Tormentas particulares: “piroconvección” y su simulación con un modelo meteorológico

Siguiendo por el camino de la clasificación de las tormentas, hoy vamos a dedicar otra entrada a la convección atmosférica pero esta vez desde un punto de vista diferente. Definiremos una especie de fenómeno convectivo particular y procedente de un entorno atmosférico distinto a lo habitual. Vamos a estudiarlo como resultado de un modelo meteorológico que incluirá algunos comentarios genéricos sobre la modelización atmosférica y una breve introducción en un módulo menos conocido de los sistemas de predicción. De esta forma, en Meteoclim estamos desarrollando un servicio de provisión de datos y predicciones meteorológicas para la prevención de incendios forestales. A continuación os invitamos a profundizar en el tema de la piroconvección y su simulación.

Descripción fenomenológica

En la anterior entrada de nuestro blog (Las tormentas y su clasificación) explicamos los pasos y requerimientos para el desarrollo de una célula convectiva. Ahora solamente mencionaremos que estamos hablando de un proceso muy similar al funcionamiento de un cohete en dos fases. La primera fase corresponde al flujo del calor sensible debido al calentamiento del superficie terrestre y cuando las masas de aire estén en movimiento, se activa la segunda fase que está regido por el flujo de la humedad (calor latente).

Las nubes convectivas o cumuliformes pueden desarrollarse como consecuencia de la convección iniciada por el calor de los incendios forestales, la actividad industrial o las erupciones volcánicas. Según el Atlas Internacional de las Nubes la primera parte de denominación de tales fenómenos meteorológicos consiste en nombrar a la nube según a la especie, variedad y cualquier otra característica suplementaria de la misma, seguido por el nombre especial de nube “flammagenitus”. Si queremos ser estrictos y seguir esta regla, podemos hablar sobre un cúmulus congestus flammagenitus o un cumulonimbus calvus flammagenitus, etc. El uso de la palabra pirocúmulus es bastante más común pero se ha de tener en cuenta que en este caso generalmente se hace referencia a todas las nubes cumuliformes inducidas por tal procedimiento y no sólo a los cúmulus.

No hace falta un incendio demasiado extenso para producir nubosidad, la primera foto por ejemplo fue tomada cerca de un almacén que estaba ardiendo durante varias horas. Fuente: idokep.hu, listverse.com

Cabe destacar que al formarse esas nubes, las circunstancias hidro-termodinámicas son mucho más extremas que en una situación habitual. Un incendio forestal puede calentar su entorno rápidamente a más de 800°C, generando así una fuerte corriente ascendente del aire, y si contiene vapor suficiente, condensa casi de inmediato. Mientras tanto la vegetación ardiente en el suelo también evapora toda su humedad, dándole otro empuje al desarrollo convectivo. Además las partículas de humo emitidas en el aire sirven para las gotas de agua como un extra de núcleos de condensación. Como resultado aparece una masiva columna de humedad y humo que fluye hacia el cielo sobre las llamas.

Ejemplo de un cúmulus congestus flammagenitus del Atlas Internacional de la Organización Mundial Meteorológica.

A partir de este punto, se inicia otro bucle de retroalimentación. A medida que el aire es forzado hacia arriba, en la superficie se presenta una zona de convergencia que transporta más oxígeno fresco hacia la parte inferior de la columna. Esto puede contribuir a sostener y fortalecer el incendio. A consecuencia de la convergencia, también se modifica el campo de viento y se producen rachas más fuertes y – debido a la complejidad del procediminento – menos predecibles.

Incendios creando su propio entorno meteorológico

Como lo acabamos de ver, las corrientes de aire ascendentes dentro de las nubes de pirocúmulus crean un entorno altamente turbulento, que puede dar lugar al desarrollo de fenómenos aún más complejos acompañados por actividades inusuales. Si la columna alcanza los niveles altos de la troposfera, el pirocúmulo puede convertirse en una nube pirocumulonimbus con varios fenómenos asociados. En condiciones húmedas, tales nubes pueden producir suficientes precipitaciones incluso para apagar el fuego que las creó, en cambio en ambientes secos (que es el caso más habitual) la lluvia se va evaporando dentro de la propia nube, sin llegar al suelo. No obstante, esto no quita la posibilidad de iniciar la actividad eléctrica ya que a niveles medios la interacción entre los núcleos de granizo fino puede realizarse independientemente de la evaporación de las gotas más grandes. Incluso en total ausencia de lluvia, los rayos “secos” entre la nube y tierra pueden provocar nuevos focos de fuego. (El fenómeno espeluznate de los relámpagos volcánicos se produce en condiciones similares.)

La formación de un cumulonimbus capillatus flammagenitus. A niveles medios supuestamente se encuentra una capa de inversión estrecha que está prohibiendo la convección profunda hasta que las corrientes ascendentes por el incendio consigan a romper esa barrera.

Las nubes de pirocúmulus pueden aumentar el área quemada por el incendio, ya que más brasas se elevan hacia la atmósfera y se transportan a distancias más largas.

Finalmente, si una gran columna de pirocúmulos se vuelve demasiado inestable, puede incluso colapsar sobre sí misma y esto puede implicar consecuencias serias: sobre todo vientos muy fuertes y turbulentos en la superficie.

Impacto global

Algunos científicos creen que estas tormentas pueden ser la fuente de lo que antes se creía que eran partículas volcánicas en la estratosfera. También sugieren que los pirocumulonimbus ocurren más a menudo de lo que se pensaba, y dicen que son responsables de un enorme volumen de contaminantes atrapados en la atmósfera superior.

Si las acciones humanas influyen lo suficiente en la actividad de los pirocumulonimbos como para impactar significativamente en el clima global es una pregunta abierta. La actividad humana causa un calentamiento climático que lleva a más incendios forestales. Hay muchas zonas forestales de Siberia y Canadá por ejemplo que estarán bajo más estrés por calor que antes. Y será razonable pensar que habrá más incendios en el futuro debido al cambio climático.

Un brillante atardecer rojo en Lawrence, Kansas, el 31 de agosto de 2008. Según el fotógrafo, por el polvo de la erupción del volcán Kasatochi, los rayos del sol aún se reflejaban 15-20 minutos después de la puesta del sol.
(Fuente: Tom Soetaert)

Los dos componentes básicos de la simuación de la piroconvección: modelo meteorológico y simulador de incendios

Sin entrar demasiado en los detalles de la modelización de la convección atmosférica (seguramente dedicaremos otra entrada a ella en el futuro debido a la inmensidad del tema), es importante que hagamos mención a los principales aspectos a la hora de trabajar en una simulación convectiva para entender el desafío que se esconde en ella. En primer lugar tenemos que ser conscientes de que las diferentes escalas atmosféricas están en interacción continua a través de la transición de la energía entre ellas. Para predecir un cierto fenómeno a una escala en concreto, es imprescindible que el modelo tenga información sobre el estado de las escalas vecinales también. En un modelo dinámico, la escala que se representa en la solución de las ecuaciones hidro-termodinámicas depende de la resolución horizontal. Cuanto menos es la distancia entre los puntos de la malla, mayor variabilidad de procesos físicos se resuelve explícitamente.

El aumento de la resolución implica directamente un aumento del coste de cálculo, por lo que la capacidad computacional es el primer bloqueo a la hora de pasar hacia los fenómenos locales. Sin embargo – aunque no sirva como consuelo cuando se cuentan las largas horas que se pasan simulando -, si dispusiéramos de un ordenador infinitivamente potente, tampoco sería posible resolver escalas infinitivamente pequeñas. Esto es debido al aumento de la incertidumbre de la escala de turbulencia que está al final del espectro espaciotemporal de los fenómenos atmosféricos.

Como consecuencia, a día de hoy, los centros e instituciones meteorológicas optan por ejecutar modelos a unos 2 km de resolución horizontal para el uso operativo y a nivel de casos de estudio se puede llevar a cabo investigaciones hasta unos 100 metros.

Comparación de las escalas meso-beta y meso-gamma que representan las diferentes resoluciones. Se trata de una simulación de una línea de tormentas en un territorio de unos 80×80 km.

El segundo componente de la tarea a la que nos estamos enfrentando, es un módulo de propagación de incendios que se integró en el modelo meteorológico (WRF) que utilizamos en Meteoclim para ofrecer predicciones a corto plazo. El WRF-Fire está acoplado al modelo atmosférico de forma bidireccional. El campo de viento en la superficie del WRF se transforma a una malla mucho más fina y teniendo en cuenta las propiedades del combustible, el uso de superficie y otras características del terreno, se calcula el desarrollo espaciotemporal de un foco o una línea de fuego. El resultado incluye características como la forma del perímetro, la intensidad del fuego o la velocidad de propagación. Para cerrar el bucle de retroalimentación, el consumo del combustible libera flujos de calor sensible y latente durante la simulación en las capas inferiores del WRF, impulsando la circulación dentro de la capa límite. Este procedimiento modifica el campo de viento e implícitamente otras variables también.

Simulación de un incendio extenso sobre un territorio de 50×50 km en la Península. La propagación rápida del área incendiada está provocando el desarrollo de piroconvección bajo condiciones atmosféricas ligeramente inestables. (Los colores rojizos-amarillentos en la superficie corresponden a las zonas con fuego activo, las flechas representan el campo de viento a un nivel bajo.)

Meteoclim en la prevención de incendios forestales

Aprovechando las capacidades del sistema WRF estamos desarrolando un sistema de predicción de incendios forestales. En este caso la interacción entre los focos de fuego y la atmósfera se representa en una malla con resolución horizontal de 50 m. Esta configuración no solamente ofrece una previsión de la propagación de un incendio a varias horas, sino también permite obtener un campo de viento más allá de la mesoescala que ya en sí es uno de los desafíos más interesantes en el mundo de la modelización meteorológica.

Fuentes:

WMO International Cloud Atlas

https://www.livescience.com/61167-what-are-pyrocumulus-clouds.html

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