El transporte de vapor de agua en la atmósfera terrestre, desde los trópicos a las latitudes medias, muchas veces se organiza en bandas delgadas (de algunos cientos de kilómetros) pero de gran longitud (miles de kilómetros) denominados ríos atmosféricos (RA; Figura 1). Estos “ríos en el cielo” pueden llegar a transportar un flujo de agua (en forma de vapor) comparable con el caudal del río Amazonas. Cuando un río atmosférico es obligado a ascender sobre un frente o zonas montañosas, el vapor se convierte en agua líquida o sólida produciendo precipitaciones (Figura 2). La precipitación debido a los RA puede ser beneficiosa (por ejemplo, contribuyendo a formar el manto nival sobre la cordillera) o peligrosa en casos de gran intensidad, eventualmente, generando inundaciones y aluviones.

Figura 1.Contenido total de vapor de agua en la tropósfera para el 7 de julio de 2019. Esta variable es equivalente a tomar todo el vapor en la columna troposférica y condensarla, por lo que se expresa en milímetros por metro cuadrado. Varios ríos atmosféricos (RA1, RA2… RA6) son evidentes en este día. La imagen es obtenida en base a mediciones satelitales en el rango de las microondas

Figura 2. Esquema de la relación entre un río atmosférico (flecha verde), sistema frontal y precipitación sobre Chile para (a) un caso de fuerte bloqueo orográfico y (b) débil bloqueo orográfico.

Los RA son de particular interés para la meteorología en Chile, pues la presencia de la cordillera de la Costa y sobre todo de los Andes logra -de manera muy efectiva- transformar el vapor en hidrometeoros (gotas o cristales de hielo) y, eventualmente, en precipitación. Entre cinco y quince ríos atmosféricos alcanzan la costa de la zona centro-sur de Chile cada año, generando más del 50 % de la precipitación acumulada anual (Viale et al. 2018; Figura 3). Por otro lado, cerca de la mitad de las tormentas más intensas y dañinas se asocian a los RA, especialmente, cuando estos se elongan en forma zonal (a latitud constante), incidiendo en las montañas en forma casi perpendicular y asociados a condiciones cálidas (Garreaud 2013; Valenzuela & Garreaud 2019).

Figura 3. Promedio histórico del número de días con ríos atmosféricos sobre Sudamérica para invierno y verano. Gentileza de Jorge Eiras.

Objetivos

Esto es lo que ha motivado la implementación del primer Observatorio de Ríos Atmosféricos (ORA) en nuestro país. Específicamente, el ORA ayudará a responder las siguientes preguntas (y muchas otras que aparecerán en el transcurso de las mediciones):

1. ¿En qué parte de la tropósfera (baja, media o alta) se produce la mayor parte de los hidrometeoros que dan origen a la precipitación en superficie?
2. ¿Qué fracción de la lluvia se origina sobre o bajo el nivel de congelamiento (ice initiated / warm rain)?
3. Considerando la gran escala, ¿Existe una relación sistemática entre la proveniencia de los hidrometeoros (II/WR) y las configuraciones sinópticas o etapas de la tormenta?
4. De manera similar, pero considerando la escala local, ¿la proveniencia de los hidrometeoros (II/WR) produce un sesgo sustancial en la distribución de la intensidad de la lluvia en la zona costera y en el gradiente orográfico de precipitación?
5. ¿Es posible inferir la altura de la isoterma 0 °C en base a los datos del micro radar de precipitación?
6. ¿Cómo se relaciona la intensidad de precipitación “instantánea” (menos de un minuto) con las estadísticas agregadas de precipitación (acumulación mayor a una hora)?
7. ¿Es posible validar y calibrar las estimaciones satelitales de precipitación empleando la información local generada por el ORA?

Ubicación

Considerando la alta frecuencia con que arriban los ríos a la zona centro-sur de Chile y sus grandes impactos, el ORA fue instalado en la ciudad de Concepción, ubicada en la costa de la región del Biobío (36° 46′ S 73° 03′ O; Figura 4).

Para asegurar la seguridad, energía y comunicaciones con el ORA, este se encuentra emplazado en la azotea de la Facultad de Ciencias y matemáticas de la Universidad de Concepción (UdeC) (Figura 5), a unos 35 metros sobre el nivel del suelo y 50 metros sobre el nivel del mar.

Figura 5. Fotografía del ORA en la terraza de la FCFM-UdeC ® Maxi Viale, 8-4-2022

Los datos se transmiten a dos computadores ubicados en el Departamento de Geofísica de la Universidad de Concepción (Figura 6).

Figura 6. Esquema de conexión del ORA

Para responder las preguntas planteadas inicialmente, el ORA cuenta con diversos instrumentos de última generación que operan en forma autónoma y automática y con una alta tasa de muestreo, dando cuenta de las condiciones meteorológicas locales (estación automática y disdrómetro) y de la estructura de las nubes sobre Concepción (micro radar de lluvia y nefobasímetro).

Los detalles de la instrumentación del ORA se presentan en la siguiente Tabla:

Notas: * PV = Perfil vertical; ** Hidrometeoros: Gotas de lluvia, nieve, granizo, etc;

Cabe destacar que el Micro Radar de Lluvia (MRR) mide en dirección vertical y entrega información de la microfísica de las nubes que precipitan, incluyendo el perfil de reflectividad indicativo de la tasa y tipo de precipitación. La Figura 7 muestra ejemplos de los datos obtenidos con el MRR durante distintos tipos de tormentas sobre Concepción, los cuales complementan las mediciones de los radares a bordo de satélites (recordemos que Chile no posee radares meteorológicos), como el ejemplo en la Figura 8.

El nefobasímetro emite un pulso laser vertical que detecta la base de las nubes (sean precipitantes o no) y la lluvia (Figura 9). En condiciones sin nubes ni lluvia, el nefobasímetro ha probado ser capaz de detectar la capa de aerosoles (contaminación) y, de esa forma, inferir la altura de la capa de mezcla atmosférica (e.g., Muñoz & Alcafuz 2012).

El disdrómetro permite detectar y cuantificar todo tipo de precipitación (líquida y sólida), cuantificando su intensidad casi instantánea y la distribución conjunta de tamaño de los hidrometeoros y su velocidad de caída (Figura 10). Esta distribución es esencial para, luego, poder transformar la reflectividad medida por el radar en precipitación.

En el ORA empleamos el disdrómetro Parsivel-2 de la empresa OTT que se conecta a un computador donde el software ASDO recopila los datos básicos (espectro de gotas) y calcula variables agregadas (como la intensidad de precipitación) cada un minuto. A fines de marzo del 2023 se instaló un segundo Parsivel-2 pero conectado a un datalogger Campbell (CSI) CR3000. Esto no es simple pues son fabricantes distintos (CSI-OTT) y requirió un programa de adquisición de datos desarrollado por José Miguel Campillo (DGF-UCh) disponible aquí. Por ahora, el Parsivel-2 solo le envía al datalogger los datos «agregados», incluyendo la intensidad de precipitación, pero no el espectro de gotas. Aun así, es una buena solución para instalar un disdrometro en lugares remotos donde la energía es una limitante.

La figura adjunta muestra la comparación entre la intensidad de precipitación medida por el disdrometro conectado al PC (usando ASDO) y el conectado al Datalogger CSI CR3000, durante un el paso de un sistema frontal débil sobre Concepción.

Esperamos poder complementar pronto el ORA con un GPS geodético del cual se puede inferir el contenido de vapor de agua de la columna troposférica, y también con una red de pluviómetros en una transecta noroeste-sureste desde Concepción hasta la Patagonia Argentina para estimar el efecto orográfico en distintas tormentas.