¿Cuánta energía hay disponible en una atmósfera húmeda? – La red social

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A menudo es útil saber cuánta energía está disponible para generar movimiento en la atmósfera, por ejemplo, en trayectorias de tormentas o ciclones tropicales. Con este fin, Lorenz (1955) desarrolló la teoría de la Energía Potencial Disponible (EPA), que define la parte de la energía potencial en la atmósfera que podría convertirse en energía cinética.

Para calcular el APE de la atmósfera, primero encontramos la energía potencial total mínima que podría obtenerse mediante el movimiento adiabático (sin intercambio de calor entre partículas de aire). La configuración atmosférica que da este mínimo se llama estado de referencia. Esto se ilustra en la Figura 1: en la atmósfera de la izquierda, el aire más denso se moverá horizontalmente hacia el aire menos denso, pero en el estado de referencia de la derecha, la atmósfera es estable y no se produciría ningún movimiento. No se espera que se genere más energía cinética una vez que alcancemos el estado de referencia, por lo que el APE de la atmósfera es su energía potencial total menos la energía potencial total del estado de referencia.

Cuanta energia hay disponible en una atmosfera humeda – La
Figura 1: Construcción del estado de referencia APE para una atmósfera 2D. El sombreado violeta indica la densidad del aire; los colores más oscuros significan aire más denso. En el estado real, la estratificación de la densidad no es completamente horizontal, lo que conduce al movimiento del aire que se muestra con las flechas naranjas. El estado de referencia tiene una estratificación de densidad horizontal estable, por lo que el aire no se moverá sin alguna perturbación.

Si pensamos en una atmósfera que solo varía en la dirección vertical, es fácil encontrar el estado de referencia si la atmósfera es seca. Suponemos que la atmósfera consta de varias parcelas de aire, y luego todo lo que tenemos que hacer es colocar las parcelas en orden de temperatura potencial creciente con la altura. Esto asegura que la densidad disminuya hacia arriba, por lo que tenemos una atmósfera estable.

Sin embargo, si introducimos vapor de agua en la atmósfera, la situación se complica. Cuando el vapor de agua se condensa, se libera calor latente, lo que aumenta la temperatura del aire, disminuyendo su densidad. Un paquete de aire húmedo puede ser más denso que otro a cierta altura, pero luego menos denso si se eleva a una altura en la que el primer paquete se condensa pero el segundo no. Por lo tanto, el estado de referencia húmedo depende del método exacto utilizado para clasificar los paquetes por su densidad.

Es posible encontrar el reordenamiento de las parcelas de aire húmedo que da la energía potencial total mínima posible, utilizando el algoritmo de clasificación de Munkres (1957), pero esto lleva mucho tiempo para una gran cantidad de parcelas. Por lo tanto, se han desarrollado muchos algoritmos de clasificación diferentes que intentan encontrar un estado de referencia húmedo aproximado más rápidamente (los diferentes tipos de algoritmos se explican en Stansifer (2017) y Harris y Tailleux (2018)). Sin embargo, estos algoritmos de clasificación no intentan analizar si los movimientos de los paquetes que simulan realmente podrían ocurrir en la atmósfera real; por ejemplo, muchos funcionan elevando todos los paquetes a un nivel fijo en la atmósfera, sin considerar si los paquetes podrían moverse de manera factible. allí, y ha habido poca comprensión de si los estados de referencia que encuentran son precisos.

Como parte de mi doctorado, realicé la primera evaluación de estos algoritmos de clasificación en una amplia gama de datos atmosféricos, utilizando más de 3000 sondeos de islas tropicales y ubicaciones continentales de latitud media (Harris y Tailleux, 2018). Esto mostró que, si bien algunos de los algoritmos de clasificación pueden proporcionar una buena estimación del estado de referencia de energía potencial mínima, otros son propensos a calcular un reordenamiento que en realidad tiene una energía potencial más alta que la atmósfera original.

También mostramos que un nuevo algoritmo, que no se basa en procedimientos de clasificación, puede calcular APE con una precisión comparable a los algoritmos de clasificación. Este método encuentra una capa de parcelas flotantes cerca de la superficie y realiza la reorganización levantando la capa hacia arriba hasta que ya no es flotante. El éxito de este método sugiere que no necesitamos confiar en algoritmos de clasificación posiblemente no físicos para calcular el APE húmedo, sino que podemos avanzar hacia enfoques que consideren los procesos físicos que generan movimiento en una atmósfera húmeda.

Referencias

Harris, BL y R. Tailleux, 2018: Evaluación de algoritmos para calcular la energía potencial húmeda disponible. Meteorol QJR. Soc., 1441501–1510, https://doi.org/10.1002/qj.3297

Lorenz, EN, 1955: Energía potencial disponible y el mantenimiento de la circulación general. Dinos, 7157–167, https://doi.org/10.3402/tellusa.v7i2.8796

Munkres, J., 1957: Algoritmos para los Problemas de Asignación y Transporte. J. Soc. Aplicación ind. Matemáticas., 532–38, https://doi.org/10.1137/0105003

Stansifer, EM, PA O’Gorman y JI Holt, 2017: Cálculo preciso de la energía potencial húmeda disponible con el algoritmo de Munkres. Meteorol QJR. Soc., 143288–292, https://doi.org/10.1002/qj.2921

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