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.

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.