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Precipitación orográfica en climas fríos y cálidos
AlpesCascadas (Oregon)
Himalayas
Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM, México DF, 19 marzo 2009
Socorro MedinaDepartamento 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
Sponsored in part by:
NSF Award# ATM-0505739
NSF Award# ATM-0820586
NASA Award# NNX07AD59G
Áreas de estudio para climas fríos
Italia
Suiza
Precipitación climatológica (sep a nov) y contorno topográfico = 800 m
Precipitación climatológica (de dic a feb) y topografía
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
MAP = Mesoscale Alpine Program Altura media de la cresta = 3 km
Instrumentación de los experimentos
NOAA WP-3D
NOAA WP-3D
S-Pol = Radar de doble polarización (banda S)VP = Radar de haz vertical = Sondeo
IMPROVE II = Improvement of Microphysical parameterizationAltura media de la cresta = 2 km
Se analizaron las características de los casos que produjeron las acumulaciones de
precipitación mas grandes
1. Condiciones sinópticas2. Modificación del flujo del aire por el terreno
3. Estabilidad estática4. Reflectividad e hidrometeoros
Se analizaron las características de los casos que produjeron las acumulaciones de
precipitación mas grandes
1. Condiciones sinópticas2. Modificación del flujo del aire por el terreno
3. Estabilidad estática4. Reflectividad e hidrometeoros
Ejemplo de caso en los Alpes - 1200 UTC 20 Sep 1999Atura geopotencial y temperatura a 500 mb
Pronostico del ECMWF (12 h)
Ejemplo de caso en las Cascadas - 0000 UTC 14 Dic 2001Altura geopotencial, vientos y temperatura a 500 mb
Pronostico del MM5(12 h)
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
1. Condiciones sinópticas2. Modificación del flujo del aire por el terreno
3. Estabilidad estática4. Reflectividad e hidrometeoros
Sistemas intensos en los Alpes donde se recolectaron observaciones continuas (IOP, Intensive Observing Periods)
Dirección de los cortes verticales
NNW
Tipo A
RADAR
m s-1
MAP IOP2bVelocidad radial (promedio de 3 h)
NNW
Tipo A
RADAR
m s-1
MAP IOP3Velocidad radial (promedio de 3 h)
N
Tipo A
RADAR
m s-1
MAP IOP5Velocidad radial (promedio de 3 h)
NW
Tipo B
RADAR
m s-1
MAP IOP8Velocidad radial (promedio de 3 h)
NW
Tipo B
SE
m s-1
MAP IOP8 – Datos de radar en el avión P3Viento en la dirección del corte vertical
Sistemas intensos en las montañas Cascadas donde se recolectaron observaciones continuas
Dirección de los cortes verticales
E
Tipo B
RADAR
m s-1
IMPROVE-2 Caso 11Velocidad radial (promedio de 3 h)
E
Tipo B
RADAR
m s-1
IMPROVE-2 Caso 1Velocidad radial (promedio de 3 h)
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
1. Condiciones sinópticas2. Modificación del flujo del aire por el terreno
3. Estabilidad estática4. Reflectividad e hidrometeoros
Perfiles de estabilidad para casos Tipo A
ESTABLEINESTABLE
ESTABLEINSTABLE
Perfiles de estabilidad para casos Tipo A
1. Condiciones sinópticas2. Modificación del flujo del aire por el terreno
3. Estabilidad estática4. Reflectividad e hidrometeoros
N RADAR
dBZ
MAP IOP5Reflectividad (promedio de 3 h)
Tipo A
Dry snow
Melting snow
N RADAR
MAP IOP5Frecuencia de hidrometeoros (%) Graupel
Tipo A
NW
Tipo B
RADAR
dBZ
MAP IOP8Reflectividad (promedio de 3 h)
Dry snow
Melting snow
NW RADAR
MAP IOP8Frecuencia de hidrometeoros (%)
Graupel/ aggregates
Tipo B
MAP IOP8 – Tipo BRadar vertical
Cizalla y número de Richardson de casos Tipo B
Cizalla = dU/dz
Ri = Nm2 / [dU/dz]2
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)
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”
Precipitación orográfica en climas cálidos
Himalayas
Altura (m) sobre el nivel del mar
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)
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)
Área de estudio para climas cálidos
La región de los Himalayas: topografía extrema y precipitación abundante durante el monzón
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)
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)
Altu
ra (
km)
Altu
ra (
km)
Latit
ud
Latit
ud
Longitud
Lon
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)
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
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
Domino 1: dx = 27 km Domino 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
Evaluation of low-levels winds at 00 UTC 11 Aug 2002
Observations10 m winds and wind speed (m/s)
WRF-simulationSurface winds and wind speed (m/s)
Sounding at Tengchong at 00 UTC 11 Aug 2002
Observations WRF-simulation
Reflectividad instantanea (~03 UTC 11 Ago 2002)
Observations WRF-simulation
Cortes horizontales a 4km
Cortes verticales alo largo de la lineanegra
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
Corte vertical a lo largo de la linea roja
Reflectividad yVelocidad vertical(|1 m/s|)
Hidrometeoros:Graupel: colorNieve: azul (0.1 g/kg)Lluvia: rojo (0.1 g/kg)
Periodo inicial1415 UTC 10 Ago
Periodo maduro0130 UTC 11 Ago
Promedios temporales durante toda la simulación
Flujo perpendiculara la dirección de l corte. Positivo: izq a derecha
Viento a 850mbViento 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 850mbAltura geopotencial a 850 mb
Agua precipitable (67 mm)Precipitación acumulada (20 y 50 mm)Velocidad vertical a 500 mb (0.5 m/s)
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
Tipo de suelo
Snow/Ice
Tundra
Wetland
Forest
Irrigated crop
Crop
Savanna
Shurb/Grass
Dryland/crop
Grass
Shurb
Barren
Thar DesertGanges Delta
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)
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)
Climatología de vientos de superficie y convección profunda durante el monzón (jun-sep)
Romatschke et al. (2009)
Probabilidad de encontrar un sistemaconvectivo con contorno de 40 dBZ > 10 km
(Radar de precipitación TRMM)
Vientos de superficie y agua precipitable
(NCEP)
Punjab
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
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
Dominio1 (dx = 9 km) Domino 2 (dx = 3 km)
Simulación: precipitación acumulada y terreno
INDIAPAK
ISTA
N
HIMALAYASHIN
DU
KU
SH
Evaluación: Localización del sistema respecto al terreno y temperatura del tope de la nube
(~2130 UTC 3 Sep [~0230 LST 4 Sep])
OBSERVACION SIMULACION
Evaluation: 3D Reflectivity structure (~22 UTC 3 Sep [~03 LST 4 Sep])OBSERVATION (TRMM-PR)
Horizontal crosssections at 4 km
Vertical crosssections alongblack line
Vertical crosssections alongred line
SIMULATION
dBZ
0 100 200Distance (km)
Hei
ght (
km)
0
8
1
6
0 100 200Distance (km)
Hei
ght (
km)
0
8
1
6
0 125 250Distance (km)
Hei
ght (
km)
0
8
1
6
0 125 250Distance (km)
Hei
ght (
km)
0
8
1
6
HYPOTHESIS: Dry line
SURFACE DEW POINT DEPRESSIONAND 2 AND 4 KM TERRAIN CONTOURS
Valid: 18 UTC 3 Sep (23 LST) Forecast : 0 h (1 h before convection initialization)
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 km3.5 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
HYPOTHESIS: High surface sensible heat flux as low-level air moves over Thar Desert
NCEP time series
Land cover
Snow/Ice
Tundra
Wetland
Forest
Irrigated crop
Crop
Savanna
Shurb/Grass
Dryland/crop
Grass
Shurb
Barren
Thar Desert
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
moistdry,ho
t
Carlson et al. 1983
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
NNW
Tipo A
RADAR
dBZ
MAP IOP2bReflectividad (promedio de 3 h)
NNW RADAR
dBZ
MAP IOP3Reflectividad (promedio de 3 h)
Tipo A
Dry snow
Melting snow
NNW RADAR
MAP IOP2bParticle Type Frequency (%) Graupel
Tipo A
NNW RADAR
MAP IOP3Particle Type Frequency (%) Graupel
Tipo A Dry snow
Melting snow
Tipo B dBZ
ERADAR
IMPROVE-2 Case 11Reflectividad (promedio de 3 h)
Tipo B dBZ
ERADAR
IMPROVE-2 Case 13-hour Mean Radial velocity
IMPROVE-2 Case 11Particle Type Frequency (%)
Graupel/ aggregates
Tipo B
ERADAR
Dry snow
Melting snow
Dry snow Melting snow
IMPROVE-2 Case 1Particle Type Frequency (%)
Graupel/ aggregates
Tipo B
ERADAR
IMPROVE-2 Case 11 – Type BVertically pointing radar
IMPROVE-2 Case 1 – Type BVertically pointing radar
IMPROVE-2 Case 1 – KH billows
• 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 DesertGanges Delta
Durante el monzón (jun-sep), cuando los vientos en superficie son del suroeste, la convección profunda se concentra en la
identacion
Houze et al. (2007)
Distribución geográfica de los sistemas convectivos de acuerdo al radar de precipitación de TRMM
Relación entre los procesos microfisicos/corrientes verticales y la estructura vertical de la precipitación
Houze (1997)
Example of Broad Stratiform Echo (>50,000 km2 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
00 UTC 11 Aug 2002 Tengchong sounding