неделя, 2 юли 2017 г.

Развитието на една неочаквана суперклетка


Христо Чипилски
научен асистент в Националния център по метеорология в Норман, САЩ


Днешният ден, 1 юли 2017 година, беше белязан от рекордно високи температури - в 12 места от страната живакът на термометрите премина 40°C, а първенец беше Русе с внушителните 44°C. Тези стойности се приближават до абсолютния температурен рекорд в България от 45.2°C, отчетен в Садово през далечната 1916 година. Появата на конвективна дейност при толкова високи температури е рядко явление, което обикновено се ограничава с развитието на малки по размер купести облаци в планинските райони. Днешният ден обаче направи изключение и реши да ни изненада с една красива суперклетка в района на Североизточна България.

Най-решаващите фактори за развитието на тази суперклетка са показани на фигура 1. Панел а) показва, че над района на Североизточна България има добре изразена зона на сходимост (очертана с пунктираната червена линия), по оста на която има засрещане на въздушните потоци. Въпреки че зоната на сходимост представлява барична долина в полето на приземното налягане, тя не е пряко свързана с наличието на атмосферен фронт. Тъй като тези зони обикновено се намират в челото на студени атмосферни фронтове, те водят до принудително издигане на нестабилни въздушни маси и образуване на гръмотевични бури. Причините за образуването на тези зони варират. В днешния ден наличието на Карпатския планински масив се оказа определящо. Той взаимодейства с въздушния поток, образувайки област на ниско налягане в подветрената част на планинската верига (където се намира и зоната на сходимост) и област на високо налягане в нейната наветрена част.

Фигура 1б) показва термодинамичните условия в Русенска област от 15:00 UTC, които са представителни за времето на зараждане на нашата суперклетъчна буря. Прогностичният сондаж на GFS от 15 UTC показва добре развит конвективен граничен слой, достигащ височина от почти 600 хПа (около 4км). Температурата (червената крива) се изменя по сухоадиабатния температурен градиент от 1°C/100м. Това говори за високи нива на турбулентно смесване и липса на задържащи слоеве. Въпреки липсата на задържащи слоеве, този профил на температурата и влагата показват, че появата на кондензация и конвекция (положителна подемна сила) изисква принудителното издигане на въздух от земята до 4 км над морското равнище. Именно тази непосилна задача направи днешната буря толкова необичайна. Единственият начин, по който би се реализирало подобно принудително издигане на въздуха, е ако засрещането на потоците се е простирало в достатъчно дълбок слой от атмосферата. Най-често засрещането на потоците става само в тънък слой близко до земната повърхност. Подобен е случаят с морския бриз, по челото на който въздухът издига на около 1-2 км над морското равнище. Това би било крайно недостатъчно за реализиране на конвективния потенциал в ден като днешния.

Отличителна черта на термодинамичния профил от фигура 1б) е малката конвективна потенциална енергия (CAPE; площта на защрихованата област, намираща се вдясно от температурната крива). Това не е никак изненадващо предвид рекордно високите температури и големия дефицит на влажността (разликата между температурата и точката на оросяване). Малките нива на конвективната енергия са добре компенсирани от високите стойности на вятърния срез в слоя 0-6 км, което е ключов фактор за образуването на суперклетъчни бури и е мярка за измененията в скоростта и посоката на вятъра в гореспоменатия слой. Изразеният срез на вятъра отразява, близко намиращото се струйно течение, което през последните дни беше рекордно активно. Забележете, че ходографът в горната дясна част на показания сондаж описва крива, която се върти по часовниковата стрелка. Такова разпределение на ветровете във височина означава, че има повишена вероятност от образуване на дяснодвижещи се суперклетки.

И така, какви заключения може да си извадим от направения до момента анализ? Стана ясно, че 1 юли 2017 година предложи крайно неблагоприятни условия за зараждането на бури. Въпреки това добре изразената зона на сходимост в Североизточна България доведе до образуването на гръмотевична буря, която бързо се сдоби със суперклетъчен характер вследствие на увеличения вятърен срез.

А сега е време да обърнем внимание и на наблюденията от суперклетката. Поради липсва на добро покритие от български радари, бях принуден да използвам доплеровия радар от Букурещ (фигура 2). Бурята започва своето развитие в района на Белица (панел а) около 17:21 часа местно време. Само в рамките на половин час бурята се превърна в пълноправна суперклетка (панел б). Към този час виждаме класическо разпределение на радиолокационната радарна отражаемост - i) засилен градиент в областта на възходящия поток и ii) V-образна структура в задната част на бурята. Образуването на тази V-образна структура е индикатор за наличието на мощен възходящ поток, който представлява своеобразна преграда за въздушния поток и го откланя встрани от зоната със засилени възходящи движения. Малко по-късно, в 18:11 часа местно време (панел в), бурята преминава през процес на клетъчно делене. Този ефект се вижда още по-ясно 20 минути по-късно (панел г). Посоката на движение на двете суперклетки е обозначен с тъмносивите стрелки. За сведение на читателите ще напомня, че процесът на клетъчно делене е тясно свързан с формата на ходографа и беше описан подробно в предишната ми статия от 2016 година. Малко след 18:30 часа радарът показа, че ляводвижещата се суперклетка доминира над дяснодвижещата се такава. Това е доста изненадващо предвид прогностичния ходограф от фигура 1б), според който се очакваше дяснодвижещите се клетки да имат предимство. Причината за различията най-вероятно се крие в локалните вариации в профила на вятъра, които не се отчитат от глобален модел като GFS.

Сателитните изображения за друг ценен способ за следенето на суперклетъчни бури. Те са особено ценни в първите моменти от появата на гръмотевичните бури, когато в облака все още липсва валеж и това пречи на радара да засече местоположението и структурата му. Не случайно очакваме появата на високорезолюционни сателити като GOES-16 да доведат до още по-висока успеваемост в суперкраткосрочните прогнози на суперклетки. Фигура 3 акцентира върху две особености на анализираната буря. На първият панел виждаме един от пиковите моменти в развитието на суперклетката. Сателитното изображение успява да подчертае така наречената флангова линия, която описва границата между топлия атмосферен въздух и студения въздух, образуван в студения басейн на бурята. Тук е мястото да отбележим, че фланговата линия не беше хваната добре от радарните изображения на фигура 2, с което още веднъж подчертаваме ползата от синтезираното използване на сателитна и радарна информация. Друг интересен елемент е сянката (очертана с по-тъмни цветове), която бурята хвърля върху околните райони. Изображението от втория панел пък подчертава процеса на клетъчно делене, за който стана дума при анализа на радарните изображения.

Ще завършим тази статия с една чудесна снимка на бурята (фигура 4), автор на която е Стефан Стефанов. Освен красивия пейзаж тази снимка ни дава някои допълнителни детайли във връзка с развитието на бурята. На преден план се вижда пушекът на пожар, предизвикан от гръмотевичната дейност на бурята. Тъй като пушекът съдържа фини частици, които се носят от вятъра, той може да послужи за проследяване на циркулацията в бурята. В условия като днешните пушекът би се издигнал почти вертикално нагоре заради липсата на приземна температурна инверсия, която да ограничи движението му. Точно това се случва близко до източника на пожара. Но веднага след това забелязваме нещо много интересно - движението на въздуха в пушека рязко смяна своята посока и се насочва право към основата на облака. Тази бърза промяна е породена от входящия поток на суперклетката, който по подобие на магнит привлича околния въздух към себе си. С други думи пушекът влиза директно в циркулацията на суперклетката. При смяната на своята посока на движение пушекът променя и своята структура - от относително турбулентен до почти ламинарен. Промяната в турбулентния режим се дължи на свиването на пушека при приближаването на бурята. Този ефект може да бъде описан количествено чрез числото на Рейнолдс Re=UL/ν, където U е скоростта на потока, L е характеристичната му ширина и ν - кинематичния вискозитет. Тъй като през цялото време вискозитетът и скоростта флуида остават приблизително едни и същи, числото на Рейнолдс се понижава и най-вероятно пада под критичните турбулентни стойности. Въпреки че е трудно да се спекулира на този етап, не е никак изключено пожарът в близост до бурята да е повлиял косвено върху интензитета и продължителността ѝ, локално увеличавайки подемността и силата на захранващия я възходящ поток.

Фигура 4: Поглед към суперклетката и пожара в близост до нея. Автор на снимката e Стефан Стефанов.
Прогнозирането на суперклетъчни бури в обстановки като днешната е трудна задача, която изисква много опит. Тази статия се опита да направи кратък обзор на условията, довели до образуването на неочакваната буря, и да представи някои важни динамични особености от нейното развитие. А за ценителите на летни бури препоръчвам да не отписват подобни дни при следващата гореща вълна.

вторник, 20 декември 2016 г.

Кой е виновен за безснежната Коледа в България?

(Христо Чипилски, научен асистент в University of Oklahoma)

Почти две седмици преди коледните празници прогнозите на водещите числени модели и на НИМХ-БАН предричаха сняг в дните преди Коледа. Като че ли от нищото тези прогнози се измениха на 180 градуса седмица след това. Сигурен съм, че доста от вас са останали разочаровани от настъпилите промени. Натъкнах се на доста коментари, направени от любители метеоролози, които изразиха дълбоко разочарование от нестабилността на числените модели. Много от тях твърдяха, че през последните години прогресът в областта на численото моделиране е намалял рязко. Това ме подтикна да напиша тази кратка статия, която показва причините за неочакваните промени в прогнозите и да “оправдая” лошото представяне на числените модели.

За студената вълна преди Коледа се загатваше още в края на първото десетдневие на декември. Още тогава стана ясно, че студът ще напомни за себе по време на празничните дни. За точното разпределение на валежите обаче трябваше да изчакаме, тъй като моделите показваха няколко възможни сценария. Разликата в тези сценарии беше една малка долина на Росби, разположена между Великобритания и Исландия. Последната е обект на анализа до края на статията.

Картата на фигура 1 показва абсолютната топография на 500 хПа. Сините криви са изохипсите на АТ500 (абсолютна топография на 500 хПа). Това маркира височината, на която налягането в атмосферата е 500 хПа. Анализът на АТ500 е много често използван в работата на оперативните метеоролози за диагностика на макромащабния (синоптичен) поток. На тези карти лесно можем да открием така наречените вълни на Росби, които определят времето в умерените ширини. Любопитното за тях е, че се образуват вследствие на меридионалните вариации в силата на Кориолис (въображаемата сила, която възниква от въртенето на Земята). Изохипсите на АТ500 са полезни, тъй като са почти еквивалентни на изобарите, начертани на картите с приземно налягане. Обикновено въздухът във височина се движи успоредно на изохипсите. Колкото по-гъсто разположени са тези изохипси, толкова по-силен е вятърът на показаната височина – пряко следствие от увеличената сила на баричния градиент. И още нещо – цветната скала на фигура 1 съответства на температурата на 850 хПа (приблизително 1.5 км над морското равнище).

На фигура 1 показвам две различни моделни обновления от Европейския център за  средносрочни прогнози (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF) – от 00 UTC на 11 декември 2016 (а,б) и от 16 декември 2016 (в,г). В тази фигура се крие и отговорът за променливостта на коледните прогнози. Двете обновления изглеждат доста сходно по отношение на числената прогноза за 12 UTC на 16 декември 2016 (a,г). Имаме добре изразен гребен над Европа и обширна долина над Източна Европа. Но, ако се вгледаме малко по-добре в картите, ще видим, че изохипсите изглеждат различно в района между Великобритания и Исландия. В обновлението от 16 декември откриваме малка долина (оградена с лилав кръг), която липсва в по-ранното обновление от 11 декември. Дванадесет часа по-късно (фигура 1д) долината отново присъства на прогностичните карти от 16 декември и се придвижва в посоката, схематично отбелязана с лилави стрелки. Именно тази долина стана и причина прогнозите на числените модели да клонят в посока към снежна Коледа.


(Кликни на снимките за да ги видиш в пълен размер)

Фигура 1. АТ500 и температура на 850 хПа за две различни обновления на ECMWF. Първото се отнася за 00 UTC на 11 декември 2016 (a,б), а второто – за 00 UTC на 16 декември 2016 (г,д). Прогнозите на модела важат за 12 UTC на 16 декември 2016 (лява колона) и 00 UTC на 17 декември 2016 (дясна колона). Лилавият кръг на г) и д) показва първоначалното развитие на късовълновото смущение, което доведе до прогнозите за сняг по Коледа. Лилавите стрелки илюстрират приблизителното движение на това смущение. Източник на картите: www.ecmwf.int/en/forecasts.

Но нека да видим какво се промени в последния момент и разочарова много деца, надяващи се да направят снежен човек за празниците. Фигура 2 сравнява обновлението от 00 UTC на 16 декември (а,б) с това от 00 UTC на 18 декември (в,г). Двете обновления показват едни и същи прогностични срокове – 00 UTC на 19 декември 2016 (лява колона) и 20 декември 2016 (дясна колона). В случая ще приемем, че обновлението от 18 декември 2016 е представително за истинското развитие на времето, тъй като е валидно броени часове преди показаните прогнози. Сами забелязвате, че разликите между двете обновления е почти незабележима, ако решим да пренебрегнем детайлите. Разликите се крият в оградената с лилаво висока барична долина - същата, която показахме по-рано на фигура 1.

В по-късното обновление тази долина вече се е превърнала в затворена циклонална област на AT500, но това не е толкова важно в случая. По-критичното е, че късовълновото смущение се отправя директно към страната ни според прогнозата с начални условия от 16 декември 2016. В действителност обаче смущението поема към Централна Европа (фигура 2г). И познайте какво – точно това ни лиши от надеждите за снежна Коледа. За да обосновем това твърдение, нека погледнем фигура 3, която илюстрира разликата в числените прогнози за 00 UTC на 21 декември. Лявата колона на фигура 3 показва АТ500, докато дясната – приземното налягане и съответстващите 6-часови валежи. Близостта на късовълновото смущение до Балканския полуостров води до по-ниско налягане над Балканския полуостров и разширява ивицата с валежите към територията на България (фигура 3б). В реалност обаче смущението, което вече се превърнало във висок циклон на АТ500, е запратено далече към Бискайския залив (фигура 3в). Последното променя изцяло конфигурацията на приземното налягане над Европа и води до сценарий, в който валежи над България практически липсват (фигура 3г).


(Кликни на снимките за да ги видиш в пълен размер)

Фигура 2. Като фигура 1, но с разликата, че обновленията тук се отнасят до 00 UTC на 16 декември 2016 (a,б) и 00 UTC на 18 декември 2016 (в,г). Прогнозите са валидни за 00 UTC на 19 декември 2016 (лява колона) и 00 UTC на 20 декември 2016 (дясна колона). Обновлението от 18 декември представя истинското развитие на времето (виж текст). Източник на картите: www.ecmwf.int/en/forecasts.


(Кликни на снимките за да ги видиш в пълен размер)

Фигура 3. АТ500 (a,в) и приземно налягане с 6-часови валежи (б,г). Първи ред показва обновлението от 00 UTC на 16 декември 2016 години, а втори ред – обновлението от 00 UTC на 18 декември. Подобно на фигура 2, прогнозата с начални условия от 18 декември 2016 се счита за “истинска” в контекста на анализа (прочети текст за повече информация). Зелените букви обозначават антициклона (В) и средиземноморския циклон (Н), които определят времето над България. Страната ни е оградена с червен кръг, в който е написано БГ. Допълнителни разяснения за значението на фигурите е дадено в белите правоъгълници на панели б) и г). Източник на картите: www.ecmwf.int/en/forecasts.

Надявам се, че с този кратък анализ ви убедих поне малко, че крайният резултат от една средносрочна прогноза може да зависи от малки детайли, които са способни да донесат резки промени в очакванията за дадена обстановка. Резултатите от изложената дискусия показват, че някои типове обстановки са много по-непредсказуеми от други. Това означава, че представянето на числените модели трябва да се оценя обективно и с помощта на методи, които взимат под внимание присъщата непредсказуемост в атмосферата. Такива методи обикновено са базирани на верификацията на така наречените ансамблови прогнози. Последните ни предлагат не една, а много прогнози от едни и същи начални условия. Това дава възможност да се направи директна оценка за непредсказуемостта в атмосферата. Така че следващия път, когато казвате, че “метеоролозите пак не са познали”, си спомнете за примера от тази статия.

неделя, 27 ноември 2016 г.

Защо ще вали сняг в Северна България на 29 ноември?


Навярно много от вас очакват с нетърпение снеговалежите над България на 29 ноември. Това ще е една от първите по-сериозни снежни обстановки за зимния сезон. В този коментар искам да обърна внимание на един интересен метеорологичен феномен, който ще доведе до валежите в Северна България. Той се нарича орографска оклюзия и бих казал, че много малко места по света стават свидетели на изразени валежни количества от такъв характер.

На 28-ми над България ще започне преминаването на студен атмосферен фронт от север-северозапад. Обикновето такива фронтове не са богати на влага и водят до оскъдни валежи от сняг през зимното полугодие. Но много от текущите числени модели настояват, че на много места в Северна България ще има небренебрижими количества сняг (тоест повече, отколкото би се очаквало да вали по самия фронт). Защо е така?

Причината за снеговалежите е малко по-нетрадиционна - Карпатската планинска верига. В този пост прилагам карта от сайта http://wxcharts.eu, която показва обновлението на американския модел GFS то 06 UTC на днешния ден (27 ноември). Вижда се, че в края на 28-ми ноември и началото на 29-ти ноември северозападният вятър на северозапад от Карпатите се разделя на два клона, маркирани със светлосин цвят. Няма да навлизам в дълбоки теоритични обяснения, но причината за това се крие в стабилната стратификация на атмосферата. В условия на нестабилна атмосфера въздухът щеше да се издигне над планината и да образува конвективни облаци. Обикновено динамичните метеоролози използват числото на Фройд, за да определят дали поток с определени параметри (скорост на вятъра, честота на Брунт-Вайсала и прочее) ще успее да премине планинско препятствие с височина H. В текущото обновление на GFS може да догатнем, че условията възпрепятвстват потока да премине над Карпатите и този поток е принуден заобиколи планинското препятствие. Двата клона се засрещат в подветрените южни склонове на Карпатите, където образуват конвергентна зона (зона със засрещащи се потоци).

Официалното име на процеса в българските метеорологични учебници е орографска оклюзия. Един от сигурните признаци за наличието на орографска оклюзия е типичното огъване на изобарите в областта на оклюзията - образува се плитка барична долина (маркирана с лилав цвят на картинката).

Конвергенцията по протежението на орографската оклюзия води до вертикални движения, образуване на облаци и впоследствие валежи от сняг. Този феномен можем да оприличим на поведението на потока при преминаването му през цилиндър - в предната част на цилиндъра се образува инфлексна точка, в която скоростта е нулева и оттам потокът се разделя на два клона, които се съединяват в задната част на цилиндъра. Голяма част от динамиката на потокоразделянето може да се обоснове с теоремите на Бернули, които описват енергийния баланс на флуид с пренебрижимо малък вискозитет.

И в заключение само искам да спомена, че точността на прогнозите за 29-ти ноември до голяма степен зависи от това как числените модели представят структурата и положението на засрещащите се потоци. Това е основната неизвестна към момента, но в следващите часове нещата ще се изяснят напълно.

Поздрави от Норман, Оклахома, където зимата също започва да напомня за себе си!

Христо Чипилски,
Научен асистент в Националния метеорологичен център на САЩ, Норман, Оклахома