Inestabilidad simétrica condicional

Bucle de radar meteorológico que muestra bandas de nieve intensas (color más claro) debido a CSI antes de un frente cálido .

La inestabilidad simétrica condicional , o CSI , es una forma de inestabilidad convectiva en un fluido sujeto a diferencias de temperatura en un marco de referencia de rotación uniforme mientras que es térmicamente estable en la vertical y dinámicamente en la horizontal (estabilidad inercial). La inestabilidad en este caso se desarrolla solo en un plano inclinado con respecto a los dos ejes mencionados y es por eso que puede dar lugar a una llamada "convección oblicua" si la parcela de aire está casi saturada y se mueve lateral y verticalmente en un área CSI. Este concepto se utiliza principalmente en meteorología para explicar la formación a mesoescala de bandas de precipitación intensa en una región por lo demás estable, como frente a un frente cálido . ^{[1] [2]} El mismo fenómeno también es aplicable a la oceanografía.

Principio

Estabilidad hidrostática

Temperatura ambiental (en rojo) y punto de rocío (en verde) en un diagrama Skew-T log-P .

Una partícula de aire a una determinada altitud será estable si su temperatura modificada adiabáticamente durante un ascenso es igual o más fría que la del ambiente. De manera similar, es estable si su temperatura es igual o más cálida durante un descenso. En el caso en que la temperatura sea igual, la partícula permanecerá a la nueva altitud, mientras que en los demás casos, volverá a su nivel inicial4.

En el diagrama de la derecha, la línea amarilla representa una partícula elevada cuya temperatura permanece al principio por debajo de la del entorno (aire estable), lo que implica que no hay convección. Luego, en la animación, se produce un calentamiento de la superficie y la partícula elevada permanece más caliente que el entorno (aire inestable). Una medida de la estabilidad hidrostática consiste en registrar la variación con la vertical de la temperatura potencial equivalente ( ): ^[3] ${\displaystyle \theta _{e}}$

• Si disminuye con la altitud, conduce a una masa de aire inestable. ${\displaystyle \theta _{e}}$
• Si permanece igual con la altitud conduce a una masa de aire neutral. ${\displaystyle \theta _{e}}$
• Si el aumento con la altitud conduce a una masa de aire estable. ${\displaystyle \theta _{e}}$

Estabilidad inercial

Las zonas oscuras son regiones de débil estabilidad inercial en la circulación atmosférica.

De la misma manera, un desplazamiento lateral de una partícula de aire cambia su vorticidad absoluta , que viene dada por la suma de la vorticidad planetaria, , y , la vorticidad geostrófica (o relativa) de la parcela: ^{[3] [4]} ${\displaystyle \eta }$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \zeta }$

${\displaystyle \eta =\left[{\frac {\partial v}{\partial x}}-{\frac {\partial u}{\partial y}}\right]+f=\zeta +f\qquad \qquad }$

Dónde :

• ${\displaystyle v}$y son las velocidades geostróficas meridionales y zonales respectivamente. ${\displaystyle u}$
• ${\displaystyle x}$y corresponden a las coordenadas zonales y meridionales. ${\displaystyle y}$
• ${\displaystyle f}$es el parámetro de Coriolis , que describe el componente de vorticidad alrededor de la vertical local que resulta de la rotación del marco de referencia.
• ${\displaystyle \zeta }$es la vorticidad relativa alrededor de la vertical local. Se obtiene tomando el componente vertical del rizo de la velocidad geostrófica.

${\displaystyle \eta }$Puede ser positiva, nula o negativa dependiendo de las condiciones en las que se realice el movimiento. Como el vórtice absoluto es casi siempre positivo en la escala sinóptica , se puede considerar que la atmósfera es generalmente estable para el movimiento lateral. La estabilidad inercial es baja solo cuando es cercana a cero. Como es siempre positiva, puede satisfacerse solo en el lado anticiclónico de un máximo fuerte de corriente en chorro o en una cresta barométrica en altitud, donde las velocidades derivadas en la dirección del desplazamiento en la ecuación dan un valor negativo significativo. ^[5] ${\displaystyle \eta }$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \eta \leq 0}$

La variación del momento angular indica la estabilidad: ^{[3] [5] [6]}

• ${\displaystyle \Delta M_{g}=0}$, la partícula permanece entonces en la nueva posición porque su momento no ha cambiado
• ${\displaystyle \Delta M_{g}>0}$, la partícula vuelve a su posición original porque su momento es mayor que el del entorno.
• ${\displaystyle \Delta M_{g}<0}$, la partícula continúa su desplazamiento porque su momento es menor que el del entorno.

Movimiento oblicuo

Tres movimientos pero sólo C es convectivamente inestable.

Sin embargo, en determinadas condiciones hidrostáticas e inerciales estables, el desplazamiento oblicuo puede ser inestable cuando la partícula cambia de masa de aire o de régimen de viento. La figura de la derecha muestra una situación de este tipo. El desplazamiento de la partícula de aire se realiza con respecto a las líneas de momento cinético ( ) que aumentan de izquierda a derecha y a la temperatura potencial equivalente ( ) que aumenta con la altura. ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$ ${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$

Movimiento lateral A

Las aceleraciones horizontales (hacia la izquierda o hacia la derecha de una superficie ) se deben a un aumento o disminución de la del entorno en el que se mueve la partícula. En estos casos, la partícula acelera o desacelera para adaptarse a su nuevo entorno. La partícula A experimenta una aceleración horizontal que le da flotabilidad positiva a medida que se mueve hacia aire más frío y desacelera a medida que se mueve hacia una región de menor . La partícula se eleva y finalmente se vuelve más fría que su nuevo entorno. En este punto, tiene flotabilidad negativa y comienza a descender. Al hacerlo, aumenta y la partícula regresa a su posición original. ^{[5] [6]} ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$ ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$ ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$ ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$

Desplazamiento vertical B

Los movimientos verticales en este caso resultan en una flotabilidad negativa a medida que la partícula encuentra aire más cálido ( aumenta con la altura) y aceleración horizontal a medida que se mueve hacia superficies más grandes . A medida que la partícula desciende, su flotabilidad disminuye para adaptarse al entorno y la partícula regresa a B. ^{[5] [6]} ${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$ ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$ ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$

Desplazamiento oblicuo C

Sólo el caso C es inestable. La aceleración horizontal se combina con una perturbación vertical ascendente y permite el desplazamiento oblicuo. En efecto, la fuerza de la partícula es mayor que la del entorno, mientras que el momento de la partícula es menor que el del entorno. Un desplazamiento oblicuo produce, por tanto, una flotabilidad positiva y una aceleración en la dirección del desplazamiento oblicuo que la refuerza. ^[5] ${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$ ${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$

La condición para tener inestabilidad simétrica condicional en una situación por lo demás estable es, por tanto, que: ^{[3] [5] [6]}

• la pendiente de es mayor que la de ${\displaystyle \scriptstyle \theta _{e}}$ ${\displaystyle \scriptstyle M_{g}}$
• El aire desplazado lateralmente está casi saturado.

Efectos potenciales

Zonas de CSI (azul sólido) y nieve en bandas (verde discontinuo) a lo largo del frente cálido, cerca del área de baja presión.

La CSI suele estar presente en grandes áreas de movimiento vertical ascendente. La situación ideal es un flujo geostrófico proveniente del sur con velocidades del viento que aumentan con la altura. El ambiente está bien mezclado y cerca de la saturación. Como el flujo es unidireccional, el componente u del viento puede establecerse igual a cero, lo que establece un flujo simétrico perpendicular al gradiente de temperatura en la masa de aire. Este tipo de flujo se encuentra típicamente en atmósferas baroclínicas con aire frío al oeste. ^[6]

La imagen de la derecha muestra una situación similar en invierno, con una vorticidad potencial equivalente negativa ( ) cerca de un frente cálido. Se forman bandas de nieve a lo largo del frente, cerca del área de baja presión y de la vorticidad potencial equivalente negativa ( ). ${\displaystyle \eta \leq 0}$

Convección oblicua

El movimiento ascendente en un área de CSI produce nubes, el movimiento descendente limpia el cielo.

Si una partícula asciende en una zona de CSI, se enfriará y el vapor de agua se condensará al saturarse, lo que dará lugar a nubes y precipitaciones por convección oblicua. Por ejemplo, frente a un frente cálido, la masa de aire es estable porque el aire templado supera a una masa fría. El equilibrio geostrófico hace que cualquier partícula que se mueva perpendicularmente desde el centro de la depresión hacia ella regrese. Sin embargo, un desplazamiento oblicuo ascendente por aceleración ascendente a escala sinóptica en una capa de CSI produce bandas paralelas de fuertes precipitaciones. ^{[6] [7]}

La inestabilidad simétrica condicional afecta a una capa que puede ser delgada o muy grande en la vertical, similar a la convección hidrostática. El espesor de la capa determina la mejora de la precipitación convectiva dentro de una región que de otro modo sería nubes estratiformes. ^[6] Como el movimiento está en un área cerca de la saturación, la partícula permanece muy cerca del gradiente adiabático húmedo , lo que le da una energía potencial convectiva disponible (CAPE) limitada. La velocidad de ascenso en una zona de convección oblicua varía de unas pocas decenas de centímetros por segundo a unos pocos metros por segundo. ^[6] Esto suele estar por debajo del límite de velocidad de ascenso en un cumulonimbo , es decir, 5 m/s, que da lugar a rayos y limita su aparición con CSI. ^[6] Sin embargo, es posible en: ^[6]

• La región de precipitación posterior de los sistemas convectivos de mesoescala .
• Convección invernal debido a que la tropopausa más baja y fría favorece la ionización de los cristales de hielo que se mueven hacia arriba.
• En la pared del ojo durante la fase de profundización de huracanes maduros, aunque rara vez ya que es una región simétricamente neutral y generalmente libre de actividad eléctrica.

Las bandas de convección oblicuas tienen varias características: ^[6]

1. Son paralelos
2. Son paralelos al viento térmico.
3. Se mueven con la circulación general.
4. El espacio entre las bandas es proporcional al espesor de la capa CSI

Hundimiento

Por el contrario, si la partícula se desliza hacia abajo, se calentará y se saturará relativamente menos, disipando las nubes. La nieve producida a mayor altitud por la convección oblicua también se sublimará en el flujo descendente y se acelerará. Puede darle una velocidad de descenso que alcance los 20 m/s. ^[6] Este efecto está asociado con el descenso al suelo del chorro Sting . ^[8]

Referencias

1. "Convección oblicua". Glosario de meteorología . Sociedad Meteorológica Estadounidense . Consultado el 23 de agosto de 2019 .
2. "Inestabilidad simétrica". Glosario de meteorología . Sociedad Meteorológica Estadounidense . Consultado el 23 de agosto de 2019 .
3. Charles A. Doswell III . "Discusión física sobre CSI". www.cimms.ou.edu . CIMMS . Archivado desde el original el 27 de febrero de 2015. Consultado el 23 de agosto de 2019 .
4. "Instabilité barocline". Glossaire météorologique (en francés). Météo-Francia . Consultado el 23 de agosto de 2019 .
5. James T. Moore (2001). "Mesoscale Processes". UCAR . págs. 10–53. Archivado desde el original (ppt) el 21 de diciembre de 2014 . Consultado el 23 de agosto de 2019 .
6. Schultz, David M.; Schumacher, Philip N. (diciembre de 1999). "El uso y mal uso de la inestabilidad simétrica condicional". Monthly Weather Review . 127 (12). AMS : 2709. doi : 10.1175/1520-0493(1999)127<2709:TUAMOC>2.0.CO;2 . ISSN  1520-0493. S2CID  708227.
7. Theodore W. Funk; James T. Moore. "Mecanismos de fuerza de movimiento vertical responsables de la producción de una franja de nieve muy intensa de mesoescala en el norte de Kentucky". Servicio Meteorológico Nacional .
8. Geraint Vaughan. "Sting Jets" (ppt) . eumetrain.org . Consultado el 18 de diciembre de 2014 .

Enlaces externos

• David M. Schultz; Philip N. Schumacher (14 de diciembre de 1998). "El uso y mal uso de la inestabilidad simétrica condicional". Laboratorio Nacional de Tormentas Severas . Consultado el 23 de agosto de 2019 .
• "Convección oblicua". Cursos de COMET . UCAR . Consultado el 23 de agosto de 2019 . Curso interactivo que requiere iniciar sesión