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

петък, 5 август 2016 г.

Защо въздухът през последните дни е толкова запрашен?

(От Христо Чипилски, Graduate Research Assistant, University of Oklahoma и
Nicolas Bellouin, Associate Professor in Climate Processes, University of Reading)

Намалената видимост над България през последните дни събуди интерес у мен, подтиквайки ме да дискутирам причините за създалата се обстановка с професора ми по сателитна метеорология и радари - Николас Белуин (Nicolas Bellouin). Учудващото при тази обстановка е, че задържащият слой с увеличено количество прахови частици не идва от Северна Африка. Той е пряко следствие от засушливото време в Източна Европа.  Нека да видим защо! 

Фигурата    по-долу    показва    актуалната    обстановка    от    31    август,    видяна    чрез приложението Worldview. На картата съм насложил два слоя данни. В синьо е оцветена аерозолната оптична дебелина. Това е величина, която показва каква част от слънчевата радиация бива погълната или разсеяна, преди да достигне земната повърхност. Данните идват до нас благодарение на инструмента MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer), който e на борда на два полярни сателита - Terra и Aqua. Скалата на оптичната дебелина варира от 0 до 1. В горната граница на тази величина слънчевата радиация, достигнала земната повърхност, не е пряка. Важно е да се отбележи обаче, че оптична дебелина равна на 1 не означава, че навън е тъмно като в рог, а че радиацията в горната част на атмосферата е погълната/разсеяна на 100%. При стойности близки до 1 видимостта ще бъде толкова намалена, че очертанията на слънцето почти няма да се виждат. От друга страна при оптични дебелини по-ниски от 0.1 небето е ясно и видимостта е максимална. 


От  фигурата  по-горе  виждаме,  че  оптичната  дебелина  в  цяла  Източна  Европа  е повишена – в отделни региони сателитите отчитат над 0.7. Това означава, че концентрацията на фини прахови частици е голяма и видимостта е силно намалена. Интересното в случая е, че специализираните RGB канали като Dust или Volcanic Ash не дават никакви индикации за нивото на замърсеност. Това е така, защото размерите на праховите частици са значително по-малки от така наречените минерални аерозоли, които се образуват от почвени минерали. Минералните аерозоли имат по-голям радиус и    създадат    градиенти    в    полето    на температурата  на    излъчване  (brightness temperature), която стои в основата на горепосочените RGB канали.  

И   накрая   идва   въпросът,   защо   въздухът   в   България   е   толкова   замърсен.   Според мнението на професора ми една от причините за тази запрашеност над Източна Европа е големият брой пожари. Последните са отбелязани с червени точки на картата по- горе и съответстват много добре на местата със запрашена атмосфера. Силното слънчево греене и съпътстващия процес на фотолитично преобразуване на газове в твърди частици са допълнителен фактор за наситените стойности на оптичната дебелина над нас през последните дни. Колкото и безобидни да изглеждат, фините прахови частици представляват потенциален риск за здравето на хората, така че тяхното влияние не бива да се подценява. Добрата новина е, че през следващите дни небето ще започне да се изчиства с идването на студен фронт от запад-северозапад.