Meteorología Básica: Frentes

Los conceptos de masas de aire y frentes fueron agregados a la literatura meteorológica y a la práctica de la predicción del tiempo alrededor de 1920, por el grupo de meteorólogos en Noruega de la escuela de Bergen. Desde entonces, estos conceptos han encontrado amplia aceptación y ahora figuran entre los pilares principales sobre los que se basa el análisis del tiempo diario. Si se dibujaran los mapas de tiempo en escala 1:1, se encontraría que los frentes, son franjas relativamente angostas de transición entre dos masas de aire diferentes. En los análisis normales, es común usar mapas cuya escala es del orden de 1:10.000.000, de modo que en tales mapas un frente típico se representa por una línea al cruzar la cual varían de manera discontinua la temperatura, el viento y otras variables del tiempo. En este capítulo se desarrolla una descripción cualitativa de los frentes.

Frentes.

Se llama frente a la zona de transición entre dos masas de aire de distintas características físicas: presión, humedad, densidad, temperatura, viento y energía potencial, es decir, es una superficie de discontinuidad en las propiedades del aire, puesto que separa dos masas de aire de distinta naturaleza, donde tienen lugar los fenómenos más importantes del tiempo.

Una masa de aire es generalmente más cálida y contiene más humedad que la otra. En todos los frentes las masas de aire cálidas toman un movimiento a lo largo de la superficie frontal y originan fenómenos variados de nubosidad y con frecuencia lluvias.

Considerando los enormes tamaños de las masas de aire, la discontinuidad entre ellas son relativamente angostas, entre 20 a 50 km de ancho. Es a lo largo de estas zonas donde la energía potencial se transforma en energía cinética generando grandes tempestades viajeras llamadas ciclones frontales. Para la escala de los mapas de tiempo, normalmente son lo suficientemente delgados, por lo que se representan en superficie por una línea gruesa, como se observa en la figura 1; donde las líneas delgadas son las isobaras, las letras A y B indican centros de altas y bajas presiones respectivamente y los números sobre las isobaras son los valores de la presión atmosférica, en hPa.

Un frente se caracteriza por (a) un cambio rápido en la dirección del viento, que se ve a lo largo del frente y un típico doblez en las isobaras, cuyo vértice apunta en sentido desde las bajas a las altas presiones (figura 1). (b) A menudo, aunque no siempre, un frente está asociado a nubosidad extensa, que produce la precipitación, principalmente en el lado frío del frente. (c) En casos extremos, la temperatura cerca del suelo puede estar influida fuertemente por condiciones locales, esto puede confundir los contrastes existentes a través de capas profundas de aire.

Figura 1 Sistema frontal en superficie

Un frente, además de ser una zona de rápida transición de temperatura, también lo es de rápido cambio de la presión y el viento. Como el aire frío es mas denso, aquí el peso de la columna de aire es mayor que en el aire caliente. Este exceso de presión de la cuña fría bajo el frente es la causa de que las isobaras se doblen, apuntado hacia las altas presiones en superficie. Si un observador se coloca con el viento a su espalda en el sentido de avance del frente, el viento se desviará a su derecha en el hemisferio sur cuando pase el frente. Normalmente la velocidad del viento cambiará cuando el frente pase, aumentando o disminuyendo, según la separación de las isobaras.

La discontinuidad frontal se comporta como una superficie que se inclina con la altura. Sobre el suelo, la pendiente de la superficie frontal tiene un ángulo pequeño tal que por la pendiente el aire cálido se superpone al aire frío. En un caso ideal, las masas de aire de ambos lados del frente deberían moverse en la misma dirección y con la misma rapidez. En esas condiciones, el frente debería actuar simplemente como una barrera que viaja junto con las masas de aire, y ninguna masa podría romper la barrera. Sin embargo, generalmente la distribución de presión a través del frente es tal que una masa de aire se mueve más rápido que la otra. Así una masa de aire avanza activamente sobre la otra y “choca” con esta. De ahí el nombre de frente por similitud con los frentes de batalla de la I Guerra Mundial. Cuando una masa de aire se mueve sobre otra, se produce alguna mezcla en la superficie frontal, pero por la mayor parte, la masa de aire mantiene su identidad. Independiente de cual es la masa de aire que avanza, es siempre el aire más cálido y menos denso el que es forzado a ascender, mientras que el aire más frío y más denso actúa como una cuña sobre la cual se produce el ascenso del aire cálido. Generalmente se usa el término invadir para referirse al aire cálido que se desliza hacia arriba sobre una masa de aire frío.

Los frentes se clasifican según su movimiento respecto a las masas de aire frío y caliente. Se distinguen cuatro tipos de frentes: cálido, frío, es tacionario y ocluido. Se representan gráficamente en los mapas, con triángulos y/o semicírculos, dirigidos hacia donde avanza el frente, se usa una línea azul para frente frío, roja para frente cálido, azul y rojo para estacionario o violeta para frente ocluido, con los símbolos que se indican en la figura 2.

Figura 2 Simbologia de los frentes

Frente cálido.

Cuando la posición en superficie de un frente se mueve de tal forma que el aire cálido ocupa un territorio anteriormente cubierto por aire frío, se produce el frente cálido (figura 3). En un mapa de tiempo, la posición en superficie de un frente cálido se muestra con una línea con semicírculos rojos que se extienden hacia el aire frío. A medida que el aire cálido avanza, el aire frío más pesado y más lento que retrocede es frenado aún más por la fricción en superficie, haciendo más lento el avance del frente en superficie comparado con su movimiento en niveles más altos, lo que hace que el límite de separación de las dos masas de aire adquiera una pendiente muy gradual. La pendiente del frente cálido promedio es sólo de 1:200. Esto significa que si usted se encuentra a 200 km adelante de la ubicación del frente cálido en superficie, la superficie frontal debería estar 1 km por encima de su cabeza.

Figura 3 Frente cálido

Frente cálido.

Cuando el aire cálido asciende al retirarse la cuña de aire frío, se expande y enfría adiabáticamente, haciendo que la humedad se condense en nubes y comience la precipitación. La estabilidad o inestabilidad de la masa de aire cálido puede modificar los tipos y abundancia de las nubes, pero la secuencia de nubes que se esquematiza en la figura 10.3, típicamente precede a un frente cálido. La primera señal de aproximación de un frente cálido son las nubes cirrus, esas nubes se forman donde la invasión del aire cálido ha ascendido tan alto llegando hasta el borde del aire frío, unos 1000 km o más adelante del frente en superficie. Con esto se inicia el descenso de la presión debido al aire cálido que asciende. Cuando el frente avanza, aparecen los estratos con tres familias consecutivas: Primero cirrustratos, aquí la presión continua bajando, pues se espesa la capa de aire cálido que es más ligero. Luego los cirrustratos bajan y se transforman en altostratos, que pueden producir alguna llovizna, la presión continua bajando y el viento aumenta significativamente su velocidad.

Después unos 300 km adelante del frente, aparecen nubes stratus y gruesas capas de ninbustratus, que se ubican sobre el mismo frente donde comienza una lluvia más insistente, la presión sigue bajando y el viento puede alcanzar sus mayores intensidades. Tras el paso del frente cálido, llega la masa de aire cálido la cual empuja la masa de aire frío, aquí la presión alcanza su valor más bajo y se estabiliza. Estas últimas capas más bajas, de tipo nimbustratos, pueden formar masas densas de estratos y cúmulos, que oculten el cielo y cubran al menos parcialmente las nubes más altas, que suelen venir con nieblas que son mas densas mientras mas fría se encuentre la masa de aire de abajo. No obstante, cuando el aire caliente no es estable, pueden no existir los estratos, pero sí los cúmulonimbos, formándose en cambio estratos en la masa de aire frío cuando ésta es estable. Los caracteres de la lluvia varían también con la estabilidad, iniciándose bruscamente en el aire caliente inestable, con fuertes chubascos y tormentas; mientras que si el aire caliente es estable, la lluvia se inicia suave y lentamente sin alteraciones violentas. Los frentes cálidos corresponden a todos los ciclones de tipo extratropical, llamados depresionarios o sistemas nubosos depresionarios, que se trasladan lentamente dando lugar a precipitaciones de largo período, conocidas como lluvias ciclónicas.

Debido a que su rapidez de avance es muy baja ya que su pendiente varía muy poco, los frentes cálidos generalmente producen precipitación ligera a moderada sobre un área grande y por un largo período. Los frentes cálidos, sin embargo, están ocasionalmente asociados con cumuloninbus y tormentas. Esto ocurre cuando la invasión de aire es inestable y las temperaturas en lados opuestos del frente contrastan fuertemente. Cuando existen tales condiciones los cirrus son generalmente seguidos por cirruscúmulos. También se puede producir extremo opuesto, esto es que un frente cálido asociado con una masa de aire seco puede pasar inadvertido en la superficie.

La precipitación asociada a un frente cálido (figura 3) se produce adelante del frente en superficie. Parte de la lluvia que cae a través del aire frío de abajo se evapora. Como resultado, el aire directamente debajo de la nube a menudo se satura y se desarrolla una cubierta de nubes stratus. Esas nubes generalmente crecen rápidamente hacia abajo, formando la niebla frontal.

Cuando el frente cálido pasa, la temperatura gradualmente se eleva, y se nota un cambio en la dirección del viento. La humedad y la estabilidad de la masa de aire invasora determina el período de tiempo que se requiere para volver a tener cielos claros. En el aire inestable que sigue al frente, se forman algunos cúmulos, que pueden producir precipitación, pero generalmente en áreas pequeñas y de corta duración, son los chaparrones postfrontales, esta inestabilidad puede mantenerse todo un día.

Frente frío.

Cuando el aire frío avanza hacia adentro de una región ocupada por aire cálido, la zona de discontinuidad se llama frente frío (figura 4). Igual que en el frente cálido, la fricción retarda el avance de la posición en superficie de un frente frío en comparación con su posición más arriba, así el frente frío se inclina cuando se mueve. En promedio, los frentes fríos tienen una inclinación el doble de los cálidos, es decir una pendiente del orden de 1:100. La rapidez promedio de un frente frío es alrededor de 35 km/h en comparación con los 25 km/h de un frente cálido. Esas dos diferencias, inclinación de la pendiente frontal y rapidez de su movimiento, tiene un gran efecto en la naturaleza más violenta del tiempo de un frente frío comparado con el tiempo que normalmente acompaña a un frente cálido. En los mapas de tiempo se simboliza con una línea con triángulos azules que apuntan hacia el aire cálido. El vigoroso ascenso del aire en un frente frío es tan rápido que la liberación del calor latente aumenta el empuje del aire apreciablemente. Esto produce fuertes chaparrones y violentas ráfagas de vientos asociados con cumulonimbus maduros. Debido a que el frente frío produce aproximadamente la misma cantidad de ascenso que un frente cálido, pero en una distancia más corta, las intensas precipitaciones son mayores, pero de más corta duración.

Figura 4 Frente frío.

La llegada de un frente frío marca un sensible cambio de las condiciones atmosféricas. Cerca del frente, una oscura banda de nubes amenazadoras predicen el tiempo que se avecina. Su franja de nubes es mas estrecha, ya que el aire frío de la cuña se calienta adiabaticamente y disminuye su humedad relativa; por lo que suele tardar poco en llegar desde que se observan las primeras nubes, ya que el aire cálido asciende con mayor velocidad sobre el frente y se enfría adiabaticamente más rápido, lo que provoca la formación de nubes favorables a la lluvia. Al ser el ascenso del aire prácticamente vertical, la condensación se produce en forma de cumulonimbus, que son de gran altura; se configuran en forma de potentes torres que se ensanchan notablemente con la altura. Se originan chubascos intensos siendo frecuentes las granizadas y tormentas si es que el desarrollo vertical es alto y brusco. Si por el contrario el aire ascendente es estable, los contornos de las nubes son más suaves (como nimbustratos) y las precipitaciones más continuas. Al paso de este frente el viento alcanza su mayor fuerza. A la llegada del frente la presión sube porque empieza a haber aire frío mas pesado en altitud; y a medida que el aire va entrando aumenta la presión y el viento va disminuyendo, la lluvia cesa y aparecen los cúmulos (figura 4).

El tiempo detrás del frente frío está dominado por subsidencia anticiclonica y masas de aire relativamente frío, dando paso a cielos claros muy pronto después que ha pasado el frente. Aunque la compresión del aire por subsidencia produce algún calentamiento, su efecto en la temperatura de superficie es mínimo. En invierno, los cielos despejados que siguen al pasaje de un frente frío, además reducen la temperatura en superficie por el alto enfriamiento radiativo que se produce durante la noche. Si la masa de aire polar continental o marítimo que generalmente acompaña a un frente frío, se mueve hacia una zona relativamente cálida y húmeda, el calentamiento del aire desde la superficie puede producir convección superficial. Esto a su vez produce detrás del frente cúmulos bajos o estratocúmulos. Normalmente estos frentes duran poco tiempo, se presentan con aspecto nuboso y amenazador, al que siguen fuertes vientos y abundantes precipitaciones. Este tipo de frente corresponde a los ciclones o tormentas típicas del verano.

Frente estacionario.

Ocasionalmente, el flujo de aire a ambos lados de un frente no es ni hacia la masa de aire frío ni hacia la de aire cálido, sino que paralelo a la línea del frente, así la posición en superficie del frente no se mueve y se llama frente estacionario. En una carta sinóptica, estos frentes se muestran con una línea con triángulos azules apuntando hacia el lado cálido alternados con semicírculos rojos en el lado frío. Sus características atmosféricas serán similares a las del frente que lo originó, aunque es más probable la ocurrencia de precipitación suave a moderada, salvo que persistirán en la región que ocupan, ya que el frente no se traslada. Si se mueve muy poco, se llama frente semiestacionario.

Frente ocluido.

Cuando un frente frío activo alcanza a un frente cálido, se forma un frente ocluido. Cuando el avance de la cuña de aire frío empuja hacia arriba al aire cálido, se forma un nuevo frente entre el aire frío que avanza y el aire sobre el cual el frente cálido se desliza. El tiempo de un frente ocluido es generalmente complejo. La mayor precipitación esta asociada con el aire cálido que ha sido forzado a ascender. Sin embargo cuando las condiciones son apropiadas, el frente recién formado, puede iniciar su propia precipitación.

Existen los tipos de frentes ocluidos fríos y cálidos. Si el aire más frío de un frente frío que avanza se encuentra con el aire menos frío de un frente cálido y se adelanta, ascendiendo el aire menos frío sobre el aire más frío, se tiene un frente ocluido frío (figura 5 a). También es posible que el aire detrás del avance de un frente frío, sea más templado que el aire frío que es adelantado, se forma un frente ocluido cálido (figura 5b).

Figura 5 Frente ocluido a) frío

Figura 5 Frente ocluido b) cálido

Estructura térmica vertical de los frentes.

Al ascender por la vertical z encontramos que los frentes poseen características propias en cuanto a la variación vertical de temperatura T, como se muestra en el esquema de la figura 6. Si el frente se encuentra fuertemente señalado, la temperatura aumentará a través de la capa frontal, en el caso de que se encuentre moderadamente señalado la temperatura se mantendrá mas o menos constante y si el frente estuviese débilmente señalado la temperatura descendería. Lo importante es que el gradiente de temperatura, sea menor dentro de la capa frontal. La movilidad del aire, según la vertical, y los intercambios de calor y humedad aumentan rápidamente con el gradiente de temperatura. Como consecuencia tenemos que los frentes se comportan como una barrera contra tales intercambios, es por eso que el calor y la humedad que hay abajo de la superficie frontal se distribuyen dentro de la cuña fría y en muy poca medida atravesaran la superficie frontal, lo mismo para la masa de aire cálida. Cuanto más fuertemente señalado este el frente, más eficaz será como barrera.

Figura 6. Variación vertical de temperatura en un frente.