La detección de tormentas convectivas es la observación meteorológica y la predicción a corto plazo de la convección húmeda profunda (DMC). La DMC describe las condiciones atmosféricas que producen nubes individuales o grupos de grandes nubes de extensión vertical que van desde cúmulos congestus hasta cumulonimbus , estos últimos produciendo tormentas eléctricas asociadas con relámpagos y truenos . Estos dos tipos de nubes pueden producir condiciones meteorológicas severas en la superficie y en altura. [1]
La capacidad de discernir la presencia de convección húmeda profunda en una tormenta mejora significativamente la capacidad de los meteorólogos para predecir y monitorear fenómenos asociados como tornados , granizo grande, vientos fuertes y lluvias intensas que provocan inundaciones repentinas . Se basa en observaciones directas de testigos oculares, por ejemplo, de observadores de tormentas ; y en detección remota , especialmente radar meteorológico . Algunas mediciones in situ también se utilizan para la detección directa, en particular, informes de velocidad del viento de estaciones de observación de superficie . Forma parte del sistema de alerta integrado , que consiste en la predicción, detección y difusión de información sobre condiciones meteorológicas severas a usuarios como gestión de emergencias, observadores y cazadores de tormentas, los medios de comunicación y el público en general. [2]
A mediados del siglo XX, en Estados Unidos se empezaron a hacer intentos rigurosos de advertir sobre tornados. Antes de los años 50, el único método para detectar un tornado era que alguien lo viera desde el suelo. A menudo, la noticia de un tornado llegaba a la oficina meteorológica local después de la tormenta.
Sin embargo, con la llegada del radar meteorológico, las áreas cercanas a una oficina local podían recibir avisos anticipados de condiciones meteorológicas adversas. Los primeros avisos públicos de tornados se emitieron en 1950 y los primeros avisos de tornados y previsiones de convección en 1952. [3] En 1953 se confirmó que los ecos en forma de gancho están asociados con los tornados. Al reconocer estas señales de radar, los meteorólogos podían detectar tormentas eléctricas que probablemente produjeran tornados a decenas de millas de distancia. [4]
A mediados de la década de 1970, el Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos (NWS) aumentó sus esfuerzos para capacitar a los observadores de tormentas para que identifiquen e informen las características clave de las tormentas que indican granizo severo, vientos dañinos y tornados, así como los daños en sí mismos e inundaciones repentinas . El programa se llamó Skywarn y los observadores eran ayudantes del sheriff local , policías estatales , bomberos , conductores de ambulancias , operadores de radioaficionados , observadores de defensa civil (ahora gestión de emergencias ), cazadores de tormentas y ciudadanos comunes. Cuando se anticipa un clima severo, las oficinas del servicio meteorológico local solicitan que estos observadores estén atentos al clima severo e informen sobre cualquier tornado de inmediato, para que la oficina pueda emitir una advertencia oportuna.
Por lo general, los observadores reciben capacitación del NWS en nombre de sus respectivas organizaciones y ellos informan a estas. Las organizaciones activan sistemas de alerta pública, como sirenas y el Sistema de Alerta de Emergencia , y envían los informes al NWS, que difunde directamente información y advertencias a través de su red NOAA Weather Radio All Hazards . [2] Hay más de 230.000 observadores meteorológicos Skywarn capacitados en todo Estados Unidos. [5]
En Canadá , una red similar de observadores meteorológicos voluntarios, llamada Canwarn , ayuda a detectar condiciones meteorológicas severas, con más de 1.000 voluntarios. [6]
En Europa, varias naciones están organizando redes de observadores bajo los auspicios de Skywarn Europe [7] y la Organización de Investigación de Tornados y Tormentas (TORRO) ha mantenido una red de observadores en el Reino Unido desde la década de 1970.
Los observadores de tormentas son necesarios porque los sistemas de radar como NEXRAD y las imágenes satelitales no detectan tornados ni granizo, solo indicaciones de que la tormenta tiene potencial. [8] La interpretación de datos de radar y satélite generalmente dará una advertencia antes de que haya evidencia visual de tales eventos, pero la verdad sobre el terreno de un observador puede verificar la amenaza o determinar que no es inminente. La capacidad del observador para ver lo que estos dispositivos de detección remota no pueden es especialmente importante a medida que aumenta la distancia desde un sitio de radar, porque el haz del radar se vuelve progresivamente más alto en altitud a medida que se aleja del radar, debido a la curvatura de la Tierra y la propagación del haz con la distancia. Por lo tanto, cuando se está lejos de un radar, solo se observan precipitaciones y velocidades altas en la tormenta. Las áreas importantes podrían no ser muestreadas o la resolución de los datos podría ser deficiente. Además, algunas situaciones meteorológicas que conducen a la tornadogénesis no son fácilmente detectables por radar y, en ocasiones, el desarrollo de tornados puede ocurrir más rápidamente de lo que el radar puede completar un escaneo y enviar el lote de datos. [8]
Los observadores de tormentas están entrenados para discernir si una tormenta vista desde la distancia es una supercélula . [8] Por lo general, miran hacia su parte trasera, la principal región de corrientes ascendentes y de entrada . [8] Bajo la corriente ascendente hay una base sin lluvia, y el siguiente paso de la tornadogénesis es la formación de una nube de pared giratoria . La gran mayoría de tornados intensos ocurren con una nube de pared en la parte trasera de una supercélula. [9]
La evidencia de una supercélula proviene de la forma y la estructura de la tormenta, y las características de la torre de nubes , como una torre de corriente ascendente dura y vigorosa, una cima persistente y/o grande que sobresale , un yunque duro (especialmente cuando se corta hacia atrás contra fuertes vientos de nivel superior ) y un aspecto de sacacorchos o estrías. [8] Bajo la tormenta y más cerca de donde se encuentran la mayoría de los tornados, la evidencia de una supercélula y la probabilidad de un tornado incluyen bandas de entrada (particularmente cuando son curvas) como una "cola de castor", y otras pistas como la fuerza de la entrada, el calor y la humedad del aire de entrada, qué tan dominante parece una tormenta como entrada o salida, y qué tan lejos está el núcleo de precipitación del flanco delantero de la nube de pared. La tornadogénesis es más probable en la interfaz de la corriente ascendente y la corriente descendente del flanco delantero , y requiere un "equilibrio" entre la salida y la entrada. [10]
Sólo las nubes de pared que giran generan tornados, y generalmente preceden al tornado entre cinco y treinta minutos. Las nubes de pared giratorias son la manifestación visual de un mesociclón . Salvo que exista un límite de bajo nivel, la tornadogénesis es muy poco probable a menos que se produzca una corriente descendente en el flanco trasero , que generalmente se evidencia visiblemente por la evaporación de la nube adyacente a una esquina de una nube de pared. A menudo se produce un tornado cuando esto sucede o poco después; primero, una nube de embudo se sumerge y en casi todos los casos, cuando llega a la mitad, ya se ha desarrollado un remolino en la superficie, lo que significa que un tornado está en el suelo antes de que la condensación conecte la circulación superficial con la tormenta. Los tornados también pueden ocurrir sin nubes de pared, debajo de las líneas de flanqueo y en el borde delantero. Los observadores monitorean todas las áreas de una tormenta y sus alrededores. [11]
En la actualidad, la mayoría de los países desarrollados cuentan con una red de radares meteorológicos , que sigue siendo el principal método para detectar señales que probablemente estén asociadas con tornados y otros fenómenos graves como granizo y tormentas . El radar está siempre disponible, en lugares y momentos en los que los observadores no están, y también puede ver características que los observadores no pueden ver en la oscuridad de la noche y procesos ocultos dentro de la nube, así como procesos invisibles fuera de la nube.
En la predicción y detección a corto plazo de tornados, los meteorólogos integran datos de radar con informes de campo y conocimiento del entorno meteorológico. El análisis de radar se complementa con sistemas de detección automatizados llamados algoritmos . Los meteorólogos primero observan el entorno atmosférico y sus cambios y, una vez que se desarrollan las tormentas, el movimiento de las tormentas y la interacción con el entorno.
Un paso inicial en la organización de una tormenta para convertirse en productora de tornados es la formación de una región de eco débil (WER, por sus siglas en inglés) con una corriente ascendente inclinada . Esta es un área dentro de la tormenta donde debería estar ocurriendo la precipitación pero es "arrastrada" hacia arriba por una corriente ascendente muy fuerte. La región de eco débil se caracteriza por una reflectividad débil con un gradiente agudo hacia una reflectividad fuerte por encima de ella y que rodea parcialmente los lados. La región de la precipitación que se eleva por encima de la WER es el saliente del eco que consiste en partículas de precipitación que divergen de la cima de la tormenta y descienden a medida que son transportadas por el viento. Dentro de esta área, se puede formar una región de eco débil limitada ( BWER , por sus siglas en inglés) por encima y envolviendo la WER. Una BWER se encuentra cerca de la parte superior de la corriente ascendente y está casi o completamente rodeada por una reflectividad fuerte, y es indicativa de una supercélula capaz de tornadogénesis cíclica. Un mesociclón puede descender o un tornado puede formarse en el nivel inferior de la tormenta simultáneamente a medida que se forma el mesociclón.
En los datos de reflectividad (intensidad de precipitación), un gradiente de eco estrecho (particularmente en el área de entrada) y una forma de abanico generalmente indican una supercélula . Una muesca en V o "eco de águila en vuelo" tiende a ser más pronunciada con supercélulas clásicas intensas, el tipo de supercélula que produce la mayoría de los tornados más fuertes, más grandes y de mayor duración. Esto no debe confundirse con una muesca de entrada; que es una sangría de nivel inferior en la precipitación donde hay poca o ninguna reflectividad, indicativa de una entrada fuerte y organizada y una tormenta severa que probablemente sea una supercélula. La muesca de entrada trasera (o canal de eco débil) se produce al este o al norte de un mesociclón y un eco en gancho. También se producen muescas de entrada delanteras, particularmente en supercélulas de alta precipitación (HP) y sistemas convectivos cuasi-lineales (QLCS).
En los Estados Unidos y algunos otros países, se utilizan estaciones de radar meteorológico con capacidad Doppler . Estos dispositivos son capaces de medir la velocidad radial , incluida la dirección radial (hacia o desde el radar) de los vientos en una tormenta, y por lo tanto pueden detectar evidencia de rotación en tormentas a más de cien millas (160 km) de distancia. Una supercélula se caracteriza por un mesociclón, que generalmente se observa primero en los datos de velocidad como una estructura ciclónica apretada en los niveles medios de la tormenta eléctrica. Si cumple ciertos requisitos de fuerza, duración y vorticidad , puede activar el algoritmo de detección de mesociclón (MDA). Las firmas tornádicas se indican mediante un par de velocidades de entrada y salida ciclónicas, donde los vientos fuertes que fluyen en una dirección y los vientos fuertes que fluyen en la dirección opuesta ocurren muy cerca. El algoritmo para esto es la firma de vórtice tornádico (TVS) o el algoritmo de detección de tornados (TDA). El TVS es entonces un mesociclón extremadamente fuerte que se encuentra a un nivel muy bajo y se extiende sobre una capa profunda de la tormenta eléctrica, no la circulación tornádica real. El TVS es, sin embargo, indicativo de un tornado probable o un tornado incipiente. El par y el TVS suelen preceder a la formación del tornado entre 10 y 30 minutos, pero pueden ocurrir casi al mismo tiempo o preceder al tornado por 45 minutos o más. El radar polarimétrico puede discernir características meteorológicas y no meteorológicas y otras características de los hidrometeoros que son útiles para la detección de tornados y la predicción inmediata. Los reflectores no meteorológicos ubicados junto con un par pueden confirmar que es probable que haya ocurrido un tornado y que haya levantado escombros. También puede verse un área de alta reflectividad, o bola de escombros, en el extremo del gancho. Tanto los datos polarimétricos como la bola de escombros se conocen formalmente como la firma de escombros del tornado (TDS). La característica de eco en gancho se forma cuando el RFD ocluye la precipitación alrededor del mesociclón y también es indicativa de un probable tornado (la tornadogénesis generalmente se produce poco después de que el RFD llega a la superficie).
Después de la implementación de la red WSR-88D en los EE. UU., la probabilidad de detección de tornados aumentó sustancialmente, el tiempo de anticipación promedio aumentó de cuatro minutos a trece minutos, y un informe de la NOAA de 2005 estima que, como resultado de las advertencias mejoradas, hay un 45 por ciento menos de muertes y un 40 por ciento menos de lesiones anualmente. El radar de polarización dual , que se está implementando en la red NEXRAD de EE. UU., [12] puede proporcionar una advertencia mejorada de tornados y vientos severos y granizo asociado con el eco en gancho debido a las características distintivas de las gotas de precipitación. [13] El radar polarimétrico mejora la observación y predicción de precipitaciones, especialmente las tasas de lluvia, la detección de granizo y la distinción de los tipos de precipitación. [14] Las tecnologías de radar propuestas, como el radar de matriz en fase y CASA, mejorarían aún más las observaciones y los pronósticos al aumentar la resolución temporal y espacial de los escaneos en el primero [15], así como al proporcionar datos de radar de bajo nivel sobre un área amplia en el segundo. [16]
En ciertos entornos atmosféricos, los perfiladores de viento también pueden proporcionar capacidades de detección de actividad tornádica. [17]
El granizo se forma en una corriente ascendente muy intensa en una supercélula o una tormenta eléctrica multicelular. En cuanto a los tornados, la detección de BWER y una corriente ascendente inclinada son indicativas de esa corriente ascendente, pero no conducen a predecir el granizo. La presencia de un pico de granizo en el patrón de reflectividad es una pista importante. Es un área de reflectividad débil que se extiende más allá del radar inmediatamente detrás de una tormenta eléctrica con granizo. Es causada por la radiación del radar que rebota de granizo en granizo o en el suelo antes de reflejarse de nuevo en el radar. El retraso de tiempo entre la radiación retrodispersada de la tormenta y la que tiene múltiples trayectorias hace que la reflectividad del granizo parezca provenir de un rango más lejano que la tormenta real. [18] Sin embargo, este artefacto es visible principalmente para granizo extremadamente grande.
Lo que se necesita es conocer el contenido de agua en la tormenta, el nivel de congelación y la altura de la cumbre de la precipitación. Una forma de calcular el contenido de agua es transformar las reflectividades en la tasa de lluvia en todos los niveles en las nubes y sumarlas. Esto se hace mediante un algoritmo llamado líquido integrado verticalmente o VIL. Este valor representa la cantidad total de agua líquida disponible en la nube. Si la nube cayera completamente, sería la cantidad de lluvia que caería sobre el suelo y se puede estimar con VIL el potencial de inundación repentina . [19]
Sin embargo, las reflectividades se mejoran en gran medida por el granizo y el VIL sobreestima en gran medida el potencial de lluvia en presencia de granizo. Por otro lado, los meteorólogos del Servicio Meteorológico Nacional han descubierto que la densidad del VIL, es decir, el VIL dividido por la altura máxima de los 18 dBZ en la nube, es un buen indicador de la presencia de granizo cuando alcanza los 3,5. [19] Este es un índice sí/no crudo y se han desarrollado otros algoritmos que involucran al VIL y la altura del nivel de congelación. [19] Más recientemente, la polarización dual del radar meteorológico ha demostrado una detección directa prometedora del granizo.
El VIL también se puede utilizar para estimar el potencial de ráfagas descendentes . Una corriente descendente convectiva está vinculada a tres fuerzas en la vertical, a saber, la fuerza del gradiente de presión de perturbación, la fuerza de flotabilidad y la carga de precipitación. La fuerza del gradiente de presión se descuidó ya que tiene un efecto significativo solo en la corriente ascendente en supercélulas. Con esta suposición y otras simplificaciones (por ejemplo, requerir que el entorno de la parcela de aire sea estático en la escala de tiempo de la corriente descendente). La ecuación de momento resultante se integra sobre la altura para obtener la energía cinética de la parcela al descender a la superficie y se encuentra que es la CAPE negativa de una parcela de aire seco inyectada en la tormenta, más el movimiento de la célula convectiva. SR Stewart, del NWS, ha publicado en 1991 una ecuación que relaciona el VIL y los topes de eco que dan el potencial de ráfagas en la superficie utilizando este concepto. [20] Este es un resultado predictivo que da un cierto tiempo de anticipación. Con los datos de velocidad Doppler, el meteorólogo puede ver las corrientes descendentes y los frentes de ráfagas , pero como se trata de una característica de pequeña escala, se han desarrollado algoritmos de detección para señalar áreas de convergencia y divergencia bajo una tormenta eléctrica en la pantalla del radar.
La mayoría de las áreas pobladas de la Tierra están ahora bien cubiertas por satélites meteorológicos , que ayudan en la predicción inmediata de tormentas convectivas y tornádicas severas. [6] Estas imágenes están disponibles en los dominios visible e infrarrojo . Las imágenes infrarrojas (IR: 10-13 μm ) permiten estimar la altura máxima de las nubes, de acuerdo con los sondeos de masas de aire del día, y las visibles (vis: 0,5-1,1 μm) mostrarán la forma de las tormentas por su brillo y sombra producida. Los meteorólogos pueden extraer información sobre la etapa de desarrollo y los rasgos posteriores de las tormentas eléctricas al reconocer firmas específicas en ambos dominios. Las imágenes visibles permiten las imágenes más detalladas, mientras que las imágenes infrarrojas tienen la ventaja de estar disponibles durante la noche. Los sensores de los satélites también pueden detectar emisiones de vapor de agua (WV: 6-7 μm), pero principalmente en los niveles medios y superiores de la troposfera , por lo que las tormentas eléctricas solo se ven después de estar bien desarrolladas. Sin embargo, es útil en la predicción de tormentas convectivas, ya que ilustra la ubicación y el movimiento de masas de aire y de humedad, así como ondas cortas y áreas de vorticidad y sustentación.
Las tormentas severas tienen una corriente ascendente muy fuerte . Las parcelas de aire ascendentes en esa columna se aceleran y sobrepasarán el nivel de equilibrio (EL) antes de ser empujadas hacia atrás por la flotabilidad negativa. Esto significa que las cimas de las nubes alcanzarán niveles más altos que la nube circundante en la región de la corriente ascendente. Esta cima que sobrepasa se notará por una región de temperatura más fría en la tormenta eléctrica en las imágenes infrarrojas. Otra señal asociada con esta situación es la característica Enhanced-V donde las cimas de las nubes frías que se forman en la cima que sobrepasa se abren en abanico en forma de V a medida que la materia de las nubes es arrastrada por el viento a ese nivel. [21] Ambas características se pueden ver en imágenes satelitales visibles, durante el día, por las sombras que proyectan sobre las nubes circundantes.
En las tormentas multicelulares y las líneas de turbonadas , la corriente en chorro de nivel medio a menudo se cruza con la línea y el aire seco que se introduce en la nube es negativamente inestable. Esto da como resultado un secado del aire nublado en la región donde el chorro se precipita hacia el suelo. En el borde posterior de la línea, esto se muestra como muescas claras donde se pueden encontrar corrientes descendentes más fuertes en la superficie. Este tipo de líneas a menudo tienen un patrón ondulado muy característico causado por la interferencia de los frentes de ráfagas que provienen de diferentes partes de la línea.
Finalmente, en cualquier tipo de tormenta eléctrica, la superficie de la piscina de aire frío asociada con la corriente descendente estabilizará el aire y formará un área libre de nubes que terminará a lo largo del frente de ráfaga . Este frente de mesoescala, al moverse hacia una masa de aire caliente e inestable, la levantará y aparecerán nubes cúmulos en las imágenes satelitales. Esta línea es probablemente el punto de mayor convección y tormentas, especialmente si coincide con frentes de otras tormentas eléctricas en las cercanías. [22] Uno puede notarlo en el borde delantero de una línea de turbonadas, en el cuadrante sureste de una supercélula típica (en el hemisferio norte), o en diferentes regiones alrededor de otras tormentas eléctricas. También pueden ser visibles como un límite de salida horas o días después de la convección y pueden señalar áreas de desarrollo favorecido de tormentas eléctricas, la posible dirección de movimiento e incluso la probabilidad de tornados. La velocidad de avance del límite de salida o frente de ráfagas modula hasta cierto punto la probabilidad de tornados y ayuda a determinar si una tormenta se verá reforzada por su presencia o si el flujo entrante se verá obstaculizado, debilitándose y posiblemente matando la tormenta. Las tormentas eléctricas pueden moverse a lo largo de límites de salida de movimiento lento o estacionarios y los tornados son más probables; mientras que los frentes de ráfagas de movimiento rápido en muchos casos debilitan las tormentas eléctricas después del impacto y es menos probable que produzcan tornados, aunque pueden ocurrir tornados breves en el momento del impacto. Los frentes de ráfagas de movimiento rápido pueden eventualmente desacelerarse y convertirse en límites de salida de movimiento lento o estacionarios con la característica "zona agitada" de los campos de cúmulos mencionada anteriormente.
Los sistemas de detección de rayos se utilizan, por lo general, en combinación con fuentes de datos como radares meteorológicos y satélites para determinar con precisión dónde se están produciendo tormentas eléctricas (y para identificar el peligro de rayos ). En la actualidad, la mayoría de los datos sobre rayos que se proporcionan en tiempo real provienen de fuentes terrestres, en concreto, redes de sensores terrestres, aunque también hay sensores aerotransportados en funcionamiento. La mayoría de ellos solo proporcionan latitud y longitud, hora y polaridad de los rayos de nube a tierra dentro de un rango limitado. Los detectores de rayos basados en satélites, que en un principio incluían sensores ópticos que indicaban la frecuencia de los rayos y la ubicación horizontal, pero ahora incluyen receptores de radiofrecuencia que pueden identificar rayos intranubes añadiendo también la altitud, son cada vez más sofisticados y están cada vez más disponibles y proporcionan datos para un área muy amplia.
Los datos sobre rayos son útiles para sugerir la intensidad y la organización de las células convectivas, así como las tendencias en la actividad de las tormentas eléctricas (en particular, el crecimiento y, en menor grado, la disminución). También son útiles en las primeras etapas del desarrollo de las tormentas eléctricas. Esto era especialmente cierto cuando los datos satelitales visibles e infrarrojos se retrasaban, pero siguen siendo útiles para detectar tormentas eléctricas en etapas de desarrollo antes de que haya una firma de radar sustancial o para áreas donde faltan datos de radar. Los próximos avances en la investigación y las observaciones deberían mejorar los pronósticos de condiciones meteorológicas severas y aumentar el tiempo de alerta. [23]
También existen sistemas personales de detección de rayos que pueden proporcionar información sobre el momento, el acimut y la distancia de impacto. Además, existen sistemas de predicción de rayos que se utilizan principalmente en parques y otras instalaciones recreativas al aire libre o en meteorólogos contratados para proporcionarles información meteorológica.
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