Project overview

by Sofía Corazza and Luciano Vidal, Servicio Meteorológico Nacional, Argentina

Torrential rains with flash floods, destructive winds accompanied by tornadoes, large hail, and intense electrical activity, are some of the meteorological phenomena characteristic of the area known as SESA (Southeast South America), identified as one of the regions with the most severe storms on the planet. "We want to know why the storms are so intense in Argentina" said Steve Nesbitt, Professor of Atmospheric Sciences at the University of Illinois and responsible for the RELAMPAGO Project (Remote Sensing of Electrication, Lightning, And Mesoscale / microscale Processes with Adaptive Ground Observations). Perhaps the majority of Argentines do not know it, but the central zone of our country is an almost perfect environment for the development of the most intense storms around the globe. Perhaps we are more familiar with the images of tornadoes that drag everything in its path in the North American plains, those that are shown daily on television being captured by storm chasers, however, the Argentine territory is the scene of such phenomena, sometimes, much more intense and of longer duration. But why is this not commonly known? Because despite its strength and its great impact, these storm systems have been poorly monitored, understood and predicted in our region. RELAMPAGO is an international research campaign that will bring facilities, equipment and specialists to study the unique characteristics of Argentine storms with resources from different US agencies such as the National Science Foundation (NSF), NASA, NOAA, in cooperation with agencies and institutions meteorology and scientists from Latin America and that will represent an investment amount of $30 million dollars from the US and $1 million dollars from Argentina and Brazil. RELAMPAGO is a project of international interest, since it will not only bring benefits to the South American countries, but will contribute to the scientific knowledge about extreme storms that affect other parts of the world (including the US plains) and about the relationships between the systems of storms and the environment in which they develop. In addition, it will provide new scientific and educational connections between Latin America and the US. Thus, it is expected to achieve an improvement in the forecasts of these phenomena globally.

We interviewed Nesbitt, who has studied severe storms for nearly 20 years.

Central Argentina, a natural laboratory

The hypothesis that motivates this large project is that the meteorological and geographical scenario that extends between the Cordillera de los Andes of Mendoza and the Pampas region, including the provinces of San Luis and Córdoba, provides unique mechanisms for initiation, intensification and large-scale growth of severe storms. These factors contribute to the development of unique convective phenomena that govern the high-impact meteorological events in South America. Therefore, according to Nesbitt, principal investigator of RELAMPAGO: "The scientific community has a special interest in studying the characteristics of storms in Argentina because it is a natural laboratory. I am very interested in RELAMPAGO, because it will allow us to reveal, potentially, some of the mysteries of why Argentine storms become so severe."

Water vapor is the fuel of storms. The SESA region has what specialists call the Chorro Current in Low Layers of South America, an area of locally more intense winds, which develops up to approximately 2 km in altitude (the troposphere where storms form is about 17 km). This low level flow is responsible for transporting air rich in humidity and characterized by high temperatures. This is usually combined with mechanisms of regional or local scale - such as the mountain and valley breezes that occur in the presence of the Sierras de Córdoba or the passage of fronts from the South Pacific Ocean that, added to the instability of the atmosphere, favor the initiation of storms by setting the environment that triggers the storms. This set of elements, together with the complex characteristics of the territory in the region, as an area of mountains, mountains and valleys, constitute the region of RELAMPAGO in an ideal scenario for deep convection that organizes into long-lived systems. For this reason, the zones chosen for the intensive study are the regions of Mendoza and the Sierras de Córdoba, where the convective mode (types of storms) and the meteorological and hydrometeorological impacts are different.

In contrast to other parts of the globe, especially the great plains of the USA, where storms develop in a large aeral domain and have been deeply studied, the SESA region presents a unique geography and convective phenomena that give rise, over a more limited geographical area, to the most intense storms on the planet. The objective is to explain why these systems of storms are so intense and to estimate this type of phenomena, since despite their intensity and the high-impact meteorological events that they generate over the La Plata basin, where 16 million people live, they have been scarcely studied. Hence the interest in making available to the campaign a complex of equipment and researchers devoted to the task of monitoring to have a more accurate understanding of the characteristics and intensitities of storms in the central region of our country.

Disaster Zone

In the last 30 years, floods were the most destructive natural disaster in Argentina, impacting 13 million people and causing at least 8.9 billion of dollars in property damage. A recent survey, carried out in the scientific literature, published by Rasmussen and others (2014), shows that during the Spring and Summer, the regions most affected by floods, between 1998 and 2013, are located in the Sierras de Córdoba area and in Mendoza. The province of Mendoza reports around 35 severe storms per summer and is famous worldwide for the frequency of destructive hail. In total, 10% of agricultural production in Mendoza is lost due to severe meteorological phenomenon. The estimated statistic suggests that it hailed 8% of the days from October 15 to March 31, between 2000 and 2003. The hail damages the value of the vineyards so much that the province had started mitigation activities as early as 1958. To somewhat of a lesser extent, Córdoba also suffers hail storms, but in the Sierras region, the province is most notable for the occurrence of tornadoes. The frequency of reports of this type of phenomenon (368 tornadoes between 1930-1979, Altinger de Schwarzkopff and Rosso, 1982) is significantly lower than that of the USA. However, the region has poor radar coverage, so the numbers are estimates. In addition, in Argentina these storms are even more difficult to report, since they are rarely seen by the population, and since it is concentrated in large cities and there are immense extensions of uninhabited rural areas. Meteorological events of this type in the SESA area are much less studied than in other places, especially compared with USA and Europe. Despite its limited monitoring, understanding and study, the satellite information allows us to estimate that the SESA region has the following characteristics: 1) the storms with the greatest vertical development of the Earth; 2) the most intense lightning flash rates by storm; 3) the highest density of hailstorms in the world. That is why there is international interest in studying the region.

Institutional context and general objectives

The US National Science Foundation, together with other organizations in the US including the Department of Energy, NASA, and NOAA, will bring to Argentina equipment and human resources for the campaign that will take place between August 2018 and April 2019 and which will have a more intensive measurement period from November to December 2018. The entire campaign will bring together more than 100 participants among researchers, engineers and students from the countries involved. "It will be a research campaign to study the unique characteristics of the storms that occur in Argentina. We will have a large number of instruments from the United States and we will also use equipment provided by the Servicio Meteorológico Nacional as well as US, Argentinean, and Brazilian universities," Nesbitt said. The project is considered a new milestone in scientific and educational cooperation between the United States and Latin America. In addition to being a testbed for the High Impact Meteorological Events (HIWEATHER) program of the World Meteorological Organization, since it will allow to evaluate the capacity of certain tools for the prognosis of this type of phenomena that have a high impact on local communities. The local principal investigator of the project, Dra. Paola Salio - researcher in CONICET - said that from the point of view of Argentina this type of technological cooperation becomes essential since: "The experiments of this type in Argentina do not they are customary, as they require a huge economic investment."Salio also stressed that the benefits it could bring to national forecasting and early warning systems are important. "The current challenge is to measure more, understand more and forecast better. There are scientific questions that require technologies far superior to the operative ones. Argentina holds the title of having the most intense storms in the world. RELAMPAGO aims to bring instruments from different parts of the world, it is an international experiment to measure the storms in our country."

Tools

For lovers of instrumentation, among the equipment deployed and to be used during the experiment, the observing platforms will include the NCAR SPOLKa dual-polarization and dual-frequency radar; vertical and scanning DOE AMF-1 radars (operating in C, X and Ka-bands); wind profilers (working on a frequency of 1.4 MHz); three mobile X-Band radars mounted on trucks CSWR-DOW (Center for Severe Weather Research Doppler on Wheels) - the celebrities who appeared in the Twister movie and in Discovery Channel documentaries; POD mobile weather stations; mobile meteorological stations on board pickup trucks (CSWR Mesonet Mobile); a Brazilian mobile radar XPOL, from the National Institute of Space Research of Brazil (INPE); and of course, the radars of the operational network of Argentina (SINARAME, SMN, INTA and DACC) will be used and probes will be launched with instruments for measuring atmospheric pressure, temperature and humidity in places and other mobile. According to the experts, mobile radars get better results. "The equipment that we will bring to Argentina really constitutes a lot of what you can see in storm chasing shows and movies. It is the same set of systems used in the United States to study tornadoes. Every day we will have a forecast and we will put our team on the route to locate the place where the storms initiate and study their entire life cycle, from birth to maturity," Nesbitt commented. The results of this campaign will be used by Argentina and the Servicio Meteorológico Nacional to better understand the storms that occur in the Argentinean territory, and thus to see its initiation mechanisms and reach more precise estimates of its intensity and development mode. This will result in a potential improvement of the forecasting systems and in the opening of new lines of research that allow facing this type of severe meteorological events that, with more and more frequency, generate damage among the Argentenian population.

RELAMPAGO research themes:

1) CONVECTIVE INITIATION • INICIACION DEL CONVECCION

  • Determine the environmental processes that lead to convective initiation in complex terrain • Determinar los procesos medioambientales que conducen al inicio de la convección en terreno complejo.
  • Study the differences in the initiation of storms near Mendoza (near the Andes) versus the Sierras de Córdoba • Estudiar las diferencias en la iniciación y su relación con el tipo de topografía: Mendoza (Andes) vs. Sierras de Córdoba.
  • Analyze the implications of the different modes of convective initiation in complex terrain for improving predictability • Analizar las implicancias relacionadas con su predictibilidad (pronóstico).
  • 2) Convection intensity and upscale growth • Intensificación y crecimiento de la convección

  • Identificar los procesos cinemáticos, termodinámicos y microfísicos que conducen al desarrollo y crecimiento de la convección en cercanías de terreno complejo.
  • Contrastar dichos procesos con los relacionados al desarrollo de convección en cercanías de los Andes en Mendoza y en terreno más bajo al este de las Sierras de Córdoba.
  • Estudiar la relación entre la presencia de frentes de ráfagas, el desarrollo de nuevas celdas convectivas y el ciclo de vida de las tormentas.
  • 3) Development of Severe Weather • Desarrollo de fenómenos convectivos severos

  • Observar los procesos asociados a la ocurrencia de granizo, vientos fuertes y tornados en cercanías de los Andes y de montañas más bajas al este de la cordillera principal en la provincia de Córdoba.
  • Estudiar las diferencias geográ cas en dichas condiciones del entorno en el que se desarrollan las tormentas severas.
  • Resumen del proyecto

    by Sofía Corazza y Luciano Vidal, Servicio Meteorológico Nacional, Argentina

    Lluvias torrenciales con inundaciones repentinas, vientos destructivos acompañados de tornados, granizo de gran diámetro, intensa actividad eléctrica, son algunos de los fenómenos meteorológicos característicos de la zona conocida como SESA (Sudeste de Sudamérica), identi cada como una de las regiones con las tormentas más severas de todo el planeta. “Queremos saber por qué las tormentas son tan intensas en Argentina” se preguntó Steve Nesbitt, profesor en Ciencias de la Atmósfera de la Universidad de Illinois y responsable del Proyecto RELAMPAGO (por sus siglas en inglés: Remote sensing of Electrication, Lightning, And Mesoscale/microscale Processes with Adaptive Ground Observations). Tal vez la mayoría de los argentinos no lo sepa, pero la zona central de nuestro país es un entorno casi perfecto para el desarrollo de las más intensas tormentas alrededor del globo. Quizá estemos más familiarizados con las imágenes de tornados que arrastran todo a su paso en las planicies norteamericanas, esos que se muestran a diario en la televisión siendo captados por algún cazador de tormentas, sin embargo, el territorio argentino es escenario de fenómenos, en ocasiones, mucho más intensos y de mayor duración. Pero, ¿por qué no lo sabíamos? Porque pese a su fuerza y su gran impacto, estos sistemas de tormentas han sido escasamente monitoreados, comprendidos y pronosticados en nuestra región. RELAMPAGO es una campaña de investigación internacional que traerá instalaciones, equipamiento y especialistas para estudiar las características únicas de las tormentas argentinas con recursos de diferentes agencias estadounidenses como la National Science Foundation (NSF), la NASA, la NOAA, en cooperación con agencias e instituciones meteorológicas y cientí cas de Latinoamérica y que representará un monto de inversión de treinte millones de dólares por parte de la EEUU y un millón de dólares por parte de la Argentina y Brasil. RELAMPAGO es un proyecto de interés internacional, ya que no solamente traerá beneficios a los países sudamericanos, sino que contribuirá al conocimiento científico sobre tormentas extremas que afectan a otras partes del mundo (incluyendo a las llanuras de EEUU) y sobre las relaciones entre los sistemas de tormentas y el entorno en que se desarrollan. Además, aportará nuevas conexiones científicas y educativas entre Latinoamérica y los EEUU. Así, se espera lograr una mejora en los pronósticos de estos fenómenos a nivel global.

    Sostuvo Nesbitt, quien se dedica a estudiar tormentas severas hace casi 20 años.

    Centro de Argentina, un laboratorio natural

    La hipótesis que motiva este gran despliegue es que el escenario meteorológico y geográ co que se extiende entre la Cordillera de los Andes mendocinos y la región pampeana, incluyendo a las provincias de San Luis y Córdoba, provee mecanismos únicos para la iniciación, intensi cación y crecimiento a gran escala de tormentas severas. Estos factores contribuyen al desarrollo de fenómenos convectivos únicos que rigen los eventos meteorológicos de alto impacto en Sudamérica. Por eso, según Nesbitt, impulsor de RELAMPAGO: “La comunidad cientí ca tiene un especial interés en estudiar las características de las tormentas en Argentina porque es un laboratorio natural. Estoy muy interesado en RELAMPAGO, porque nos permitirá revelar, potencialmente, algunos de los misterios de por qué las tormentas argentinas se vuelven tan severas.” La humedad es el combustible de las tormentas. La región del SESA tiene lo que los especialistas llaman Corriente en Chorro en Capas Bajas de Sudamérica, una área de vientos localmente más intensos, que se desarrolla hasta aproximadamente los 2 mil metros de altura (la atmósfera tiene 17 km), es decir en las capas bajas, y que es el responsable de transportar aire rico en humedad y caracterizado por altas temperaturas. Éste suele combinarse con mecanismos de escala regional o local -como las brisas de montaña y valle que se dan en presencia de las Sierras de Córdoba o el pasaje de frentes provenientes del Océano Pacífico Sur que, sumados a la inestabilización de la atmósfera, favorecen la activación de las tormentas al elevar esa humedad y conformar las nubes. Este conjunto de elementos, junto con las complejas características que presenta el territorio en la región, por ser zona de montañas, sierras y valles, constituyen a la región de RELAMPAGO en un escenario ideal para la convección profunda (de gran desarrollo vertical) y de larga duración. Por ese motivo, las zonas elegidas para el estudio intensivo son las regiones de Mendoza y las Sierras de Córdoba, donde el modo convectivo (tipos de tormentas) y los impactos meteorológicos e hidrometeorológicos son diferentes.

    En contraste con otras partes del globo, en especial con las grandes planicies de los EEUU, donde las tormentas se desarrollan en mayores extensiones horizontales y han sido profundamente estudiadas, la región de SESA presenta una geografía única y fenómenos convectivos que dan lugar, sobre un área geográ ca más acotada, a las más intensas tormentas del Planeta. El objetivo es explicar por qué se dan estos sistemas de tormentas tan intensos y estimar este tipo de fenómenos, ya que pese a su intensidad y a los eventos meteorológicos de alto impacto que generan sobre la cuenca del Plata, donde viven 16 millones de personas, han sido escasamente estudiados. De allí el interés en poner a disposición de la campaña un complejo de equipamientos e investigadores abocados a la tarea de monitorear para tener una estimación más exacta, una radiografía sobre la cantidad, las características y la intensidad de las tormentas en la región central de nuestro país.

    Zona de desatres

    En los últimos 30 años, las inundaciones fueron el desastre natural más destructivo en Argentina, impactando a 13 millones de personas y causando, al menos, 8.9 billones de dólares en daños materiales. Un relevamiento reciente, realizado en medios grá cos, publicado por Rasmussen y otros (2014), muestra que durante la primavera y el verano, las regiones más afectadas por inundaciones, entre 1998 y 2013, se ubican en la zona de Sierras de Córdoba y en Mendoza.

    La provincia de Mendoza reporta alrededor de 35 tormentas severas por verano y es famosa a nivel mundial por la frecuencia de caída de granizo destructivo.

    En total, el 10 % de la producción agrícola mendocina se pierde debido a este fenómeno meteorológico. La estadística estimada sugiere que granizó el 8% de los días desde el 15 de octubre al 31 de marzo, entre 2000 y 2003. El granizo hace tanto daño al valor de los viñedos que la provincia había iniciado actividades de mitigación ya en 1958. En menor medida, Córdoba también sufre tormentas de granizo, pero en la región de las Sierras, la provincia es más notable por la ocurrencia de tornados. La frecuencia de reportes de este tipo de fenómeno (368 tornados entre 1930-1979; Altinger de Schwarzkopff y Rosso, 1982) es signi cativamente menor a la de EEUU. Sin embargo, la región tiene una escasa cobertura de radar por lo que los números son estimativos. Además, en Argentina estas tormentas son de aún más difícil reporte, ya que rara vez son vistas por la población, al estar ésta concentrada en las grandes ciudades y haber inmensas extensiones de zonas rurales deshabitadas.

    Los eventos meteorológicos de este tipo en la zona del SESA están mucho menos estudiados que en otros lugares, en especial EEUU y Europa. A pesar de su escaso monitoreo, comprensión y estudio, la información satelital permite estimar que la región del SESA tiene las siguientes particularidades: 1) las tormentas con mayor desarrollo vertical de la Tierra; 2) los rayos más intensos por tormenta; 3) la más alta densidad de granizo del mundo. Por eso el interés internacional en estudiar la región.

    Contexto institucional y objetivos generales

    La National Science Foundation de EEUU, junto a otros organismos de ese país, traerán a la Argentina equipamiento y recursos humanos para la campaña que tendrá lugar entre agosto de 2018 a abril de 2019 y que contará con un período de medición más intensivo de noviembre a diciembre de 2018. Toda la campaña reunirá a más de 100 participantes entre investigadores, ingenieros y estudiantes provenientes de los países involucrados. “Será una campaña de investigación para estudiar las características únicas de las tormentas que se producen en la Argentina.Vamosatraerunagrancantidaddeinstrumentos desde los Estados Unidos y también utilizaremos equipos provistos por el Servicio Meteorológico Nacional y algunas universidades”, sostuvo Nesbitt. El proyecto es considerado un nuevo hito en la cooperacíon cientí ca y educativa entre Estados Unidos y Latinoamérica. Además de ser un banco de prueba para el programa de Eventos Meteorológicos de Alto Impacto (HIWEATHER) de la Organización Meteorológica Mun- dial, ya que permitirá evaluar la capacidad que tienen ciertas herramientas para el pronóstico de este tipo de fenómenos que tienen alto impacto sobre las comunidades. La referente local del proyecto, Dra. Paola Salio – investigadora del CONICET –, manifestó que desde el punto de vista de la Argentina se vuelve esencial este tipo de cooperación tecnológica ya que: “Los experimentos de este tipo en la Argentina no son usuales, al requerir de una enorme inversión económica.”

    Además resaltó que los bene cios que podría traer para los sistemas de pronóstico y alerta temprana a nivel nacional son importantes. “El desafío actual es medir más, entender más y pronosticar mejor. Hay preguntas cientí cas que requieren de tecnologías muy superiores a las operativas. Argentina ostenta el título de tener las tormentas más intensas del mundo. RELAMPAGO pretende traer instrumentos de distintos lugares del mundo, se trata de un experimento internacional para medir las tormentas en nuestro país.”

    Fierros

    Para los amantes de los erros, entre el equipamiento desplegado y a utilizar durante el experimento se podrá encontrar el radar de doble polarización y doble frecuencia NCAR SPOLKa; radares de mira vertical DOE AMF- 1 (que operan en banda C, X, y Ka); per ladores (que trabajan en una frecuencia de 1.4 MHz); tres radares móviles montados en camiones CSWR-DOW (Center for Severe Weather Research Doppler on Wheels) - los famosos que aparecían en la película Twister y en documentales de Discovery Channel -; estaciones meteorológicas móviles POD (CSWR Mesonet Mobile); estaciones meteorológicas móviles a bordo de camionetas (CSWR Mesonet Mobile); un radar móvil brasilero XPOL, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales de Brasil (INPE); y por supuesto, se hará uso de los radares de la red operativa de Argentina (SINARAME, SMN, INTA y DACC) y se lanzarán globos sonda con instrumentos de medición de presión atmosférica, temperatura y humedad en lugares jos y otros móviles. Según los expertos, con los radares móviles se obtienen mejores resultados.

    “El equipamiento que traeremos a Argentina realmente constituye mucho de lo que ustedes pueden ver en películas de cazadores de tormentas. Es el mismo sistema que se emplea en Estados Unidos para estudiar tornados. Cada día tendremos un pronóstico y pondremos nuestro equipo en la ruta para ubicar el lugar donde se inicia la tormenta y estudiar todo su ciclo de vida, desde el nacimiento hasta el momento culminante”. Comentó Nesbitt.

    Los resultados de esta campaña serán utilizados por nuestro país a través de sus investigadores y el Servicio Meteorológico Nacional para comprender mejor las tormentas que se producen en su territorio, y así avizorar sus mecanismos de iniciación y alcanzar estimaciones más precisas sobre su intensidad y modalidad de desarrollo. Esto redundará en una potencial mejora de los sistemas de pronóstico y en la apertura de nuevas líneas de investigación que permitan afrontar este tipo de eventos meteorológicos severos que, con cada vez más frecuencia, generan daños entre la población.

    *RELAMPAGO (por sus siglas en inglés: Remote sensing of Electri cation, Lightning, And Mesoscale/microscale Processes with Adaptive Ground Observations)

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    Paola Salio
    salio@cima.fcen.uba.ar
    RELAMPAGO Argentina Principal Investigator • Investigadora Principal
    Steve Nesbitt
    snesbitt@illinois.edu
    RELAMPAGO US Principal Investigator • EEUU Investigador Principal
    Adam Varble
    a.varble@utah.edu
    CACTI Principal Investigator • Investigador Principal

     

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