Simulaciones numéricas
La integración del modelo fue realizada con los
datos de un sondeo de la estación de radiosonda de Camagüey. Este sondeo fue realizado
en julio de 1987, dentro de los experimentos del proyecto cubano de modificación de la
atmósfera (PCMAT). Este día según los datos de radar, presentó características
termodinámicas favorables para la convección profunda Alfonso (1998).
En los resultados obtenidos y mostrados a
continuación, se observa como el modelo refleja de manera bastante correcta la evolución
de una nube real.
Debido a la convección, por un calentamiento
inicial de la atmósfera en los niveles bajos, se observa ya, a los 5 minutos, el
desarrollo de una circulación que excede el nivel perturbado inicial (figura
1). Esta circulación aparece por el aumento de la flotabilidad. Un patrón semejante
fue obtenido por Ogura(1962)
para esta etapa inicial de la formación de la nube.
Figura 1. Línea
discontinua: Función de corriente negativa (m2 .s-1).Tiempo de
corrida 5 minutos.
Figura 2. Línea
discontinua: Velocidad vertical negativa (m .s-1). Línea continua: Velocidad
vertical positiva (m .s-1). Tiempo de corrida 5 minutos.
La figura 2 muestra los
valores de velocidad vertical en esta etapa inicial, que alcanza valores de hasta 18m/s.
Esto es compatible con el incremento de temperatura que se produce debido a la liberación
de calor latente. La línea discontinua cerrada en esta figura muestra los valores
negativos de velocidad vertical, en correspondencia con la existencia de una circulación
cerrada. La corriente asciende en la zona con flotabilidad positiva y genera por
continuidad, una corriente descendente. Esto puede observarse con mayor claridad en la
figura anterior, ya que aquí la función de corriente toma solamente valores negativos.
Estos resultados son coincidentes con los obtenidos experimentalmente en el PCMAT (Martínez
et al., 1995).
Figura 3. Contenido de
agua de nube (g .kg-1). Tiempo de corrida 5 minutos.
Figura 4. Contenido de
agua de lluvia (g .kg-1). Tiempo de corrida 5 minutos.
El contenido de agua de nube alcanza valores
máximos de 1.5 g/kg en estos primeros 5 minutos, como se observa en la figura 3. Como es lógico, el área ocupada por el agua de nube
coincide con el 100% de humedad relativa, estos dos factores son los que mejor definen la
existencia o no de nubosidad.
Para
este mismo tiempo ya existen valores de Qr del orden de 2.8g/kg (figura 4), observándose para esta etapa tan temprana una débil
precipitación. La ausencia de hielo (Qi) es lógica dada la poca altura
alcanzada por la nube que no supera la isoterma 0oC.
El rápido e intenso desarrollo de la convección se
hace evidente al observar los resultados de la simulación a los 10 minutos de evolución.
En la figura 5 se observa
una circulación que abarca una extensa área con valores de hasta -1x104 m2/s
de la función de corriente, para la cual aún predominan los valores negativos.
Figura 5. Línea
discontinua: Función de corriente negativa (m2 .s-1)..Línea
continua: Función de corriente positiva (m2. .s-1).
Tiempo de corrida 10 minutos.
Figura 6. Línea
discontinua: Velocidad vertical negativa (m .s-1).Línea continua: Velocidad
vertical positiva (m .s-1). Tiempo de corrida 10 minutos.
En la figura 6 se muestran
corrientes ascendentes en el área con fuerte liberación de calor latente y corrientes
descendentes fuera de la misma. Las velocidades verticales ascendentes alcanzan valores de
hasta 18m/s y las velocidades descendentes llegan hasta -12m/s.
En la figura 7 se observan
contenidos de agua de nube que alcanzan los valores de 0.9g/kg y que se distribuyen por
toda la columna hasta el tope de la nube. Vemos, además, que ha desaparecido la
formación de agua de nube en los niveles bajos, debido al desplazamiento de la nube hacia
los niveles superiores mientras el tope de la nube supera los 6km. Martínez
et al. (1995) y Martínez (1996)
reportaron que en días como este de convección profunda los topes de las nubes son de
alrededor de 7km y las velocidades verticales pueden llegar hasta 25m/s.
Figura 7. Contenido de
agua de nube (g .kg-1). Tiempo de corrida 10 minutos.
Figura 8. Contenido de
agua de lluvia (g .kg-1). Tiempo de corrida 15 minutos.
Para este tiempo ya se observa la formación de
hielo con valores de hasta 3.2g/kg por encima de la isoterma 0oC, como es de
esperar. Las fuertes corrientes ascendentes y el núcleo de altas temperaturas, están
directamente asociados con el activo proceso de glaciación. Es conocido el hecho de que
son los procesos de fase fría, en gran medida, los responsables del fuerte desarrollo
vertical de las nubes convectivas.
El núcleo de máximos valores de agua de
precipitación está asociado de alguna forma con el hielo que se funde al descender
respecto a la isoterma 0°C (debido a la velocidad relativa de este con respecto a la
corriente ascendente). Es debido a esto que se observa a los 15 minutos una cantidad
considerable de agua de precipitación en la columna donde inicialmente se colocó la
burbuja (figura 8). Estos valores de hasta 8.5 g/kg provocan que
en esta zona desaparezca la corriente ascendente, ya que la ocurrencia de precipitación
en los niveles bajos obstaculiza el desarrollo de esta y propicia la aparición de
velocidades negativas con valores de hasta 13 m/s producto del peso de las gotas (figura 9).
Figura 9. Línea
discontinua: Velocidad vertical negativa (m .s-1).Línea continua: Velocidad
vertical positiva (m .s-1). Tiempo de corrida 15 minutos.
Figura 10. Contenido de
agua de nube (g .kg-1). Tiempo de corrida 25 minutos.
Figura 11. Contenido de
Hielo (g .kg-1). Tiempo de corrida 25 minutos.
Figura 12. Contenido de agua
de lluvia(g .kg-1). Tiempo de corrida 25 minutos.
A su vez, el núcleo de la nube se ha desplazado
horizontalmente, lo cual está relacionado con el hecho de que el agua de nube lleva la
velocidad de la corriente, por lo que se desplaza hacia donde indique la circulación.
A los 25 minutos se observa una evidente
desorganización del patrón original, lo que demuestra que la nube está entrando en su
fase de disipación (Orville,
1970, Ougura y Takahashi, 1971).
Si observamos las figuras 10, 11 y 12 se aprecia como han disminuido los valores máximos de los
contenidos de agua de nube, hielo y lluvia, conjuntamente con los valores máximos de la
corriente descendente en correspondencia con esta etapa.
Los resultados obtenidos por nosotros no sólo
están en correspondencia con los límites reportados por Martínez
et al. (1995) y Martínez (1996) para
el PCMAT sino que también existe una simulación numérica de nubes tropicales
convectivas realizada con un modelo unidimensional por Alfonso (1998) en la que se obtuvieron resultados
muy similares sobre todo en lo que respecta a las velocidades máximas y los contenidos de
agua de nube y precipitación (Tabla 1). Evidentemente se aprecian
diferencias en parámetros como el tope de la nube dadas por la bidimensionalidad del
modelo, que como explicamos anteriormente tiene una dinámica diferente, ya que incluye el
intercambio de la nube con el medio.
Tabla 1. En la siguiente
tabla se muestran los valores de algunos parámetros de la nube simulada por nosotros (A)
y una simulación numérica de nubes tropicales convectivas realizada con un modelo
unidimensional por Alfonso(1998) para este
día (B).
| |
Hmax (km) |
W+max
(m/s) |
W-max
(m/s) |
Qcmax
(g/kg) |
Qrmax
(g/kg) |
A |
6.8 |
18.5 |
13.0 |
1.5 |
8.5 |
B |
9.0 |
18.9 |
13.0 |
1,9 |
7.0 |
|
