Índices de Estabilidad Michel Davison y José Gálvez E.g. IR4 Sat CAPE K ?

Por qué son importantes? Los índices de estabilidad ayudan a determinar el potencial, severidad y tipo de convección esperada: Llana Profunda 1/47

Estabilidad de la Columna Evaluación objetiva de la estabilidad de la atmósfera es uno de los retos más grandes para el meteorólogo en los trópicos. Índices tradicionales diseñados con latitudes medias en mente (no siempre funcionan para los trópicos). Esencial el poder distinguir entre periodos donde hay mayor riesgo para convección Llana Profunda Para determinar el potencial de convección es importante determinar la estabilidad de la columna de una manera objetiva. 2/47

Índices Tradicionales Método de Parcelas Lifted Index (LI) Showalter Stability Index (SSI) Total Totals (TT) K Index (K) Método Termodinámico CAPE 3/47

Método de Parcelas Para determinar la inestabilidad, una parcela de aire es desplazada entre niveles asumiendo que no hay interacción con el medio ambiente A method of testing for instability in which a displacement is made from a steady state under the assumption that only the parcel or parcels displaced are affected, the environment remaining unchanged. 4/47

Método de Parcelas Para determinar la inestabilidad, una parcela de aire es desplazada entre niveles asumiendo que no hay interacción con el medio ambiente A method of testing for instability in which a displacement is made from a steady state under the assumption that only the parcel or parcels displaced are affected, the environment remaining unchanged. 5/47

Método de Parcelas Ejemplo: Convección llana (Key West, FL, 04-Mar-2013 00z) -Inestable/neutral debajo de 800 hPa -Muy estable de 800 a 700 hPa (inversión o “tapa”) -Estable por encima Estable (la parcela necesita mucho forzamiento para ascender o descender) Extremadamente estable, inversión de subsidencia (la parcela no ascenderá ni descenderá) A method of testing for instability in which a displacement is made from a steady state under the assumption that only the parcel or parcels displaced are affected, the environment remaining unchanged. Inestable/neutral: parcela puede fácilmente ascender o descender (convección favorecida) 6/47

Índice Lifted (LI) TPARCELA_500 T500 LI = Temperatura del medio ambiente en 500 hPa – Temperatura de la parcela en los 500 hPa ascendiendo desde superficie (capa limite) LI = T500 – TPARCELA_500 TPARCELA_500 T500 7/47

Índice Lifted (LI) _ + Mientras más negativo más inestable. Limitantes: Considera sólo dos niveles. Aplicable a masas barotrópicas y del lado cálido de vaguadas troposféricas. LI = T500 – TPARCELA_500 _ + NEGATIVO: INESTABLE POSITIVO: ESTABLE 8/47

Valores del LI Positivo: Estable 0 a -4: Marginalmente Inestable -4 a -6: Gran Inestabilidad Igual o menor de -8: Inestabilidad Extrema 9/47

Índice de Estabilidad Showalter (SSI) Similar a LI pero ascendiendo desde 850hPa: SSI = Temperatura del medio ambiente en 500 hPa – Temperatura de la parcela en 500 hPa ascendiendo desde 850 hPa Funciona cuando hay una capa fría llana por debajo de los 850 hPa No funciona cuando la capa fría sobrepasa los 850 hPa No toma en consideración calentamiento diurno No funciona si el nivel de la estación es sobre los 850 hPa a stability index used to determine thunderstorm potential. The SWI is calculated by lifting an air parcel adiabatically from 850 mb to 500 mb. The algebraic difference between the air parcel and the environmental temperature at 500 mb represents the SWI. It is especially useful when you have a shallow cool airmass below 850 mb concealing greater convective potential aloft. However, the SWI will underestimate the convective potential for cool layers extending above 850 mb. It also does not take in account diurnal heating or moisture below 850 mb. As a result, one must be very careful when using this index. 10/47

Valores del SSI Positivo: Estable 0 a -4: Marginalmente Inestable -4 a -6: Gran Inestabilidad Igual o menor de -8: Inestabilidad Extrema 11/47

Comparación del LI y el SSI Ambos solamente consideran dos niveles 500 hPa Nivel original de la parcela a evaluar LI >0 y SSI > 0 = Capa bien estable LI < 0 y SSI>0 = Capa limite inestable, posible inversión en altura. LI > 0 y SSI < 0 = Capa limite estable, pero atmósfera tiende a ser mas inestable con altura LI < 0 y SSI < 0 = Capa inestable profunda Comparison to LI: If the LI is negative while the SI is positive (such as shown in sounding below), that is an indication that the PBL is unstable while the region just above the PBL is stable (some capping exists). If the LI is positive while the SI is negative, that is an indication that the PBL is stable but the lower troposphere becomes unstable with height. This can occur in cases where shallow polar air is in the PBL while there is an unstable air mass aloft. If the LI and SI are both negative it often indicates a deep layer of unstable air in the lower troposphere is in place. If the LI and SI are both positive it often indicates a deep layer of stable air in the lower troposphere is in place. 12/47

Total Totals TT = (T850 + Td850) - (2*T500) Se calcula con la temperatura de 500 hPa y con la temperatura y rocío en 850 hPa. TT = (T850 + Td850) - (2*T500) ESTABLE (Valores bajos) 850 500 CALIDO FRIO SECO FRIO 850 500 CALIDO HUMEDO INESTABLE (Valores altos) Valores más bajos cuando atmósfera media es cálida, atmósfera baja fría y seca. Valores más bajos cuando atmósfera media es cálida, atmósfera baja fría y seca. http://www.meted.ucar.edu/mesoprim/skewt/tt.htm TT is a widely-used severe weather index that is very easy to compute. However, it is limited in that it uses data from only two mandatory levels (850 and 500 hPa) and thus does not account for intervening inversions or moist or dry layers that may occur below or between these levels. In addition, it does not work for areas in the western Great Plains or the Rocky Mountains, where 850 hPa is near the surface or below ground. Last, like several other severe weather indexes, it does not take into account wind shear, which is a critical factor in many severe convective environments. 13/47

Total Totals PROS Es fácil de calcular. Funciona bien en latitudes medias y, en algunas ocasiones, en los trópicos. LIMITACIONES Sólo usa dos niveles. No funciona en terrenos elevados (Psfc>850 hPa). Problemas cuando inversiones ocurren entre estos dos niveles. En masas post-frontales tiende a dar valores extremadamente altos http://www.meted.ucar.edu/mesoprim/skewt/tt.htm TT is a widely-used severe weather index that is very easy to compute. However, it is limited in that it uses data from only two mandatory levels (850 and 500 hPa) and thus does not account for intervening inversions or moist or dry layers that may occur below or between these levels. In addition, it does not work for areas in the western Great Plains or the Rocky Mountains, where 850 hPa is near the surface or below ground. Last, like several other severe weather indexes, it does not take into account wind shear, which is a critical factor in many severe convective environments. 14/47

Índice K K = (T850 – T500) + [ Td850 – (T700-Td700) ] CIMH Gradiente vertical de temperatura (estabilidad) Contenido de humedad entre 850 y 700 hPa (agua disponible) Al tomar en consideración el contenido de agua en 850 y 700 hPa, tiende a funcionar bien en los trópicos Masas marítimas tropicales en particular. CIMH Norte del Caribe > 24 Sur del Caribe/SA > 30 The KI is a combination of the Vertical Totals (VT) and lower tropospheric moisture characteristics. The VT is the temperature difference between 850 and 500 mb while the moisture parameters are the 850 mb dewpoint and 700 mb dewpoint depression. KI = (T850 - T500) + (Td850 - Tdd700) The equation above for the KI is stating (850 mb temperature minus 500 mb temperature) plus (850 mb dewpoint minus 700 mb dewpoint depression) 15/47

Valores del K (Latitudes Medias) Cuando los rocíos en 850 son altos, y la depresión en 700 es baja, es indicativo de una masa caliente y húmeda profunda 15 – 25 = Potencial Convectivo Bajo 26 – 39 = Potencial Convectivo Moderado +40 = Potencial Convectivo Alto 16/47

Limitantes del K No ve inversiones en niveles medios. Solo no funciona para determinar severidad de tormentas. Si diferencia en temperatura entre 850 y 500 es muy grande, el K puede generar valores muy altos y no realísticos. No es aplicable a terreno montañoso, funciona mejor en llanos de poca elevación. 17/47

Método Termodinámico 18/47

CAPE Representa energía potencial de parcelas de aire que ascienden sobre el nivel de convección libre (LFC). Mientras más bajo el LFC, mayor probabilidad de desarrollo. También una manera de evaluar el potencial/riesgo de tiempo severo. Unidades de Joules por Kilogramo (Energía por unidad de masa) Representa la cantidad de energía disponible para “forzar” una parcela de aire a ascender También representa la cantidad de trabajo una parcela ejerce en el medio ambiente. http://www.tornadochaser.net/cape.html 19/47

Áreas Positivas/Negativas El área positiva en la curva termodinámica nos muestra el potencial de una parcela de aire a ascender, mientras mayor esta área, y mientras mas baja se encuentre, mejor potencial. 20/47

Valores de CAPE (en latitudes medias) Valor de CAPE Potencial de Convección Estable 0-1000 Marginalmente Inest. 1000-2500 Moderadamente Inest. 2500-3500 Bien Inestable 3500+ Extremadamente Inest. 21/47

Limitantes del CAPE Tiene que tomar en consideración los inhibidores convectivos (CINH) CINH no directamente proporcional en magnitud a los valores de CAPE Masas en los trópicos generalmente exhiben altos valores de CAPE y en algunos casos no se desarrolla convección profunda. Ejemplo: CAPE Imagen de satélite IR4 22/47

Sonda, Curasao 23/47

Sonda, Curasao 24/47

Sonda, Santo Domingo 25/47

Problemas en los Trópicos Atmósfera en los trópicos suele quedar más inestable subsiguiente a la ocurrencia de convección (no antes): -Efectos de la liberación de calor latente y humedecimiento de la columna. Método de parcela funciona mejor cuando hay aire frío en niveles superiores TUTT presente La columna en los trópicos es más profunda, lo cual tiende a generar valores muy altos de CAPE que no siempre son conducibles a convección profunda. 26/47

Posible Solución En los trópicos… Tenemos que considerar la columna completa Distribución vertical de humedad es muy importante. Gradientes verticales de temperatura son muy sutiles. Forzamiento meso-sinóptico en los trópicos por lo general es también muy suave/sutil. Forzamiento depende mas de efectos de radiación, brisas, efectos topográficos. Convección tropical tiende a depender más de la inestabilidad convectiva. Más de la termodinámica de la columna. 27/47

Inestabilidad Convectiva en la Columna Puede evaluarse con perfiles verticales de temperatura equivalente potencial (THTE). Esta combina efectos de temperatura y humedad. La columna se considera convectivamente inestable cuando la temperatura equivalente potencial (THTE) disminuye con la altura. Si THTE aumenta con la altura, donde aire cálido y húmedo queda sobre aire frío y seco, la columna esta convectivamente estable. 28/47

Temperatura Equivalente Potencial Inestabilidad Convectiva Inversion Inestabilidad Profunda

Inestabilidad Convectiva Solución: Si sacamos la diferencia algebraica entre dos niveles, esto capturaría la tendencia en la atmósfera y nos permitiría ver rápidamente en el plano donde la columna esta convectivamente inestable. THTE 700 – THTE 850 Dif > 0, Estable Dif < 0, Inestable 30/47

Diferencia de THTE entre dos niveles 31/47

Diferencias de THTE en el Corte Vertical Honduras ITCZ 32/47

Problemas con este método No toma en consideración espesor de la columna No distingue entre cuñas termales y las inversiones atmosféricas Gradientes verticales en las cuñas más pronunciados Exhibe las mismas limitantes del método de parcelas 33/47

Temperatura Equivalente Potencial Δ = -8 Δ = -21 Δ = -6 34/47

El Índice de Inestabilidad Convectiva para la cuenca del Caribe Gálvez-Davison (GDI) para la cuenca del Caribe José Manuel Gálvez Mike Davison 35/47

Factores importantes en el Caribe En qué se basa? En nuestras experiencias en pronósticos y en estudios. Observado Mike Davison noto la relación clara entre las cuñas termales (TC) y laconvección tropical TC = columna de alto contenido de calor y humedad con respecto al medio que le rodea Factores importantes en el Caribe -Inversión en los alisios. “Tapa” estable que frecuentemente, aunque no siempre, determina la profundidad de la convección. También, determina el potencial de intrusión de aire seco cuando convección la penetra. -TUTTs con su núcleo frío, pueden resaltar la convección al enfriar la columna media/superior. Dorsales tienden a tener efecto opuesto, según calientan/estabilizan los niveles medios. 36/47

Modelo Conceptual de Diferentes Procesos Atmosféricos y Campo de θe Asociado -TC = Thermal Core -At low levels, moisture dominates on Inversión de los alisios e intrusión de aire seco. Convección tropical llana también puede resultar en montos excesivos de lluvia por alto contenido de humedad. 37/47

Inestabilidad Convectiva Para poder funcionar, el índice debe tomar en cuenta diferentes factores: (1) No puede ser linear Integración entre varios niveles (2) Debe considerar los efectos de inversiones en los alisios y las intrusiones de aire seco asociadas. (3) Debe considerar el efecto destabilizador de las TUTTs. (4) Debe considerar el terreno Aplicar correcciones donde hay terreno elevado/montañoso para corregir interpolaciones ficticias de los modelos. 38/47

Algoritmo (detalles sobre el cálculo del GDI): Variables de entrada: θe a 6 niveles (975, 950, 850, 700, 600, 500 hPa), T a 500 hPa (1) Promedios simples de θe (en K) : (2) Factor de cuña termal (TCF)  “Combustible” (núcleos de calor y humedad) (2a) Resaltamiento (E): función de θe cerca al suelo. Mayor θe  más energía  más resaltamiento. α=303 K (2b) θe a niveles medios (MTTF): Valores altos reflejan energía disponible a niveles medios. (2c) TCF: MTTF se resalta sólo si E > 0 (i.e. si hay poca energía cerca al suelo no se resalta) Alpha in Kelvin 0.05 Kelvin^-2 3.5 Celsius^-1 10C (3) Factor térmico de atmósfera media (MWF) enfriamiento por TUTTs Mientras más calientes los niveles medios, más estable e inhibición es mayor. (4) Indice de cuña termal (TCI): Suma de factores (2) y (3). 39/47

(6) Correcciones terreno y valores excesivos cerca a la ITCZ/NET (5) Indice de la inversión (II)  Inversión de los Alisios e intrusiones de aire seco (5a) Intrusión de aire seco (DF): diferencia de θe (5b) Inversión (IF): estabilidad de los niveles bajos (5c) Indice de la inversión (II): Secamiento y estabilidad (6) Correcciones terreno y valores excesivos cerca a la ITCZ/NET (6a) Terreno: Balancea interpolaciones ficticias de datos del modelo en zonas elevadas. (6b) Reductor de valores excesivos cerca a la ITCZ/NET: Balancea efectos de valores excesivos de energía, resaltando la estructura y las zonas de mayor potencial de desarrollo cerca a ITCZ/NET. Alpha in Kelvin 0.05 Kelvin^-2 3.5 Celsius^-1 10C (7) Indice final! Cuña termal (TCI) + Inversión y secamiento (II) + Correcciones 40/47

Valores Tipicos del GDI bajo Diferentes Escenarios. 41/47

Índice GDI vs. Dos Niveles Noten mejor resolución del GDI sobre Centro América, donde la diferencia directa entre dos niveles sugería mayor potencial de convección que el GDI. 44/47

Validación del Índice Comparación con otros índices Evaluación: Capacidad del GDI para pronosticar el potencial para convección húmeda profunda. Comparado con índices tradicionales -CAPE -K Index -Lifted Index -TOTAL TOTALS Observaciones utilizadas (“verdad”)  Promedios de la temperatura imágenes IR4 en 24-hr Periodos de tiempo fueron sincronizados: promedios de 24 hr. Need to define these indices El GDI funcionó mejor que los índices tradicionales, detallando mejor las áreas con potencial de convección profunda y llana! 42/47

Cuál sería un buen resultado? Como evaluamos? Topes cálidos, poca convección Topes algo fríos convección llana o pocas celdas profundas Topes más fríos  Convección profunda SAT Temperature scale in Celsius Valores bajos, en GDI, K, CAPE/50, TOTALS-30 menor potencial. Indices Index scale Need to define these indices Cuál sería un buen resultado? Satélite Indice 43/47

Otros ejemplos  GDI funciona bien! Nov.4.2012 IR4 (‘observado’) GDI Escala de temperatura en C CAPE/50 K Intercomparación Satellite-Index GDI captures better areas of deep convection. Field more discrete than K. GDI did really well over (1) Eastern Central America, (2) The Choco/western Colombia, (3) Atlantic ITCZ, (4) Cayman Islands, (5) Hispaniola into Atlantic. +Northern Venezuela: GDI > K in suggesting limited chance for deep convection. +GDI overcorrects over mountains? +General problems across the Amazon with all indices. Hard to capture fine structure of convection. Lifted+20 Totals 45/47

Ejemplo 2  GDI funciona bien! Nov.5.2012 IR4 (‘observado’) IR4 GDI Escala de temperatura en C CAPE/50 K Intercomparación Satellite-Index Lifted+20 Totals 46/47

Ejemplo 3  GDI funciona bien! Nov.17.2012 IR4 (‘observado’) GDI Escala de temperatura en C CAPE/50 K Intercomparación Satellite-Index Lifted+20 Totals 47/47

Resultados Preliminares El GDI se ve bastante prometedor para evaluar rápidamente el potencial (y tipo) de convección en el Caribe y trópico en general. El GDI depende de la calidad del pronóstico. Si el pronóstico del modelo es bueno, el pronóstico del GDI es bueno Debido a la gran densidad de datos en la cuenca del Caribe, los pronósticos a corto plazo tienden a ser generalmente buenos Funciona mejor que el índice K sobre terreno montañoso/elevado y cerca a la ITCZ/NET, donde el K no refleja la estructura detallada del potencial de cierto tipo de convección. También funciona mejor que el K sobre océanos/islas del Caribe: es más detallado.

¿Preguntas?

Prueba

Preguntas ¿Cuáles son las limitantes del método de parcelas? ¿Qué ventajas ofrecen métodos termodinámicos para evaluar la atmosfera sobre el método de parcelas? ¿Por qué el índice K funciona mejor que los otros índices tradicionales para evaluar la atmosfera tropical? ¿Por qué valores altos de CAPE son típicamente observados en la cuenca del Caribe? ¿Cuándo la columna esta convectivamente estable? ¿Cuándo la columna esta convectivamente inestable? ¿Qué ventajas ofrece el índice GDI sobre el índice K?