Conceptes Clau de Meteorologia i Climatologia: Guia Completa

Conceptes Fonamentals de Meteorologia

Temperatura Virtual i Estabilitat Atmosfèrica

La Temperatura Virtual (T_v) és la temperatura que tindria una partícula d'aire perquè, sota les mateixes condicions de pressió, fos seca. L'aire sec és més dens que l'aire humit; per tant, si estem sota una atmosfera humida, la densitat de l'aire és menor.

En el moviment de transport (per exemple, una bombolla d'aire que ascendeix), si a causa del terreny la temperatura (T) i la densitat (d) són diferents, s'ha de fer l'anàlisi a partir de la temperatura virtual per determinar quina massa d'aire és més inestable. Serà més estable la que tingui una densitat més gran, és a dir, la que tingui la temperatura virtual més petita.

Efecte Föhn

L'Efecte Föhn es produeix en la vessant d'una muntanya on l'aire és molt sec, la qual cosa fa que la capacitat d'evaporació sigui molt més gran, resultant en una vegetació molt diferent a l'altra vessant. Aquest efecte només es dona quan s'observa precipitació en una vessant de muntanya. Si no hi ha precipitació, la temperatura (T1) de la vessant de sotavent és igual a la temperatura (T2) de la vessant de barlovent. En aquest efecte, la temperatura pot variar fins a 10ºC.

Quan una partícula saturada ascendeix, es troba dins d'un ambient nou on la pressió és menor i, per tant, la partícula s'expandeix, augmentant el seu volum. En augmentar el volum, la partícula experimenta canvis: el vapor passa a líquid i surt. Hi ha un alliberament de calor que queda dins la partícula, per això s'explica que el valor pseudoadiabàtic sigui inferior a l'adiabàtic.

Gradients de Temperatura

Els Gradients de Temperatura descriuen com varia la temperatura amb l'alçada en les diferents capes de l'atmosfera:

• Troposfera (0-11 km): La temperatura baixa a mesura que pugem.
• Tropopausa (11-51 km): La temperatura no varia significativament.
• Estratosfera: La temperatura augmenta amb l'alçada.

A 1.5 km d'alçada, la temperatura pot ser molt variable, ja que l'aire està molt en contacte amb la superfície terrestre i hi ha un intercanvi constant d'energia. De nit, la superfície terrestre es refreda i l'aire també.

Inversió Tèrmica

Una Inversió Tèrmica es produeix quan el gradient de temperatura és negatiu (la temperatura augmenta amb l'alçada). Si es dona a la superfície terrestre, es coneix com a inversió terrestre.

En una inversió tèrmica, l'aire que hi ha dins de la capa d'inversió no pot sortir i l'aire de fora no pot entrar; això no fomenta la barreja d'aires diferents, la qual cosa implica que no hi hagi canvis significatius. Un exemple clar és la boira, que necessita una inversió tèrmica perquè no hi hagi renovació de l'aire.

Estabilitat i Inestabilitat Atmosfèrica

Atmosfera Estable

Una atmosfera estable fa que l'aire no es renovi. Aquest aire està contínuament en contacte amb fonts d'aigua, la qual cosa comporta que les partícules estiguin més carregades d'H₂O. Una atmosfera estable es caracteritza per temperatures (T) i humitats relatives (RH) baixes.

Atmosfera Inestable

Una atmosfera inestable es caracteritza per una gran visibilitat de l'aire i una renovació constant, amb aire més pur gràcies als moviments ascensionals de les partícules. La gràfica en escala pot fer pensar que la superfície estigui compensada per masses d'aire diferents segons la localització. La Terra no és uniforme (mars, muntanyes), i l'aire té fregament.

Masses d'Aire i Nivell de Subsidència

El Nivell de Subsidència és una inversió superficial causada per un anticicló. Aquesta inversió provoca una estabilitat en l'ambient i dona lloc a la formació de noves masses d'aire. Els anticiclons solen provocar sol serè i vents fluixos.

Radiació i Transferència d'Energia

La Radiació és un tipus d'energia electromagnètica que es mou en l'espai, composta per ones que es poden propagar en el buit (per exemple, la radiació solar electromagnètica).

L'Energia via Conductiva necessita que dos punts estiguin connectats per transferir calor. Un altre procés important és l'Evapotranspiració.

Climatologia i Anàlisi de Dades

Temps i Clima: Conceptes Clau

• El Temps fa referència a la combinació d'elements climatològics (pluja, vent, temperatura) que es donen en un dia i lloc concret.
• El Clima fa referència a la mitjana de les combinacions dels elements climatològics que són característiques d'una zona. Hi ha diferents climes (mediterrani, àrtic, tropical, etc.), que es diferencien pels seus patrons (elements climàtics).

Homogeneïtat i Heterogeneïtat de Dades

Per a l'anàlisi estadística, les dades han d'estar preses sota les mateixes condicions i han de seguir un protocol.

• L'Homogeneïtat de Dades es dona quan se sap que les dades han estat preses sota les mateixes condicions, amb els mateixos aparells i sense alteracions en l'entorn.
• L'Heterogeneïtat de Dades implica que no se'n poden extreure conclusions fiables, ja que les dades no estan preses en les mateixes condicions (per exemple, les dades es podrien fer servir per veure com ha afectat un incendi, però no per a anàlisis climàtiques generals).

Tests d'Homogeneïtat

Per verificar l'homogeneïtat de les dades, s'utilitzen diferents tests:

• Tests Autònoms: Test de seqüències, test de Helmert, test d'Abbe.
• Tests No Autònoms: Necessiten dades d'un lloc proper a l'estudiat que siguin homogènies per a la comparació.

És possible que una sèrie heterogènia passi a homogènia a causa d'un patró climàtic.

Població i Mostra Aleatòria en Climatologia

• La Població és el conjunt de dades meteorològiques que agafen un únic valor anual (Exemple: la temperatura a una hora concreta).
• La Mostra Aleatòria és un subconjunt de la població on els termes han de ser consecutius cronològicament (sèrie climatològica). Ha de tenir un mínim d'anys segons el lloc d'on siguin les dades.

Composició i Propietats Físiques de l'Aire

L'Aire i l'Atmosfera

L'atmosfera té un gruix aproximat de 350-400 km. L'únic que varia de l'aire en alçada són els gasos que conté en menor proporció (xenó, argó, CO₂); el nitrogen i l'oxigen no varien significativament. En alçada, la concentració d'ozó augmenta (formant la capa d'ozó) i la de CO₂ disminueix.

L'aire es pot considerar diatòmic, ja que el 90% dels gasos que hi participen ho són. Tant l'aire sec com l'aire humit es consideren diatòmics, ja que hi ha molt poca quantitat de vapor d'aigua dins una mostra.

Propietats Físiques Clau

• Pes Molecular de l'Aire Sec: Aproximadament 29.
• Densitat de l'Aire Sec: Aproximadament 1.29 kg/m³.
• Energia Alliberada pel Vapor d'H₂O: 1 gram de vapor d'H₂O, si la temperatura baixa, l'energia que allibera pot fer que la temperatura augmenti 2.5ºC.
• L'Ozó evita l'entrada directa de la radiació ultraviolada.
• L'aire es pot considerar un gas ideal diatòmic, segons la fórmula de l'equació d'estat dels gasos ideals: P = dRT (Pressió = densitat * constant del gas * Temperatura).

Constants i Fórmules

• Constant de l'Aire Sec (R_d): R_d = R / pes molecular (29) = 287 J/kg·K.
• Constant del Vapor d'Aigua (R_v): R_v = 461.5 J/kg·K.
• Relació entre Constants: R = R_d (1 + 1.608 R_m) / (1 + R_m), on R_m = D_v/D_d = M_v/M_d (relació de densitats o masses moleculars de vapor i aire sec).

Conceptes Relacionats amb la Humitat

• Pressió Parcial de Vapor d'H₂O (e):
  • Densitat de l'aire sec = (D - e) / (R_s * T)
  • Densitat del vapor d'H₂O = e / (R_v * T)
• Pressió de Vapor Saturant: e(T) (depèn de la temperatura).
• Energia Alliberada (Calor Latent, L): Varia entre -40ºC i 40ºC.
• Humitat Relativa (RH).
• Temperatura de Rosada (T_dew).