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