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Recreación de un tornado EF-5 en 3D

Una de esas simulaciones recientes recrea una tormenta supercelular  que produjo  un tornado que dejó un camino de destrucción sobre las Grandes Llanuras centrales en 2011.

La persona detrás de esa simulación es Leigh Orf, un científico del Instituto Cooperativo de Estudios Meteorológicos por Satélite (CIMSS) de la Universidad de Wisconsin-Madison. Dirige un grupo de investigadores que usan modelos de computadora para revelar las partes móviles dentro de los tornados y las supercélulas que los producen. El equipo ha desarrollado experiencia creando visualizaciones en profundidad de supercélulas y discerniendo cómo se forman y, en última instancia, generan tornados.

El trabajo es particularmente relevante porque los EE. UU. lideran el conteo global de tornados con más de 1,200 anotaciones al año, según la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, NOAA.

Leigh Orf trabaja en el Instituto Cooperativo de Estudios Meteorológicos  UW-Madison y dirige un equipo que utiliza supercomputadoras y técnicas de modelado para recrear los eventos que condujeron a la creación de un tornado. UW-Madison

En mayo de 2011, varios tornados barrieron el paisaje de Oklahoma en un corto período de cuatro días de tormentas. Una tras otra, las supercélulas generaron nubes de embudo que causaron daños significativos a la propiedad y la pérdida de vidas. El 24 de mayo, un tornado en particular, el “El Reno”, registrado como EF-5, la categoría de tornado más fuerte en la escala Fujita Mejorada. Permaneció en el suelo durante casi dos horas y dejó un camino de destrucción de 63 millas de largo.

La simulación más reciente de Orf recrea el tornado de El Reno, revelando en alta resolución los numerosos “mini-tornados” que se forman al inicio del tornado principal.

A medida que la nube de embudo se desarrolla, comienzan a fusionarse, lo que agrega fuerza al tornado e intensifica las velocidades del viento. Con el tiempo, se forman nuevas estructuras, incluido lo que Orf denomina la corriente de vorticidad de flujo continuo o  streamwise vorticity current  (SVC).

“La SVC está formado por aire refrescado por lluvia que se absorbe en la corriente ascendente que impulsa todo el sistema”, dice Orf. “Se cree que esta es una parte crucial para mantener una tormenta inusualmente fuerte, pero, curiosamente, la SVC nunca hace contacto con el tornado. Más bien, fluye hacia arriba y alrededor de él”.

Cuando un tornado está completamente formado, la simulación revela varias estructuras que forman el tornado, incluida la corriente de vorticidad en sentido de la corriente (SVC), que se cree que es el principal impulsor de la actividad tornádica (vista en amarillo). Imagen cortesía de UW – Madison.

Utilizando datos de observación del mundo real, el equipo de investigación pudo recrear las condiciones meteorológicas presentes en el momento de la tormenta y presenciar los pasos que condujeron a la creación del tornado. Los datos archivados, tomados de un pronóstico de modelo operacional a corto plazo, tenían la forma de un sondeo atmosférico, un perfil vertical de temperatura, presión del aire, velocidad del viento y humedad.

Cuando se combinan de la manera correcta, estos parámetros pueden crear las condiciones adecuadas para la formación de tornados, conocidas como tornadogénesis.

Según Orf, la producción de un tornado requiere un par de partes “no negociables”, que incluyen abundante humedad, inestabilidad y cizalladura del viento en la atmósfera, y un disparador que mueve el aire hacia arriba, como una diferencia de temperatura o humedad. Sin embargo, la mera existencia de estas partes en combinación no significa que un tornado sea inevitable.

“En la naturaleza, no es raro que las tormentas tengan lo que entendemos como todos los ingredientes correctos para la tornadogénesis y luego no pasa nada”, dice Orf. “Los cazadores de tormentas que rastrean tornados están familiarizados con la imprevisibilidad de la naturaleza, y nuestros modelos han demostrado comportarse de manera similar”.

Orf explica que a diferencia de un típico programa de computadora, donde el código se escribe para entregar resultados consistentes, el modelado en este nivel de complejidad tiene una variabilidad inherente, y de alguna manera lo encuentra alentador ya que la atmósfera real también muestra esta variabilidad.

El modelado exitoso puede estar limitado por la calidad de los datos de entrada y el poder de procesamiento de las computadoras. Para lograr mayores niveles de precisión en los modelos, lo ideal es recuperar datos sobre las condiciones atmosféricas inmediatamente antes de la formación de tornados, pero sigue siendo una tarea difícil y potencialmente peligrosa.

Con la complejidad de estas tormentas, puede haber factores sutiles (y actualmente desconocidos) en la atmósfera que influyen en si una supercélula forma un tornado o no.
Resolver digitalmente una simulación de tornado hasta un punto donde los detalles son lo suficientemente finos como para producir información valiosa, requiere una gran capacidad de procesamiento. Afortunadamente, Orf obtuvo acceso a una supercomputadora de alto rendimiento, específicamente diseñada para manejar necesidades informáticas complejas: the Blue Waters Supercomputer en el National Center for Supercomputing Applications  en University of Illinois en Urbana-Champaign.

En total, su simulación del EF-5 tomó más de tres días de tiempo de ejecución. En contraste, a una computadora de escritorio convencional le llevaría décadas completar este tipo de procesamiento.

Mirando hacia el futuro, Orf está trabajando en la siguiente fase de esta investigación y continúa compartiendo los hallazgos del grupo con científicos y meteorólogos de todo el país. En enero de 2017, la investigación del grupo apareció en la portada del Boletín de la Sociedad Meteorológica Americana, BAMS.

“Hemos completado la simulación EF-5, pero no planeamos detenernos allí”, dice Orf. “Vamos a seguir refinando el modelo y continuaremos analizando los resultados para comprender mejor estos sistemas peligrosos y potentes”.

El trabajo de Orf fue apoyado por CIMSS / SSEC, la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad Central de Michigan y la Fundación Nacional de Ciencia (NSF). La investigación es parte del proyecto de computación sostenida en petaescala de Blue Waters, financiado por NSF.

Una imagen coloreada de la supercélula productora de tornados de casi 20 millas de largo y 12 millas de altura. Las imágenes de la simulación se basaron en datos del mundo real recolectados cerca de la supercélula del 24 de mayo de 2011, que generaron varios tornados, incluido el EF-5 que tocó tierra cerca de El Reno y Oklahoma City, Oklahoma.

Los colaboradores de Orf en la simulación incluyen a: Robert Wilhelmson, Departamento de Ciencias Atmosféricas de la Universidad de Illinois; Bruce Lee de High Impact Weather Research & Consulting, LLC; y Catherine Finley de la Universidad de St. Louis. Lee y Finley son miembros de TWISTEX, el equipo que incluyó a Tim Samaras, quien falleció el 31 de mayo de 2013 en El Reno Supercell.

Vía: El tiempo (Revista RAM)

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