сряда, 21 февруари 2018 г.

Начало на пролетен сезон 2018 в Големите равнини на САЩ


Начало на пролетен сезон 2018 в Големите равнини на САЩ

Христо Чипилски

научен асистент по метеорология в Националния център по метеорология на САЩ


Сезонът на бурите е в пълен ход над южните части на Америка. Никак не е случайно, че Големите равнини на САЩ позволяват образуването на толкова екстремно време!

На първата карта по-долу виждате добре изразен студен фронт, който в момента пресича централните части на Оклахома. Температурните разлики са впечатляващи даже и по тукашните стандарти - докато в северозападните части на щата температурата е -11°С, то в крайните югоизточни такива тя достига цели 21°С, т.е. 32°C разлика! Температурните промени по протежението на самия фронт достигат до 18°C - 20°С и в някои случаи са само в рамките на няколко километра.


Както се вижда и от метеограмата от Норман, поведението на този студен фронт е крайно интересно от метеорологична гледна точка. Вчера студеният въздух се придвижи в посока югоизток, но впоследствие стационира и напълно спря своето движение. В Норман например, където се намира Националния център по метероология и където работя аз, студеният фронт спря около района на университета и остана там в продължение на часове. Лично аз изпитах резките промени на температурата в рамките на броене метри разстояние. Тези промени се изразяват в рязкото покачване и спадане на температурата в станцията на града, което говори че фронтът е минал над нея поне няколко пъти. Рано днес същият този студен фронт започна да се придвижва отново в посока югоизток, а температурните контрасти от двете му страни се увеличаха значително. Отчетохме спад от 19.1°С на 6.6°С само в рамките на 15 минути!

Резултатът от тези резки промени са и първите бури за този сезон, които виждате на втората карта от този пост. Заради ниските температури зад приземния студен фронт и високите температури във височина (10°С на 850 hPa), гръмотевичните бури бяха съпътствани от дъжд с образуване на поледица. Ледената буря в Норман стана причина за затварянето на университетските занятия. Но тя показа и своята красива страна, отрупвайки клончето от снимката по-долу в изящни ледени скулптури.



събота, 16 декември 2017 г.

Ще има ли сняг за коледните празници?

Христо Чипилски 
научен асистент по метеорология
University of Oklahoma
School of Meteorology
Multi-scale data Assimilation and Predictability (MAP) Lab


Прогнозата за коледните празници е пословично една от най-дългоочакваните прогнози през годината, особено за малките децата, които чакат с нетърпение да извадят своите шейни и да направят няколко снежни човеци насред отрупаната със сняг детска градина. Въпреки че до началото на светлите коледни и новогодишни празници има повече от седмица, аз реших да направя анализ на атмосферните процеси, които ще определят характера на времето в последните дни от декември. Трябва да подчертая, че този анализ не е опит за прогнозиране времето в рамките на толкова дълъг период от време. Идеята му е да акцентира върху тези процеси, които ще бъдат ключови за точността на прогнозите за идващите празници.

Фигура 1 (кликни за оригиналния размер)

В днешно време прогнозите за времето се основават до голяма степен на така наречените числени модели за прогнозиране на времето, които смятат най-различни физични уравнения с помощта на мощни суперкомпютри. Синоптиците имат за задача да сравнят изходите на различните числени модели и да преценят кой е най-вероятният сценарий за развитието на времето. Едно такова сравнение е представено на Фиг. 1 - между американския глобален модел GFS (Global Forecasting System) и европейския глобален модел ECMWF (European Centre for Mid-Range Weather Forecasts). През годините двата центъра са се доказали на метеорологичната сцена с едни от най-точните и надеждни модели за изготвяне средносрочни прогнози за времето (т.е. прогнози за следващите 4-10 дни). Фиг. 1 ни показва полето на така наречената абсолютна топография на барично ниво 500 hPa (АТ500), т.е. каква е надморската височина, на която налягането е 500 hPa. В своята практика синоптиците ползват това поле, за да анализират каква е общата атмосферна циркулация. Прогностичните данни от EC са оцветени с червено, докато тези от GFS – със синьо. Наложените цветове показват разликата в AT500 между ECMWF и GFS. От последния панел на Фиг. 1 се вижда, че двата модела показват съществени разлики помежду си на 24 декември. Високата барична долина при американците е разположена директно над Балканския полуостров, докато при европейския модел тя се намира на изток над Черно море. Както ще видим и след малко, вероятността за сняг по време на коледните празници зависи именно от разположението на тази висока барична.

Фигура 2 (кликни за оригиналния размер)

Откъде идват разликите между двата модела? За да отговорим на този въпрос, е нужно да се върнем малко назад във времето. Нека оградим зоната, в която двата модела се различават, с черен квадрат и проследим движението на тази квадрат в по-ранни прогностични срокове. Стигаме до 19 декември 2017, където разликата между моделите е малка и се изразява най-вече в повишената амплитуда на високата барична долина в американския модел. С течението на времето обаче разликите между двете долини се увеличават. Изходът на GFS продължава да задълбава високата барична долина, с което тя не само i) забавя своето движение, но и ii) скъснява своята характеристична ширина (т.е. имаме по-малка дължина на вълната). Ефектът от i) и ii) води и до съществено изменение в приземното барично поле, както е показано на Фиг. 2. Високата барична долина в решението на GFS взаимодейства с Алпите, което води до образуването на зона с понижено приземно налягане в подветрената част на планинската верига. Под влияние на благоприятните синоптични условия, зоната на ниско налягане се организира и превръща в средиземноморския циклон, показан в десния пален на Фиг. 2. Тъй като траекторията на средиземноморския циклон минава южно от България, то страната ни остава в студената част на циклона, където има условия за продължителни валежи от сняг. По-източно разположената висока барична долина в изхода на ECMWF (ляв панел на Фиг. 2) съответства с пълната липса на средиземноморски циклон. Това е така, защото взаимодействието на въздушния поток с Алпите е кратък и възпрепятства циклогенеза в подветрената част на планинската верига.

Фигура 3 (кликни за оригиналния размер)

Но нека да върнем лентата още по-назад. На Фиг. 3 виждате разликите между ECMWF и GFS над Северна Америка. Една от най-съществените такива е оградена със зелен квадрат и се отнася до амплификацията на баричната долина, намираща се на границата между САЩ и Канада. С течение на времето разликите в амплитудите на баричните долини не само се увеличават, но започват да се усещат и далече на изток, към Атлантическия океан. Обърнете внимание на тясната връзка между амплификацията на американската барична долина и разликите в АТ500 на юг от Гренландия, за които говорихме малко по-рано на Фиг. 1 (те са означени със зелен квадрат на втория ред от Фиг. 2). Това бързо разпространение на разликите от запад на изток не е никак случайно. То представлява верижна реакция, при която амплификацията на дадена вълна на Росби (т.е. на дадена висока барична долина) води до амплификацията на други вълни на Росби, намиращи се по посока на направляващия западно-източен пренос. С други думи характерът на времето в България за повече от седмица напред ще зависи до голяма степен от динамиката на процесите в САЩ. Точността на Коледните прогнози за нашата страна ще се обуславят от това как числените модели описват потока над Скалистите планини, вследствие на което ще стане и задълбаването на високата барична долина над Северна Америка.

Фигура 4 (кликни за оригиналния размер)

Взимайки предвид казаното дотук, прогнозата за коледните празници у нас ще попадне в една от трите категории, описани на Фиг. 4. При първия сценарий високата барична долина над Централна Европа е плитка, с което над България преминава бърз студен атмосферен фронт без съществени валежи. При вторият вариант баричната долина е по-дълбока и нейното взаимодействие с Алпите води до образуването на средиземноморски циклон. Последният минава южно от страната ни и се изнася на север през Черно море (път 3а), с което носи обилни снеговалежи за Коледните празници. При третия вариант високата барична долина значително увеличава амплитудата си и се превръща във висок баричен циклон под натиска на прииждащия от запад азорския гребен. Средиземноморският циклон при тази конфигурация е блокиран, с което България остава в топлия му сектор и валежите са предимно от дъжд. Разпределението на баричното поле при тези три варианта е показано в малко по-голям мащаб на Фиг. 5.

Фигура 5 (кликни за оригиналния размер)

Надявам се, че с анализа на метеорологичните процеси преди коледните празници успях да ви убедя, че прогнозирането на времето е не е никак лесна задача и е свързана с метеорологични процеси, случващи се в другата част на земното полукълбо. За да направим точна прогноза за коледните празници, ще се наложи да обърнем специално внимание на баричните образувания, описани тук. Според очакваното развитие на метеорологичните процеси, по-точни прогнози за коледните празниците ще може да направим едва след 19 декември, когато ще стане ясно какво е поведението на високата барична долина над Северна Америка. Дотогава може само да продължим да се радваме на предколедното настроение, обхванало страната ни!

Весели празници на всички читатели на нашия блог!

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.