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Tema 9: TORMENTAS CONVECTIVAS
9.1 Introducción
9.2 Pequeños cumulonimbos
9.3 Tormentas multicélula
9.4 Tormetas supercélula
9.5 Condiciones ambientales que favorecen los distintos tipos de
tormentas
9.6 Tornados
9.7 Frentes de racha
9.8 “Downburst”
9.9 Sistemas convectivos a mesoescala
9.10 Líneas de tormentas
9.1 Introducción
Varias escalas:
- Cb aislados
- Tormentas multicélula
- Tormentas supercélula
Las tormentas de célula única (Cb aislados) son las más comunes,
no obstante la importancia en cuanto a precipitación y daños
(excepto descargas eléctricas) es más bien pequeña
9.2 Pequeños cumulonimbos (célula única)
98% de Cb son nubes frías constituidas por formas de hielo muy
diversas -> microfísica muy complicada -> modelización muy difícil
2 regiones:
- de nueva formación:
ascensos por ↑B
no está helada
- de antigua formación
precipitación
tiene núcleos individuales convectivos de gran B-> torres, dimensión
horizontal 1-3km. Dentro de la torre el aire evoluciona como una burbuja
ascendente con vorticidad generada por gradientes horizontales de flotabilidad
la parte de arriba de las torres es más redondeada, aprox 100m de diámetro->
cresta -> entrainment máximo. También ice enhancement favorecido
van teniendo cada vez más altura en la dirección de desarrollo de la nube hasta
que pueden alcanzar la isocero -> cristales de hielo, muchos hidrometeoros
las partículas de hielo ascienden verticalmente -> hidrometeoros más
pequeños arriba de todo, serán arrastrados por la corriente de salida para
formar el yunque
los hidrometeoros de más tamaño pueden tener peso suficiente para caer
-> en la zona antigua se puede producir precipitación discontinua:
estelas de precipitación
Tropopausa -> corriente de salida (yunque) -> los hidrometeoros
pequeños son arrastrados -> número de cristales de hielo muy grande > ice enhancement.
Hay mucha agua y muchos hidrometeoros en la zona del principio de
la corriente de salida y poca corriente vertical -> zona de agregación,
rimming, graupel, granizo -> zona de mayor precipitación (intensa)
Estas tormentas se llaman de célula única porque sólo originan un
episodio de precipitación. Cuando cesan los ascensos la lluvia se
disipa y el ciclo de vida acaba dejando el yunque como nube
cirriforme
En la parte terminal de la corriente sólo hay cristales pequeños ->
pequeñas precipitaciones que no llegan al suelo – VIRGA
si un Cb alcanza -15ºC a -20ºC (unos 7 Km de altura en nuestras
latitudes) se producen descargas eléctricas
Canal de descarga muy pequeño -> aumenta T dentro del canal
(puede llegar a 30000K) -> aumenta la P del aire bruscamente
(varios órdenes de magnitud mayor que en el exterior) -> tras la
descarga se produce una expansión muy brusca -> sonido
Las nubes tienen que estar electrificadas:
regiones con densidad de carga (+)
y otras con densidad de carga (-)
- capa estrecha (<1km) de densidad de carga negativa a unos -15ºC
- carga positiva de la parte alta es mayor que la de la parte baja
- en la parte alta hay una pequeña región muy fina de carga
negativa
Capa pantalla (iones cósmicos)
T = -65ºC ------------------------------------------------------------------ - -
Fase inicial del Cb: nube-nube, mucha frecuencia durante min (internas)
Fase final del Cb (madura): alguna descarga nube-tierra
Descargas nube-nube desde zona de carga negativa en -15ºC hacia la
zona positiva de encima
Descargas nube-tierra: desde la región de cargas negativas de -15ºC al
suelo, que normalmente está cargado positivamente (nube madura hacia
terminal con poca corriente ascendente)
Descargas internas
la potencia media de las
descargas es de 1012 W
cada descarga dura unos
30 s
Hipótesis de electrificación: especulativas – alta investigación
** Teoría gravitacional: Las cargas se producen por colisión de graupel con
cristales de hielo -> se produce una redistribución de carga
el signo de la carga (+ ó -) depende de la T y de la cantidad de agua líquida
T < -10ºC, -20ºC -> se transfiere carga negativa al graupel
T > -10ºC, -20ºC -> graupel queda con carga positiva y el hielo con negativa
T de inversión de carga
Esta hipótesis se basa:
- la nube es en principio eléctricamente neutra
- arriba: por colisión, graupel (-) y cristales (+). Graupel cae, Cristales no ->
al cabo de un tiempo arriba hay cristales de hielo -> carga (+).
Hay un flujo muy grande de graupel (-) descendente hasta la zona de
inversión de carga, entonces el graupel cambia a carga positiva. Pero en la
parte de abajo los cristales son negativos. Como el graupel cae, la región de
abajo quedaría negativa
** Teoría convectiva
La región de carga positiva es debida a transporte ascendente de
partículas cargadas desde la PBL
Esta teoría no parece en sí justificar la carga de la nube, pero sí que
sobre el suelo la carga sea negativa debajo de las tormentas y
positiva en la parte de abajo de la nube
-> se barajan las dos hipótesis juntas
8.3 Tormentas multicélula
Conjunto de varias células individuales únicas en distinto estado de
desarrollo
CÉLULA EN ESTADO INICIAL: Gran B y crecimiento rápido de
hidrometeoros
CÉLULA EN ESTADO MADURO: Existe una región nueva con alta B
y una región antigua donde se producen precipitaciones fuertes
CÉLULA EN ESTADO TERMINAL: Sin región nueva, sólo
poderosísimos movimientos descendentes: mucha precipitación
Células dinámicamente ligadas: la fase terminal de unas sirve de
mecanismo de disparo para otras -> extensión muy grande y fuerte
inestabilidad
Cada célula tiene una vida media de aprox 1 h
El sistema tiene una vida media de varias horas -> el patrón cambia
mucho
Estructura eléctrica:
1ª fase: nubes aún jóvenes, descargas nubenube dentro de la célula o descargas intercélula
2ª fase: adquieren madurez, descargas nube
tierra con fuerte componente horizontal.
Descargas muy severas
3ª fase: la célula + antigua empieza a disiparse
y su zona de carga negativa baja un poquito de
nivel -> descargas internas sólo en la más joven
4ª fase: la más joven madura mucho y la más
vieja está muy terminal -> las cargas negativas
de la célula antigua han bajado mucho -> tiene
cargas positivas al miso nivel que la joven tiene
cargas negativas -> descargas de la zona
negativa de la joven a la zona positiva de la
vieja. A veces se producen descargas positivas
al suelo desde la más antigua
En una tormenta multicélula se pueden ver los efectos en la presión (en las
células aisladas no). Si la dirección del viento en superficie es contraria a la
dirección de desarrollo de la multicélula, se ve un microfrente frío (estructura a
mesoescala) por las corrientes de salida que, si hay convergencia, puede
producir nuevas células.
NOAA
8.4 Tormetas supercélula
Poco frecuentes pero extraordinariamente dañinas
Tamaño similar a la multicélula
Es una sola célula gigantesca (1 fase de ascenso más una de descenso)
Tiene una rama ascendente rotante (con vorticidad)
Fuertes precipitaciones con granizo
- mesofrente (frente frío) originado por los flujos de corriente de las torres
- también se forman otro frente frío y un frente cálido
Visión desde arriba
- donde converge el aire cálido
que viene de abajo y el aire frío
que desciende de las torres se
forma un máximo muy grande de
flotabilidad: tornado (vórtice
ciclónico
de
poco
radio
aproximadamente ciclostrófico)
Movimiento de la tormenta
Flujo de aire cálido
- Tornado: bajas presiones en un
radio pequeñísimo con un
gradiente horizontal de P
grandísimo
->
movimiento
ascendente muy, muy fuerte
(10-40 m/s)
- la gran velocidad de ascenso
provoca piedras de granizo muy
grandes.
- a medida que cae
precipitación en la dirección
desarrollo de la tormenta
forma otro microfrente frío
salida
la
de
se
de
12-13km
mammatus
mammatus
precipitación
10-40m/s
Overshooting top
yunque
yunque
mammatus
Aire frio
wall cloud
mammatus
virga
torres
Precipitation ligera
microfrente
microfrente
tail cloud
tornado
© Eumetsat, 2006
Distribución de cargas:
- cierta distribución de carga negativa a aprox -15ºC
- cierta distribución de carga positiva por encima y por debajo
- también tienen una capa superior negativa muy fina
- yunque: cargas positivas junto con cargas negativas -> descargas
máximas donde la flotabilidad es máxima
El número de descargas eléctricas es mucho mayor que en otras
células:
Hipótesis para la capa superior positiva:
- Entrainment (entrada de cargas positivas de la estratosfera) -> no
probable
- Ruptura en la capa -> entrada desde abajo
---+ + + + +- +
D+
D-
- -
------ TIC
-
D+
D-
D+
D-
D-
Multicélula:
- descargas nube-nube: 2-10 por minuto (inicial-madura)
- descargas nube-tierra: 1-5 por minuto (madura-terminal)
Supercélula:
- se pueden producir en cualquier fase de desarrollo de la nube
- descargas nube-nube: 10-40 / minuto (similares a multicélula)
- descargas nube-tierra: 5-12 / minuto
- igual a multicélula (desde zona de TIC)
- desde el yunque, tanto la zona de carga positiva como de
la negativa
- también desde la parte de atrás (positivas o negativas)
Dinámica de supercélulas
La supercélula se divide: a ambos lados de la corriente se forman 2
vórtices, uno ciclónico y otro anticiclónico. Ambos van ligados a
movimientos ascendentes (ya que la escala es pequeña).
El efecto neto es que la vorticidad horizontal se convierte en vertical ->
aparecen los dos vórtices -> la supercélula se divide a la mitad y se
generan dos supercélulas
En estudios con datos reales uno de los vórtices es mayor que el otro: si
el viento va en sentido horario favorece el vórtice que gira en ese sentido
y viceversa
Cizalladura clockwise
Cizalladura counterclockwise
FUERZAS DEL GRADIENTE DE PRESIÓN
Cizalladura unidireccional
FUERZAS DEL GRADIENTE DE PRESIÓN
8.5 Condiciones ambientales que favorecen los distintos tipos de
tormentas
Que se forme una célula única, multicélula o supercélula depende de:
- grado de inestabilidad del aire - cizalla vertical del viento
Inestabilidad ↑↑ -> B ↑↑ -> w ↑↑ -> favorece la convección
cizalla ↑ -> entrainment ↑ -> aumenta la estabilidad -> w↓
La estabilidad del aire se suele representar por la energía convectiva
potencial disponible CAPE -> CAPE↑↑ -> ↑↑inestabilidad
(zf=NLC)
La cizalla del viento se representa por Us.
El perfil de vientos de un Cb es un perfil asintótico en el tope de la
nube, es decir que se va acercando a un valor máximo Us (a zs=3km).
U=Us tanh(z/zs)
↑↑ Us -> ↑↑ cizalla
Us frente a CAPE
- Si la cizalla es nula -> célula única (no
convergen las corrientes salientes de la célula
vieja con el aire en superficie -> no se dispara
una segunda célula)
- Si la cizalla es moderada -> los max de w se
producirán con inestabilidad pero con cierta
cizalla -> inestabilidad es suficiente como para
que se produzcan ascensos + cierta
convergencia para la segunda célula ->
multicélula (dejarán de formarse células
cuando baje la cizalla o la flotabilidad)
- Si la cizalla es grandísima -> fuerte
convergencia a niveles bajos pero no se forma
una segunda célula porque el entrainment es
muy grande y no se puede mantener -> la
inestabilidad se emplea en seguir formando la
1ª célula -> supercélula
Hodógrafa de viento vertical
9.6 Tornados
Transición de una supercélula a la fase
tornado
- Fuerte vorticidad horizontal debida a la
cizalladura del viento + fuerte movimiento
ascendente
- Aparece un vórtice a cada lado -> se
disparan los movimientos verticales
- Cuando aparece la primera precipitación
se producen movimientos descendentes ->
división a la mitad
- Cuando la corriente descendente llega al
suelo se genera vorticidad horizontal
debido a gradientes horizontales de
flotabilidad a ambos lados de la supercélula
- Este aire asciende a cada lado de la supercélula y la vorticidad horizontal se
transforma en vertical -> división completada
- Cuando estas corrientes llegan al suelo vuelve a repetirse el proceso -> desde
niveles bajos a medios se está produciendo vorticidad vertical en un proceso de
feedback -> tornado (mesociclón de pequeño radio).
- Sólo se mantiene el de la derecha (favorecido por cizalla positiva)
Tornados no asociados a supercélulas
Se forman por líneas de convergencia en la PBL (tierra)
-> vorticidad vertical
-> + algo de inestabilidad latente
-> ascenso de aire ya rotante -> tornado
El tornado
4 fases:
de organización: se observa una especie de embudo o chimenea (funnel)
tocando intermitentemente el suelo
madura: el funnel tiene anchura máxima y toca el suelo
de encogimiento: funnel disminuye hasta ser una fina columna
de decaimiento: chimenea cortada o fragmentada
en fase madura, a un radio de unos 200m y una altura
de entre 60-120m, las velocidades tangenciales son del
orden de 50-80m/s
Los bordes del funnel suelen estar a lo menos a unos
300m
Puede haber otros vórtices menores (vórtices de
succión), entre 3 y 6, orbitando alrededor. Tienen entre
0.5 y 50 m de diámetro y los vientos más fuertes
En un tornado se produce balance ciclogeostrófico:
fuerza del gradiente de presión = aceleración normal
Hay varias regiones dinámicas pero en todas se cumple
el balance ciclogeostrófico:
Región Ia (exterior) -> aire que converge y conserva
el momento angular
Región Ib (núcleo) -> llega desde el eje a la región de
máxima velocidad tangencial. La rotación es similar a
la de un sólido rígido (no hay entraiment)
Región II (capa frontera turbulenta) -> la fricción
desestabiliza el balance ciclogeostrófico. fuerte flujo
radial hacia III debido a la fricción
Región III (región esquina) -> fuerte corriente
ascendente hacia el núcleo por convergencia
Región IV (región de salida) -> con flujo ascendente
9.7 Frentes de racha
Corriente de aire descendente (tormentas)
Vientos muy poderosos
Son un ejemplo de corrientes de gravedad (masa de fluido de alta
densidad que se mueve sobre una superficie horizontal desplazando el
fluido ambiente de menor densidad)

u =2 g
h
0
2
f
uf ↑ si  ↑ o si h ↑
Esquema más completo:
- cabeza: circulación interna vertical
- a la salida: región turbulenta
- ondas: subida del aire cálido -> nube arco
Se producen por enfriamiento por evaporación asociado a la precipitación
producida por nubes convectivas
Su extensión vertical está limitada a la altura de la base de la nube
Se pueden producir cambios de temperatura de 10º en varias decenas de metros
Duran minutos o decenas de minutos, excepto que el aire frío en la base de la
nube se mueva con el sistema convectivo -> horas
El aire cálido que se mueve sobre el frente ayuda a mantener la actividad
convectiva
9.8 “Downburst”
Reventones
Flujo de salida de un Cb, muy intenso y en un período muy corto
“Área de fuertes vientos producida por un flujo de aire descendente sobre un
área horizontal de entre 1 y 10 Km2”
2 tipos:
MACROBURST: área > 4Km2 y t entre 5 y 30 min
MICROBURST: área < 4Km2 y t entre 2 y 5 min
- microburst húmedo (precip > 0,25 mm)
- microburst seco (precip < 0,25 mm)
Microburst en aire medio (máx
velocidad en el centro)
Microburst en suelo (fuertes vientos
en superficie)
Los microburst van asociados a
una circulación ciclónica de
pequeña escala (corrientes
descendentes en espiral)
En aviación:
1- viento de frente
2 y 3- flujo descendente y se
pierde el viento de frente
(descenso súbito de la velocidad
de ascenso)
4 y 5- viento de cola (hay que
levantar el morro)
9.9 Sistemas convectivos a mesoescala
Dimensión horizontal de cientos de Km.
Agrupación de múltiples Cb y líneas de tormentas. También están formados por
Ns.
Enormes cantidades de precipitación estratiforme + cumuliforme.
Patrones de circulación a mesoescala producidos por el conglomerado de nubes.
Pueden durar desde decenas de horas hasta varios días
Ciclo de vida
Etapa de formación: grupo de células aisladas distribuidas aleatoriamente o
organizadas en línea.
Etapa de intensificación: las células individuales crecen y se unen -> hay una
sola región de precipitación continua en la que varios centros de precipitación
más intensa están conectados por precipitación más débil
Etapa madura: Se desarrolla una amplia área de nubes estratiformes cuando las
células que se unen comienzan a disiparse. Cada elemento convectivo tiene su
ciclo de vida, al final del cual se disipa y pasa a formar parte de la región de
precipitación estratiforme. Se vuelven indistinguibles y forman una región
extensa de nubosidad estratiforme con un nivel de fusión.
Etapa de disipación: disminuye la formación de nuevas células convectivas ->
área de precipitación estratiforme que se debilita lentamente con débiles células
convectivas embebidas
8.10 Líneas de tormentas
A menudo las tormentas ocurren en grupo, y suelen distribuirse a lo largo de
líneas horizontales: LÍNEAS DE TORMENTAS
Se pueden producir a solas o como parte de un SCM
Tiempo de vida más largo que las tormentas individuales que la constituyen
2 tipos: - líneas de tormentas supercélula
- líneas de tormentas multicélula (más frecuentes)
el primer tipo es mucho más dañino y ocurre cuando existe fuerte cizalladura
del viento formando el vector cizalla un ángulo de aprox. 45º con la línea de
tormentas
Bibliografía
Houze, R.A. (1993): Chapter 8, Thunderstorms. Cloud Dynamics, pags: 268-334.
International Geophysics Series, Vol 53. Ed: Academic Press Inc.
Ejercicios de clase: consolidación de las explicaciones
1. ¿A qué se debe que las tormentas de célula única reciban ese nombre?
2. En una tormenta de célula única ¿en qué zonas está más favorecido el “ice
enhancement”?
3. ¿Qué es necesario para que en un Cb se produzcan descargas eléctricas?
4. ¿Qué dos tipos de descargas se producen en una tormenta de célula única?
5. ¿En qué consiste la hipótesis de precipitación que explica la distribución de
cargas en una tormenta de célula única?
6. ¿Y la hipótesis de la convección?
7. ¿Qué es una tormenta multicélula?
8. ¿Qué caracteriza a una célula en estado inicial y en estado maduro?
9. ¿Qué es una supercélula?
10. ¿Qué características se dan en la zona del tornado de una supercélula?
11. ¿De qué factores depende el que se forme una célula única, una multicélula
o una supercélula?
12. ¿Qué condiciones favorecen la formación de una célula aislada?
13. ¿y una multicélula?
14. ¿y una supercélula?
15. ¿cómo una multicélula se divide en dos?
Ejercicios de clase: consolidación de las explicaciones
16. ¿Cómo se forman los tornados no asociados a supercélulas?
17. ¿Cuales son las fases de la vida de un tornado?
18. ¿Qué es un frente de rachas?
19. ¿Qué es un downburst?
20. Tipos de downburst
21. ¿Cómo se forman las nubes estratiformes en un SCM?
22. ¿Qué es una línea de tormentas?
23. ¿En qué condiciones se forma una línea de tormentas supercélula?
Acrónimos
B: flotabilidad
Cb: cumulonimbo
g: gravedad
h: altura (de una masa de aire)
NLC: nivel de libre convección
P: presión
PBL: capa límite planetaria
T: temperatura
us: velocidad asintótica del viento
w: componente vertical de la velocidad
z: altura (coordenada vertical)
zs: altura a la que se alcanza us
zT: altura a la que se igualan la temperatura potencial de una masa de aire y la del entorno
: temperatura potencial de una masa de aire
ext: temperatura potencial del entorno
: densidad
0: densidad en equilibrio hidrostático