Thread by @scnycc

🧵En el segundo hilo sobre borrascas de hoy vamos a ver la teoría clásica que mejor define sus características y evolución: la teoría del frente polar de Bergeron, Bjerknes y Solberg. Una teoría que también definió lo que conocemos como frentes. Vamos a ver qué son y sus tipos.

Antes que nada, os recomiendo encarecidamente echarle un vistazo al hilo anterior, el de las corrientes en chorro porque os ayuda a entender los movimientos de aire cálido tropical y frío polar que se dan con los frentes twitter.com/i/events/14864…

Vamos a empezar hablando de qué trata esta teoría desarrollada por unos meteorólogos noruegos, luego vamos adentrarnos un poco en cada fase de la borrasca para acabar definiendo alguna de las características de cada frente.

En 1919 Jack Bjerkness (izq) publica «On the Structure of Moving Cycloness», su primer modelo de borrascas. En él describían los frentes fríos y cálidos, pero era un modelo estático. Ese mismo año Tor Begeron (derecha) dio ideas sobre una fase de oclusión de frentes.

Ambos meteorólogos oclusionaron sus ideas poniendo la primera piedra a la teoría "definitiva": "las depresiones o borrascas se originan como ondulaciones en la zona de separación entre dos masas de aire: fría polar y cálida tropical". A esta zona la llamaron "el frente polar".

Sin embargo, al meteorólogo Halvor Solver no le gustaban mucho estas ideas y quiso meter algo de física y matemática a la teoría dando propiedades ondulatorias a la borrasca. Esto llevó al descubrimiento de la inestabilidad baroclínica, de la que hablaremos en otro hilo.

Ellos establecieron la base teórica de futuros modelos de borrascas y posteriormente Bergeron incorporó el análisis isobárico. Aquí se muestra una imagen de las distintas fases por las que pasaría una borrasca.

Los principios de lo que se conoce como Escuela de Bergen se resumen muy bien en este fragmento de este artículo de Manuel Puigcerver que aloja @Divulgameteo en su web. De ahí he sacado algo de lo que os he contado y algunas figuras y amplían mucho más divulgameteo.es/uploads/Escuel…

En esta teoría vamos a hablar todo el rato de frentes,. Se suelen definir como una frontera entre dos masas de aire (cálida y fría, húmeda y seca, aire estratosférico y troposférico), haciendo una analogía con el frente en la guerra.

Para identificarlos en los mapas del tiempo se suelen usar estos símbolos. La flecha o la media circunferencia indica la dirección a la que se mueve la masa de aire. Vamos a comentar a la vez la teoría del frente polar y las características de cada frente.

En la primera fase de esta teoría tenemos un frente estacionario. Aquí el aire cálido no avanza mucho respecto al frío y se mueven casi paralelos, pero el aire cálido puede acabar sobrepasando al frío y subir (ya que es más ligero), formando nubes y lluvia.

Las lluvias y nubes que se pueden formar como consecuencia son estratiformes, por lo que la lluvia es suave. El problema reside en que el frente puede quedarse durante días en la misma zona y provocar inundaciones en la zona.

La ciclogénesis comienza realmente cuando se produce una perturbación en esa separación de masas de aire. Esta perturbación tiene nombres como onda frontal u onda ciclónica. Las masas de aire empieza a rotar ciclónicamente (antihorariamente en el hemisferio norte).

El movimiento de masas de aire genera una zona de bajas presiones y se crean dos nuevos tipos de frente: el frente cálido al este y el frente frío al oeste. Aquí el tipo de frente hace referencia al aire que se mueve MÁS rápido. Vamos a hablar de ellos.

En el frente cálido (flechas rojas y semicirculares) el aire cálido se mueve más rápido que el frío y como el cálido es más ligero (-denso) que el frío acaba elevándose, pero de forma suave y por una pendiente.

Este último hecho hace que las nubes tengan muy poco espesor, pero sean anchas a lo largo del frente, por lo que las nuben suelen ser estratus. Al ser de poco espesor, la lluvia es suave (de tipo estratiforme). Cuando viene un frente se aprecian primero cirrus y altoestratus.

Cuando pasa el frente, la dirección del viento cambia repentinamente y se da un cambio en la presión. Además, la evaporación de gotas de agua al caer pueden saturar el aire y formar nieblas (nieblas de frente), que desciende a superficie por la alta estabilidad de la zona fría.

Mientras, al oeste de la onda frontal, el aire frío es el que es más rápido que el cálido, por lo que ahora tenemos un frente FRÍO. Esto es lo que marca la diferencia con el cálido, pues aquí la elevación del aire cálido va a ser mucho más forzada y violenta.

Por lo que la pendiente de separación del aire va a ser más grande que el frente cálido. Esto se traduce en un aumento del espesor de las nubes, hasta el punto de permitirse la formación de nubes de tormenta (cumulonimbus), por lo que las lluvias serán más fuertes

Las nubes que se formen serán de tipo cúmulo, pero antes de llegar al frente pueden verse también nubes altas del tipo cirrus. A veces incluso se pueden llegar a ver sistemas organizados como líneas de turbonadas.

Los frentes fríos se identifican con una línea con flechas triangulares azules y al igual que en el frente cálido, al pasar por una zona cambia la dirección del viento, baja la presión y se producen cambios en la visibilidad y cota de nieve.

Estos tipos de frente pueden tener zonas donde hay descenso de aire cálido (imagen b), el catafrente y otras donde hay ascenso de este, el anafrente (img a). Donde 🔼el aire cálido las nubes pueden crecer más hacia arriba y donde 🔽, estarán más limitadas y la lluvia será + suave

Un pequeño truco memorístico para aprenderse cada tipo usando el prefijo griego.
-Anafrente 🔼= subida, como los ANAbolizantes, que te ponen p'arriba.
-Catafrente 🔽 = bajada, como las CATaratas, en las que el agua cae y baja.

Otra distinción entre tipos de frente es frente activo y no activo. En un frente activo hay una componente de viento transversal u oblicua respecto al movimiento del frente a través de una capa, lo que permite el 🔼 de aire y en un inactivo la componente es paralela y no hay 🔼

El frente frío es más rápido que el cálido, por lo que habrá un momento en el que este último se alcanzado. Es entonces cuando se produce otra fase importante de la evolución de la borrasca: la oclusión.

Aquí se muestran las fases de una oclusión. El aire frío del frente frío va a elevar todo el aire cálido de la superficie hasta alcanzar al aire frío del frente cálido e irá formando nubes de bastante espesor, como en un frente frío.

La oclusión puede ser de dos tipos, dependiendo de si el aire frío del frente frío es más cálido o no que el aire frío del frente cálido. Si el del frente cálido es más frío, el del frente frío ascenderá por una pendiente como si de un frente cálido se tratara: la oclusión cálida

Si en cambio, la del frente frío es más fría, la masa de aire frío del frente cálido ascenderá violentamente, como sucedía con la masa de aire cálido en el frente frío. Tenemos una oclusión fría, las fases las mostramos hace 2 tuits.

Parece ser que la oclusión cálida suele ser la mas frecuente, aunque en algunos libros proponen que se defina la oclusión fría/cálida como la que se forma cuando el aire más estable permanece detrás del frente frío/ delante del cálido.

Las características de cada oclusión son análogas a las del tipo de frente. En la oclusión cálida las nubes tendrán menos espesor y la lluvia será más suave y en las frías serán lo contrario. Aquí tenéis una imagen gráfica más general.

Una vez que ya no quede aire cálido que pueda ascender comienza la disipación de la borrasca, disminuye la zona de lluvia y la borrasca se acaba disipando. En esta imagen se resume todas las fases mencionadas anteriormente.

La teoría del frente polar no es perfecta, ya que por ejemplo no se explica satisfactoriamente por qué el aire frío es más rápido que el cálido, es un modelo empírico (basado en observaciones), por lo que por ejemplo falla al explicar la dinámica del aire en mayores alturas.

Además todas las borrascas no tienen por qué desarrollarse en ondas frontales. Por ejemplo, son diferentes las ondas formadas en Norteamérica y en el Atlántico Norte por los cambios en el terreno asociados con las montañas Rocosas, por ejemplo.

No obstante, esta teoría se fue desarollando todavía más en años anteriores. En los años 30, Bergeron propuso la distinción entre ana y katafrente y otros meteorólogos como Sutcliffe o Shapiro-Keyser han ampliado la teoria.

Vosotros podéis comprobar las fases de una borrasca con los mapas de nullschool, seleccionando por ejemplo el 7 de diciembre de 2021 y viendo la separación de distintas masas de aire o cambios en el viento.

https://twitter.com/scnycc/status/1468262972824997893

Además que esta forma de distinguir las fases de una borrasca se usa para mostrar la situación sinóptica en superficie, como hace actualmente AEMET. aemet.es/es/eltiempo/pr…
En este hilo os enseñé a identificar los tipos de frentes en mapas

https://twitter.com/scnycc/status/1359872245921968132

Vamos a acabar viendo algunas características de la teoría sobre frentes que se hicieron para explicar su intensificación (frontogénesis) o debilitamiento (frontolísis)

Hemos visto que el frente cálido y frío tienen una pendiente, Margules dedució una formula para poder calcularla de forma aproximada y muestra, como la teoría, que la pendiente de un frente frío es mayor que la de un cálido.

Para obtenerla asumió que el frente era simplemente una línea de separación y una zona de discontinuidad en la temperatura y densidad y usó la ecuación del gas ideal y del viento geostrófico.

Además obtuvo 2 resultados importantes:
-La vorticidad (giro) debe ser positiva
-El gradiente de presión normal al frente debe ser mayor en el ladode aire frío que el gradiente de presión en el lado cálido

Aún así la teoría tenía sus fallos por ejemplo, se obtenía que la velocidad meridional debería ser igual, cuando esto en la práctica no es cierto. Por eso, lo mejor es ver el frente como una zona de discontinuidad en el GRADIENTE de temperatura.

En este caso, la frontera (el frente) tiene un cierto espesor, formando una especie de densidad de corriente en el que un fluido denso está rodeado de un fluido ligero y la fuerza que lo conduce son los gradientes de presión.

Como normalmente el fluido pesado permanece debajo del ligero (como en el frente cálido), los frentes tienen una alta estabilidad estática. Además, debido a la diferencia en masas de aire hay un fuerte gradiente horizontal de temperatura, humedad y viento y mínimos de presión.

Aviso que a partir de aquí empieza a subir el nivel de la física y matemática. Como hay una discontinuidad en el gradiente de temperatura (el cambio de temperatura es mayor o menor en ciertas zonas) nos interesa saber cómo cambia con el tiempo esta magnitud.

Pero a los meteorólogos le interesa saber más como cambia la temperatura potencial, que es la que tendría una burbuja del aire aire si se llevara a un cierto nivel de presión (normalmente 1000 hPa) sin intercambiar calor con el ambiente (de forma adiabática)

El cambio del gradiente de temperatura con el tiempo se le llama función frontogenética. Si es >0 habrá frontogenésis y si es <0 habrá frontolísis. Como podréis ver, si se desarrolla al completo nos sale un chorizo de fórmula

Por eso se hacen bastantes simplificaciones, asumimos que nos movemos con el frente y que se mueve en la dirección horizontal. Esta expresión tiene 4 términos.

El que he señalado como (1) es el de confluencia y nos dice que cuanto más juntas estén las isoentrópicas (líneas de igual temperatura potencial, θ) y si la velocidad del viento disminuye en el espacio habrá frontogénesis. Si están mas separadas, habrá difluencia y frontólisis.

El de inclinación nos dice que si se incrementa el movimiento vertical a un lado y a otro en la dirección y, habrá frontogénesis. Por ejemplo con movimiento cálido descendente y frío ascendente. El de cizalladura gira las isoentrópicas y realiza frontogénesis indirectamente.

Y finalmente el diabático nos dice que las diferencias de temperatura pueden favorecer la formación del frente. Ejemplo calentamiento solar durante el día en zona despejada y sin calentar el lado nublado favorece la frontogénesis. Por la noche habría lo contrario.

Otra forma de ver la confluencia, si las isoentrópicas forman un ángulo menor de 45º con el eje x, habrá frontogénesis porque ese será el eje de dilatacion. Si el ángulo es mayor, habrá frontólisis y aquí el eje x será el de contracción.

Otra aclaración de los frentes es importante hacer, como la oclusión. Sabemos que para que se formen nubes hace falta inestabilidad y ascienda el aire, pero en los frentes hay estabilidad, ¿entonces por qué se generan lluvias?

La clave es otro tipo de inestabilidad, la simétrica, que mezcla la anterior con la inercial, en la que se generan inestabilidades por cambios en la fuerza de Coriolis. Para que se de, el producto de la vorticidad potencial por el parámetro de Coriolis debe ser 0

Por eso las bandas de lluvias de los frentes se suelen tratar como entidades separadas. Suelen haber de dos tipos en los frentes: de tipo ancho y tipo estrecho, aquí tenéis la de un frente frío (imagen de Mesoscale Meteorology in Mid Latitudes de Markowoski)

También suelen haber frentes de humedad (la línea seca),entre aire continental y marítimo o frentes en niveles altos entre aire troposférico y estratosférico,y fenémones como la seclusión de los que hablé en este hilo

https://twitter.com/scnycc/status/1359872245921968132

Y eso es todo, quizás hable más de estos últimos en otro hilo de fenómenos mesoescalares, pero no se recogen en la teoria del frente polar. Vamos con algo de bibliografia que he usado, ademá de artículos que he mencionado antes.

Imágenes de frentes aulafacil.com/cursos/medio-a…
atmos.illinois.edu/~snodgrss/Midl…
Teoría del frente polar eumetrain.org/satmanu/polar_…
divulgameteo.es/fotos/misartic…

Libros:
Meteorology Today, de Ahrens y Atmosphere, Weather and Climate de Barry para las características de frentes.
Synoptic dynamic meteorology in midlatitude
vol 2, cap 2. De Bluestein y Midlatitude Atmospheric Dynamics, cap 7 de Martin para la parte más física y matemática

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