SC y Tornadogénsis

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fmpiscitelli
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SC y Tornadogénsis

Mensaje por fmpiscitelli » Mié Mar 13, 2019 4:21 pm

Buenas cómo están?. Estoy a punto de rendir el último final de la carrera (Convección y Microfísica de nubes), en esta materia nos enseñan a comprender ("vagamente") el proceso de generación de Superceldas y tornados. Me pareció una buena idea pasar por el foro a contarles lo que nos enseñan, básicamente porque me hubiese gustado hace algunos años poder leer bibliografía en español sobre el tema (que jamás encontré).

Esto como digo es un modelo conceptual, que si bien funciona bastante bien, nunca es la verdad absoluta. Por eso es un tema tan apasionante (desde mi punto de vista).

Lo dejo es Spoiler porque es muy largo de leer.
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Pero sin maś "sarasa" empiezo a explicar el proceso de formación de SC.

Por definición una SC es un sistema convectivo conformado por una ascendente rotante capaz de generar mesociclón (en algún nivel). Posee una estructura cuasi-estacionaria:
- Ascendente continua
-Descendente continua
-Persistencia de la estructura ascendente/descendente.

Como sabemos la fuente de energía de cualquier sistema convectivo lo proporciona el ascenso. La dinámica de este tipo de tormentas hace que la fuente de ascenso perdure en el tiempo y por lo tanto el ciclo de vida sea muy extenso (algunas hs).
En este tipo de tormentas se generan los eventos de tiempo más significativos que existen en meteorología: Ráfagas descendentes, granizo grande, act eléctrica, tornados severos y duraderos.

Es importante antes de empezar con el "cuentito" de la formación tener en la cabeza la "pinta" de una SC típica:

Esta es una imagen real de un PPI del radar de Paraná, es sólo para ejemplificar no quiere decir que esa SC haya tenido tornado (lo aclaro por las dudas):
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SC clasica.jpg
Donde:
- RFD: Rear Flank Downdraft es la descendente de flanco trasero
-FFD: Foward Flank Downdraft: es la descendente de flanco delantero


Como sabemos para que se forme una SC se necesita de un entorno potencialmente muy inestable, pero también se necesita de una intensa cortante vertical en los primeros 6km de la troposfera. Ya que esto provee un mecanismo favorable para el proceso de autopropagación (viene mas adelante).
En realidad hay un delicado equilibrio entre la relación cortante vs CAPE, en el libro Markowski muestran este gráfico que es muy ejemplificador:
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Cortante_vs_CAPE.jpg
Es decir que no necesariamente un CAPE elevado te puede generar un desarrollo de SC ni tampoco una cortante excesiva, el ideal es que ambas contribuciones sean fuertes (aunque tampoco demasiado extremas!).

El índice Bulk Richardson Number relaciona la energía potencial para el desarrollo de convección (CAPE) con la energía cinética asociada a la cortante (Cortante);
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BRN.gif
BRN.gif (3.85 KiB) Visto 715 veces
Si 20<BRN<50 --> POSIBLE DESARROLLO SC
Si 100<BRN<500 --> POSIBLE DESARROLLO MULTICELULAR

OBS: Notar que U en 6000m en realidad es un valor medio entre el viento en el nivel de 6km y el de sup. O sea que lo que interesa en la cortante de niveles BAJOS!.

Ahora sí, vamos con el ciclo de vida:

1) FASE 1: Iniciación y evolución de la celda hasta el momento de l Splitting
2) FASE 2: Proceso de autopropagación (o Splitting)
3) FASE 3: Desarrollo y evolución hasta la fase tornádica, luego proceso de disipación.

Para analizar cada una de las fase es necesario recurrir a las ecuaciones que rigen el movimiento de la convección húmeda profunda:
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ecuaciones.jpg

En esta ultima ec consideramos que las variaciones locales de la vorticidad se deben sólo a las variaciones horizontales de empuje.
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ecuaciones_2.jpg
FASE1:

El desarrollo de la celda es igual al de una celda ordinaria que se inicia a partir de un forzante determinado (sinóptico o de mesoescala). Debido a la inestabilidad elevada logra desarrollarse manera profunda y explosiva.
Al interactuar con la cortante, la celda sufrirá modificaciones en su estructura y en la dinamica de su desarrollo, entrando en la FASE 2

FASE2: Mecanismo de autopropagación

Si suponemos una cortante vertical cte, es decir que el viento aumenta linealmente con la altura.
O sea la cortante del entorno genera por sí sola vorticidad de eje horizontal

Al generarse la nube convectiva interactuará la ascendente con la cortante, en particular si suponemos que inicialmente el maximo de ascenso se da en niveles medios de la nube:
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Tilting.jpg

En el flanco sur de la nube se genera vorticidad de eje vertical anticiclonica (HS) y ciclonica en el flanco norte (HS)

Analizando la ec de perturbaciones dinámicas de presión se puede ver que se generan perturbaciones dinamicas negativas por el término de spin, entonces trabajando con la ec de movimiento vertical vemos que se generan ascensos por debajo del máximo de vorticidad, uno al sur y otro al norte del máximo ascenso inicial. La diferencia con esta última es que las nuevas ascendentes son rotantes!.
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Spliting.jpg
Mientras tanto en el centro de la celda (inicialmente donde estaba la ascendente máxima) comienzan a precipitar los hidrometeoros, que empiezan a caer por su propio peso, debilitando fuertemente la ascendente principal. (Esto es lo que hace que una celda ordinaria que se genera en un entorno sin cortante luego de un determinado momento termine muriendo por el mismo peso de los hidrometeoros que “apagan” la ascendente. )

Los dos polos nuevos de ascenso interactúan con el máximo de vorticidad generando ascendentes rotantes.

Durante este proceso (Splitting) las celdas tenderán a separase. El desplazamiento de estas nuevas celdas estará dado por una componente que la aporta el propio mecanismo de autopropagación y otra que la aporta el flujo medio entre los niveles de 0 a 6 km.
Esto genera un flujo resultante que indica que la celda Norte se mueve al NE y la del sur al SE.
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autopropag.jpg

Como vemos el término de tilting es fundamental a la hora de crear vorticidad vertical. Sin embargo para que el mecanismo de autopropagación sea eficiente es necesario analizar el término de advección de omega.
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adveccion.jpg
Ec de omega con flujo relativo a la tormentas

Dependiendo de cómo sea el Vr , el splitting ocurrira de manera simetrica o no:

i) si el viento relativo es perpendicuar tanto a la vorticidad horizontal como al gradiente de vorticidad vertical entonces:
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Crosswise.jpg
En este tipo de splitting la separación de las celdas se produce de manera simetrica, no hay un flanco más favorecido que el otro y es muy probable que ambas celdan lleguen a ser SC.

ii) Si el Vr es pp tanto a la omega h como a su gradiente, entonces:
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Streamwise.jpg
En este tipo de splitting hay un flanco más favorecido que el otro. En este caso en el flanco norte la ascendente y la zona de max rotacion ciclónica se ponen en fase. La ascendente se tornará rotante (mesociclón).
En el flanco norte no sólo se favorece la propagación de la ascendente sino que contribuye a intensificar los ascensos porque las perturbaciones negativas coinciden con el maximo de ascenso.

En general el caso más típico que sucede en nuestro país el de una hodógrafa con giro anticiclonico, es decir (viento E/NE en sup, viento N en niveles medios y viento O en altura). Eso genera una hodógrafa semicircular típica:
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Hodografa.jpg
En este caso si analizamos las perturbaciones lineales de presión:
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Pert dinamicas lineales.jpg
Viendo el gradiente vertical de perturbaciones de presión:
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niveles intermedios.jpg
En general los niveles medio/bajos son más importantes debido al CAPE y a la cortante baja. En los casos en los que se genera bifuración no simétrica, la celda que quede del lado ecuatorial crecerá más que la otra. De hecho con este mecanismo el movimiento de la celda norte tenderá a ser hacia el NE, pero el máximo de ascenso/ Hook Echo estará en la parte NO de la celda.

Por otra parte, una vez que se genera el mesociclón, el termino de streching contribuye a modificar el modulo de la vorticidad vertical:
Si hay cv se intensifica el giro (independientemente del signo)
Si hay Div se debilita en giro (independientemente del signo)

De esta manera la celda logró inciarse, hacer spliting y generar mesociclón de niveles medios.

FASE 3:

Luego de 90 minutos (aprox) la SC alcanza un estado maduro en el que hay una estructura cuasi-estacionaria respecto de la ascendente/descendente.
La rotación ya es evidente (el mesociclón de niveles medios se desarrolló).
Es en esta fase en la que se profundiza la FFD (descendente de flanco trasero): Está asociada con el corazón de la PP, los hidrometeoros son advectados por el flujo medio (por eso tienden a moverse rápidamente hacia el E). Está fuertemente influenciada por el enfiramiento evaporativo debajo de la base de la nube. El aire frío asociado se extiende en superficie generando la pileta de aire frío y el FDR asociado. La FFD suele generarse en niveles medios justo en la bifurcación de la celda inicial.

En la etapa madura además de haber omega horizontal creada por la cortante del entorno puede generarse vorticidad de eje horizontal debido al “outflow” de la tormenta. Suele ser más relevante la vorticidad generada por el outlflow de la FFD porque gran parte del influjo de capas bajas pasa por delante del FDR camino hacia la ascendente.

La vorticidad horizontal de la FFD es generada por el término baroclínico:
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termino baroclinico.jpg
termino baroclinico.jpg (8.96 KiB) Visto 715 veces
Por detrás del FDR Tprima<0 → B<0
Por delante del FDR Tprima>0 → B>0

Se genera un gradiente de empuje que genera vorticidad de eje horizontal.

Dependiendo de la intensidad de la 'cold pool' esa vorticidad horizontal puede ser comparable o mayor a la generada por el entorno.

El tilting de la omega h creada por el término baroclinico genera mas vorticidad vertical que el tilting del omega h creada por la cortante (en niveles bajos).
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Al interactuar la vorticidad horizontal del FDR con la ascendente el término de tilting se encarga de convertirla en vorticidad de eje vertical. De esta manera comienza a generarse el mesociclón de niveles bajos.

Entonces la formación de este mesociclón ocurre luego del desarrollo de la pp en la FFD. Notar que no necesariamente el Omega h baroclinico y el Omega h entorno apuntan en el mismo sentido. Las simulaciones indican que los mesociclones más longevos son que se generan cuando ambos apuntan en el mismo sentido y son de tipo streamwise.
Pero si se generó el mesociclón de niveles bajos, ¿En qué momento se forma la nube pared o Wall Cloud? Bueno AHORA:

Como la FFD posee aire frío y con alto contenido de humedad (debido a la evaporación de los hidrometeoros durante el descenso) entonces al interactuar este aire con la ascendente alcanza el nivel de condensación por ascenso más abajo que el resto de las parcelas del entorno, formando una base de nube más baja y rotante.

Pero esto alcanza para generar el tornado?
La respuesta es NO.

Todavía falta que pasen muuuchas cosasss….

Cuando la SC alcanza este estadío la ascendente es realmente muy intensa y alcanza alturas que pueden superar los 15 km, haciendo que actúe como obstáculo del flujo de niveles altos. Según la teoría se forma un “punto de estancamiento” corriente arriba del max de ascendente en el flujo que produce una perturbación positiva de presión allí.
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rear.jpeg
rear.jpeg (11.95 KiB) Visto 715 veces
Por la ecuación de movimiento vertical eso genera una fuerza de presión hacia abajo, dando lugar a una nueva descendente. Al comenzar a descender se hace eficiente la evaporación de los hidrometeoros y eso incrementa la velocidad de la descendente, logrando penetrar hasta superficie en la parte posterior de la ascendente. A esta descendente se la llama RFD (Rear Flank Downdraft o Descendente de Flanco Trasero) y es fundamental en el proceso de tornadogénsis…
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O sea hasta acá vimos como se formó la SC, cómo hizo splting, cómo desarrolló su mesociclón de niveles medios y cómo desarrolló el de niveles bajos.
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Pero cómo hace realmente para formar el tornado?
Bueno, los primero autores que lograron generar una teoría sobre esto fueron Klemp y Rotuno en el año 1983. Ellos estudiaron un caso particular de una tormenta severa que sucedió en “Dell City” el 20 de Mayo de 1977 en USA, la cual generó un tornado de intesidad EF4. Ellos encontraron que el tornado se dio en un entorno con CAPE de 3300 j/kg y con una intensa cortante cuya hodógrafa tenía giro ciclónico.
Disponían de varias simulaciones con distintas resoluciones espaciales (4 a 1 km), aunque también hicieron una simulación de 10 minutos con 250m de resolución sobre la porción asociada al tornado.

Notaron que se producen dos aumentos de vorticidad de eje vertical cerca de superficie, uno gradual y otro muy abrupto (asociado probablemente al tornado en sup).

El aumento gradual básicamente se produce por el proceso que expliqué antes, el rol que tiene la FFD en generar vorticidad de eje horizontal a través de su pileta de aire frío, y cómo esos rollos al interactuar con la ascendente generan vorticidad de eje vertical.
El rol de la FFD es fundamental porque el hecho de que tenga una gran carga de hidrometeoros hace que el gradiente de temperatura (y por ende de empuje) apunte de manera tal que la vorticidad que se genera sea ciclónica (y que al interactuar con la ascendente quede en fase con el mesociclón de niveles medios). De hecho si no hubiese PP el descenso por compresión adiabática generaría un calentamiento en superficie, dando como resultado un gradiente térmico invertido… es por esto que las LPSC (Superceldas de baja PP) no logran generar tornados.

Pero, ¿Qué es lo que genera el aumento abrupto de vorticidad vertical en sup?

Mientras que en la simulación a escala de la tormenta la vorticidad vertical ciclónica coincidía con el centro de circulación, en la simulación de alta resolución (250m) se permitió observar un anillo de vorticidad ciclónica.

En este caso el rol fundamental lo tiene la RFD, como dije antes cuando ésta logra penetrar a superficie las convergencias se hacen muy importantes (zona de descensos muy cercana a zona de ascensos). De hecho el término de tilting es de un orden menor que el de streching en este caso. Esto sugiere que la vort vertical está fuertemente amplificada en superficie por la cv que se observa en el flujo entrante a la celda.
Sin embargo, esta contribución no alcanza para la formación del tornado.. los autores afirman que el incremento más abrupto vorticidad vertical en sup genera un minimo de presion (por spin) y esto induce una nueva descendente que obliga a desacelerar ligeramente a la ascedente, la cual induce la oclusión al sistema y por esto que los autores la llaman “descendente de oclusión”.

Esta descendente genera más cv y un incremento abrupto de vorticidad a ambos lados del hook echo.
Al igual que la FFD, la descendente de oclusión genera anillos de vorticidad horizontal lo cuales al descender y llegar a superficie se expanden ya que allí se encuentra el maximo gradiente de temperatura, generando un mov divergente en los rollos. Que ahora sí, al interactuar con la ascendente se inclinan y generan el tornado en cuestión.
De hecho lo que sucede en la teoría es que se genera un tornado ciclónico debajo de la nube pared y un tornado anticiclónico más debil sobre la pendiente del FDR de la RFD.
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tornados.jpg
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El tornado anticiclónico no es tan frecuente porque sólo logra formarse y sobrevivir si las cv que aporta el FDR de la descendente de oclusión son los suficientemente intensas para hacer que la vorticidad de eje vertical anticiclónica le gane a la ciclónica del meso.

Los yankees tienen cosas tan hermosas que suelen tenerlos y hasta los cuentan!.

Como vemos el proceso de formación de un tornado no es NADA fácil, para que se genere se tienen que dar una suma de procesos en continuado y cualquier proceso que sea cortado por algún motivo hará que el tornado no se forme!.

De esa manera una vez que se tiene el tornado en superficie, la manera en que se espera que éste se desarme es que rompa su equilibrio ciclostrófico. En general cuando el tornado se inclina (quedando casi horizontalmente) las vorticidades tienden a compensarse y se disipa..

El ciclo de vida de una SC típica es de 2,5 a 3 hs aunque pueden durar más e incluso generar tornado en más de una ocación.

El momento a partir del cual la SC tiende a la disipación no me queda del todo claro, no se si ocurre cuando la descendente de oclusión se hace tan intensa que mata a la ascendente, o cuando el FDR se desprende y la celda queda inmersa dentro del aire frío asociado a la pileta de aire frío (esto ultimo es más tipico de los sistemas multicelulares)..como sea es allí cuando la empezará su disipación y muerte.

O sea en síntesis en la formación de los tornados supercelulares la vorticidad de eje vertical se traslada de niveles medios hacia niveles bajos.. veremos que en el caso de tornados NO supercelulares (o landspouts) el proceso es mucho más sencillo y nada tiene que ver con tiempo severo..

Tornado NO supercelulares:

MODELO CONCEPTUAL:

Se tiene una zona de presencia de convergencia y cortante lateral preexistente en superficie(notar que antes pedíamos cortante vertical) que por sí sola genera vorticidad vertical.
Cuando la ascendente se inicia (y por ende la nube también) la convergencia horizontal aumenta y eso, por el término de streching, genera un aumento de la vorticidad de eje vertical en superficie.
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En este mecanismo la vorticidad se traslada desde superficie hacia la base de la nube (a diferencia del tornado SC). Acá el rol fundamental lo tiene la cv y la cortante horizontal que es la que genera desde un comienzo la vorticidad vertical y que luego por streching se va haciendo cada más intensa. La cv aumenta la vorticidad y ésta aumenta los ascensos que a su vez intensifican las cv, retroalimentando el proceso.. Finalmente esto se acaba porque al ser una celda ordinaria generada en un entorno SIN cortante vertical los hidrometeoros caen por su propio peso y “matan” a la ascendente, haciendo que el tornado desaparezca.
Por eso es típico ver cómo las trombas marinas suelen ser disipadas por la propia cortina de pp.

Este tipo de fenómenos no suelen durar mucho y son mucho más débiles que los tornados supercelulares obviamente. ..
Se dan en entorno con CAPE elevados pero con cortante casi nula, por eso son muy típicos en el trópico (en los cayos de la Florida hay registros enormes de estos bichos).

EJEMPLO
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---------------x----------


Todo esto es la teoría!, después vas a la práctica y te encontras con un tornado en plena cordillera de los Andes.. y se te cae la estatenría jaj.

Espero que les sirva la info,


saludoss! :D :D :D
Última edición por fmpiscitelli el Mié Mar 13, 2019 6:32 pm, editado 1 vez en total.
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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por stormchaserAlberto » Mié Mar 13, 2019 4:52 pm

Excelente Fran!
EL VIKINGO escribió:yo digo que no veo diferencia entre una maxima de 32.5 y una de 34

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Santiago Linari
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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por Santiago Linari » Mié Mar 13, 2019 5:13 pm

Genio Fran!!!! :D :D :D
Gracias por tomarte semejante laburo!!! :D
Con esto el foro crece muchísimo.
¡Oops!

Algo salió mal

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Marg Tor
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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por Marg Tor » Mié Mar 13, 2019 5:16 pm

No leí nada todavía jaja, pero excelente tema y trabajo!
Nena, vi un rayo... vuelvo en unas horas...

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Seba
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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por Seba » Mié Mar 13, 2019 6:40 pm

Sos un capo Fran, me imagino que te vino bárbaro como repaso para el final :lol:
¿Entonces si o sí para tener una SC necesariamente tuvo que haber ocurrido un splitting?
Con raíces pero en libertad.

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fmpiscitelli
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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por fmpiscitelli » Mié Mar 13, 2019 7:29 pm

Tal cual, fue un repaso genial.

Mmm.. Esa es LA pregunta del millón, digamos que puede haber splitting y que como resultado ninguna de la dos celdas sean SC. Y también puede haber un caso de Streamwise puro en el que la bifurcación no sea evidente y sólo se desarrolle una de las dos.
Pero a su vez, para que haya splitting tiene que haber vorticidad vertical..
Y como para complicar más las cosas una SC resultante de un Splitting puede volver a hacer Splitting.. :lol:
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Cristofer
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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por Cristofer » Mié Mar 13, 2019 8:05 pm

Muy buena info fran!! :D gracias por compartirla :D
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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por lucasgar » Mié Mar 13, 2019 9:04 pm

Muy buen artículo Franco, no llegué a leerlo porque es muy largo pero seguro que en algún momento lo haré. Yo hace 3 años atrás encontré un artículo español sobre superceldas y con eso aprendí mucho acerca del tema.

Hay muchas cuestiones que me intrigan acerca de las superceldas, y sobre todo la diferencia entre EE.UU. y Sudamérica en lo que respecta a tornados (Sabemos bien que acá a las superceldas les cuesta evolucionar a la fase tornádica aun cuando están todas las condiciones dadas, mientras que en EE.UU. casi siempre aparece algún tornado en un brote supercelular). También me gustaría saber por qué a veces aparecen superceldas incluso cuando la cortante en niveles medios no es tan significativa (ej, 25-30 nudos en 500 hPa). He visto varios casos así en los últimos tiempos en la región central de Argentina, y ni hablar en Córdoba donde se forman SC de la nada en pleno verano.
- Las cuestiones meteorológicas son cuestiones de segundo orden comparado con la situación económica actual del País.
- No hay que hacerse problema por las temperaturas del OCBA o por una irrupción de aire frío más débil de lo previsto.

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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por Marg Tor » Mié Mar 13, 2019 9:24 pm

Tengo una duda que es similar a la de Lucas con respecto a las superceldas y la cantante... Tener (por ejemplo) 50 nudos en 700 hPa y 80 nudos en 450 hPa es lo mismo que 10 nudos en 700 hPa y 40 nudos en 450 hPa? O sea, una cortante de 30 nudos...? Porque a veces me pongo a pensar eso y me doy cuenta que la diferencia entre la base de la nube y los 6.000m no es mucha por más que en los niveles bajos sea de 60 nudos (suponiendo que el hodógrafo es recto)
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Re: SC y Tornadogénsis

Mensaje por jotape » Jue Mar 14, 2019 12:20 am

Excelente resumen, leí hasta los tornados no supercelulares, mañana leo el resto!

Recuerdo mi sorpresa cuando leí en un artículo yanqui la importancia del FDR del FFD (y mas aún incluso del RFD) por su aporte de aire húmedo y mas frío... antes pensaba que el aire frío del FDR mataba la posibilidad de tornados. Pero es un aporte necesario a la vorticidad y también a la condensación de la nube pared...

Felicitaciones! Gran laburo!
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