Pregunta:
¿Cómo puede una tormenta dejar caer 40 pulgadas (1 metro) de lluvia?
William Jockusch
2017-08-27 18:50:39 UTC
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El huracán Harvey arrojó más de 20 pulgadas (500 mm) de lluvia sobre una gran región, con más de 40 (> 1000 mm) en algunos puntos ... y se espera mucho más.

¿Cómo es posible?

¿La atmósfera realmente contiene tanta agua?

¿O se evapora repetidamente del océano y cae a la tierra por los vientos circulares? , lo que implica una tasa de evaporación enorme mientras está sobre el agua?

[9 billones de galones] (https://www.washingtonpost.com/news/capital-weather-gang/wp/2017/08/27/texas-flood-disaster-harvey-has-unloaded-9-trillion-tons- de-agua /? utm_term = .b51174582d85)
Seis respuestas:
#1
+129
JeopardyTempest
2017-08-27 22:28:06 UTC
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Tenías razón al cuestionar si la atmósfera realmente contenía tanta agua. ¡No se acerca a ninguna parte! Usamos agua precipitable para rastrear esto, que es la medida de toda la humedad en toda la columna de aire en la troposfera. Podemos obtener buenas estimaciones generalizadas a partir de observaciones remotas. Esta animación muestra las cantidades actuales de niveles de agua precipitables en los EE. UU. desde un satélite. Esta es una foto fija de esta tarde (domingo 27 de agosto) durante el evento de Harvey:

PWat082717

75 mm es menos de 3 pulgadas.

También obtenemos mediciones exactas in situ en todo el mundo de lanzamientos de globos de radiosonda dos veces al día. Desafortunadamente, ninguno se encuentra cerca de los lugares que reciben exceso de lluvia. Pero puede consultar los sitios de EE. UU. De mediciones de agua precipitables actuales en cualquier momento yendo a la página de sondeo de SPC y buscando el valor de PW en el lado izquierdo de la tabla inferior. SPC también mantiene una página de climatología para el agua precipitable y otros valores. Allí puede ver que 3 pulgadas (76 mm) de humedad en el sondeo es extremadamente raro, y ningún sitio de EE. UU. Ha tenido 4 pulgadas (102 mm) de agua precipitable.

Sin embargo, la respuesta también es no se encuentra realmente en las tasas de evaporación. Las condiciones en huracanes fuertes mejoran enormemente las tasas de evaporación debido a las altas velocidades del viento y las aguas más cálidas. En realidad, las mediciones son un poco difíciles de conseguir en condiciones tan extremas, con desafíos para aislar los efectos de evaporación de la pulverización, así como para colocar los instrumentos en dichos entornos (nueva campaña de campo: ¿quién quiere llevar el barco de investigación a la categoría 5? ¡¿¡huracán!?!). Como este estudio de 2007 de Trenberth et al. señaló:

No conocemos estimaciones confiables de evaporación en huracanes, y las mediciones publicadas no existen en vientos superiores a 20 ms − 1, aunque se han logrado algunos avances en el Experimento de transferencia aire-mar de la capa límite acoplada (CBLAST)

Sin embargo, en ese modelo de estudio, los análisis sugirieron que las tasas de evaporación en el núcleo de los huracanes probablemente no superen las 1-2 pulgadas (25-50 mm) por día.

¿Cómo es eso posible?

Es muy importante notar que las fuertes lluvias, más de 5 pulgadas (125 mm), pueden caer en tan solo un par de horas en casi cualquier lugar, como en esta inundación de 2015 en Nebraska. ¿Cómo puede ser eso?

El secreto está en la naturaleza de incluso la tormenta más débil: incluso cuando una tormenta apenas comienza a formarse, comienza a tomar aire de las áreas circundantes. Este es el diagrama de NOAA de una celda de tormenta en desarrollo típica:

developing

Puede ver la curva en las flechas cerca de la parte inferior, que indican la entrada de aire circundante en la tormenta. Este flujo de entrada convierte una tormenta eléctrica en más un motor, procesando una corriente continua de aire entrante, eliminando su humedad. En tormentas eléctricas de una sola celda en un entorno sin vientos de fondo, el aire "residual" eventualmente se acumulará y ahogará el influjo. Pero incluso en tales circunstancias, pueden caer algunas pulgadas de lluvia. Eso no es consumiendo toda la humedad del ambiente de la nube, sino usando solo una porción de la humedad del depósito dentro y alrededor de la nube.

Si existen algunos vientos en niveles superiores para ayudar agotar el aire "gastado", los sistemas de tormentas pueden persistir durante períodos de tiempo aún más largos. Por ejemplo, el medio oeste de los Estados Unidos comúnmente ve lluvias intensas de larga duración a fines del verano que se inician a lo largo de límites estacionarios en los que la afluencia carece de acceso directo a masas de agua cálidas significativas.

Los sistemas más grandes que descargan una gran cantidad de precipitación en áreas más extensas deben atraer una entrada más consistente y más fuerte de aire cálido y húmedo desde una mayor distancia. Ejemplos de esto incluyen el Pineapple Express para las lluvias en California / el suroeste de EE. UU., El chorro de bajo nivel para las líneas de turbonada de primavera y verano en las llanuras, en tierra. los vientos durante el monzón de la India y el aire de la Corriente del Golfo en Nor'easters.

En todos estos eventos regionales de grandes precipitaciones, el aire húmedo se acumuló en una gran superficie el área fluye hacia una región más pequeña. A medida que el aire se acerca, es elevado por la baja presión y sus características asociadas, se condensa y finalmente cae como lluvia (o nieve). Este proceso a menudo se denomina "convergencia de humedad". El Centro de predicción de tormentas también ofrece gráficos de convergencia de humedad profunda localizada [elija una región, luego busque en el menú de aire superior]. Los contornos de convergencia, que se muestran en rojo, muestran realmente la acumulación de humedad que está causando las fuertes lluvias en Harvey:

Harvey Convergence

Pero quizás Para visualizar la escala involucrada en la creación de una inundación catastrófica a gran escala como Harvey, este gráfico, creado a partir de una imagen base de pivotalweather.com, muestra mejor las condiciones alrededor de la tormenta (del modelo GFS):

harvey diagram

Básicamente, la atmósfera de todo el Golfo (y más allá) está siendo bombeada hacia el área sureste de Texas. Entonces, aunque el aire solo puede contener un par de pulgadas (unos 50 mm) de agua, y las tasas de evaporación son típicamente solo una fracción de pulgada (varios mm) por día ... reuniendo eso desde una región de fuente tan grande, y enfocando en un área pequeña ... puede conducir a estos terribles diluvios extremos.


Anexo: También debe destacarse que el NHC agrega en su informe sobre Harvey que el movimiento ascendente también se vio reforzado por un frente que se había estancado en el área. El aire que entra por el flujo de Harvey se elevaría naturalmente sobre esa capa de aire más frío cuando se mueve tierra adentro (un proceso llamado elevación isentrópica), que resulta particularmente eficiente para condensar la (abundante) humedad en masa en lluvia. La mayoría de las inundaciones regionales importantes requieren una existencia similar de mecanismos de elevación amplios y significativos superpuestos con una afluencia incesante de aire cálido y húmedo.
@JeopardyTempest: 40 pulgadas de lluvia pueden ser históricas en el contexto tejano, pero https://en.wikipedia.org/wiki/Maharashtra_floods_of_2005 puede dar una buena competencia a esos números.
40 pulgadas en 24 horas es el récord de EE. UU., Establecido en Alvin TX (al sur de Houston) en la década de 1970. Otro ciclón tropical. No conozco los detalles, pero suponga que fue un escenario tipo Allison / Harvey. Viví a través de Allison (¡mi último día viviendo en Houston fue el día en que finalmente llegó a tierra!) Y me sorprende que no rompiera el récord de Alvin.
@winwaed: Fue [Tormenta Tropical Claudette] (https://en.wikipedia.org/wiki/Tropical_Storm_Claudette_ (1979)) la que arrojó 43 pulgadas (110 cm) en Alvin, TX en 24 horas. Al igual que con Allison & Harvey, apenas llegó a la orilla y luego se detuvo.
"... las tasas de evaporación son solo una fracción de una pulgada (varios mm) por día ... uniendo eso sobre un área de fuente tan grande y enfocándolo hacia una región pequeña ..." para capturar la esencia de la respuesta. Ojalá viniera antes en la respuesta, idealmente al principio. De lo contrario, es una respuesta muy agradable.
@JeopardyTempest: solo tengo una pregunta con esta respuesta. ¿Cuánto contribuyeron los cuerpos de agua continentales / la humedad del suelo en el área SE Texas a la evaporación? Ya sabes cómo en el modelado de mesoescala de alta resolución nos gusta hacer este tipo de preguntas y otras como el efecto isla de calor.
Algunas fuentes de noticias hablan de un umbral de temperatura que debe superarse para que ocurra este tipo de evaporación continua. “Cuando Harvey se trasladó hacia Texas, el agua en el Golfo de México estaba casi 2 grados (1 grado Celsius) más caliente de lo normal, dijo el director de meteorología de Weather Underground, Jeff Masters. Los huracanes necesitan al menos 79 grados F (26 C) como combustible, y el agua al menos tan cálida corrió a más de 300 pies (100 metros) de profundidad en el Golfo, según el investigador de huracanes de la Universidad de Miami, Brian McNoldy. http://www.latimes.com/sns-bc-us-sci--harvey-climate-change-20170828-story.html
Por cierto, creo que este mecanismo está estrechamente relacionado con el funcionamiento de las selvas tropicales. Recogen humedad de un área más grande debido a los patrones de viento repetidos y sistemáticos. El resultado es una selva tropical en el ecuador y un desierto en los trópicos de cáncer y capricornio.
@gansub, siempre preguntas de interés. Sugeriría tal vez ni una tonelada, porque la mayor parte de la lluvia ya se estaba desarrollando antes en la trayectoria, más cerca de la costa. Por supuesto, de manera similar a cómo el artículo de Trenberth señaló que, si bien la evaporación del núcleo interno no es importante en los niveles reales de humedad, pero es importante para impulsar el flujo de entrada en primer lugar, tal vez la evaporación mejorada ayudó a sostener mejor la estructura del núcleo de la tormenta mientras estaba sobre tierra ??
@Zds, generalmente enumeramos 79-81 grados como una de las condiciones necesarias para el mantenimiento de TC (aunque ciertamente hay casos interesantes para superar ese valor por otras dinámicas). No es que la evaporación sea repentinamente continua a ese nivel, es que la convección es lo suficientemente fuerte como para sostenerse (consulte http://www.aoml.noaa.gov/hrd/tcfaq/A16.html para una pequeña discusión de la NOAA). Y de hecho, la profundidad de la calidez es algo que creo que la investigación ha demostrado que también es cada vez más importante.
Sin embargo, es absolutamente similar a los patrones continuos que impulsan las selvas tropicales (y de hecho también los monzones). De hecho, los patrones a gran escala apoyan bien esos regímenes de viento continuos, mientras que un fuerte flujo de SE en Texas en condiciones de verano realmente solo ocurre bajo CT, y esos rara vez se estancan en una posición tan productiva como esta desafortunadamente: - /
Excelente respuesta, aunque una sección TL-DR podría estar justificada
@JeopardyTempest ¡esta respuesta es increíble! ¡Definitivamente +1 de mi parte! _ (también felicitaciones por casi 120 votos (;) _
#2
+24
userLTK
2017-08-27 22:09:46 UTC
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Invito a corregir si me perdí algún detalle, la columna de aire sobre usted, en cualquier momento, al 100% de humedad, puede contener entre 3 y 6 pulgadas (75-150 mm) de agua, dependiendo de la temperatura y es probable que llueve solo un porcentaje de eso, no todo. Si el aire permaneciera estacionario, lo que, por supuesto, no es así, obtendríamos mucho menos aguaceros.

El huracán gira continuamente en espiral en nuevo aire húmedo con agua recogida del golfo. Puede que llueva de 2 a 4 pulgadas (50 a 100 mm) por hora, lo que en 10 horas o más puede dar 30 a 40 pulgadas (750 a 1000 mm). A medida que llueve, el aire pierde humedad, por lo que el área que se vuelve 30-40 pulgadas (750-1000 mm) más pequeña que el huracán. Es el área específica, la tierra justo después del océano o el golfo, al este o noreste del ojo, donde las bandas saturadas de lluvia provienen del océano o del golfo, la que se ve más afectada.

Este gráfico no está actualizado, es un pronóstico de hace un día, pero da una idea de las cantidades altas de lluvia localizadas. La región que recibe más de 20 pulgadas (500+ mm) de lluvia es más pequeña que el huracán.

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El viento gira en espiral alrededor del ojo mucho más rápido de lo que se mueve el huracán mismo, y se satura al 100% de humedad y, en cierto sentido, a más del 100% de humedad, ya que puede transportar gotas de agua, mientras gira en espiral sobre las cálidas aguas del Golfo de México. Cuando golpea la tierra, la lluvia continúa pero la humedad comienza a descender, por lo que la lluvia cae con más fuerza, poco después de tocar tierra y de donde vienen las bandas de lluvia sobre el océano, por lo general, en la costa este de los EE.UU. del ojo. (El lado sucio, como lo llama el herrero).

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El aire no puede contener 40 pulgadas (1000 mm) de lluvia. No está cerca, pero el aire que sopla sobre una masa de agua puede proporcionar una lluvia constante porque el aire que sopla sobre el golfo está recogiendo agua continuamente. Es aire nuevo, 100% húmedo / saturado y supersaturado que golpea la tierra continuamente, lloviendo fuerte, hasta que pasa la tormenta.

#3
+13
blacksmith37
2017-08-27 20:13:45 UTC
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Harvey está casi parado y está rotando la nueva humedad del golfo hacia arriba por el lado "sucio" (al este del centro). Estoy fuera del camino principal y tengo más de 10 pulgadas (250 mm) en 30 horas (vacié el pluviómetro dos veces). Se ha informado que las áreas afectadas han superado el nivel de lluvia de "500 años". Supongo que necesitan un nivel de 1000 años. La atmósfera es bastante grande y retiene tanta agua.

+1 por brevedad y capturando el quid de la pregunta OP.
[Houston ha estado sujeta a inundaciones de 500 años en 2015, 2016, y ahora con Harvey, en 2017.] (https://www.washingtonpost.com/news/wonk/wp/2017/08/29/houston-is- experimentando-su-tercera-inundación-de-500-años-en-3-años-cómo-es-posible-/? utm_term = .43bf41f064b5)
He vivido en el área de Houston 30 años; Nada ni remotamente como Harvey antes, sin importar lo que digan los medios.
#4
+6
Ale..chenski
2017-08-30 00:42:25 UTC
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La atmósfera puede "contener" sólo un valor máximo de 75 mm de precipitación en cualquier lugar, esto es cierto.

Sin embargo, este huracán Harvey en particular era una estructura que se movía muy lentamente. El vórtice transportaría las masas saturadas de agua cálida del Golfo de México, que esencialmente chocaron con el aire más frío del norte, generando lluvias. Es el suministro continuo de humedad de un área saturada más cálida lo que hace que la lluvia sea casi continua en algunos lugares en particular.

Si la estructura del huracán se asentaría sobre un área y no se disiparía con el tiempo, entonces la evaporación del Golfo podría sostener el nivel de humedad en el aire, y la cantidad de lluvia total (en un área limitada) podría ser aún mayor. La tasa de evaporación de la fuente no tiene por qué ser inusual, porque un área relativamente grande de golfo / océano alimenta con aire húmedo a un área de lluvia relativamente mucho más pequeña bajo este tipo particular de patrón de circulación de aire.

@AlliChen: ahora que ha contribuido con una respuesta, también podemos comentarla, ¿verdad? No veo cómo esta respuesta agrega algo adicional a las otras respuestas votadas aquí. En la investigación de la ciencia atmosférica nos gusta ver algunos números, es decir, muéstrame la prueba de lo que estás diciendo. Esta respuesta no tiene números para respaldar sus afirmaciones.
@gansub, no AGREGA, resume la esencia del efecto. Esta no es una conferencia científica para flashear números. El OP es perfectamente consciente de la capacidad de retención de humedad de la atmósfera en bruto, de lo contrario, no haría esta pregunta en primer lugar. Aparentemente, el OP no ve televisión ni Weather Channel, para ver el patrón de rotación estancado de este huracán, de lo contrario, no haría esta pregunta en absoluto. Y mi respuesta no tiene "afirmaciones", solo ofrece una explicación breve y obvia de esta lluvia anormal, sin una conferencia sobre termodinámica.
@AliChen - La pregunta de OP es cuánta agua puede contener la atmósfera. Entonces ese es un número que OP está pidiendo. Me parece una pregunta razonable. Es posible que esta cuestión no se debata en la televisión ni en el canal Weather. Pregunta perfectamente legítima para hacer. OP puede no estar en la ciencia atmosférica.
#5
+5
Jack Denur
2017-08-30 02:36:30 UTC
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El contenido de vapor de agua precipitable en el aire nunca supera las 3 pulgadas, incluso en las masas de aire marítimas tropicales más húmedas, y en la mayoría de las masas de aire tropicales marítimas suele estar más cerca de las 2 pulgadas. Pero Harvey no se limita al contenido de vapor de agua en su propia región de la atmósfera. Sus vientos en espiral en sentido antihorario (nótese el énfasis en IN) continuamente traen nuevo vapor de agua que se evapora del Golfo de México. Los vientos en espiral en sentido antihorario concentran el suministro de vapor de agua de una región mucho más grande que la propia Harvey en la región central de Harvey. Por lo tanto, estos vientos en espiral en sentido antihorario actúan como un embudo, concentrando lo que habría sido una lluvia de 2 o 3 pulgadas en un área grande a una lluvia de 50 pulgadas en un área mucho más pequeña.

#6
+3
Pokestar Fan
2017-09-02 18:23:40 UTC
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Harvey ha estado usando una banda de lluvia para obtener agua desde el Golfo de México.

Piense en la banda de lluvia como una tubería, está conduciendo agua desde el golfo hasta el núcleo, y esta tubería tiene un problema de fugas, por lo que el agua se vierte en Austin en su camino hacia el centro.

¿El término [rainband] (https://en.wikipedia.org/wiki/Rainband) realmente se refiere a una banda que está acumulando humedad en un extremo y produciendo precipitación en el otro extremo, adecuado para una analogía de "tubería"?
@uhoh no, la banda de lluvia está alimentando humedad desde un extremo y moviéndola hacia el núcleo


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