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INDICADORES DE INESTABILIDAD ATMOSFERICA Y TORMENTAS(CAPE..)

De un texto de estofex y Markel usuario en meteored,agradecimientos a ellos por su trabajo.
El CAPE:


Las células convectivas se forman cuando varias parcelas o burbujas de aire se elevan en la troposfera, pasando a través de un entorno mas denso, mas frío que ellas. En este proceso una cantidad de energía potencial es convertida en energía cinética, que es todo el movimiento, corrientes de aire, precipitación...etc que tienen lugar en una tormenta. A esta energía se le denomina CAPE, Convective Available Potential Energy, en castellano Energía Potencial Convectiva Disponible, pero casi siempre se usa el término anglosajón. Como se ha dicho, el CAPE nos da información acerca de la fuerza que podrían tener las tormentas, de formarse estas. Debe tenerse en cuenta esto último, ya que el que en un momento dado exista mucho CAPE en la atmósfera no significa necesariamente que vayan a crecer tormentas, por razones que luego se verán.

El CAPE de una parcela se calcula usando el perfil vertical de temperatura y humedad o temperatura de rocío. Este se obtiene normalmente con radiosondeos. También se predice con modelos numéricos, aunque evidentemente esto es menos preciso, sobre todo a plazos mas allá de 48 horas. El diagrama termodinámico que se suele usar para calcular el CAPE es el Skew-T. Para caracterizar una parcela en el diagrama hacen falta al menos 2 puntos. Uno que nos diga la temperatura y la presión y otro la presión y la humedad relativa. Normalmente en vez de la humedad se suele representar la temperatura de rocío.

Cuando una parcela asciende sin que su contenido en agua se condense, lo hace siguiendo una adiabática seca, y conserva su temperatura potencial. Debemos buscar el punto en el que esta curva se cruza con la línea equisaturada(razón de mezcla constante), en ese punto, la parcela se satura, ya no puede contener mas H2O en estado gaseoso y el agua libera calor al condensarse. Ese es el llamado nivel de condensación por ascenso, NCL (LCL, Lifting Condensation Level en inglés) A partir de ese nivel, la parcela asciende por una pseudoadiabática, similar en realidad a la adiabática saturada, y conserva su temperatura potencial pseudoequivalente.

Si trazamos en el diagrama el recorrido de la parcela al ascender, muchas veces veremos que al principio la temperatura de la parcela será menor que la del ambiente que le rodea. En ese tramo, el área comprendida entre la curva de la parcela y la del sondeo es la Inhibición Convectiva(Convectice Inhibition, CIN, en inglés). Se mide en Julios/Kg, y es la energía que necesita recibir la parcela del ambiente para alcanzar el nivel de convección libre, NCL(Level of Free Convection LFC en inglés) Es el punto en el que la parcela comienza a estar mas caliente que su entorno.

Conocido esto, podremos medir el CAPE, que será proporcional a el área comprendida entre la pseudoadiabática y temperatura medida por el sondeo en la zona de convección libré. El nivel en el que la parcela vuelve a alcanzar la temperatura ambiente es el nivel de equilibrio(Equilibrium Level, EL, en ingles)

La fórmula usada por los modelos numéricos para calcular el CAPE es:



Donde Tv’ es la diferencia entre la temperatura de la parcela y la de su entorno, y Tv con la barra encima es la media entre ambas. Debe tenerse en cuenta que ambas son temperaturas virtuales(la que tendría la parcela sin vapor de agua) También se puede calcular con temperaturas reales, la diferencia es pequeña normalmente, no siempre.

En el gráfico mostrado a continuación se dibuja todo esto. La leyenda está en inglés, las siglas ya se han mencionado, la adiabática es llamada “isoentrope” y la pseudoadiabatica “pseudo-isoentrope”. “Dew-point temperature” es la temperatura del punto de rocío, y “mixing ratio” la razón de mezcla.


A partir de todo esto se puede deducir que un aumento de CAPE puede venir dado por:

Un aumento de la humedad en niveles bajos.Un aumento de la temperatura en niveles bajos.Un descenso de la temperatura de la troposfera media o alta.
Estos también contribuyen a disminuir la inhibición convectiva, excepto el tercero, que solo lo hace si el descenso de temperatura en niveles medios se da también por debajo del NCL. Normalmente 100-200 J/kg de inhibición convectiva suelen ser demasiado y las tormentas no consiguen crecer.

El CAPE, a pesar de ser una magnitud muy importante a la hora de hacer una predicción, tiene limitaciones muy a tener en cuenta. Es un mal parámetro para calcular la velocidad de los ascensos que pueden producirse. Esto es debido a que se asumen cosas que no son ciertas:


Se asume que no existe mezcla, ni intercambio de calor o humedad, entre la parcela y el aire que la rodea. Estos si existen, y en algunos casos su efecto puede ser importante. Por ejemplo, si el CAPE está distribuido a lo largo de muchos km de ascenso, la parcela irá enfriándose por mezcla y la cantidad de energía realmente aprovechada será menor que si el CAPE hubiera estado concentrado en una capa mas estrecha. Un entorno de baja humedad en altura también puede perjudicar la convección, evaporando la nube por sus flancos.Se asume que el peso de las gotas de agua y de los cristales de hielo es despreciable.Se ignoran las posibles perturbaciones de presión.

Teniendo siempre presente esto último, está es una interpretación aproximada de los valores de CAPE:



CAPE <> 3500: Extremadamente inestable. Posibilidad de supercélulas y tornados.


La elección de la parcela:

Con frecuencia ocurre que se desarrollan las llamadas “tormentas altas” o “tormentas de base alta”, cuya convección no está basada en la capa de aire mas próxima a la superficie, sino en otras mas altas. Esto está relacionado con el hecho de que el CAPE y la inhibición convectiva son diferentes dependiendo de cual sea la parcela que escojamos. El CAPE que finalmente aprovechará la tormenta será el que exista para una parcela situada a la altura del aire que fluye hacia la corriente ascendente. Atendiéndonos a esto, existen diferentes tipos de CAPE:

SBCAPE o “Surfaced Based CAPE” en inglés. Está basado en la parcela que tiene la temperatura y el punto de rocío medido a 2 metros del suelo.MLCAPE50, MLCAPE100, MLCAPE500m, MLCAPE1km Están basados en la parcela que tiene la temperatura y el punto de rocío medios de los primeros 50 hPa, 100 hPa, 500m o 1 km respectivamente.MUCAPE o Most Unestable CAPE: Está basado en la altura o presión que muestra un CAPE mas elevado.
En un día de verano soleado, el SBCAPE suele ser mucho mas grande que el MLCAPE, incluso el doble.
Así mismo, en situaciones con una inversión en superficie, debida a enfriamiento nocturno, frentes o a brisas, es conveniente usar el tercero, debido a que pueden darse casos en los que el SBCAPE sea 0 mientras que la parcela a 900-800 hPa tiene valores importantes de CAPE. El sondeo mostrado a continuación es un buen ejemplo:



En conclusión, el CAPE y la inhibición convectiva son dos valores clave a tener en cuenta a la hora de hacer una predicción. Sin embargo, deben tenerse en cuenta muchos otros factores que se verán mas adelante. Además, los modelos numéricos no son capaces de predecir estos parámetros con fiabilidad a mas de 48-24 horas de antelación, e incluso a menos plazo pueden fallar y dar al traste con una predicción cuidadosamente elaborada.


* Sobre las adiabáticas:

-Adiabática seca: La curva que sigue la parcela al ascender sin intercambiar nada de calor, ni energía, ni masa, con el exterior, considerando además que la parcela no contiene vapor de agua.

-Adiabática húmeda: Lo mismo, solo que considerando que tiene vapor. Es bastante parecida a la seca, y, si no hace falta mucha precisión, se usa la seca que es mas fácil.

-Adiabática saturada: La adiabática a partir de que el vapor comienza a condensarse. Como libera calor latente, la parcela se enfriará mas despacio al ascender, a partir de ahí.

-Pseudoadiabática saturada: Lo mismo, solo que se tiene en cuenta que parte del agua que se condensa abandona la parcela.

Cada una de ellas tiene asociada una cantidad conservada: temperatura potencial virtual, temperatura potencial, temperatura potencial equivalente y temperatura potencial pseudoequivalente respectivamente. Se calculan con las ecuaciones de la termodinámica.

Por encima de las ecuaciones, la idea de la parcela es muy simple, es como si el aire ascendiese en globos elásticos hechos de aislante térmico. Solo es una idealización, pero es muy útil.

el Lifted Index no es mas que la temperatura de la parcela a 500 hPa menos la del aire. Luego los de indices de tiempo severo tienen también en cuenta la cizalladura. Este lifted index es otro parametro indicar de inestabilidad.

La inhibicion convectiva es otro ejemplo de factor a tener en cuenta como indicador.

Los niveles de CAPE son orientativos, hay que mirar otros factores, y cuando hay coincidencia de varios entonces puedes empezar a tener en mente la formacion de tormentas.

Cada indicador por si solo no es más que un ingrediente del cocktel necesario para que se produzcan nevadas, tormentas, lluvias o cualquier otro fenómeno y si queremos tener un buen combinado final, no sólo tendremos que tenerlos todos, sino que además sean de buena calidad. Un buen CAPE (negativo, se entiende) no será síntoma de nada si no va acompañado de un LI, un K, un TT, etc. también adecuados. Es decir, hay que tomar estos indicadores o variables con mucho cuidado, y utilizarlos bien.


Las principales variables con sus valores numéricos correspondientes son´estos:

Interpretación de Indicadores de Inestabilidad.


Total Totals Index (TT).- Índice de Total Totales
TT = 45 a 50: Posibles tormentas.
TT = 50 a 55: Probables tormentas, posiblemente severas.
TT = 55 a 60: Probables tormentas severas.

Índice K.
K <>
K > 30: Potencial marcado para fuertes precipitaciones
K >= 40: Potencial óptimo para tormentas severas y fuerte precipitación.

Lifted Index (LI).
LI > 0: Estable, posibilidad de tormenta casi nula.
LI entre 0 y -3: Levemente inestable. Tormentas leves o moderadas.
LI entre -3 y -6: Moderadamente inestable. Fuertes tormentas.
LI entre -6 y -9: Notablemente inestable. Tormentas severas, granizo.
LI < -9: Extremadamente inestable. Supercélulas y tornados. Showalter Index (SI). SI > 0: Estable, posibilidad de tormenta casi nula.
SI entre 0 y -3: Moderadamente inestable. Fuertes tormentas.
SI entre -4 y -6: Notablemente inestable. Tormentas severas, granizo.
SI < -6: Extremadamente inestable. Posibilidad de supercélulas y tornados. Severe Weather Threat Index (SWEAT). SWEAT > 300: Potencialmente pueden darse tormentas severas.
SWEAT > 400: Potencialmente pueden formarse tornados.

Convective Available Potential Energy (CAPE).
CAPE <>
CAPE entre 0 y 1000: Levemente inestable. Tormentas leves o moderadas.
CAPE entre 1000 y 2500: Moderadamente inestable. Fuertes tormentas.
CAPE entre 2500 y 3500: Notablemente inestable. Tormentas severas, granizo.
CAPE > 3500: Extremadamente inestable. Posibilidad de supercélulas y tornados.

Bulk Richardson's Number (BRN).
BRN <>
BRN entre 10 y 45: Desarrollo de supercélulas con posibilidad de tornados.
BRN > 50: Débil wind shear vertical y alto CAPE que pueden dar como resultado tormentas multicelulares, con baja probabilidad de tornados.

Storm-Relative Helicity (Hs-r).
Hs-r = 150: Límite inferior para la formación de supercélulas.
Hs-r entre 150 y 299: Posibles tornados débiles (F0 y F1).
Hs-r entre 300 y 449: Posibles tornados fuertes (F2 y F3).
Hs-r > 450: Posibles tornados violentos (F4 y F5).

Energy-Helicity Index (EHI).EHI <>
EHI entre 1.0 y 2.0: Posibles supercélulas y tornados, pero de poca intensidad y/o duración.
EHI entre 2.0 y 2.4: Probables supercélulas y tornados generados por el mesociclón posibles.
EHI entre 2.5 y 2.9: Probables tornados producidos por el mesociclón.
EHI entre 3.0 y 3.9: Probables tornados fuertes producidos por el mesociclón, de categoría F2 y F3.
EHI > 4.0: Probables tornados violentos producidos por el mesociclón, de categoría F4 y F5.

Obsevando las lineas trazadas en el gráfico de temperatura y humedad, también se puede conocer si se estan produciendo inversiones térmicas, que niveles de inestabilidad existen a diferentes alturas, bolsas de calor en altura etc...

Recordar que la altura no se muestra en metros, si no en hectopascales (hPa) o en milibares (mb) que és lo mismo:

1013 hPa sería nivel del mar.
900 hPa = 1100 metros
850 hPa = 1500 metros de altura.
800 hPa = 2000 metros.
750 hPa = 2590 metros
500 hPa = 5500 metros.


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