TEMA 7. DINÁMICA DE CÚMULOS 7. Introducción Se habla de nubes cumuliformes o convectivas cuando se tienen nubes que ocurren cuando el aire se vuelve altamente inestable y produce aceleraciones verticales de gran importancia en una región limitada entre 0,1 y 10km en la horizontal. En este grupo están incluidos cúmulos y cumulonimbos que difieren de las nubes estratiformes no sólo en la apariencia visual sino en la dinámica y en su microfísica. Su movimiento vertical es mucho más fuerte y la condensación y precipitación mucho más intensas. Las nubes cumuliformes exhiben un gran espectro de formas, que incluyen las siguientes cuatro grandes escalas de desarrollo: 1) “Cu humilis” (o de buen tiempo). Su dimensión horizontal y vertical aprox 1Km (una burbuja convectiva) 2) “Cu congestus”: escala horizontal y vertical de varios Km. Son agregados de pequeñas burbujas convectivas que van creciendo una detrás de otra, alcanzando sucesivamente alturas mayores. 3) “Cb individuales” (tormentas). Dimensión horizontal de decenas de Km y vertical hasta la tropopausa. En el tope forma el característico yunque. Fuertes precipitaciones, con truenos, relámpagos. Producen fuertes vientos de salida, e incluso tornados. 4) “Sistemas convectivos a mesoescala (SCM)”: Son complejos de tormentas. Dimensión horizontal de cientos de Kms. Agrupación de múltiples Cb. También están formados por Ns. Provocan enormes cantidades de precipitación estratiforme (Ns) + cumuliforme. Desarrollan patrones de circulación a mesoescala junto con los movimientos de aire convectivos.. La dinámica básica de estas cuatro escalas son los movimientos verticales de aire que ocurren cuando el aire es menos denso que el entorno (aceleración = flotabilidad). En general los procesos dinámicos más importantes son: i) Aceleración vertical ascendente -> velocidades ascendentes del orden de 1-10 m/s. Si hay aceleraciones entonces se produce una modificación del campo de presión superficial. ii) Evolución vertical de vapor de agua (ascensos de vapor de agua) (alta humedad específica) -> formación de agua líquida -> acreción -> hidrometeoros de gran tamaño (como granizo) -> caída -> campo de aceleraciones negativas -> corrientes descendentes -> T cada vez más altas (evaporación) -> T menores a su alrededor -> T menor arriba que abajo -> corrientes descendentes ... (la evaporación enfría el aire, lo que mantiene e intensifica estas corrientes descendentes iii) entrainment muy grande con el entorno facilitado por la fuerte turbulencia. Es la principal fuente de estabilidad 1. los flujos verticales (movimientos convectivos) generan rotación, que en casos extremos se pueden manifestar con la formación de tornados. Esta rotación retroalimenta la dinámica de estas nubes produciendo modificaciones en el campo de presión que ha sido inducido por flotabilidad. 2. En este tema se estudian los aspectos dinámicos básicos comunes a todas las nubes convectivas. En temas posteriores se tratarán los Cb individuales y los SCM 7.2 Flotabilidad En última instancia todas estas nubes se deben a la existencia de flotabilidad a escala local ( 0 -> B < 0 -> movimiento descendente Si  < 0 -> B > 0 -> movimiento ascendente ∗

Se puede ver que : B=g [

∗

T P 3 −  q∗v −q H ] T 0 P0 5

donde T* es la desviación de la T con respecto al equilibrio hidrostático, P* es la desviación de la P con respecto al equilibrio hidrostático, qv* es la desviación de la razón de mezcla de vapor con respecto al equilibrio hidrostático y qH es la desviación del agua líquida con respecto al equilibrio hidrostático. La flotabilidad (B) tiene por tanto cuatro contribuciones: 1.- contribución térmica: a mayor T* mayor B 2.- contribución de P: cuando Pqv* (a más vapor) mayor contribución a la B. El vapor de agua es un agente desestabilizador. 4.- contribución de los hidrometeoros (H): el aire hidrostático no tiene hidrometeoros. Los hidrometeoros suponen un flotabilidad negativa (es una carga para el ascenso, hay que elevarlos) En una nube convectiva estos 4 términos son del mismo orden de magnitud → no se pueden despreciarse Una perturbación de 1K en la T* es equivalente a una perturbación de P*de 3hPa, o qv* de 0.005 o de qH de 0.003. 7.3 Perturbación de presión La flotabilidad (B) no puede existir sin una cierta estructura del campo de presión. Si la burbuja es menos pesada que el entorno, la presión superficial será menor (P1), luego existe un cierto gradiente de presión en la horizontal, que origina flujos hacia las bajas presiones y, en consecuencia, convergencia que facilita el movimiento vertical. P1 Teoría K - Supone entrainment en todas las direcciones - Flujo no continuo, sino como pulsos intermitentes temporales y espaciales - No supone mezcla inmediata - Entrainment lateral + arriba + abajo

7.5 Vorticidad 7.5.1 Consideraciones generales Un aspecto muy interesante de las nubes convectivas es que desarrollan movimientos rotatorios, pueden generar vorticidad horizontal y vorticidad vertical. vorticidad relativa=y i  j k vorticidad absoluta=y i  j f  k 7.5.2 Vorticidad horizontal La vorticidad horizontal se genera por un gradiente horizontal de flotabilidad (generación baroclina): los ascensos de la nube cumuliforme (la propia B) genera vorticidad horizontal

∇ H B  B Si se tiene una nube donde el máximo de B se da en el centro del elemento se producirá un ∇ x (gradiente de B en el eje x) y como consecuencia de esto una vorticidad en el eje y positiva (giro en el sentido de las agujas del reloj). Lo contrario sucede cuando hay precipitación. Se produce giro en sentido contrario a las agujas del reloj, vorticidad negativa, que puede llegar y mantenerse en superficie. También puede generarse por cizalla de viento medio

7.5.3 Vorticidad vertical La vorticidad vertical aumenta o minimiza los movimientos verticales Proviene de la conversión de vorticidad horizontal + movimientos ascendentes. Fijándose en la figura vemos: I) supongamos que una nube donde la dirección del flujo medio es 'x' con cizalla en el viento. Como consecuencia de este cambio de módulo en la cizalla existe vorticidad horizontal. Cuando la corriente ascendente de la nube convectiva (“updraft”) llega a la línea donde se da esta vorticidad el hipotético tubo se deforma de manera que el eje de giro ya no es horizontal sino vertical y de signo distinto a ambos lados del núcleo ascendente.

II) Tras la caída se produce una vorticidad horizontal en el suelo (ya visto), que en el momento que actúen otra vez movimientos ascendentes podrá volver a convertirse en vorticidad vertical.

Como se puede observar en la figura anterior, la corriente ascendente (“updraft”) genera dos vórtices, uno gira ciclónicamente (el de la izquierda, mesociclón) y el otro anticiclónicamente (el de la derecha, meso-anticiclón). Cuando la corriente ascendente no puede soportar el peso de la precipitación que ha ido generando en su flanco superior, se forma una corriente descendente (“dowdraft”), que si se cumplen ciertas condiciones, cae sobre la misma corriente ascendente (“updraft”) y la divide en dos partes (en dos células simétricas), una con una corriente ascendente en el flanco derecho de la tormenta que presenta rotación ciclónica (a la izquierda en la figura) y otra con una corriente ascendente en el flanco izquierdo de la tormenta que presenta una rotación anticiclónica (a la derecha en la figura).

Bibliografía Houze, R.A. (1993): Chapter 7, Cumulus Dynamics. Cloud Dynamics, pags: 222-253. International Geophysics Series, Vol 53. Ed: Academic Press Inc. Artículos: “A Observational Study of Spitting Convective Clouds”. H. B. BLUESTEIN, E. W. McCAUL, G. P. BYRD, R.L. WALKO, R. DAVIES-JONES, 1989. Monthly Weather Review. “The Severe Weather Event of 18-June-97: An Example of Spitting Supercells”. R. GRAHAM, M. STAUDENMAIER, 1997. Western Regional Technical Attachment, NOAA. Acrónimos A: variable con unidades de energía, masa o momento por unidad de masa Ac: valor de A en la nube AE: air entrainment Ae: valor de A en el entorno B: flotabilidad Cb: cumulonimbo Cu: cúmulo f: vorticidad planetaria g: aceleración de la gravedad k: vector unitario en dirección z m: masa Ns: nimboestrato P: presión qH: humedad específica de los hidrometeoros qv: humedad específica del vapor de agua SCM: sistema convectivo a mesoescala T: temperatura t: tiempo v: velocidad del viento w: componente vertical de la velocidad del viento y: componente zonal de la vorticidad relativa z: altura : componente vertical de la vorticidad relativa : densidad del aire : componente meridional de la vorticidad relativa Subíndices/Superíndices 0 : valor que tendría una variable si la atmósfera estuviera en equilibrio hidrostático * : desviaciones respecto al valor que tendría una variable si la atmósfera estuviera en equilibrio hidrostático ¯ : promedio ' : desviación frente al promedio