Las nubes convectivas tropicales desempeñan un papel importante en el sistema climático de la Tierra . La convección y la liberación de calor latente transportan energía desde la superficie hasta la atmósfera superior . Las nubes tienen un albedo más alto que el océano subyacente, lo que hace que más radiación solar entrante se refleje de vuelta al espacio. Dado que las cimas de los sistemas tropicales son mucho más frías que la superficie de la Tierra, la presencia de nubes convectivas altas enfría el sistema climático.
El sistema de nubes más reconocible en los trópicos es el huracán . Además de los importantes efectos climáticos de los sistemas meteorológicos tropicales, los huracanes poseen suficiente energía para causar muertes y destrucción masivas. Por lo tanto, su predicción precisa es de suma importancia.
La microfísica de nubes describe la estructura y las propiedades de las nubes a escala microscópica .
La Misión de Medición de las Lluvias Tropicales (TRMM) se lanzó en 1997 para proporcionar estimaciones cuantitativas de las precipitaciones en todos los trópicos. El satélite utiliza técnicas de teledetección para convertir la radiancia registrada en el sensor en valores de lluvia. La variable más importante utilizada para limitar las mediciones son las propiedades de los hidrometeoros . [1] Los huracanes son nubes de fase mixta, lo que significa que tanto agua líquida como sólida (hielo) están presentes en la nube. Por lo general, el agua líquida predomina en altitudes inferiores al nivel de congelación y el agua sólida en altitudes donde la temperatura es más fría que -40 °C. Entre 0 °C y -40 °C, el agua puede existir en ambas fases simultáneamente. Además de la fase, los hidrometeoros de agua sólida pueden tener diferentes formas y tipos que deben tenerse en cuenta en los cálculos de transferencia radiativa .
En otoño de 1999, el experimento de campo TRMM-Large-Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia (LBA) tomó muestras de nubes tropicales continentales y oceánicas en Brasil . El objetivo del TRMM-LBA era validar la precipitación en modelos de resolución de nubes. Se han realizado varias observaciones in situ de la microfísica de las nubes en nubes tropicales que se analizarán aquí.
La microfísica de las nubes son los procesos físicos que describen el crecimiento, la descomposición y la precipitación de partículas . En términos de modelos, la microfísica de las nubes ocurre en una escala menor que la escala de cuadrícula del modelo y debe parametrizarse. [2]
Los pronósticos de la trayectoria de los huracanes han mejorado en los últimos años. Si tomamos como ejemplo el huracán Rita , el pronóstico del Centro Nacional de Huracanes 36 horas antes de que tocara tierra se desplazó más de 130 kilómetros con respecto al pronóstico anterior, lo que provocó una evacuación innecesaria . Se han realizado investigaciones que han demostrado que la elección de esquemas de parametrización a escala de subcuadrícula puede influir en la intensidad, la trayectoria, la velocidad y las tasas de precipitación de los huracanes. Las suposiciones microfísicas pueden modular directa o indirectamente la estructura de las tormentas, lo que da como resultado pequeños cambios en la trayectoria del huracán que pueden tener consecuencias sociales. [3]
La forma de las gotas de agua líquida es generalmente esférica debido a los efectos de la tensión superficial . Dependiendo del tamaño de la gota, la fricción del aire que fluye más allá de una gota que cae puede aplastar la parte inferior de la gota de modo que quede ligeramente no esférica. Sin embargo, el hielo sólido no suele adoptar formas esféricas agradables. Los cristales de hielo tienen una preferencia por formar estructuras hexagonales por deposición, pero pueden adoptar formas extrañas en presencia de estrías o agregación en granizo .
La forma de las partículas de hielo depende principalmente de la temperatura y la sobresaturación donde se forman. La sobresaturación depende principalmente de la velocidad en las regiones de corrientes ascendentes . En regiones de corrientes ascendentes altas, se forman más hidrometeoros. El granizo se encuentra principalmente en regiones de corrientes ascendentes débiles. El tamaño de las partículas tiende a disminuir con el aumento de la altitud porque a altitudes menores las partículas más grandes chocan y se agregan con las partículas más pequeñas. [1] Debido a que las corrientes ascendentes son importantes para la microfísica de las nubes, también es necesario considerar cómo los esquemas de parametrización de la convección pueden influir en la microfísica.
Pequeños errores en la parametrización de la distribución del tamaño de las partículas pueden tener un gran impacto en el cálculo de la velocidad terminal . La composición, el tamaño y la concentración de partículas varían drásticamente en las regiones estratiformes y convectivas. La velocidad de caída de partículas derivada de las observaciones de ciclones tropicales varía significativamente de las derivadas de los sistemas de latitudes medias. [4]
Se han realizado muchos estudios sobre la viabilidad de modificar los huracanes para que no sean tan destructivos. Rosenfeld et al. (2007) estudiaron la posible modificación del huracán Katrina (2005). Simularon la siembra del huracán suprimiendo toda la formación de lluvia cálida en las regiones exteriores del huracán. Informaron que en su simulación, el huracán sembrado inicialmente debilitó los vientos de superficie en la región de siembra. El ojo del huracán finalmente se contrajo y se hizo más fuerte, pero el promedio del campo de viento total fue más débil. En este mejor escenario, informan que la siembra redujo los vientos con fuerza de huracán en un 25%. [5]
Rango y Hobbs (2005) obtuvieron mediciones in situ de sistemas convectivos tropicales. Encontraron que el contenido de agua líquida estaba por debajo de los valores adiabáticos . Esto era cierto incluso en corrientes ascendentes recién formadas, lo que sugiere que la colisión-coalescencia y/o la mezcla de arrastre son métodos eficientes para la eliminación de agua líquida. Observaron que el radio efectivo comenzó a disminuir en altitudes superiores a 2-4 km sobre la base de las nubes , lo que atribuyen al proceso de lluvia cálida. Los procesos de hielo se volvieron importantes a temperaturas entre -4 °C y -10 °C, y fotografiaron diferentes formas, incluidas agujas, gotas congeladas y vainas. En las nubes en crecimiento, se observó que el tamaño de las partículas a menudo aumentaba por formación de estrías. [6]
Tokay et al. (2008) estudiaron la distribución del tamaño de las gotas de lluvia en ciclones tópicos. Encontraron altas concentraciones de gotas de tamaño pequeño y mediano independientemente de si había gotas más grandes. El número total de gotas estaba entre 600 y 1000 m −3 , el contenido de agua líquida era de alrededor de 1 gm −3 y la tasa de lluvia era de aproximadamente 20 mm por hora. Las gotas tenían un diámetro de masa medio de ~1,6 mm y el diámetro máximo registrado fue de 4,11 mm. Sus resultados indican que las estimaciones anteriores de la tasa de lluvia de los ciclones tropicales pueden haber sido subestimadas debido a las diferencias en la microfísica entre las tormentas de latitudes medias y las tropicales . [7]
Las mediciones in situ de la microfísica de las nubes tropicales en la Amazonia muestran que en las regiones de corrientes ascendentes más fuertes se encuentran gotitas de agua superenfriada o partículas de hielo más pequeñas que en las de corrientes ascendentes más débiles. En las regiones de yunque estratiforme, la agregación en granizo granizo fue el principal mecanismo de crecimiento. La velocidad de la corriente ascendente determina si los procesos de lluvia cálida, el encrespamiento o la agregación son el mecanismo principal de crecimiento en las regiones de corrientes ascendentes. [1]
Heymsfield et al. (2002) también estudiaron la microfísica de la convección tropical, pero se limitaron a las regiones estratiformes. Observaron partículas de hielo de muchas formas y tamaños. En particular, notaron que se encontraron partículas con escarcha cerca de las regiones convectivas, se encontraron pequeñas esferas en regiones de "convección transitoria" y, a bajas temperaturas, se formaron cristales de cirros. Construyeron distribuciones de tamaño de partículas y notaron que se ajustaban particularmente bien a las distribuciones gamma y ligeramente menos bien a las distribuciones exponenciales . Notaron que sus resultados eran similares a los resultados derivados de los sistemas de latitudes medias. [8]
Existen varios esquemas de parametrización de la microfísica de nubes. Según la sofisticación del esquema, el número de categorías de fases de hielo puede variar. Muchos esquemas utilizan al menos tres categorías: hielo de nube, granizo y nieve. La clasificación del hielo en categorías es necesaria porque las diferentes formas de hielo caerán a diferentes velocidades.
Por lo general, los esquemas de microfísica utilizan un promedio ponderado por masa para la velocidad de caída. McFarquhar y Black (2004) demostraron que diferentes métodos de parametrización dan como resultado velocidades terminales de los hidrometeoros drásticamente diferentes. [4]
La presencia de núcleos de condensación de nubes (CCN) influye en la cantidad de gotas de nube que se forman en una nube; cuanto más CCN haya, más gotas de nube se formarán. Los cambios en la concentración de CCN y sus cambios asociados en la distribución de las gotas de nube pueden redistribuir la energía dentro de un huracán. [5] Esto se sabía en la década de 1960, lo que llevó a los científicos a pensar que los huracanes podrían modificarse mediante la adición de CCN para producir huracanes menos intensos. Se propuso que al sembrar con yoduro de plata fuera de la pared del ojo se congelaría el agua superenfriada, se liberaría más calor latente y aumentaría la convección. [9] Este método finalmente no tuvo éxito debido a la falta de agua superenfriada en el ciclón tropical. Un enfoque diferente siembra las nubes con una gran cantidad de pequeños aerosoles higroscópicos . La gran cantidad de CCN produce gotas de lluvia más pequeñas, menos colisión-coalescencia y, por lo tanto, menos lluvia. Esta agua se convecta por encima del nivel de congelación, lo que provoca un calentamiento en la atmósfera superior y una mayor convección .
Se han realizado varios estudios de modelado sobre los efectos del aumento de CCN en la intensidad de los huracanes. Rosenfeld et al . (2007) utilizaron el Weather Research Model (WRF) para simular el huracán Katrina y luego desactivaron los procesos de lluvia cálida para aproximarse a los efectos de agregar una gran cantidad de CCN. [5] Informan que tuvieron éxito en simular características clave de Katrina en la ejecución de control, incluida la presión central mínima y las velocidades máximas del viento . Cuando se eliminaron los procesos de lluvia cálida, el contenido de agua de las nubes aumentó naturalmente y el contenido de agua de lluvia disminuyó. La supresión de la lluvia cálida también cambia la estructura termodinámica del huracán: las temperaturas disminuyen en niveles bajos en el borde exterior del huracán. Más tarde, los vientos máximos disminuyeron junto con la presión central. [5]
Zhu y Zhang (2006) utilizaron un modelo de mesoescala para simular el huracán Bonnie de 1998. Informan que su ejecución de control fue razonablemente capaz de simular el huracán observado. Luego realizaron una serie de experimentos de sensibilidad para examinar cómo los cambios en la microfísica influyen en el huracán. [10] Las diversas ejecuciones de sensibilidad se centraron en los efectos de los procesos de hielo. Informan que los ciclones tropicales muestran una gran sensibilidad en la intensidad y las estructuras del núcleo a los procesos de la fase de hielo. A medida que se eliminan los procesos de hielo, la intensidad del ciclón disminuye sin el proceso de Bergeron. Cuando se eliminan los procesos de granizo, la tormenta se debilita, pero no tanto como cuando se eliminan todos los procesos de hielo. Y cuando se desactiva la evaporación, la tormenta aumenta drásticamente en intensidad. Concluyen que los procesos de derretimiento y evaporación son importantes para amplificar los ciclones tropicales. [10]
Se derivaron diferentes esquemas de parametrización de cúmulos para diferentes situaciones. El esquema de Betts-Miller (o el derivado Betts-Miller-Janjic) intenta garantizar que las estructuras de temperatura y humedad verticales locales sean realistas. El esquema Betts-Miller(-Janjic) se utiliza a menudo para simular ciclones tropicales. [11] Davis y Bosart (2002) simularon el huracán Diana (1984) que experimentó una transición extratropical. Utilizaron el esquema de parametrización de cúmulos Betts-Miller-Janjic de dos maneras: una con los parámetros establecidos para sistemas de latitudes medias y la otra para sistemas tropicales. Observaron que cuando el esquema de parametrización se establece para sistemas de latitudes medias, la simulación produce una trayectoria y una intensidad de tormenta más realistas. Sin embargo, la simulación tropical produce un campo de precipitaciones más realista. [11]
Pattnaik y Krishnamurtil (2007) simularon el huracán Charley de 2004 para evaluar el impacto de la microfísica de las nubes en la intensidad de los huracanes. Informaron que su simulación de control tuvo éxito en la simulación de la trayectoria, la intensidad, la velocidad y la precipitación. [12] Utilizaron el esquema de microfísica del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA. Este esquema utiliza cinco clasificaciones diferentes de agua de las nubes: agua líquida de las nubes, hielo de las nubes, agua de lluvia, nieve y granizo/granizo granizo. También permite el agua superenfriada. Su estudio intenta demostrar cómo la velocidad de caída y los parámetros de intercepción pueden influir en la intensidad del ciclón tropical. La distribución del tamaño de las partículas de precipitación se parametriza como:
donde N es el número de partículas de precipitación entre un diámetro dado D y D + dD, N 0 es el parámetro de intersección, λ es el parámetro de pendiente y D es el diámetro de las partículas. [13] Utilizaron el mismo modelo y esquema de microfísica, desactivando diferentes mecanismos microfísicos para entender cuáles son los más importantes. Observaron que las modificaciones al esquema de microfísica impactaron dramáticamente la intensidad del huracán. Los huracanes más intensos fueron cuando se suprimió el derretimiento o cuando no se permitió la evaporación. Interpretan esto como que la energía necesaria para derretir o evaporar las partículas podría usarse para calentar la columna de aire, lo que aumentó la convección y dio lugar a una tormenta más fuerte. Durante la tormenta simulada más débil, aumentó la velocidad de caída de las partículas de nieve y granizo. La mayor tasa de lluvia también aumentó la evaporación, lo que debilitó la convección. Los cambios en el parámetro de intersección mostraron pocos cambios. [13] Esto implica que el número total de partículas no importa tanto como la distribución relativa entre diferentes tamaños de partículas.
Una serie de simulaciones que analizaron principalmente cómo la microfísica de las nubes afecta la trayectoria de los huracanes también reveló que los esquemas de parametrización de mezcla turbulenta a escala subcuadrícula influyeron en la intensidad de una simulación de huracán más que en su trayectoria. [3]
Aunque no es el objetivo principal, dos trabajos de Rosenfeld et al . (2007) señalaron en sus simulaciones que la supresión de la lluvia cálida mediante la adición de grandes cantidades de aerosoles hará que el ciclón tropical se desvíe hacia el este. [5] Zhu y Zhang (2006) informan que la trayectoria del huracán no era sensible a los procesos microfísicos de las nubes, excepto en el caso de tormentas muy débiles, que eran empujadas hacia el este. [10] En una serie de estudios de sensibilidad, Pattnaik y Krishnamurti concluyen que los procesos microfísicos tienen poco efecto en la trayectoria del huracán. [13]
Davis y Bosart (2002) consideraron, entre otras cosas, los efectos de la parametrización de los cúmulos en la trayectoria de las tormentas tropicales. Encontraron que los cambios en la vorticidad potencial en la tropopausa pueden causar cambios en el campo de viento. Específicamente, diferentes esquemas tienen diferentes métodos de parametrizar la vorticidad potencial, lo que da como resultado diferentes trayectorias. Encontraron que los esquemas Betts-Miller-Janjic y Grill produjeron una trayectoria más hacia el oeste que Kain-Fritsch. [11] El esquema Kain-Fritsch tendió a intensificar la tormenta demasiado rápido, pero produjo la mejor trayectoria en comparación con las observaciones. Las trayectorias simuladas de tormentas más intensas tienden a estar más al este en comparación con las tormentas más débiles. Davis y Bosart también señalan que sus resultados difieren de estudios de sensibilidad previos sobre parametrizaciones de cúmulos que encontraron que el esquema Betts-Miller-Janjic tendió a tener mejores resultados. Atribuyen esta diferencia a las diferencias en el espaciado de la cuadrícula entre los estudios. [11]
El primer artículo publicado que analizó específicamente los impactos de la microfísica de las nubes en la trayectoria de los huracanes fue [ aclaración necesaria ] Fovell y Su (2007). [3] Utilizan simulaciones del huracán Rita (2005) y una simulación idealizada de huracán para ver cómo diferentes esquemas de parametrización microfísica y convección cambian la trayectoria del huracán. Compararon los efectos de los esquemas de momento único de Kessler (K), Lin et al. (L) y los tres esquemas de clase WRF (WFR3), junto con los efectos de los esquemas de parametrización convectiva de Kain-Fritsch (KF), Grell-Devenyi (GD) y Betts-Miller-Janjic (BMJ). El huracán que simuló de manera más similar la trayectoria de Rita fue cuando el esquema de microfísica WSM3 se emparejó con la convección BMJ. La peor trayectoria simulada fue cuando la microfísica K se emparejó con la convección KF, que produjo una tormenta más débil que siguió una trayectoria bastante al oeste de la tormenta real. La propagación resultante del simple cambio de los esquemas de parametrización de la microfísica y la convección de cúmulos produjo la misma propagación en las trayectorias de los huracanes que el conjunto del Centro Nacional de Huracanes. [3]
También señalan que la mayor diferencia entre las parametrizaciones de la microfísica es que K no incluye ninguna fase de hielo. Las diferencias entre la naturaleza cristalina del hielo de las nubes y la nieve, en comparación con la naturaleza esférica de las gotas de lluvia, y la forma semiesférica del granizo probablemente producirán diferentes velocidades de caída cuando se incluya agua congelada en las parametrizaciones. Utilizaron el miembro más preciso de las simulaciones de Rita y cambiaron la microfísica para que la velocidad de caída de las partículas de hielo tuviera la misma velocidad de caída que si fueran gotas de lluvia líquidas con la misma masa. Informan que esto cambió la trayectoria del huracán para que se desplazara más hacia el oeste, de manera similar al esquema K. [3]
Además de simular el huracán Rita, Fovell y Su (2007) también realizaron las mismas simulaciones que antes, pero en una cuadrícula más pequeña, de modo que no fue necesaria la parametrización de cúmulos. Encontraron que el huracán producido por el esquema K era más débil que el resto y tenía la trayectoria más hacia el oeste. Concluyeron que la diferente suposición microfísica implícita en los diferentes esquemas puede cambiar la trayectoria del huracán en las escalas de tiempo de pronóstico. En general, sus resultados sugieren que los huracanes de mayor tamaño seguirán una trayectoria más hacia el oeste, lo que es coherente con la "deriva beta". [3]
Cuando se produjo un conjunto idealizado de huracanes sin flujo a gran escala, con un parámetro de Coriolis variable, descubrieron que los huracanes aún se movían en dirección noreste a norte-noreste. Sin embargo, los diferentes esquemas microfísicos siguieron su trayectoria en diferentes direcciones. Dado que no hubo flujo a gran escala, concluyen que las diferencias en la trayectoria representan cambios en el movimiento del vórtice causados por cambios en la microfísica. En un experimento de plano f constante, no hubo movimiento de las tormentas. Observan que las variaciones entre los resultados del modelo de consenso del NWS podrían deberse principalmente a cómo los diferentes modelos parametrizan su microfísica de nubes y otros procesos a escala de subcuadrícula. [3]
Recientemente, Fovell et al. (2009) llevaron a cabo un estudio de modelado de huracanes en entornos idealizados. El modelo tenía una temperatura constante de la superficie del mar , sin viento de fondo, pero con rotación de la Tierra. Luego insertaron un vórtice con diferentes esquemas de microfísica y notaron que las trayectorias divergían. Utilizaron los mismos esquemas de microfísica que F07 y, al igual que F07, notaron que la tormenta K se movía más rápido y más hacia el oeste que la tormenta producida con otros esquemas de microfísica. [2] Un estudio anterior de Fiorino y Elsberry (1989) mostró que la trayectoria y la velocidad del huracán se pueden cambiar simplemente cambiando los vientos tangenciales en la parte exterior de la tormenta porque ayudaron a determinar la orientación y la fuerza de los giros beta. [14] La tormenta F09 con la parametrización de microfísica K tuvo el ojo más grande y los vientos más fuertes en radios grandes, mientras que la tormenta L fue más intensa y WSM3 tuvo el ojo más compacto.
F09 observó que las tormentas con vientos externos más fuertes se desplazaban más hacia el noroeste que las tormentas con vientos débiles. Supusieron que esto se puede explicar con una atmósfera en equilibrio hidrostático. Suponiendo una atmósfera que está en equilibrio hidrostático, la temperatura virtual promedio de la columna contribuye más a la presión superficial. Las temperaturas virtuales de las tres tormentas F09 variaron, y la tormenta Kessler tuvo temperaturas varios grados más cálidas que las otras tormentas. Los vientos están determinados por los gradientes de presión radial, que están relacionados con los gradientes de temperatura. Por lo tanto, las tormentas que tienen una gran variación radial en la temperatura virtual tendrán vientos externos más fuertes. [2] Las diferencias de temperatura entre los modelos se pueden explicar por el cambio en el calentamiento y enfriamiento radiativo. El esquema de microfísica K produjo velocidades de caída de partículas que fueron más lentas que las otras, lo que aumentó el tamaño de su yunque. F09 informa que el factor más importante que influye en el tamaño del yunque es la velocidad terminal, y que la velocidad terminal de las partículas depende de su geometría, densidad y tamaño. Las interacciones entre el yunque y la radiación entrante y emitida cambian el gradiente de temperatura radial, lo que genera cambios en la dirección de la trayectoria. [2]
Fovell et al. concluyen que la elección de los esquemas de microfísica puede llevar a cambios en las velocidades terminales de las partículas en el yunque, lo que podría llevar a aumentos o disminuciones en el tamaño del yunque. Los esquemas que producen partículas más pesadas que caerán más rápido (como K) producen peores resultados. Concluyen advirtiendo que cualquier cambio en la trayectoria o velocidad de la tormenta que inicialmente sea causado por la microfísica podría ser amplificado por otros factores dinámicos como el flujo de dirección o las temperaturas de la superficie del mar. [2] [15]