CAPE y algunas nociones básicas sobre convección atmosférica

Las siglas CAPE (Convective Available Potential Energy) hacen referencia a la energia potencial disponible para la convección en un momento dado. Se trata de uno de los parámetros convectivos más interesantes de todos aquellos que se derivan de los modelos meteorológicos y por este motivo lo intentaremos explicar a lo largo de las siguientes líneas.

Es importante empezar remarcando que se trata de un parámetro que nos indica cuanta energía está disponible para la convección en caso de que esta se inicie. Por lo tanto, la consulta de este parámetro se tiene que complementar siempre con la lectura de otros campos del modelo que nos permitan determinar la probabilidad de que la convección se inicie. De hecho, es muy habitual que en los distintos portales meteorológicos se pueda ver ya combinado con otro tipo de información. Por ejemplo, en wetterzentrale aparece en el mismo mapa que el LI (Lifted Index)

CAPE_Wtz

Fuente: Wetterzentrale.de

Sus valores pueden ir entre 0 y unos pocos miles (obsérvese que en el mapa la leyenda va de 0 J/Kg a 2500 J/Kg) indicando un mayor grado de inestabilidad cuanto mayor es su valor.

Para poder entender lo que significa el CAPE es necesario tener unos conocimientos mínimos sobre los procesos adiabáticos y sus implicaciones en los procesos convectivos.

En algunos casos es posible suponer que los movimientos verticales de aire se llevan a cabo sin que el aire que sufre el movimiento intercambie energía con el aire de su alrededor, y los movimientos ascendentes a los que se ve sujeto el aire durante la convección es uno de esos casos. Este hecho implica que los cambios de temperatura y humedad que va a sufrir una burbuja de aire ascendente estarán forzados casi exclusivamente por el cambio de presión al que se verá sometida durante su ascenso. Al ir ascendiendo, la presión atmosférica a la que se ve sometida la burbuja de aire desciende, lo que provoca un incremento en su volumen, una disminución en su densidad, una disminución en su temperatura y un incremento en su humedad relativa (ya que el aire cálido puede contener más humedad que el aire frío).

Creo que la siguiente figura lo describe bastante bien. A la izquierda, tenemos una burbuja inicial que se encuentra en la superfície, a una presión ‘p’. Al ascender, su presión desciende con lo que su volumen se incrementa y su temperatura decrece. En la parte de la derecha tenemos el proceso contrario, en la que una burbuja desciende y al ver incrementada la presión de su entorno, disminuye su volumen incrementando la temperatura.

Adiabatico

Centrándonos en el ascenso, a que ritmo perderá temperatura la burbuja? Suponiendo que el aire está inicialmente no saturado, es decir, con una humedad relativa por debajo del 100%, perderá temperatura siguiendo el gradiente adiabático seco (entorno a 1ºC cada 100m) hasta que se llegue a la temperatura de rocío, momento en el que la humedad contenida en forma de vapor de agua se empezará a condensar en pequeñas gotas de agua, y la burbuja se verá ahora afectada por el gradiente adiabático húmedo (entorno a 0.5ºC cada 100m).

Por que es importante el gradiente adiabático? Si conocemos la temperatura y humedad inicial de la burbuja de aire, mediante la aplicación de dichos gradientes es posible inferir que temperatura y humedad tendrá dicha burbuja de aire en los distintos niveles de la troposfera, y por lo tanto saber si dicha burbuja de aire tendrá tendencia a seguir con su ascenso vertical o no.

Cuándo es que lo hará?

Aquí entra el concepto de flotabilidad, que básicamente nos viene a decir que una burbuja de aire menos densa que el aire de su entorno tendrá tendencia a seguir ascendiendo, mientras que una burbuja de aire más densa tendrá tendencia a descender.

Existe un punto, en las atmosferas inestables, que se conoce como nivel de convección libre. Se trata de la altura a la que una burbuja de aire superficial ha de llegar para que su movimiento ascendente tenga continuidad por su menor densidad (básicamente implica mayor temperatura) con respecto al aire de su alrededor. (Recordad que al tratarse de un proceso adiabático, una burbuja ascendente NO sufre intercambio energético con el aire de su alrededor).

Creo que la siguiente imagen puede ayudar a aclarar un poco las últimas ideas expuestas. Se trata de un diagrama SKEW-T, en el que se combina información sobre la temperatura y humedad de la atmosfera desde su superfície hasta una presión de 100hPa. En el eje vertical tenemos la altura (representada en niveles de presión), y en el eje horizontal tenemos la temperatura.

CAPE_2

Fuente: http://wx4cast.blogspot.com/2011/10/how-to-read-skew-t-log-p.html

Nos centraremos únicamente en las tres líneas gruesas que aparecen, la verde, que representa el punto de rocío del aire a ese nivel (permite estimar la humedad), la roja, que representa la temperatura y la negra, que representa la temperatura a la que se encontraría una burbuja de aire ascendente desde la superfície. (De nuevo remarcar la importancia de los procesos adiabáticos, que son los que permiten que una burbuja ascendente desde la superfície se encuentre, en un determinado punto de la atmosfera, a una temperatura diferente de la de su entorno)

Además, aparecen tres puntos indicados, el LCL, el LFC y el EL. Simplificando, el LCL es el nivel en el que el aire ascendente empezará a sufrir procesos de condensación del vapor de aire y marca el límite entre el gradiente adiabático seco y el gradiente adiabático húmedo. El LFC (Level of Free Convection) es el nivel de convección libre, indicando el punto a partir del que la temperatura de nuestra burbuja se encuentra por encima de la temperatura ambiental de su alrededor, y por lo tanto, por diferencia de densidad, seguirá ascendiendo. Hasta dónde? Hasta el EL (Equilibrium Level), que es el punto en el que la temperatura del aire ascendente se iguala con la temperatura del aire de su entorno y por lo tanto el ascenso acabará.

Explicar los mecanismos que provocan el ascenso de las burbujas de aire desde la superfície hasta el nivel de convección libre no entra dentro del tema de este artículo, pero un efecto orográfico o una convergencia superficial podrían ser algunos ejemplos.

La región pintada en un color amarillento es el CAPE, delimitada por abajo por el nivel de convección libre, y por arriba por el nivel de equilibrio, integra en un único valor toda la energía disponible para el ascenso de la burbuja de aire superficial que ha llegado hasta el nivel de convección libre. El cálculo se realiza a partir del diferencial de temperatura entre la burbuja de aire y el aire de su entorno para cada estrato atmosférico que queda dentro de la región de interés.

CAPE_3

Fuente: http://wx4cast.blogspot.com/2011/10/how-to-read-skew-t-log-p.html

Como vemos, en la imagen aparece otra región, marcada como CIN. Se trata de un parámetro que mide la energía existente en la troposfera que se opone al inicio de la convección. En otras palabras, la resistencia que tiene que superar una burbuja de aire para llegar hasta el nivel de convección libre.

En líneas generales podríamos decir que para que se de la convección nos interesa un valor de CAPE cuanto más elevado mejor, al mismo tiempo que unos bajos valores de CIN.

Dada la complejidad de los procesos convectivos y sobretodo del hecho que las burbujas de aire que alimentan la convección no tienen porque proceder siempre del mismo estrato atmosférico existen distintas medidas de CAPE. Hasta ahora hemos hecho referencia contínua a burbujas de aire superficial cuando en la realidad la convección puede iniciarse con burbujas de aire que procedas de otras zonas de la troposfera.

Para cada estrato de procedencia de las burbujas de aire, existe un CAPE diferente. En general, podemos hablar de 3 CAPEs diferentess

- SBCAPE: Se trata del CAPE calculado a partir de burbujas de aire superficiales.

- MLCAPE (Mixed Layer CAPE): Se trata del CAPE calculado a partir de una mezcla de aire superficial. No se trata estrictamente de una burbuja superficial, sino que típicamente se cogen los primeros 100hPa de troposfera (unos 1000m).

En el siguiente diagrama, un poco diferente de los anteriores, pero que representan lo mismo, aparecen dos etiquetas. Una que indica Surface parcel, que está ligada a la adiabática que seguiría una burbuja de aire ascendiendo desde la superfície, y que daría lugar al SBCAPE. Aparece otra etiqueta, 940hPa parcel, que está ligada a la adiabática que seguiría una burbuja de aire ascendiendo desde el nivel de los 940 hPa, y que daría lugar al MLCAPE, que en este caso es superior al SBCAPE.

ML_CAPE

Fuente: http://www.estofex.org/guide/

- MUCAPE (Most Unstable CAPE): Se calcula el CAPE que tendrían distintas burbujas de aire ubicadas entre la superfície y unos 700hPa (3000m) y se coge el mayor valor que se obtiene. En el gráfico anterior se trataría de ir añadiendo líneas adiabáticas vinculadas con distintas alturas, calcular el CAPE asociado a cada una de ellas, y determinar cuál es el máximo valor y para que altura se corresponde.

El SBCAPE es una muy buena primera aproximación, pero se trata sólo de eso, de una aproximación. Entre otros problemas, resulta que la asunción de proceso adiabático no funciona muy bien para la parte más superficial de la atmosfera. En ese aspecto, el MLCAPE es mucho más realista.

Por su parte, el MUCAPE, al considerar que la convección se puede iniciar con burbujas de aire que inicialmente se encuentran a una altitud de hasta 3000m, es un muy buen indicador de convección elevada, que es precisamente aquella convección que se inicia con burbujas de aire que inicialmente se encuentran en capas relativamente alejadas de la superfície terrestre.

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