ciclo diurno de la actividad convectiva con imágenes satelitales

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Meteorología Tropical 1 Análisis del Ciclo Diurno de la Actividad Convectiva en Regiones de Sud América Universidad Nacional Agraria La Molina, UNALM, Facultad de Ciencias, Estudiantes de la Carrera de Meteorología, Av. La Molina s/n La Molina, Lima, Perú. Alva Suarez, Paul; Correa Marrou, Kris Milagros; Quiroz Mosquera, Gabriela Corina ____________________________________________________________________ Resumen En el presente trabajo, el principal objetivo fue usar las imágenes de satélite como una fuente de información representativa cuando son promediadas en un período de tiempo. En este caso, las imágenes del canal infrarrojo provenientes del satélite GOES-13 serán procesadas y utilizadas para el estudio del ciclo diurno de la actividad convectiva sobre tres regiones de Sudamérica. A partir de las variables de temperatura de brillo en el tope de la nube y radiancia o valor del count, se logrará identificar las zonas convectivas y analizar el comportamiento temporal durante un día promedio del mes de Julio del 2010 y Febrero del 2011. Asimismo, se demostrará la relación inversa de estos campos y la frecuencia con la que se detecta la actividad convectiva en cada una de las regiones seleccionadas. Palabras clave: Canal Infrarrojo, Actividad Convectiva, Radiancia, Count. Abstract In the present work,the main objective was to use satellite images as a source of averaged representative information over a period of time. In this case, the channel infrared images from the GOES-13 will be processed and used for the study of the diurnal cycle of convective activity over three regions of South America. Using the brightness temperature variables at the top of the cloud and radiance or count value, we will be able to identify convective zones and analyze the temporal behaviour during an average day of the month July 2010 and February 2011. Also we will show the inverse relationship of these fields and the frequency of convective activity which is detected in each of the selected regions. Key words: Infrared channel, convective activity, Radiance, Count.

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Page 1: Ciclo Diurno de la Actividad Convectiva con Imágenes Satelitales

Meteorología Tropical

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Análisis del Ciclo Diurno de la Actividad Convectiva en

Regiones de Sud América

Universidad Nacional Agraria La Molina, UNALM, Facultad de Ciencias,

Estudiantes de la Carrera de Meteorología, Av. La Molina s/n La Molina, Lima, Perú.

Alva Suarez, Paul; Correa Marrou, Kris Milagros; Quiroz Mosquera, Gabriela Corina

____________________________________________________________________

Resumen

En el presente trabajo, el principal objetivo fue usar las imágenes de satélite como una fuente de

información representativa cuando son promediadas en un período de tiempo. En este caso, las

imágenes del canal infrarrojo provenientes del satélite GOES-13 serán procesadas y utilizadas

para el estudio del ciclo diurno de la actividad convectiva sobre tres regiones de Sudamérica.

A partir de las variables de temperatura de brillo en el tope de la nube y radiancia o valor del

count, se logrará identificar las zonas convectivas y analizar el comportamiento temporal

durante un día promedio del mes de Julio del 2010 y Febrero del 2011. Asimismo, se

demostrará la relación inversa de estos campos y la frecuencia con la que se detecta la actividad

convectiva en cada una de las regiones seleccionadas.

Palabras clave: Canal Infrarrojo, Actividad Convectiva, Radiancia, Count.

Abstract

In the present work,the main objective was to use satellite images as a source of averaged

representative information over a period of time. In this case, the channel infrared images from

the GOES-13 will be processed and used for the study of the diurnal cycle of convective activity

over three regions of South America.

Using the brightness temperature variables at the top of the cloud and radiance or count value,

we will be able to identify convective zones and analyze the temporal behaviour during an

average day of the month July 2010 and February 2011. Also we will show the inverse

relationship of these fields and the frequency of convective activity which is detected in each of

the selected regions.

Key words: Infrared channel, convective activity, Radiance, Count.

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Meteorología Tropical

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INTRODUCCIÓN

Los sistemas convectivos constituyen un

importante aporte a la precipitación total

sobre la región de Sudamérica,

principalmente durante los meses de la

estación cálida. Asociados a los mismos se

producen, frecuentemente, precipitaciones

extremas y fenómenos severos, por lo que

un diagnóstico y posterior pronóstico

preciso de estos sistemas sería de utilidad,

entre muchos otros, para la prevención de

las catástrofes vinculadas con la ocurrencia

de los mismos.

El procesamiento de imágenes satelitales

permite determinar el desplazamiento y

comportamiento de los sistemas

convectivos utilizando técnicas de

seguimiento en base a la temperatura de

brillo en el infrarrojo. Bajo esta

representación, el análisis del Ciclo Diurno

para algunas regiones, cuyo desarrollo de

actividad convectiva posee gran

importancia, permite conocer las horas con

mayor probabilidad de ocurrencia de estos

sistemas y por tanto, precipitaciones.

DATOS Y METODOS

Pre-procesamiento de las imágenes de

satélite

El primer paso para la implementación del

método, es la recopilación de imágenes del

satélite GOES-13 del canal infrarrojo de

dos meses que definen claramente las

temporadas de lluvia y sequía en el

hemisferio sur. Los meses seleccionados

fueron Julio del 2010 y Febrero del 2011.

Asimismo, para la detección de sistemas

convectivos se requieren imágenes de alta

resolución temporal, en este caso se

utilizaron imágenes cada 1 hora, durante el

periodo de 05:15 horas a 23:15 horas, estas

nos permitirán visualizar el comportamiento

de las variables, obtenidas por asimilación

de datos, en su ciclo diurno.

Cabe resaltar que en la selección de data es

necesaria la eliminación de imágenes que

presenten interferencias en su captura o

sean defectuosas.

Procesamiento de las imágenes de satélite

El siguiente esquema (Fig.1) ilustra el

proceso que se lleva cabo para el cálculo de

los mapas de frecuencia (en porcentaje) de

convección, promedio de temperaturas en el

tope de la nube y extracción de valores de

Count o radiancia. Se partió de una base de

imágenes de satélite en el canal infrarrojo

(IR4) del satélite GOES-13, disponiendo de

aproximadamente de 1200 imágenes. Este

cálculo se realizó para cada grupo,

obteniendo una base final de 19 imágenes

conteniendo la frecuencia de nubes con

topes más fríos que -38°C. Se expresó las

frecuencias en porcentaje. Un valor de 30

indica que determinado pixel reporta nubes

convectivas (de temperaturas inferiores a

-38ºC) durante 30% de los días de la

temporada de lluvias o sequía.

Luego se organizó la data por horas para su

respectivo procesamiento en Fortran 90, y

las salidas binarias fueron leídas a través

del programa OpenGrADS 2.0.

Fig.1. Esquema de Procesamiento de datos

Para el procesamiento de información se

tomaron en cuenta algunos criterios:

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Meteorología Tropical

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Para la conversión de valores de grises a

temperatura de brillo del tope de nube, se

utilizaron las siguientes relaciones,

establecidas en el Modo-A (NOAA Satellite

and Information Service. Office Satellite

Operations. Conversion of GVAR Infrared

Data to Scene Radiance or Temperature.)

según el cual los valores de count están en

una escala de 8 bit y en un rango de valores

de 0 a 255, donde valores altos de counts

representan temperaturas bajas.

163K <= T <= 242K, Xa = 418 - T

242K <= T <= 330K, Xa = 660 - 2T

Donde: T es la temperatura de brillo y Xa

es el count.

Los sistemas convectivos fueron detectados

usando el canal infrarrojo (11µm) y

asumiendo que las nubes convectivas que

son altas y de gran espesor poseen una

menor temperatura de brillo. En este caso,

el área de actividad convectiva se asocia a

un valor de 235K, equivalente con la

conversión anterior a 183 en escala de

grises (Machado, 2003).

Selección de regiones

En el mapa (Fig.2) presentado a

continuación, se han indicado las tres

regiones escogidas de acuerdo a los valores

de grises (count) (>180) como áreas con

mayor probabilidad de desarrollo

convectivo. En cada una de las áreas se ha

señalado un cuadrado con borde negro (1

pixel) que representa el punto del cual se

extraerán los datos de Counts, se estimará la

temperatura de brillo en el tope de la nube y

se calcularán las frecuencias de

convectividad. Los tres puntos escogidos

son:

Es importante señalar que para la

delimitación de las áreas se ha considerado

la imagen promedio de counts de las 21:15

UTC, debido a que la mayor actividad

convectiva se desarrolla en horas de la

tarde.

Puntos Latitud Longitud

PUNTO 1 -15.3 -72.5

PUNTO 2 -13.0 -75.0

PUNTO 3 1.5 -66.0

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Meteorología Tropical

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Fig.2. Mapa de selección de regiones de mayor actividad convectiva – Febrero/21horas

Representación del Ciclo Diurno

El objetivo es promediar un gran número de imágenes de satélite correspondientes a la misma

hora de modo de obtener 19 campos suavizados correspondientes a cada hora del día (05:15;

06:15, 07:15...23:15UTC; cabe resaltar que en todo el documento cuando se hace mención a las

horas enteras 05:00,06:00,07:00..23:00UTC, corresponden a las horas mencionadas

anteriormente, respectivamente). Estas nuevas imágenes en formato binario contienen

información sobre el promedio de la radiancia (Count), de temperaturas de brillo en el tope de la

nube y de la frecuencia de convectividad por cada píxel contenido. En general, este escenario

puede ser considerado como la climatología estacional de la radiación en onda larga emitida.

Estas variables proveen información sobre la temperatura promedio de la superficie, regiones de

convección recurrente, horas de ocurrencia de la convección, evolución y traslación de los

sistemas convectivos, entre otros.

Estas imágenes serán analizadas a través del ciclo diurno utilizando gráficas temporales

superpuestas de las variables radiancia, temperatura de brillo y frecuencia en porcentaje. Se

podrá determinar las horas de ocurrencia de mayor actividad convectiva sobre las regiones

selectas en las que el ciclo diurno del brillo sea más intensa (periodos de brillo intenso

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Meteorología Tropical

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contrastando con periodos de brillo muy tenue) y la frecuencia sea mayor de ocurrencia de la

formación convectiva durante horas de la tarde.

RESULTADOS

Tanto para el mes de Verano (enero del

2011) como para el mes de Invierno (Julio

del 2010), las imágenes promedio del mes a

nivel horario (05:15 a las 23:15, cada hora)

solo se muestran algunas de las horas de la

mañana y otras de la tarde.

Se ha observado que de acuerdo a la escala

de valores de counts, los mayores valores

de counts encontrados en las imágenes son

en horas de la tarde para el mes de verano

entre las 20 y 22 UTC, superando los 170

de count, a diferencia del mes de invierno

donde apenas llega a 170.

Fig.3.Promedio horario de imágenes

infrarrojas en valores de gris del mes de

febrero del 2011

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Meteorología Tropical

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Fig.4.Promedio horario de imágenes

infrarrojas en valores de gris del mes de

julio del 2010

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Meteorología Tropical

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Resultados y Discusiones

Mes: Febrero 2011

Fig. 5. Región 1.

Fig. 6. Región 2.

Fig. 7. Región 3.

En estas gráficas se muestra la variación

diurna representativa de las tres regiones de

sistemas convectivos seleccionados. Esta se

expresa en niveles de grises (parte superior

de las gráficas) o a través de la temperatura

del tope de la nube (parte central). En su

parte inferior se presenta el conteo de casos

en donde la temperatura es inferior a 235 K

(casos de convección).

En la figura 5, (parte central) se observa la

mayor temperatura del tope nuboso a las 10

a.m., a partir del cual empieza a disminuir

teniendo un descenso abrupto para las 2

p.m., hora a partir del cual aumenta

considerablemente el conteo de casos de

convección (mayor probabilidad).

Durante las horas siguientes, la temperatura

del tope nuboso se mantiene entre 220 y

230 K.

En la figura 6 y 7, se presenta un

comportamiento similar: mayor temperatura

a las 10 a.m., ésta empieza a disminuir

teniendo su mayor descenso a partir de las 2

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Meteorología Tropical

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p.m., sin embargo, éste se realiza de manera

más gradual.

En paralelo se produce un incremento en

los casos de convección llegando a alcanzar

valores del 70%.

Durante estas horas de la tarde, las

temperaturas oscilan entre 230 y 240 K.

Nótese asimismo la relación inversa entre

temperatura y nivel de gris. Cuando el nivel

de gris se eleva (se aproxime a una

tonalidad blanca), la temperatura empieza a

disminuir, sucediendo lo mismo para todos

los casos.

Para corroborar los resultados obtenidos se

realizó mapas de humedad relativa, agua

precipitable y de flujos de calor latente

(figuras no mostradas) determinando tales

regiones convectivas.

Mes: Julio 2010

Fig. 8. Región 1.

Fig. 9. Región 2.

Fig. 10. Región 3.

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Meteorología Tropical

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Para la figura 8 y 9 (estación invierno), se

observa la mayor temperatura para las 12

del mediodía, luego desciende

paulatinamente en horas de la tarde.

Resalta la temperatura casi constante

(aprox. 260 K) entre la medianoche y el

amanecer.

Asimismo, no se halla ningún caso de

convección para la región 1, más si para la

región 2 durante las horas del atardecer. Es

importante mencionar que al obtener

promedios de temperatura o de grises, se

pueden perder valores que si representen

núcleos convectivos, sin embargo, este caso

resulta extraño dado que su promedio de

temperaturas se encuentra muy por encima

de lo esperado.

Finalmente, para la figura 10, se observa

una variación discontinua de la temperatura

así como de los niveles de grises.

Para este caso, si es posible encontrar un

mayor número de casos de convección en la

zona.

Conclusiones

En el proceso, no se realizó ninguna

depuración para filtrar nubes de tipo cirrus,

los cuales a pesar de tener temperaturas

similares a las nubes de tipo convectivas

(temperaturas muy frías) no producen

ninguna precipitación.

La obtención de los promedios de las

imágenes de grises suaviza sus valores

reales, ello se aprecia mediante el conteo de

casos de convección en áreas donde el nivel

de gris no es el requerido para clasificarlas

como regiones convectivas.

Se demuestra el comportamiento inverso

entre los niveles de grises y la temperatura

del tope nuboso.

La formación de sistemas convectivos es

típica de la estación de verano y

dependiendo del desarrollo que puedan

alcanzar pueden producir precipitaciones de

gran intensidad.

Durante la estación de invierno, la mayor

precipitación proviene de nubes cuyos topes

son mayores a 230 K, y no de sistemas

convectivos de corta duración.

Nubes en decaimiento o nubes con topes

nubosos calentándose producen una ligera o

ausencia de precipitación. En este caso, el

sistema se encuentra debilitándose y los

movimientos verticales empiezan a cesar.

Por el contrario, topes nubosos en

enfriamiento indican que el sistema

convectivo se intensifica y que la tasa de

precipitación aumenta.

Asimismo se puede concluir que el

principal factor que afecta el crecimiento de

un sistema convectivo en la región 1 y 2 es

la topografía del lugar mientras que los

vientos del este determinan el crecimiento

en la región 3.

REFERENCIAS

Luiz Augusto T.Machado and Henri

Laurent, 2003: System Area Expansion

over Amazonia and Its Relationship with

Convective System Life Duration and

High-Level Wind Divergence.

Divisa˜o de Ciencias Atmosfericas, Centro

Tecnico Aeroespacial, Instituto de

Aeronautica e Espac¸o Sa˜o Jose´ dos

Campos,

Sa˜o Paulo, Brazil

NOAA Satellite and Information Service.

Office Satellite Operations. Conversion

of GVAR Infrared Data to Scene

Radiance or Temperature.

Disponible en:

http://www.oso.noaa.gov/goes/goes-

calibration/gvar-conversion.htm