ORA - Observatorio de Ríos Atmosféricos

Estado actual: Todos los instrumentos del observatorio se encuentran operativos.

ORA – Observatorio de Ríos Atmosféricos

Varios aspectos de la estructura y dinámica de los RA (Ríos Atmosféricos) que llegan a Chile han sido estudiados a gran escala, en base a reanálisis atmosféricos e imágenes satelitales. No obstante, estos trabajos y fuentes de datos no dan cuenta de los detalles a escala regional y sus impactos.

Para abordar estos aspectos, es necesario contar con información local sobre la estructura fina de la atmósfera en estas condiciones. Esto es lo que ha motivado la implementación del primer Observatorio de Ríos Atmosféricos (ORA) en nuestro país, ubicado en la ciudad de Concepción, región del Biobío.

Motivación

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).

Figura 4. Mapas geográficos de ubicación del ORA

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 cuatro 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:

Figura 7. Perfiles verticales de reflectividad durante cuatro días con precitación sobre Concepción registrados por el MRR.

 

 

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.

 

Figura 8. Ejemplo de datos de radares obtenidos desde un satélite (GPM) el 18 de junio de 2020. El perfil de reflectividad sobre Concepción (datos MRR) se muestran en el panel inferior de la figura 7. Gentileza de Raúl “Radar” Valenzuela

 

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).

Figura 9. Perfiles verticales de reflectividad laser y base de las nubes durante parte del 9 de abril de 2022. Datos obtenidos del nefobasímetro.

Figura 10. Distribución conjunta de tamaño y velocidad de gotas obtenido por el disdrómetro a las 1800 UTC del 9 de abril de 2022.

 

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.

 

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.

Los datos generados por el ORA son masivos y complejos. La totalidad de estos estará prontamente disponible en el servidor ftp del (CR)2. Para más información, contactar a Rene Garreaud (rgarreau@uchile.cl)

Las condiciones meteorológicas (AWS) y el perfil de reflectividad (MRR) actuales se muestran en este enlace. Las condiciones de nubosidad de los últimos dos días se pueden ver en este enlace (gentileza de R. Muñoz, DGF-UCh).

  • Junio-agosto 2015: Realización del Chilean Coastal Orographic Experiment (CCOPE; Massman et al. 2017) en Nahuelbuta, con uso de MRR, disdrometro y otros instrumentos. Especiales agradecimientos a Adam Massman, Leah Campbell y Justin Minder (State University of New York, USA).
  • Diciembre 2015: Instalación del MRR en DGEO-UdeC.
  • Junio 2018: Instalación Estación Meteorológica Automática en DGEO-UdeC.
  • Enero 2022: Instalación Disdrometro en DGEO-UdeC.
  • 7 Abril 2022: Instalación Nefobasimetro en DGEO-UdeC.
  • 8 Abril 2022: Puesta en marcha ORA-C

La instrumentación del ORA ha sido adquirida gracias al aporte de centro Fondap (CR)2 15110009, el proyecto FONDECYT 1211412(RG) y el Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile. El detalle de los instrumentos se presenta en la Tabla 1.

Se agradece, además, la instalación y mantención del ORA por parte de los Departamentos de Geofísica y de Astronomía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Concepción.

El ORA – Observatorio de Ríos Atmosféricos, es posible gracias al dedicado esfuerzo de un equipo interdisciplinario de investigadores, profesionales y técnicos del Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile, Departamento de Geofísica de la Universidad de Concepción y del (CR)2, Centro de Ciencia del Clima y la Resiliencia.

  • René Garreaud, DGF-UCh y (CR)2. Coordinador del proyecto
  • Martín Jacques, DGEO-UdeC y (CR)2. Encargado local
  • Raúl Valenzuela, UOH y (CR)2. Procesamiento MRR
  • José Miguel Campillo, DGF-UCh. Instrumentación
  • Cristian Franco, DGEO-UdeC. Informática local
  • Francisca Muñoz, (CR)2. Datos y cómputos
  • Aldo Montecinos, DGEO-UdeC. Apoyo infraestructura
  • Maximiliano Viale, IANIGLA-Argentina. Transectas pluviométricas
  • Claudia Acuña, Contabilidad y logística Fondecyt 1211412
  • Ricardo Muñoz,  DGF-UCh. Nefobasimetro
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Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile

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