How Do Scientists Predict Tornadoes?

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Theme song by Destin Heilman

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ERIC: From the Museum of Science in Boston, this is Pulsar, a podcast where experts answer questions from you, our audience. I'm your host, Eric. Thanks to Facebook Boston for supporting this episode of Pulsar. We have fielded a lot of questions from people interested to know how tornadoes work and what research is being conducted by scientists who study tornadoes.

My guest today is Dr. Elizabeth Smith, a meteorologist with the National Severe Storms Laboratory in Norman, Oklahoma. Dr. Smith, thank you so much for coming on Pulsar.

ELIZABETH: Thanks for having me.

ERIC: So our first question we got from multiple people and it is how do tornadoes form?

ELIZABETH: The short answer is actually we still don't exactly understand this. We do know that most highly destructive tornadoes occur with supercell thunderstorms, or thunderstorms which have a deep rotating updraft, which we call the mesocyclone. So when you think about a supercell, a lot of times what we think of is the isolated picture as a rotating stack of pancakes looking thunderstorm that you might see in a movie, or on social media.

But supercells can actually also be embedded in more clustered or linear storm systems. So in addition to having tornadoes, within them supercell thunderstorms can also bring other hazards. So damaging hail, severe non-tornadic winds, frequent lightning, and also flash floods. So the tornadoes aren't the only worry about. But nearly all large violent tornadoes are associated with supercells.

About one in five or so supercells do produce a tornado. The tornado formation is believed to be dictated mainly by things which happen on the storm scale in and around that mesocyclone or that rotating updraft within a supercell thunderstorm. Over the last decade, observation studies and studies using computerized models have been focused on understanding more about which strong scale features might help us understand why some of these supercells produced tornadoes while other ones do not.

ERIC: Can you talk a little bit about why certain regions have a lot more tornadoes than others? Here in Boston, we don't hear about them that often, maybe once or twice a summer in the whole state. And out where you are in Oklahoma where the NSSL is based, you get them a whole lot.

ELIZABETH: A lot of the background ingredients that you need to have these really strong and robust thunderstorms that have these large deep rotating updraft is more common in this part of the country where we are open to the Gulf of Mexico. So we get moisture transported from the Gulf of Mexico, but we also have contrasting air masses from other parts of the country.

It's also largely flat and opens and there's not a lot of features to kind of slow down flow or change the way that flow might move. And so it's just a bit easier for all of those ingredients to be in place out west out here. However, tornadoes have been measured in almost every state and they are able to happen all times of the year.

So it's definitely not a reason to think that tornadoes won't happen. Yeah, I mentioned supercell tornadoes and I mentioned that they can often be embedded in these less organized systems. So in places like Boston or elsewhere on the East Coast, we oftentimes see tornadoes associated with these more linear systems.

ERIC: So with their destructive power, it's really important to predict when a tornado might happen. So how do you go about thinking about that?

ELIZABETH: We predict tornadoes in a few different ways. One of those ways is by looking into the computerized models. Here in the United States, we operate several operational forecast models on several scales.

So those forecast models that predict the large scale weather patterns down to the smallest in three kilometer scale prediction. But it takes experts to interpret with those information tell us and that's where folks like the National Weather Service and NOAA's Storm Prediction Center is actually also located here in Norman, Oklahoma come in.

And so these are the experts that are able to interpret those information and use the training that they have to interpret data that we collect in real time. What will happen is the date of a severe risk that the Storm Prediction Center will actually issue a watch if that is necessary.

And so that's, six hours out or more. And then the local Weather Service office, which everywhere in the United States has a Weather Service office is responsible for them. So the local Weather Service office takes over from that scale forward. So we're talking now a couple hours out, up to the time of the storms forming, at which point they'll put out a tornado warning.

And so in that case, once we get into this few hours out to the time of storms, it becomes a lot more of a problem or you're looking at real time observations provided by, for example, our National Weather Service radar network.

ERIC: Now we asked what questions people had for a tornado researcher, most of them were simply what research do you do?

So can you give us an overview of the science you work on?

ELIZABETH: Some of the unknowns that we still have surrounding tornado science are on the scale of the storm that produces a tornado and smaller. So historically over the past several decades, field scientists have gone out to the field and collected their observations around tornadoes and the storms that produce them.

But they've mostly done this using either the fixed radar network or mobile truck based radars, and then surface meteorological stations either on the Earth's surface itself. Or maybe connected to vehicles that they're driving, and of course, weather balloons too. But this approach has left a pretty large data gap everywhere from above where the surface station commander up to the lowest level that the radar can measure which is usually a few thousand feet.

So it's a really big gap, right? And then only measurements that we typically have in that gap are from that occasional weather balloon which does fly through the gap but it flies through great quickly and then it's off on its merry way. That gap region is also where it's possible that a lot of the interesting mechanism that might influencing storms and tornadoes are taking place.

And so this is where people like me come in. So I am what's called a boundary layer meteorologist. And that means that I specialize in observing and understanding the portion, the atmosphere that's a few thousand feet and below and how it interacts with the surface. So in the context of storms what I want to understand is how boundary layer processes can impact storms and tornado potential.

So I go out with my team and we operate stereo equipment. Which allows us to observe how atmospheric features like temperature, wind, humidity, how those are changing with height above the surface. And we're able to take those observations as rapidly as every minute. So we're really able to understand how that region that's frequently not very well observed is changing and evolving and what that means for storm evolution and tornado potentials.

ERIC: So how close do you have to get to a tornado to study it like this? Are you really up close or are you kind of just in the neighborhood?

ELIZABETH: So it's a little bit of both, a typical day, we'll include both of those things because it's actually pretty hard since there are so many unknowns to be in the exact right place at the right time.

Even though YouTube might make it look like it's easy, it's not. And so we'll collect a lot of data while the storm is still either forming or it maybe still further away. But what we like to do in a perfect world is we like to deploy in a location where we're able to start collecting data while the storm is still several kilometres away, 30 to 60 kilometres away.

The reason we want to start to be that far away is because we want to understand the environment that's still undisturbed before the storm gets there. So we start to collect information then and then as the storm moves toward us, the storm begins to influence that environment. And we are collecting data as those changes happen.

And then we wait until the last possible safe moment for us to undeploy and get away safely. We do have really good safety plans in place, but sometimes that means that we're quite close, within a kilometer. We are experts at what we do and we have a good team that keeps us safe.

But it makes for some interesting work days.

ERIC: Any resources you can recommend if our listeners wanna learn more about tornadoes?

ELIZABETH: On the National Severe Storms Laboratory web page which you can find at nssl.noaa.gov. There's an entire section on severe weather 101 where you can learn about thunderstorms, tornadoes, flooding, lightning, and more.

Then more broadly at just noaa.gov, there's information about all kinds of Earth science phenomena ranging from ocean science to severe weather science and everything in between.

ERIC: And our last question is from Jess who asks, what is your favorite part of being a tornado researcher?

ELIZABETH: My favorite part of my job is fieldwork.

And you go to school for meteorology, you are doing a lot of math and science and once you get into research, a lot of work behind the computer screen, a lot of data manipulation. A lot of coding and sometimes it's easy to kind of get lost in that and forget about the really amazing power that's in the atmosphere and the fact that it changes every day.

And so having the opportunity as part of my professional career to go out into the field and see this amazing display of nature's power. And be able to collect those data and hopefully impact lives in the positive way by making forecasts better, keeping people and their property more safe.

It's actually really, really cool and really rewarding way to do science.

ERIC: Well, Dr. Smith, thank you so much for coming on Pulsar and telling us all about tornado research.

ELIZABETH: Thanks for having me.

ERIC: If you'd like to have one of your questions answered by visiting expert or Museum of Science educator, you can email them to sciencequestions@mos.org.

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Español

ERIC: Desde el Museo de Ciencias de Boston, esto es Pulsar, un pódcast donde expertos responden las preguntas que ustedes nos envían. Soy su anfitrión, Eric. Agradecemos a Facebook Boston por auspiciar este episodio de Pulsar. Hemos recibido un montón de preguntas de personas interesadas en saber cómo se producen los tornados y qué estudios están llevando a cabo los científicos que estudian los tornados.

La invitada de hoy es la Dra. Elizabeth Smith, meteoróloga del National Severe Storms Laboratory de Norman, Oklahoma. Dra. Smith, muchas gracias por venir a nuestro programa.

ELIZABETH: Gracias por invitarme.

ERIC: La primera pregunta de hoy nos la enviaron varios oyentes y es la siguiente: ¿Cómo se forman los tornados?

ELIZABETH: La respuesta sencilla es que en realidad todavía no sabemos bien cómo ocurre eso. Sabemos que la mayoría de los tornados más destructivos se asocian a superceldas o tormentas eléctricas que tienen una profunda corriente ascendente rotatoria, a las que llamamos mesociclón. Así que cuando pensamos en una supercelda, muchas veces visualizamos una tormenta eléctrica rotatoria que se parece a una pila de panqueques del tipo que vemos en las películas o en las redes sociales.

Pero las superceldas pueden también formar parte de sistemas de tormentas lineales o más agrupadas. Así que además de incluir tornados, las superceldas pueden conllevar otros peligros, como granizo, vientos fuertes que no llegan a ser tornados, relámpagos y trombas marinas. Así que los tornados no son lo único que nos ocupa.

Pero casi todos los tornados grandes y violentos están asociados a superceldas. Alrededor de una en cinco superceldas generan un tornado. Se cree que la formación de un tornado depende principalmente de cosas que ocurren en la escala de tormenta dentro y alrededor del mesociclón o de la corriente ascendente rotatoria dentro de una supercelda.

Durante la última década, estudios de observación y estudios que usan modelos computarizados se han enfocado en entender más acerca de qué características de la escala de tormenta podrían ayudarnos a entender por qué estas superceldas generaron tornados mientras que otras no lo hicieron.

ERIC: ¿Podrías decirnos por qué en ciertas regiones se producen muchos más tornados que en otras?

Aquí en Boston no oímos de ellos muy a menudo, quizás una o dos veces durante el verano en todo el estado, y donde te encuentras, en Oklahoma, donde es la sede del NSS, ocurren muchos más tornados.

ELIZABETH: Muchos de los ingredientes necesarios para que se produzcan tormentas eléctricas muy fuertes que presentan estas grandes y profundas corrientes ascendentes rotatorias son más comunes en esta parte del país donde tenemos en frente al Golfo de México.

Por ello recibimos más humedad proveniente del Golfo de México, pero también recibimos masas de aire opuestas de otras partes del país. Además es una región mayormente plana y abierta y no existen obstáculos que enlentezcan las corrientes de aire o cambien la manera en que estas se desplazan. Por ello es algo más fácil encontrar todos esos ingredientes aquí en el oeste.

Sin embargo, se han visto tornados en casi todos los estados y pueden ocurrir en cualquier época del año. Así que esa no es una razón para pensar que no habrá tornados. Sí, mencioné a las superceldas y mencioné que estas a menudo pueden formar parte de estos sistemas menos organizados.

Así que en lugares como Boston o en otros lugares de la Costa Este a menudo vemos tornados asociados con estos sistemas más lineales.

ERIC: Entonces, debido a su poder destructivo es muy importante predecir la ocurrencia de un tornado. ¿Cómo hacen para predecirlos?

ELIZABETH: Predecimos tornados de diferentes maneras.

Una de ellas es observando modelos computarizados. Aquí en los Estados Unidos trabajamos con varios modelos de pronóstico operacional en varias escalas, esos modelos de pronóstico que predicen los grandes patrones meteorológicos hasta una distancia mínima de tres kilómetros. Pero se necesitan expertos para poder interpretar esa información, y es entonces cuando entran en juego el National Weather Service y el NOAA's Storm Prediction Center, que también tiene su sede aquí en Norman, Oklahoma.

Y esos son los expertos capaces de interpretar esa información y usar el entrenamiento que poseen para interpretar los datos que recogemos en tiempo real. Cuando exista un riesgo alto de que se dé uno de esos eventos el Storm Prediction Center emitirá un alerta en caso de ser necesario.

Eso es seis o más horas antes de que llegue la tormenta. Y luego la oficina del servicio meteorológico local, que se encuentran a lo largo de todos los Estados Unidos y son las responsables de esto, se hará cargo de ahí en adelante. Hablamos ahora de unas dos horas antes de que se forme la tormenta, momento en el cual emitirán una alerta de tornado.

En este caso, cuando faltan menos de dos horas para que se forme la tormenta, esto se vuelve un problema mayor o prestamos más atención a las observaciones en tiempo real que proporciona, por ejemplo, la red de radares de nuestro National Weather Service.

ERIC: Les pedimos a nuestros oyentes que nos enviaran preguntas que harían a alguien que estudia tornados, y la mayoría quería saber qué estudios llevan a cabo.

¿Podrías darnos una idea de cómo es la ciencia en la que trabajas?

ELIZABETH: Algunas de las cosas que aún no sabemos relacionadas con los tornados tienen que ver con la escala de la tormenta que produce un tornado y escalas menores. Históricamente, durante las últimas décadas, los investigadores de campo han salido y hecho sus observaciones relacionadas con los tornados y las tormentas que los producen.

Pero han hecho esto mayormente usando la red de radares fija o los radares móviles instalados en camiones, y también las estaciones meteorológicas de superficie que se encuentran en la superficie terrestre o conectadas a vehículos que ellos conducen, y, por supuesto, también globos meteorológicos. Pero este método ha dejado una gran brecha de información que va desde la parte de encima donde se encuentra el comandante de la estación de superficie hasta la altura mínima que puede medir el radar, que normalmente es de unos miles de pies.

Se trata entonces de una gran brecha, ¿cierto? Y los datos que obtenemos normalmente de esa brecha provienen de un globo meteorológico que vuela a través de la brecha, pero lo hace de manera muy rápida y enseguida se va. Esa brecha es donde posiblemente ocurre gran parte del interesante mecanismo que podría producir las tormenta y los tornados.

Y ahí es donde entramos en juego las personas como yo. Así que soy lo que se conoce como meteorólogo de capa límite. Y eso significa que me especializo en observar y entender la porción de la atmósfera que se encuentra a pocos miles de pies y por debajo de eso y cómo esta interactúa con la superficie terrestre.

Así que, en el contexto de las tormentas, lo que quiero entender es cómo los procesos de la capa límite pueden afectar el potencial de las tormentas y los tornados. Así que salgo con mi equipo y usamos equipo estereofónico, lo que nos permite observar cómo fenómenos atmosféricos, como la temperatura, el viento, la humedad, cambian según la altitud.

Y podemos hacer esas mediciones una vez por minuto. Así que podemos entender cómo esa región que no se observa con mucha frecuencia cambia y evoluciona y qué es lo que eso significa en relación a la evolución de la tormenta y los potenciales tornados.

ERIC: ¿Cuánto debes acercarte a un tornado para estudiarlo de esa manera?

¿Te acercas mucho de verdad o llegas solo hasta cierta distancia?

ELIZABETH: Hacemos ambas cosas; normalmente hacemos ambas cosas porque es muy difícil ya que existen muchos factores desconocidos para poder estar en el lugar y en el momento justos. Aunque Youtube podría hacer que parezca fácil, no lo es.

Recogemos mucha información mientras la tormenta se forma o todavía no llegó. Pero nuestro ideal sería llegar a un lugar donde podamos comenzar a recoger información mientras la tormenta todavía se encuentra a varios kilómetros de distancia, a 30 o 60 kilómetros. La razón por la que queremos empezar cuando la tormenta se encuentre a esa distancia es porque queremos entender cómo se encuentra el ambiente antes de que se vea afectado por la llegada de la tormenta.

Así que empezamos a recoger información en ese momento y luego, a medida que la tormenta se acerca a nosotros, esta empieza a afectar ese ambiente. Y recogemos información mientras ocurren esos cambios. Y luego esperamos hasta el último instante que consideramos seguro esperar para retirarnos y alejarnos de manera segura.

Tomamos buenas medidas de seguridad, pero a veces eso significa que estamos muy cerca de la tormenta, a menos de un kilómetro de ella. Somos expertos en lo que hacemos y tenemos un buen equipo que nos protege. Pero nuestra actividad hace que muchas de nuestras jornadas laborales sean interesantes.

ERIC: ¿Qué recursos puedes recomendar a los oyentes que deseen aprender más sobre tornados?

ELIZABETH: En la página web del National Severe Storms Laboratory, a la que pueden acceder visitando nssl.noaa.gov, hay una sección entera dedicada al tiempo severo 101 donde pueden aprender sobre tormentas eléctricas, tornados, inundaciones, relámpagos y más.

También, de manera más general, en noaa.gov hay información sobre todos los tipos de fenómenos científicos terrestres, que van de la ciencia oceánica hasta la ciencia del tiempo severo, pasando por todo lo que hay en medio.

ERIC: Y nuestra última pregunta nos llega de Jess, quien pregunta: ¿qué es lo que más te gusta de ser alguien que estudia los tornados?

ELIZABETH: Lo que más me gusta es el trabajo de campo. Cuando vas a la universidad a estudiar meteorología, estudias mucha matemática y ciencia, y cuando pasas a la investigación, pasas mucho tiempo delante de la pantalla de la computadora manejando mucha información, manejando códigos y a veces es fácil perderse en eso y olvidarse del poder asombroso que hay en la atmósfera y del hecho que esta cambia todos los días.

Así que tener la oportunidad, como parte de mi carrera profesional, de visitar los lugares y ver esta asombrosa manifestación del poder de la naturaleza y poder recoger esos datos y con suerte influir de manera positiva en la vida de otros al hacer mejores pronósticos y al mantenerlos más seguros a ellos y a sus bienes es una manera muy buena y muy satisfactoria de hacer ciencia.

ERIC: Bueno, Dra. Smith, muchas gracias por acompañarnos en Pulsar y contarnos acerca de la investigación relacionada con tornados.

ELIZABETH: Gracias por invitarme.

ERIC: Si desean que los expertos que nos visitan o un educador del Museo de Ciencias respondan sus preguntas, pueden enviárnoslas por correo electrónico a sciencequestions@mos.org. Si les gustó este episodio de Pulsar, no se olviden de suscribirse usando la aplicación Apple Podcasts o en Spotify, así como compartir sus evaluaciones u opiniones con nosotros. 
 

Y con esto termina este episodio de Pulsar. Acompáñennos de nuevo en breve.