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Precipitación orográfica en climas fríos y cálidos Alpes Cascadas (Oregon) Himalayas Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM, México DF, 19 marzo 2009.

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1 Precipitación orográfica en climas fríos y cálidos Alpes Cascadas (Oregon) Himalayas Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM, México DF, 19 marzo 2009 Socorro Medina Departamento de Ciencias Atmosféricas, Universidad de Washington, Seattle, EU Colaboradores: Anil Kumar, Robert Houze, Dev Niyogi y Ulirke Romatschke Altura (m) sobre el nivel del mar

2 Sponsored in part by: NSF Award# ATM NSF Award# ATM NASA Award# NNX07AD59G

3 Áreas de estudio para climas fríos Italia Suiza

4 Precipitación climatológica (sep a nov) y contorno topográfico = 800 m

5 Precipitación climatológica (de dic a feb) y topografía

6 Objetivos (parte sobre climas fríos): 1. Investigar los procesos microfísicos de formación de precipitación en la ladera a barlovento 2. Documentar como el flujo del aire asociado con un ciclón extra tropical es afectado por el terreno

7 MAP = Mesoscale Alpine Program Altura media de la cresta = 3 km Instrumentación de los experimentos NOAA WP-3D S-Pol = Radar de doble polarización (banda S) VP = Radar de haz vertical = Sondeo IMPROVE II = Improvement of Microphysical parameterization Altura media de la cresta = 2 km

8 Se analizaron las características de los casos que produjeron las acumulaciones de precipitación mas grandes 1. Condiciones sinópticas 2. Modificación del flujo del aire por el terreno 3. Estabilidad estática 4. Reflectividad e hidrometeoros

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10 Ejemplo de caso en los Alpes UTC 20 Sep 1999 Atura geopotencial y temperatura a 500 mb Pronostico del ECMWF (12 h)

11 Ejemplo de caso en las Cascadas UTC 14 Dic 2001 Altura geopotencial, vientos y temperatura a 500 mb Pronostico del MM5(12 h)

12 Condiciones sinópticas de los eventos de interés: Sistema baroclínico aproximándose a la barrera orográfica La dirección del viento conforme se acerca el sistema es prácticamente perpendicular al terreno

13 1. Condiciones sinópticas 2. Modificación del flujo del aire por el terreno 3. Estabilidad estática 4. Reflectividad e hidrometeoros

14 Sistemas intensos en los Alpes donde se recolectaron observaciones continuas (IOP, Intensive Observing Periods) Dirección de los cortes verticales

15 NNW Tipo A RADAR m s -1 MAP IOP2b Velocidad radial (promedio de 3 h)

16 NNW Tipo A RADAR m s -1 MAP IOP3 Velocidad radial (promedio de 3 h)

17 N Tipo A RADAR m s -1 MAP IOP5 Velocidad radial (promedio de 3 h)

18 NW Tipo B RADAR m s -1 MAP IOP8 Velocidad radial (promedio de 3 h)

19 NW Tipo B SE m s -1 MAP IOP8 – Datos de radar en el avión P3 Viento en la dirección del corte vertical

20 Sistemas intensos en las montañas Cascadas donde se recolectaron observaciones continuas Dirección de los cortes verticales

21 E Tipo B RADAR m s -1 IMPROVE-2 Caso 11 Velocidad radial (promedio de 3 h)

22 E Tipo B RADAR m s -1 IMPROVE-2 Caso 1 Velocidad radial (promedio de 3 h)

23 Modificación del flujo del aire por el terreno: Tipo A: Chorro de niveles bajos asciende sobre el pie de la montaña Tipo B: Zona de cizalla vertical que asciende sobre el terreno

24 1. Condiciones sinópticas 2. Modificación del flujo del aire por el terreno 3. Estabilidad estática 4. Reflectividad e hidrometeoros

25 Perfiles de estabilidad para casos Tipo A ESTABLE INESTABLE

26 ESTABLE INSTABLE Perfiles de estabilidad para casos Tipo A

27 1. Condiciones sinópticas 2. Modificación del flujo del aire por el terreno 3. Estabilidad estática 4. Reflectividad e hidrometeoros

28 N RADAR dBZ MAP IOP5 Reflectividad (promedio de 3 h) Tipo A

29 Dry snow Melting snow N RADAR MAP IOP5 Frecuencia de hidrometeoros (%) Graupel Tipo A

30 NW Tipo B RADAR dBZ MAP IOP8 Reflectividad (promedio de 3 h)

31 Dry snow Melting snow NW RADAR MAP IOP8 Frecuencia de hidrometeoros (%) Graupel/ aggregates Tipo B

32 MAP IOP8 – Tipo B Radar vertical

33 Cizalla y número de Richardson de casos Tipo B Cizalla = dU/dz Ri = N m 2 / [dU/dz] 2

34 Las observaciones de la velocidad radial y la cizalla radial sugieren que la inestabilidad es del tipo Kevin-Helmholtz Observaciones del radar Doppler-on-Wheels (DOW) Velocidad radial (m s -1 ) Cizalla (m s -1 km -1 )

35 Conclusiones – (Ciclones extra tropicales) Se identificaron dos tipos de patrones en la modificación del flujo por el terreno Los dos patrones producen celdas localizadas donde las velocidades verticales son relativamente fuertes (>2m/s) La inestabilidad potencial es responsable de los movimientos ascendentes en casos Tipo A, mientras que en el Tipo B están asociados con turbulencia Las observaciones sugieren que en ambos tipos de patrones el aumento de precipitación en barlovento se produce por los procesos de coalescencia, agregación y riming

36 Precipitación orográfica en climas cálidos Himalayas Altura (m) sobre el nivel del mar

37 Romatschke et al. (2009) Precipitación climatológica en los Trópicos (jun-sep) (Construida usando medias mensuales de 1999 a 2006 de TRMM 3B43 Tropical Rainfall Measuring Mission)

38 Romatschke et al. (2009) Precipitación climatológica en los Trópicos (jun-sep) (Construida usando medias mensuales de 1999 a 2006 de TRMM 3B43 Tropical Rainfall Measuring Mission)

39 Área de estudio para climas cálidos La región de los Himalayas: topografía extrema y precipitación abundante durante el monzón

40 Ecos de reflectividad de radar convectivos y estratiformes Corte horizontal Corte vertical de eco convectivo Corte vertical de eco estratiforme Se usan algoritmos automáticos para determinar si un pixel es convecitvo o estratiforme (basados en gradientes horizontales y verticales de la reflectividad) Houze (1997)

41 Se usaron datos del radar de precipitación de TRMM para encontrar sistemas extremos, en particular: Núcleos de convección profunda: aéreas contiguas de pixeles convectivos contorno de 40 dBZ > 10 km en altura Regiones extensas de eco estratiforme: aéreas contiguas de pixeles estratiformes con área > 50,000 km² Romatschke et al. (2009) Distancia (km) Altura (km) Latitud Longitud Lon

42 Distribución de la probabilidad de encontrar cada tipo de sistema Houze et al. (2007), Romatschke et al. (2009) Núcleos de convección profunda Regiones extensas de eco estratiforme Climatología de los sistemas extremos (de acuerdo a 8 años de datos radar de precipitación de TRMM)

43 Objetivo (parte sobre climas cálidos): 1. Evaluar si los modelos de mesoescala de alta resolución pueden reproducir los sistemas observados 2. Investigar el efecto de la orografía en la ocurrencia y distribución espacial de cada tipo de sistema

44 Modelo y datos usados Modelo: Weather Research and Forecasting Datos: TRMM y NCEP Resultados presentados: Región extensa de eco estratiforme observado por TRMM el 11 de agosto de 2002

45 Domino 1: dx = 27 kmDomino 2: dx = 9 km Terreno y precipitación acumulada durante la simulación (12 UTC 10 Ago – 03 UTC 11 Ago 2002 = 18 LST 10 Ago - 09 LST 11 Ago) Dominio 3: dx = 3 km

46 Evaluation of low-levels winds at 00 UTC 11 Aug 2002 Observations 10 m winds and wind speed (m/s) WRF-simulation Surface winds and wind speed (m/s)

47 Sounding at Tengchong at 00 UTC 11 Aug 2002 ObservationsWRF-simulation

48 Reflectividad instantanea (~03 UTC 11 Ago 2002) Observations WRF-simulation Cortes horizontales a 4km Cortes verticales a lo largo de la linea negra

49 Objetivos 1. Evaluar si los modelos de mesoescala de alta resolución pueden reproducir los sistemas observados 2. Investigar el efecto de la orografía en la ocurrencia y distribución espacial de cada tipo de sistema

50 Corte vertical a lo largo de la linea roja Reflectividad y Velocidad vertical (|1 m/s|) Hidrometeoros: Graupel: color Nieve: azul (0.1 g/kg) Lluvia: rojo (0.1 g/kg) Periodo inicial 1415 UTC 10 Ago Periodo maduro 0130 UTC 11 Ago

51 Promedios temporales durante toda la simulación Flujo perpendicular a la dirección de l corte. Positivo: izq a derecha Viento a 850mb Viento en superficie (11 m/s) Flujo de claro latente de la superficie (200 W/m2) Agua precipitable (67 mm) Precipitación acumulada (10 mm) Viento a 850mb Altura geopotencial a 850 mb Agua precipitable (67 mm) Precipitación acumulada (20 y 50 mm) Velocidad vertical a 500 mb (0.5 m/s)

52 Conclusiones – (Precipitación estratiforme al sureste de los Himalayas) El modela de mesoscala fue capaz de replicar el sistema observado Durante la ocurrencia de estos sistemas, el flujo intenso de bajos niveles extrae eficientemente humedad de la Bahía de Bengala y de la delta del rio Ganges Cuando flujo condicionalmente inestable llega al pie de los Himalayas, es levantado sobre la topografía, alcanza la saturación y se vuelve inestable Conforme el sistema envejece, los ecos se van debilitando y se amalgaman en grandes regiones estratiformes, las cuales son a su vez sujetas a levantamiento orográfico

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54 Tipo de suelo Snow/Ice Tundra Wetland Forest Irrigated crop Crop Savanna Shurb/Grass Dryland/crop Grass Shurb Barren Thar Desert Ganges Delta

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56 Convección profunda en los Trópicos Altura máxima del contorno de 40 dBZ de acurdo a los datos del radar de precipitación de TRMM Zipser et al. (2006)

57 Convección profunda en los Trópicos Altura máxima del contorno de 40 dBZ de acurdo a los datos del radar de precipitación de TRMM Zipser et al. (2006)

58 Climatología de vientos de superficie y convección profunda durante el monzón (jun-sep) Romatschke et al. (2009) Probabilidad de encontrar un sistema convectivo con contorno de 40 dBZ > 10 km (Radar de precipitación TRMM) Vientos de superficie y agua precipitable (NCEP) Punjab

59 Objetivo (parte sobre climas cálidos): Evaluar la validez de esas hipótesis usando observaciones y simulaciones de un modelo de mesoescala Los estudios de Sawyer et al. (1947) y Houze et al. (2007) propusieron hipótesis sobre como se forma la convección profunda en la zona

60 Modelo y datos usados Modelo: Weather Research and Forecasting Datos: TRMM y NCEP Sistema analizado: 3 sep 2003, cuando TRMM observo un sistema de convección profunda en la zona de interés

61 Dominio1 (dx = 9 km)Domino 2 (dx = 3 km) Simulación: precipitación acumulada y terreno INDIA PAKISTAN HIMALAYAS HINDU KUSH

62 Evaluación: Localización del sistema respecto al terreno y temperatura del tope de la nube (~2130 UTC 3 Sep [~0230 LST 4 Sep]) OBSERVACION SIMULACION

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64 Evaluation: 3D Reflectivity structure (~22 UTC 3 Sep [~03 LST 4 Sep]) OBSERVATION (TRMM-PR) Horizontal cross sections at 4 km Vertical cross sections along black line Vertical cross sections along red line SIMULATION dBZ Distance (km) Height (km) Distance (km) Height (km) Distance (km) Height (km) Distance (km) Height (km)

65 HYPOTHESIS: Dry line SURFACE DEW POINT DEPRESSION AND 2 AND 4 KM TERRAIN CONTOURS Valid: 18 UTC 3 Sep (23 LST) Forecast : 0 h (1 h before convection initialization)

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67 HYPOTHESIS: Moist low-level flow from Arabian Sea, dry flow aloft from Tibetan or Afghan mountains SURFACE MIXING RATIO (g/kg) NOAA HYSPLIT (NCEP FNL) BACKWARD TRAJECTORIES 1.0 AGL km 3.5 AGL km Valid: 18 UTC 3 Sep (23 LST) Forecast : 0 h End time: 18 UTC 3 Sep (23 LST) Elapsed period between markers: 24 h

68 HYPOTHESIS: High surface sensible heat flux as low-level air moves over Thar Desert NCEP time series

69 Land cover Snow/Ice Tundra Wetland Forest Irrigated crop Crop Savanna Shurb/Grass Dryland/crop Grass Shurb Barren Thar Desert

70 HYPOTHESIS: Convection triggered over foothills TERRAIN AND COLUMN INTEGRATED PRECIPITATION HYDROMETEORS (10 mm) TOTAL PRECIP. MIXING RATIO Valid: 19 UTC 3 Sep (00 LST). Forecast : 1 h N 6.0 g kg -1

71 moist dry,ho t Carlson et al. 1983

72 Conclusiones – (Convección profunda en Punjab) El flujo del aire a niveles bajos obtiene humedad del Mar Arábigo y es calentado por su paso por del desierto del Thar Una capa elevada de aire seco y cálido proveniente de la región de Afganistán esta localizado sobre el aire húmedo cerca de la superficie y retarda el inicio de la convección La convección es eventualmente detonada por forzamiento orográfico sobre los picos pequeños

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77 NNW Tipo A RADAR dBZ MAP IOP2b Reflectividad (promedio de 3 h)

78 NNW RADAR dBZ MAP IOP3 Reflectividad (promedio de 3 h) Tipo A

79 Dry snow Melting snow NNW RADAR MAP IOP2b Particle Type Frequency (%) Graupel Tipo A

80 NNW RADAR MAP IOP3 Particle Type Frequency (%) Graupel Tipo A Dry snow Melting snow

81 Tipo B dBZ E RADAR IMPROVE-2 Case 11 Reflectividad (promedio de 3 h)

82 Tipo B dBZ E RADAR IMPROVE-2 Case 1 3-hour Mean Radial velocity

83 IMPROVE-2 Case 11 Particle Type Frequency (%) Graupel/ aggregates Tipo B E RADAR Dry snow Melting snow

84 Dry snow Melting snow IMPROVE-2 Case 1 Particle Type Frequency (%) Graupel/ aggregates Tipo B E RADAR

85 IMPROVE-2 Case 11 – Type B Vertically pointing radar

86 IMPROVE-2 Case 1 – Type B Vertically pointing radar

87 IMPROVE-2 Case 1 – KH billows

88 Terrain gradients Land-ocean contrast Land cover gradients Snow/Ice Tundra Wetland Forest Irrigated crop Crop Savanna Shurb/Grass Dryland/crop Grass Shurb Barren Thar Desert Ganges Delta

89 Sistemas de convección profunda Durante el monzón (jun-sep), cuando los vientos en superficie son del suroeste, la convección profunda se concentra en la identacion

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92 Houze et al. (2007) Distribución geográfica de los sistemas convectivos de acuerdo al radar de precipitación de TRMM

93 Relación entre los procesos microfisicos/corrientes verticales y la estructura vertical de la precipitación Houze (1997)

94 Example of Broad Stratiform Echo (>50,000 km 2 in area) Example: Infrared satellite temperature and reflectivity at ~03 UTC 11 Aug 2002 Houze et al. (2007) 10 m winds reanalysis at 00 UTC 11 Aug 2002 Tengchong sounding

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