Análisis de los términos de la ecuación de la energía

Análisis de la energía cinética en el ciclo de vida de una baja
segregada
Alejandro A. Godoy 1, Carolina S. Vera y Claudia M. Campetella
Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera – CONICET-UBA, Argentina
Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos, Universidad de Buenos Aires
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Resumo
Neste trabalho foi analisado o balanço de energia cinética perturbada (KE) para o caso de uma
baixa segregada (BS) que ocorreu entre os dias 25 de março e 02 de abril de 2007 sobre a
costa central do Chile. Foram utilizadas para realizar o estudo as análises operacionais
disponíveis para 4 horários do NCEP-GDAS. Durante todo o ciclo de vida, dominam as
advecções de energia cinética pelo fluxo médio (AKM) e as perturbações (AKP) e o termino
associado à divergência do fluxo do geopotencial (DFG). Durante a etapa inicial do sistema,
o deslocamento do máximo da KE em direção a ele é dominada pelo AKM, entretanto AKP
favorece seu alongamento em direção ao nordeste e o aumento da energia sobre o norte da
vanguarda. Nesta etapa o DFG também contribui significativamente para a transferência de
KE de regiões extratropicais para a região onde se desenvolveu a BS. Durante a etapa de
segregação há um balanço basicamente entre os termos dominantes, mantendo o centro de KE
estacionário na região onde se encontra a BS. DFG é importante para a formação de um novo
centro de KE ao leste da BS que tende a se opor a AKP. O termo de conversão barotrópica
sempre contribui de forma secundaria, enquanto que o termo de conversão baroclínica não é
importante para nenhuma das etapas do desenvolvimento do sistema. Nesta etapa, AKM
diminui notavelmente na região do sistema, mas é dominante nas latitudes mais altas, assim
facilitando o deslocamento em direção leste de um trem de onda, e conseqüentemente o
isolamento da BS.
1. Introducción
Las bajas segregadas (BS), que se originan en una vaguada de origen polar, tienen la
característica de presentar un núcleo frío y estar separados del flujo de los oestes (Palmen y
Newton 1969). El ciclo de vida de una BS puede ser separado en cuatro etapas: inicial,
segregación, estado maduro y decaimiento. Estos sistemas se caracterizan por tener un
desplazamiento lento e irregular y se asocian con eventos de bloqueo del flujo de los oestes
(Trenberth y Mo, 1985). En el Hemisferio Sur exhiben una zona de máxima frecuencia de
ocurrencia al oeste del sur de Sudamérica (Fuenzalida et al (2005) y Campetella y Possia
(2007)). Recientemente, Godoy et al (2008) estudiaron un caso de BS que ocurrió en esta
región el cual tuvo una duración e intensidad extrema que generó importantes eventos de
precipitación en la región de los Andes centrales y la cuenca del Plata. Este sistema se
mantuvo estacionario por más de tres días al oeste de los Andes. Si bien su segregación se
asoció con el avance en latitudes más altas de una cuña (Godoy et al. 2008), los procesos que
ocasionaron tal comportamiento no son del todo conocidos. El desarrollo y decaimiento de los
ciclones extratropicales, puede ser descripto a través del análisis de los cambios de la energía
cinética perturbada (Ke). La teoría clásica de ondas baroclínicas muestra que la
profundización de los ciclones está generalmente asociado a conversiones baroclínicas de
energía potencial disponible perturbada a Ke y el decaimiento por conversiones barotrópicas
de Ke en energía cinética del flujo medio (ej. Simmons y Hoskins, 1978). Sin embargo,
Orlanski y Katzfey (1991) estudiaron la evolución de un ciclón extratropical que se
desarrolló en el Pacífico Sudeste y encontraron que las variaciones de Ke estaban
principalmente asociadas con la advección de las perturbaciones de geopotencial por el viento
ageostrófico perturbado. En dos casos similares que ocurrieron en Norteamérica, Decker y
Martin (2005) encontraron que los procesos barotrópicos no eran importantes en la etapa de
disipación y los sistemas decaen por la divergencia del flujo de geopotencial ageostrófico. Los
autores muestran que la mayor duración de uno de los ciclones es debido a la propagación de
energía de un centro de Ke ubicado corriente arriba de la vaguada en altura.
Con el fin de profundizar el conocimiento de los procesos físicos asociados con el
mantenimiento y el carácter estacionario de las BS que ocurren en la vecindad de la costa
oeste de Sudamérica, se realizó el análisis del balance de Ke durante el ciclo de vida de una
baja segregada ocurrida en esa región entre el 25 de marzo y 2 de abril de 2007.
2. Datos y metodología
En el presente trabajo se utilizan los análisis operativos GDAS (Global Data Assimilation
System) del NCEP (Nacional Center of Environmental Prediction), que poseen una resolución
horizontal de 1º x 1º, 21 niveles de presión de 1000 hPa a 100 hPa y una resolución temporal
de 6 horas. El período de tiempo estudiado comprende desde las 18Z del 24/03 a las 00Z del
02/04/2007. Para calcular el balance de energía cinética se sigue el desarrollo propuesto por
Orlanski y Katzfey (1991). La energía cinética por unidad de masa se define como:
K=Km+K1+Ke. Donde Km, K1 y Ke son la energía cinética por el flujo medio, la correlación de
primer orden y el campo perturbado respectivamente. La ecuación para Ke está dada por:
Ke
 Vm  Ke  Vp  3 Ke  Vp     Vp  Vp  3Vm  Vp  Vp  3Vp   otros (1)
t
Donde Vm es el viento horizontal medio, Vp su perturbación y  es la perturbación de la
altura geopotencial. El primer término de la derecha de (1) es la advección de Ke por el flujo
medio (AKM) y el segundo es la advección de Ke por las perturbaciones (AKP). El tercer
término es el trabajo de la presión asociado con las perturbaciones, el cuarto representa la
conversión de energía de Km en Ke (CKME) y el quinto es la conversión de K1 en Ke. En el
último término otros se combinan los términos relacionados con la fricción y al forzante
estacionario que son despreciables (Orlanski y Katzfey, 1991). El término del trabajo de la
presión puede expresarse de la siguiente manera:  Vp       Vp.   . ' . 
(2)


p
Donde el primer término de la derecha es la divergencia del flujo de geopotencial (DFG), y el
segundo es la conversión baroclínica asociado a la conversión de energía potencial de las
perturbaciones a Ke. El último término de la ecuación está asociado a la divergencia vertical
del flujo geopotencial perturbado, que puede despreciarse cuando se lo promedia
verticalmente. También se calcula el flujo de geopotencial ageostrófico, que está asociado con
las convergencias y divergencias del flujo de geopotencial, utilizando la expresión definida
por Orlanski y Katzfey (1991). El estado medio se calcula promediando los campos
disponibles entre el 15/03 y el 15/04/2007. Los términos de las ecuaciones (1) y (2) se
computan promediando verticalmente entre 975 hasta 150 hPa.
3. Resultados
El ciclo de vida de la BS bajo estudio se inicia con el desarrollo de una vaguada, inmersa en
una cuña de onda larga ubicada en el Pacífico Sur, que se propaga hacia la costa oeste de
Sudamérica entre el 24 y 26 de Marzo. Su etapa de segregación ocurre entre el 26 y 28 de
Marzo, alcanzando su estado maduro el 29 de Marzo. Luego comienza su decaimiento,
comienza a desplazarse lentamente hacia el este y se disipa el 02 de Abril.
El balance de Ke a lo largo del ciclo de vida se describirá a través de AKM, AKP y DFG, que
son los términos que más contribuyen a la variación local de Ke. El 25/3/2007 a las 12Z, el
centro de Ke asociado a la BS se encuentra ubicado en el Pacifico sudeste alrededor de 95W,
45S (Figura 1.a.1). En el balance energético domina AKM, que promueve el desplazamiento
del centro de energía hacia el este, mientras que AKP es positivo en la porción ecuatorial del
centro de Ke (Figura 1.b.1) y negativo hacia el sur, con cancelación en parte por DFG (Figura
1.c.1). Hacia el día 26, el centro de Ke se ubica sobre la costa sudoeste de Sudamérica, con
una fuerte orientación NW-SE y se intensifica con valores mayores a 750 m2.s-2. A las 12Z
del 26 Marzo (Figura 1.a.2, 1.b.2 y 1.c.2) AKM favorece el desplazamiento del sistema hacia
el NE y AKP se intensifica sobre el centro de Ke con valores opuestos a DFG. Este último, en
particular muestra valores positivos al NE del centro de Ke, contribuyendo a transferir energía
hacia esa región. Al final de esta etapa se encontraron también valores significativos de
CKME pero siendo su contribución secundaria frente a la de los términos descriptos
previamente (Fig. no mostrada).
a.1)
b.1)
c.1)
a.2)
b.2)
c.2)
Figura 1: Promedio vertical de Ke desde 250 m2.s-2 (contornos, negro); a) Advección de Ke
por el flujo medio, b) Advección de Ke por las perturbaciones y c) Divergencia del flujo de
geopotencial y vectores del flujo ageostrófico de geopotencial (sombreado, m2.s-3*103 ).
Paneles superiores 12Z 25/03/2007 e inferiores 12Z 26/03/2007
A partir de las 18Z del 26/03 (comienzo de la etapa de segregación) se forma un nuevo centro
cerrado de Ke al noreste del anterior, muy cerca del continente (no se muestra), ambos
asociados con los dos flancos de la BS. En latitudes más altas, otro centro de Ke se desplaza
hacia el sudeste, en concordancia con la amplificación de la cuña y ubicándose al sur del
centro asociado a la BS. A las 12Z del 27 de Marzo (Figura 2.a.1, 2.b.1 y 2.c.1) AKM domina
al sur de 40º S, permitiendo el desplazamiento hacia el este de los centros de Ke en latitudes
más altas. Al norte, la magnitud de este término disminuye notablemente mientras que AKP
se mantiene intenso sobre la región de la BS aunque la DFG produce una cancelación de este
último. La contribución del término DFG se relaciona significativamente a una transferencia
de energía de Sur a Norte a lo largo de la costa oeste de Sudamérica que favorece la
convergencia de energía sobre la BS. El balance de todos estos términos conduce a una
variación local de Ke despreciable y en consecuencia, el sistema tiende a estacionarse entre
los 40ºS y 25ºS. A partir de las 18Z del 27/03 el centro de Ke ubicado en 50ºS se separa
totalmente del máximo de Ke asociado a la BS (no se muestra). A las 12Z del 28/03 el
pequeño centro de Ke ubicado al este de la BS se debilita (Figura 2.a.2, 2.b.2 y 2.c.2) y AKM
disminuye notablemente dominando en forma negativa sobre el centro de Ke. De todas
maneras, se observa una gran cancelación entre AKM, AKP y DFG manteniendo el carácter
estacionario de la BS. Cierta contribución de CKME se observa también aunque bastante
débil. Se destaca, que el flujo ageostrófico de la perturbación del geopotencial, re-circula
dentro de la BS ayudando a su mantenimiento.
a.1)
b.1)
c.1)
a.2)
b.2)
c.2)
Figura 2: Idem figura 1. Paneles superiores 12Z 27/03/2007 e inferiores 12Z 28/03/2007
a)
AKM
b)
AKP
c)
DFG
Figura 3: Diagrama de Hövmöller del promedio vertical y zonal (40ºS – 25ºS). a) Término de
AKM, b) término de la AKP y c) término de la DFG.
La figura 3 muestra la evolución temporal a través de un diagrama de Hövmöller de Ke,
AKM, AKP y DFG, promediados en la banda de latitud 40ºS - 25ºS. Es evidente al inicio del
ciclo de vida una propagación del centro de Ke, mientras que luego se mantiene estacionario
en la región donde se desarrolla BS. Asimismo, estos diagramas muestran que inicialmente la
formación del centro de Ke asociado a la BS se da principalmente por AKP. A partir de las
18Z 26/03/2007 y durante la etapa de segregación de la BS, existe un balance entre los
términos de la ecuación de Ke que favorecen el estancamiento del sistema en esta región. Se
destaca que el nuevo centro de Ke ubicado aproximadamente en 70º O, sobre el flanco este de
la BS, se forma especialmente por el aporte de DFG. Los términos de conversión barotrópica
y baroclínica son despreciables en esta evolución (no se muestra) a diferencia de lo
encontrado para ciclones extratropicales. El decaimiento de la BS no se analiza en este
trabajo, pero se observa el dominio de AKM y DFG a partir del día 28 de Marzo.
4. Conclusiones
En este trabajo se analizó la ecuación de Ke para un caso de BS ocurrido en Marzo del 2007.
Se encontró que de todos los términos intervinientes en la ecuación de Ke aquellos que
dominan son AKM, AKP y DFG. Se encontró también que el término de conversión
barotrópica (CKME) contribuye siempre en forma secundaria mientras que el término de
conversión baroclínica no es importante en ninguna etapa del desarrollo del sistema. Los
resultados muestran que AKM es el proceso dominante en la etapa inicial favoreciendo el
desplazamiento hacia el este del centro de Ke, mientras que DFG facilita la transferencia de
energía hacia el noreste. En la etapa de segregación hay un balance entre los términos
manteniendo el centro de Ke en la región donde se encuentra la BS. AKM disminuye
notablemente esa región. Sin embargo ese término es dominante más al sur, lo que contribuye
a desplazar hacia el este una cuña que al ubicarse al sur de la BS, contribuye a su aislamiento.
En esta etapa DFG si bien se cancela en general a AKP, es importante en la formación de un
nuevo centro de Ke al este de la BS, que contribuye también a su mantenimiento. Se concluye
que el carácter estacionario de la BS está asociado principalmente con valores despreciables
de la variación local de Ke junto con una re-circulación de la energía a través de los flujos
ageostróficos de la perturbación de geopotencial.
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