad de los niveles bajos

(5c) Indice de la inversión (II): Secamiento y estabilidad

(6a) Terreno: Balancea interpolaciones ficticias de datos del modelo en zonas elevadas.

(6b) Reductor de valores excesivos cerca a la ITCZ/NET: Balancea efectos de valores excesivos de energía, resaltando la estructura y las zonas de mayor potencial de desarrollo cerca a ITCZ/NET.

(7) Indice final! Cuña termal (TCI) + Inversión y secamiento (II) + Correcciones

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Valores Tipicos del GDI bajo Diferentes Escenarios.

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Noten mejor resolución del GDI sobre Centro América, donde la diferencia directa entre dos niveles sugería mayor potencial de convección que el GDI.

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Índice GDI vs. Dos Niveles

GDI

Dos niveles

Evaluación:

• Capacidad del GDI para pronosticar el potencial para convección húmeda profunda.

• Comparado con índices tradicionales

-CAPE -K Index -Lifted Index -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!

Comparación con otros índicesValidación del Índice

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Topes cálidos, poca convección

Topes algo fríos convección llana o pocas celdas profundas

Topes más fríos Convección profunda

Temperature scale in Celsius

Como evaluamos?

Index scale

Valores bajos, en GDI, K, CAPE/50, TOTALS-30 menor potencial.

SAT

Ind

ices

Cuál sería un buen resultado?Satélite Indice

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Nov.4.2012Otros ejemplos GDI funciona bien!

IntercomparaciónSatellite-Index

GDI

CAPE/50 K

Lifted+20 Totals

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IR4 (‘observado’)

Escala de temperatura en C

IR4 GDI

K

Lifted+20 Totals

CAPE/50

Nov.5.2012Ejemplo 2 GDI funciona bien!

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IR4 (‘observado’)

Escala de temperatura en C

IntercomparaciónSatellite-Index

IR4 (‘observado’)

Escala de temperatura en C

Nov.17.2012Ejemplo 3 GDI funciona bien!

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GDI

CAPE/50 K

Lifted+20 Totals

IntercomparaciónSatellite-Index

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.

¿Preguntas?

Prueba

Preguntas

• ¿Cuáles son las limitantes del método de parcelas?• ¿Qué ventajas ofrecen métodos termodinámicos para

evaluar la atmosfera sobre el método de parcelas?• ¿Por qué el índice K funciona mejor que los otros

índices tradicionales para evaluar la atmosfera tropical?• ¿Por qué valores altos de CAPE son típicamente

observados en la cuenca del Caribe? • ¿Cuándo la columna esta convectivamente estable?• ¿Cuándo la columna esta convectivamente inestable?• ¿Qué ventajas ofrece el índice GDI sobre el índice K?