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.


сряда, 22 юни 2016 г.

Суперклетките в България

(След разказа си за това, как се преследват бури в САЩ, сега Христо Чипилски, магистър по метеорология, представя на всички вас изключително полезен авторски материал за суперклетъчните бури. Публикувам без никаква намеса.)


1. Въведение

Не рядко ставаме свидетели на краткотрайни превалявания от дъжд през летните месеци. Топлото полугодие полугодие е времето, когато районите от Северна и Западна България достигат максимум на месечните си валежи количества. Най-интензивните гръмотевични бури в страната ни водят до образуване на едра градушка, която представлява пряка опасност за селското стопанство. Институции като Изпълнителната агенция “Борба с градушките” (ИАБГ) целят да намалят щетите от тези градоносни бури. Като изключим проявата на градушки обаче, България се оказва защитена от по-сериозни явления, включващи образуването на суперклетки и свързаните с тях торнада. Това се вижда ясно от фигура 1а, която показва броя торнада в Европа, които са били докладвани до Европейската лаборатория по екстремни бури (European Severe Storms Laboratory, ESSL). С жълто и червено са маркирани случаите с особено силни торнада. Липсата на екстремни прояви на лятна конвекция е още по-изострена в Югоизточна България, която получава най-големия дял от своите валежи през късната есен и началото на зимата.

Защо това е така и какво ни прави по-различни от повечето централноевропейски страни? Отговорът се крие в специфичните черти на климата в Южна Европа. Въпреки че температурите и влагосъдържанието са високи, струйното течение се премества плавно към високите географски ширини. Това означава, че динамиката на процесите в България намаля силно, а конвекцията е свързана най-вече с дневния прегрев на подложната земна повърхност. Не такава обаче беше ситуацията от края на май и началото на юни 2016 година. Фигура 1б показва аномалията на абсолютната топография на ниво 500 хПа (АТ 500 за кратко) за 3 юни 2016 от Европейския център за средносрочни прогнози (European Centre for Mеdium-Range Weather Forecasts, ECMWF). Тези от вас, които не са запознати с термина абсолютна топография, трябва да имат предвид, че това е височината, на която се намира изобарно ниво 500 хПа. Високите стойности на АТ 500 са аналог на област от високо налягане при земята и обратно. Взимайки предвид този факт, виждаме, че синоптичната конфигурация в Европа е точно обратното на това, което е нормално по лятна климатична норма. Имаме област на “високо налягане” в Северна Европа и област на “ниско налягане” в Южна Европа. Това разпределение създава условия за отместването на струйното течение на юг и динамизирането на времето в България.

Фиг. 1а Фиг. 1б

И ето че на 2 юни, когато отдаваме почит на загиналите за свободата и незавимостта на България, традиционно безинтересната откъм летни бури Югоизточна България се оказа епицентър за развитието на суперклетки. Това ме подтикна да направя обзор на обстановката и да анализирам факторите, допринесли за необичайно екстремното време в Югоизточна България. Тъй като имах възможността да се срещна на живо със суперклетката, която премина през Бургас в ранните вечерни часове, ще обърна специално внимание на условията в тази част от страната.

2. Рецепта за правене на суперклетки

а) Синоптичен обзор

Прогнозирането на екстремни бури не е никак лесна задача. Въпреки огромния напредък на числените модели през последните десетилетия, те все още не могат да се справят задоволително с конвективните процеси и произтичащите от тях явления. Това се дължи най-вече на ниската резолюция на числените модели от глобален мащаб. Такива модели не са в състояние да представят процесите в една буря по директен начин. Но не трябва да пренебрегваме и отсъствието на гъста мрежа наблюдения, представителни за мащаба на конвективните явления. Липсата на такъв тип наблюдения означава, че началните условия в числените модели не са напълно точни. И това са само малка част от причините, затрудняващи прогнозите на валежи от летен характер. За да увеличат точността на прогнозите си, много метеоролози използват така наречения метод на конвективните съставки (ingredients-based method). В своята същност методът позволява на синоптиците да правят вероятностни конвективни прогнози, които са съвкупност от засрещането на подходящи атмосферни условия. И понеже статията се фокусира върху прогнозата на суперклетки, няма как да споменем списъка от суперклетъчни съставки на Робърт Джонс и Джък Досуел , съставен през 1992:
• влажен въздух в долната част на тропосферата;
• условна неустойчивост на атмосферата, свързана с големи вертикални температурни градиенти в средните и високи части на тропосферата;
• синоптичен механизъм, водещ до наредени възходящи движения;
• вертикален срез на вятъра в долните и средни части на атмосферата.
В своята статия двамата автори стигат до заключението, че ако една от гореизброените съставки липсва, то суперклетки няма как да се формират.
Успяха ли всички тези съставки да се материализират на 2 юни? Нека първо разгледаме фигура 2а, която показва синоптичната обстановка над Европа в 12 UTC (15:00 часа местно време). С черни контури имаме АТ 500, с бели контури – приземното налягане (MSLP), а различните цветове показват RТ 500-1000 – относителната топография между 500 хПа и 1000 хПа. Както се подразбира и от името и, относителната топография показва дебелината на слоя между две изобарни нива – в случая 1000 хПа и 500 хПа. От закона на хидростатиката може да бъде показано, че това поле е пропорционално на средната температура в слоя между двете изобарни повърхности. Исторически погледнато, относителната топография е била издигната на пиедестал още по времето на английския метеоролог Реджинал Сътклиф. Именно той показва, че комбинацията AT 500, RT 500-1000 и MSLP е ключова за разбирането на триизмерния строеж на атмосферата. С тъмносини стрелки на фигура 2a съм означил струйното течение. Какво ни показва тази на пръв поглед сложна метеорологична карта? Ясно се вижда, че струйното течение е изместено на юг, в източната част на Средиземноморието. Това е пряко следствие от необичайното разпределение на баричните играчи в Европа, както показахме и малко по-рано на фигура 1б. България попада в края и от северната част на една от зоните със силни ветрове, простираща се от Северна Африка до Турция. Ако допуснем, че струйното течение е относително праволинейно, което не е никак нереалистично предвид формата му на картата, то България попада в зона на дивергенция във височина. На по-прост език това означава, че въздухът във височина се стреми да се разреди и да намали своята плътност. Но атмосферата никак не обича да излиза от състояние на равновесие, което, разбира се, важи и за нас хората. За да запази плътността и масата си, въздухът от по-ниските слоеве започва да се движи нагоре, компенсирайки дивергентния поток във височина. Това явление следва закона за запазване на масата и води до слаби вертикални движения от порядъка на 1 см/с. Ето че и една от съставките на Джонс-Досуел е вече налице. Струйното течение всъщност има и една още по-важна роля. Високите ветрове във височина се намират над зона с относително затишие при земята. Или казано по друг начин – струйното течение увеличава вертикалния срез на вятъра, което е критично за развитието на суперклетки. Вече споменахме, че именно увеличената динамика на атмосферата, изразяваща се в голям вятърен срез, води до разликата между обикновените летни бури с краткотрайни преваляния и суперклетките, които наблюдавахме на 2 юни. Забележете още, че въздухът в средните части на тропосферата (500 хПа e приблизително 5 км над морското равнище) води своето начало от северна Африка (например Атласките планини). В тези региони дневната слънчева радиация е изобилна, а влагосъдържанието – малко. Това води до дълбоки конвективни гранични слоеве, в които става бурно турбулентно смесване на въздуха. Последното обуславя значителни по големина вертикални температурни градиенти. Когато конвективните гранични слоеве се формират над планини като Атласките, то големите вертикални температурни градиенти са изместени в по-високите части на атмосферата. Подобен тип конвективни гранични слоеве се наричат “Elevated Mixed Layers” от американските метеоролози. Вятърът от струйното течение носи тези издигнати конвективни гранични слоеве на североизток към България. Настанените градиенти се изострят допълнително и от вертикалните движения, за които споменахме преди малко.
Картата от фигура 2а не е достатъчна да ни покаже дали последната съставка от рецептата на Джонс-Досуел – влага в ниските слоеве на тропосферата, е налице. Затова се обръщаме към фигура 2б, която илюстрира масата водни пари (g) в 1 kg въздух. Тази величина е още известна като специфична влажност. Цялото Черноморие и крайните югоизточни части от страната ни показват високи стойности на специфичната влажност – от порядъка на 10-12 g/kg. А с това изпълняваме и последното от четирите условия за образуване на суперклетки.

Фиг. 2а Фиг. 2б

Когато се правят конвективни прогнози, е полезно да се преглеждат малко по-специални карти от тези, които показахме до момента. Може би две от най-важните полета, които разкриват характера на конвекцията, са наличната конвективната потенциална енергия (Convective Available Potential Energy, CAPE) и вятърният срез (wind shear). Двете полета са показани на фигура 3 и са валидни за 18:00 часа местно време (15:00 UTC).
CAPE е параметър, който описва скритата енергия на подемната сила за целия атмосферен слой. И тъй като става въпрос за подемна сила, може да бъде показано, че CAPE е правопропорционален на корен квадратен от вертикалната скорост на възходящия поток - √w. Високи стойности на CAPE (обикновено над 1000 J/kg) се свързват с бурни конвективни движения. Тези високи стойности се получават при покриване на две от четирите съставки на Джонс-Досуел: влага в граничния слой и големи вертикални температурни градиенти във височина. Дотук видяхме, че и двата фактора присъстват на атмосферната сцена в България. Нещо повече – обърнете внимание на добрата корелация по брега на морето между полето на специфичната влажност от фигура 2б и полето на CAPE от фигура 3а. В общи линии конвективната енергия достига своите най-високи стойности там, където има влага в приземния 1 km от атмосферата, в унисон с нашата метеорологична интуиция.

Вятърният срез представлява разликата между хоризонталните ветровете на две различни височини. Комбиниран със силни възходящия движения (или висок CAPE), вятърният срез променя характера на бурите, правейки ги по-продължителни и интензивни. Това може да се обясни лесно чрез следния идеализиран пример. Нека си представим атмосфера, която е силно нагрята в най-ниската си част и в която липсва осезаем поток (вятър). Нека също така си представим, че имаме нехомогенна подложна повърхност, при която определени райони се нагряват по-бързо от други. Понеже въздухът над силно нагретите области има по-ниска плътност, той започва да се издига нагоре. Така образуваните термици образуват купесто-дъждовни облаци, от които започва да вали дъжд. Заради отсъствието на сериозно движение на въздуха, облаците стационират, а дъждът пада в областта на възходящия поток, охлаждайки въздуха около и в него. По този начин бурята метафорично се “задушава” и губи своята първоначална сила. Наличието на вертикален срез на вятъра накланя буреносните облаци в хоризонтална посока, с което позволява на възходящия поток да бъде отделен от зоната с валежи. Именно затова засичането между CAPE и shear е толкова критично за формирането на конвективни бури. Ако обърнем внимание на фигури 3а-б , ще видим, че най-доброто засрещане на двата параметъра е в Югоизточна България. Към 18:00 часа местно време този район се характеризира с приблизително 1000 J/kg CAPE и 15 m/s срез на вятъра в слоя 0-6 km. Фигури 3в-г (адаптирани от http://www.spc.noaa.gov/sfctest/help/sfcoa.html) дават представа как тези показатели се съпоставят с климатологията на суперклетките в САЩ. Сравнението с вятърния срез показва, че нашите суперклетки са доста близко до стойностите, отнасящи се до слаби суперклетки (mrgl). Но от друга страна виждаме, че има какво още да се желае от количеството конвективна енергия (CAPE). Преди да правим генерални заключения за конвективния потенциал обаче, трябва да изтъкнем следните два фактора:
• Стойностите на CAPE от фигура 3в всъщност са малко по-различни от тези показани на фигура 3а. Това е така, защото методът за изчисляване на двата типа конвективни енергии не е един и същ. Без да навлизам в детайли, само ще подчертая, че климатология на CAPE от фигура 3в е може би леко завишена поради тази причина.
• Показаните полета на фигура 3 са само прогностични стойности, изчислени от глобалния американски модел GFS (Global Forecasting System). Освен че не е редно да вземаме стойностите на модела за чиста монета, трябва да съобразим, че образуването на суперклетки е чувствително към мезомащабни процеси като морския бриз.

Именно динамиката на тези по-локални процеси ще бъде разгледана в следващата секция от тази статия. В заключение към тази част само бих искал да подчертая, че комбинацията CAPE-shear представлява малка част от пълния арсенал конвективни параметри, чрез които синоптиците анализират потенциала за конвективни бури. Тъй като последните са малко по-специализирани и изискват определена база теоретични познания по динамика/термодинамика, ние ще ги оставим настрана засега.

Фиг. 3а Фиг. 3б
Фиг. 3в Фиг. 3г

б) Поглед отблизо

Дотук видяхме, че наличната конвективна потенциална енергия (CAPE) е може би с една идея по-ниска от необходимата за образуване на суперклетки. Вече отбелязахме обаче, че стойностите на този параметър са диагностицирани от глобален числен модел, в който мезомащабните и най-вече конвективните процеси са силно параметризирани (представени с помощта на емпирични връзки). Фигура 4 подкрепя тези твърдения, показвайки прогнозата на високорезолюционния Bulgarian Air Traffic Services Authority (BULATSA) WRF модел, използван в метеорологичния отдел на Ръководство въздушно движение (РВД). На отделни места CAPЕ стойностите надхвърлят 1500 J/kg и с това са до 50% по-високи спрямо решението на GFS. Това е сигурен знак за влиянието на определени мезомащабни процеси, силно пренебрегнати в глобален модел като GFS. Можете сами да се убедите колко е трудна работата на оперативните метеоролози – те трябва не само да сравнят различните моделни продукти, но също така и да анализират качествата/недостатъците на моделите, от които тези продукти са направени!

Фиг. 4

Още през далечната 1985 година двама учени – Хауърд Блустайн и Майкъл Джейн, установяват, че един от важните механизми за образуването на интензивни конвективни бури е наличието на приземна конвергентна зона. Следвайки закона за запазване на масата, тези зони водят до принудено издигане на конвективните термици и образуват така наречената дълбока влажна конвекция (deep moist convection, DMC). Тук е моментът да подчертая, че всичките конвективни параметри се обезсмислят напълно при липсата на механизъм за принудено издигане на въздуха от приземния слой до зоната на свободна конвекция (level of free convection, LFC). Това е височината, над която конвективните термици започват да усещат позитивна подемна сила и не се нуждаят от помощ, за да продължат своя славен ход към небесните висини. Казано иначе, CAPE стойности от порядъка на 8000 J/kg (екстремни даже и за Алеята на торнадото в САЩ) може да бъдат пропилени на вятъра, ако някой не си направи труда да даде първоначален тласък на иначе силно нестабилния въздух в граничния планетарен слой.

Значението на приземната конвергенция за стартирането на следобедната суперклетъчна конвекция се вижда отлично на фигура 5. Първият панел показва прогнозата на BULATSA WRF за приземното налягане и вятъра в 19:00 часа местно време, а вторият е приближено сателитно изображение във видимия спектър, взето директно от en.sat24.com в 19:10 часа. С прекъсната червена линия на фигура 5a съм означил двете зони на приземна конвергенция, така както са представени от WRF модела. Те са свързани с появата на дневен бриз от Черно море (по-северната линия) и от Мраморно море (по-южната линия). За улеснение тези две конвергентни зони са пренесени и върху сателитното изображение на фигура 5б. Ясно виждаме, че там, където вятърът рязко сменя посоката си, имаме образуването на линия от суперклетъчни бури. Обърнете внимание на суперклетката, оградена със зеления правоъгълник – това е същата тази, която мина южно от Бургас и която ще бъде разгледана подробно във финалната част на статията.

Фиг. 5а Фиг. 5б

Но преди да отправим поглед към наблюденията на Бургаската суперклетка, аз бих искал да завърша тази секция с преглед на вертикалния термодинамичен профил от Бургас в 15:00 часа, представен на фигура 6. За целта използваме така наречената skew-T Log-P диаграма. Тези аерологични сондажи са познати на много от вас, но все пак ще припомня, че червената крива обозначава температурата, а синята – точката на оросяване. Отляво имаме стойностите на изобарните нива, а отдясно – стойностите на температурата. Различните части от атмосферата са анотирани чрез дебели и прекъснати светлозелени линии. В директен отговор на дневния прегрев и действащите турболентните потоци, имаме добре изразен конвективен граничен слой, в който температурата се понижава почти сухоадиабатно. Големи вертикални температурни градиенти виждаме и в свободната атмосфера. Те са частично свързани с преноса на повдигнатите конвективни гранични слоеве (Elevated Mixed Layers) от Северна Африка към България. Двете части на атмосферата са отделени от интерфейсен слой. Този слой обикновено е инверсионен (температурата се повишава във височина), но тук е по-скоро близък до изотермен (температурата остава постоянна във височина).

Непрекъснатите бели линии следват конструкцията на Норман, която описва траекторията на принудително издигнати атмосферни парцели (безкрайно малки обеми въздух) във височина. Те достигат нивото си на свободна конвекция (level of free convection, LFC) на около 850 hPa, или приблизително 1500 m над морското равнище. Благодарение на дневното повишение на температурите и достатъчното количество влага в граничния слой, издигнатият парцел въздух остава винаги вдясно от червената линия (температурата на околната среда), след като премине LFC. Това означава, че парцелът е по-топъл от заобикалящата го среда и изпитва положителна подемна сила по време на издигането си. Ако приземната температура или количеството влага (съответстващо на точката на оросяване) бяха малко по-ниски, то парцелът щеше да срещне затруднения в издигането си над 650 hPa. Но може би още по-важна е малката разлика между LFC и нивото на кондензация (където двете линии се пресичат). Слоят, намиращ се между двете нива, се характеризира с отрицателна подемна сила (бялата крива е вляво от червената). Колкото по-тънък е този слой, толкова по-малко усилия се изискват от околната среда да повдигне атмосферните парцели до така желаното от тях ниво на свободна конвекция.
Площта, затворена между бялата и червената линия е равна на CAPE. Въпреки че към 15:00 часа конвективната енергия не е достигнала все още стойностите си от три часа по-късно (771 J/kg срещу ~1200 J/kg), комбинацията от влажен въздух при земята (високи стойности на точката на оросяване) и големи вертикални температурни градиенти във височина предизвикват натрупването на конвективна потенциална енергия в дълбок слой от атмосферата.

CAPE беше първата важна съставка от рецептата за правене на суперклетки. Втората е вертикалният срез на вятъра. На Skew-T Log-P диаграмите той се представя традиционно във формата на ходограф (горен ляв ъгъл). Концентричните кръгове в ходографа са изохипси и представят зони с еднаква скорост на вятъра. На този ходограф скоростта е отбелязана в ноти (1 kts = 0.5 m/s). Кривата на ходографа показва ветровете на различни височини в атмосферата. Например най-лявата част от кривата се отнася до приземния вятър и ни подсказва, че той духа от ЮИ с посока 10 kts = 5 m/s. Тази посока и скорост съвпадат с долната част от вертикалния профил на вятъра, показан на Skew-T Log-P диаграмата. Най-хубавата част от ходографите е, че те ни дават бърза представа за силата и посоката на вятърния срез. Ето как става това! Нека си представим, че искаме да опишем този параметър от земната повърхност до най-високата част на атмосферата (100 hPa по сондаж). Посоката на вектора, описващ вятърния срез, се намира като свържем началото и края на ходографската крива. Това е показано схематично на сондажа с бяла стрелка. В нашия случай векторът е насочен на изток-североизток. Посоката на вятърния срез има важно значение за определяне на типа конвекция – линейна или дискретна. Имената на двата типа конвекция подсказват тяхната структура – докато линейният тип представлява дълга редица от конвективни бури, които са малко или много слети в един общ клъстър, то при дискретната конвекция взаимодействието между отделните бури се свежда до минимум. По правило вероятността за образуване на линейна конвекция е голяма, когато посоката на вятърния срез е успоредна на приземната конвергентна линия. Ако ъгълът между вятърния срез и конвергентната линия е близък до 90°, то бурите преминават в дискретен режим. На теория дискретните суперклетки са по-опасни, защото не си съперничат с други конвективни облаци и така разполагат с цялата конвективна енергия на въздушната маса около тях. Нека се върнем отново на фигура 5б и да приложим това правило. В долния десен ъгъл съм обозначил накъде е насочен вятърния срез, сметнат за цялата дебелина на атмосферата. Суперклетките в Турция са много близки една до друга, защото там конвергентната линия и вектора на вятърния срез са почти успоредни; в резултат наковалните показват тенденция към сливане, с което и цялата конвективна система придобива квазилинеен вид. Точно обратното се случва в югоизточните части на България, където конвективният режим е по-дискретен вследствие на благоприятния ъгъл между вятърния срез и конвергентната линия. Затова суперклетката близо до Бургас е на безопасно разстояние от тази на югозапад от Ямбол.

Ходографът може да ни покаже също каква е скоростта на вятърния срез. Припомням че, суперклетките биват благоприятствани при високи стойности на тази метеорологична величина. Дължината на ходографската крива (изчислена или като мислено измерим дължината на кривата, или като прочетем стойностите на параметъра SHEAR в долния ляв ъгъл) е около 30 m/s за целия атмосферен слой, като около и над 20 m/s са в слоя 0-6 km. Това е още едно потвърждение, че глобалният модел GFS не е симулирал влиянието на морския бриз адекватно и затова е подценил вятърния срез с повече от 5 m/s. За обстановката от 2 юни това несъответствие е критично и се явява разликата между слаби (mrgl) и средни по сила (nontor) суперклетки според климатологията, показана на фигура 3г.

Фиг. 6

3. Наблюдения върху развитието на суперклетките

До момента показахме, че атмосферните условия над Югоизточна България са предполагали развитието на суперклетъчни бури. Както глобалните, така и регионалните модели с висока резолюция са давали силни сигнали за локацията на бурите. С помощта на моделни продукти, до които всеки един от вас има неограничен и безплатен достъп, анализирахме конвективната обстановка и обяснихме значението на някои важни параметри (CAPE, shear) и концепции (тип конвективна организация) в прогнозирането на дълбока влажна конвекция (deep moist convection). Финалната част на статията ще ви покаже какво всъщност се случи на 2 юни 2016 от перспективата на доплеровите радари на Изпълнителна агенция “Борба с градушките” (ИАБГ) и снимков репортаж на суперклетката, ударила южните части на Бургас. За да може материалите по-долу да бъдат осмислени добре, предлагам да започнем с кратко описание на концептуален суперклетъчен модел.

а) Концептуален модел на суперклетка

Може би до този момент много от вас са си задали въпроса, как всъщност изглежда една суперклетка. В търсене на леснодостъпни схеми, които могат да отговорят задоволително на този въпрос, се натъкнах случайно на този уеб адрес - http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring08/atmo336s1/courses/fall14/atmo170a1s3/online_class/week_10/lect31_thunderstorms_pt2_tornadoes_pt1.html, върху който ще базирам и кратката дискусия тук.

На фигура 7а имаме идеализиран модел на дяснодвижеща се суперклетка (най-честия вид суперклетки), който набляга върху двата най-важни елементи на суперклетъчната буря: въртящият се мезоциклон (в червено), под който много често се формира стенен облак (wall cloud) и торнадо; отделения от него низходящ поток (в синьо). Ясно се вижда влиянието на вятърния срез в цялостния вид на бурята. Фигура 7б показва хоризонтално сечение на същия суперклетъчен облак. В яркочервен цвят е означено мястото, където се намира мезоциклона (и евентуално свързаното с него торнадо) на суперклетката. В син оттенък са маркирани двете зони с низходящ поток в суперклетката. Поради липсата на подходяща номенклатура в българската научна литература, аз предлагам следните преводи на тези две низходящи зони: FFD (forward flank downdraft) да съответства на преден низходящ поток, а RFD (rear flank downdraft) – на заден низходящ поток. “New cells” на фигура 7а се съгласува със сивата зона от фигура 7б, която маркира положението на така наречената флангова линия (flanking line). Това е мястото, където новите конвективни клетки правят опити да се формират. Зоната е маркирана със символ за студен фронт (сини триъгълници) и разделя студения въздух, свързан със задния низходящ поток в бурята, от входящия топъл въздух, който захранва суперклетката. Фигура 7в ни представя как суперклетката би изглеждала на доплеров метеорологичен радар (източник: https://www.meted.ucar.edu/tropical/synoptic/local_storms/navmenu.php?tab=1&page=1.5.0). В левия панел са показани радиалните ветрове, очертаващи диполната структура характерна за мезоциклона. В дясно виждаме и типична радарна рефлективност от дяснодвижеща се суперклетка. Най-отличителните черти в полето на отражаемостта са:
• кукичката в южната част на суперклетката;
• големият градиент (голяма разлика в цветовете) в областта на мезоциклона и предния низходящ поток;
• относително малкият градиент (малка разлика в цветовете) в северната част на суперклетката;
• V-образната форма на суперклетката за разлика от обикновените бури, имащи елипсовидна форма в повечето случаи.

Фиг. 7а Фиг. 7б

Фиг. 7в

Това са и най-важните неща, които трябва да знаете при разпознаването на суперклетъчните бури. Надявам се, че концептуалният модел от фигура 7 ще ви е полезен в последващата дискусия.

б) Как изглеждаха бурите на доплеровия радар?

Тук ще ви запозная с важни черти от динамиката на суперклетките посредством използване на радарната рефлективност. Но преди това бих искал да направя малко отклонение и споделя част от своите впечатления за радарните системи в Европа и в частност България. Като възпитаник на английската и американската метеорологична школа, аз се натъкнах на някои съществени различия между начина на поднасяне на метеорологичната информация между отделните страни. Тези различия са особено изразени по отношение на радарните системи на двата континента. За разлика от повечето европейски страни, САЩ разпространяват почти цялата си метеорологична информация напълно безплатно. Намирането на пълна радарна информация в Европа се оказва практически невъзможно. В свободното пространство липсват жизненоважни показатели като радиалната скорост на вятъра, измерена от оперативните доплерови радари. И тъй като мезоциклоните на суперклетките биват най-лесно разпознати чрез полето на вятъра (виж ляв панел на фигура 7в), класификацията на бурите само по радарна рефлективност се оказва трудна задача. Нещата могат допълнително да се влошат, когато суровата метеорологична информация бъде трансформирана във вторичен продукт. Например публичните английски и германски радари показват интензитет на валежа (в mm/h). Въпреки че това се интерпретира лесно от масовата публика, такива вторични продукти са базирани на много предположения и лишават запознатите от обективна оценка за конкретната конвективна ситуация. В България намирането на свободна радарна информация е още по-трудно. В повечето случаи любителите метеоролози разчитат на чуждестранни радари, които само частично покриват страната ни. За наше щастие, Изпълнителна агенция “Борба с градушките” пуска свободен достъп до един от своите продукти през летния сезон – CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator), който представлява индикатор за кръгов обзор на постоянна височина. Този индикатор ни показва радиолокационната радарна отражаемост на височина от 2.5 km. Несъмнено ползването на продукта е много по-добра алтернатива от пълното информационно затъмнение, което метафорично властва над страната ни през тъмното полугодие. Но за изучаването на структурата и характеристиките на суперклетъчните бури, това отново се оказва крайно недостатъчно. Казаното дотук има за цел да ви подготви за типа и качеството на последващия радарен анализ, направен именно на базата на CAPPI 2.5 km от ИАБГ.

Следобедната еволюция на суперклетките в Югоизточна България беше белязана от процес, известен в английската литература като “storm splitting”. Отново в опит да запълня пропуските в конвективната терминология на български език, моето предложение е, този процес да бъде наречен клетъчно делене. Въвеждането на този термин е мотивирано от сходството на разглеждания суперклетъчен процес с друг подобен процес от областта на клетъчната биология.
На фигура 8 е направен изохронен анализ, илюстриращ клетъчното делене на двете суперклетки, които се формираха по протежението на приземната конвергентна линия от фигура 5. Тук искам да изразя специални благодарности към моя колега Скот Дънкън, който изготви този анализ специално за целите на тази статия. Изохронният анализ е често използван при обсъждане на бури и мезомащабни процеси в американските научни списания. Той е изключително полезен, защото позволява използването на едно единствено изображение за нагледно описване на цялостната еволюция на изучавания феномен. В нашия случай пунктираните черни линии са изохроните, които свързват радарни рефлективности, измерени през едно и също време. Времевите щампи в сивите правоъгълници се отнасят до местното време в България през лятното полугодие. Ясно виждаме, че първите суперклетки водят началото си от облак, който се формира някъде между Карнобат и Драка през 17:43 часа. В началото лявата суперклетка доминира дясната такава, но нещата се обръщат в полза на дяснодвижещата се суперклетка още през 18:49 часа. Последната достига апогея на своето развитие около 19:15 часа, преминавайки през южните квартали на Бургас. Кадрите в края на статията се отнасят именно до тази дяснодвижеща се суперклетка! Втората серия суперклетки произлизат от облак, който се появява на доплеровите радари малко след 18:00 часа в района на Раднево. Клетъчното делене е видимо през 19:02 часа, след което ляводвижещата се суперклетка бързо губи интензитета си. Интересното в случая е, че дяснодвижещата се суперклетка е значително по-голяма от бургаския си еквивалент. При движението си към българо-турската граница, тя се слива с други по-малки клетки и губи типичните си суперклетъчни характеристики в полето на рефлективността.

Фиг. 8

Суперклетките от изохронния анализ показват доста сходни черти с идеализирания радарен модел от фигура 7в. Може би най-трудният елемент за откриване е кукичката в южната част на суперклетката. Това се дължи на няколко причини, от които интензитетът на бурята със сигурност има водещо значение. Суперклетките с по-слабо изразен мезоциклон не могат да “завихрят” рефлективността по начина, показан на радарния модел. В добавка към това е редно да отчетем, че резолюцията на радарните изображения не е достатъчно добра и че използването на CAPPI 2.5 km разкрива само част от структурата на бурята. Това за пореден път затвърждава наблюденията ми за качеството на поднесената безплатна радарна информация в Европа.

Но какво причинява клетъчното делене? Нека да разгледаме една схема на щатския университет в Сан Франциско, взета от http://www.geosci.sfsu.edu/geosciences/classes/m897/Readings/SeventhWeek/SplittingSupercell.jpg и адаптирана на фигура 9. Илюстрацията показва еволюцията на суперклетка в атмосфера, където посоката на вятърния срез остава постоянна – от запад на изток. Ако трябва да наложим вятърния профил от схемата на един ходограф, то бихме имали права линия с координати (x,0), т.е. всички точки биха лежали върху абсцисата на ходографа (оста на x). При такива обстоятелства ще формираме хоризонтални вихри подобни на черно-цикламените окръжности от фигура 9. Ако мислено свържем центровете на тези окръжности, ще получим така наречените вихрови тръби, илюстрирани чрез черните криви на фигура 9. От теоремата на Келвин за запазването на циркулацията може да се покаже, че вихровите тръби следват посоката на направляващия поток. На по-разбираем език това означава, че възходящият поток, захранващ все още несуперклетъчната буря на фигура 9а, придава възходяща компонента на първоначално хоризонтално ориентираните вихрови тръби. Вследствие на това в периферията на възходящия поток се образуват два вихъра – един циклонален (с въртене обратно на часовниковата стрелка, анотиран с +) и един антициклонален (с въртене по посока на часовниковата стрелка, анотиран с -). Тези вихри създават нелинейни пертурбации в полето на налягането, които могат да се изразят чрез следната връзка: p'nl ~ -ζv^2. Тази връзка е изведена в учебника на Хауърд Блустайн от 1993 (стр. 468) и показва, че нелинейната пертурбация в налягането е пропорционална на минус вертикалната компонента от вихъра, повдигната на квадрат. Това означава, че независимо от посоката на своето въртене вихърът ще създава негативни пертурбации в налягането (p- на фигура 9а). Тези негативни пертурбации са най-изразени в средните части на тропосферата, където огъването на вихровите тръби е най-отчетливо. Динамичното понижаване на налягането създава вертикални сили на баричния градиент. Или си представете, че черно-цикламените вихри в средната част на облака буквално засмукват въздух от по-ниските слоеве на атмосферата. По този начин в периферията на първоначалния възходящ поток се раждат два нови възходящи потока (означени с тъмносини стрелки), които на всичкото отгоре изпитват и въртенето, породено от циркулацията в околността на черно-цикламените вихри. А както вече знаем, наличието на въртящ се възходящ поток означава само едно – суперклетъчен мезоциклон! Двата нови възходящи потока своеобразно разширяват големината на първоначалния такъв, както се вижда на фигура 9б. При своето нарастване облакът образува дъжд, падащ в околността на първия (невъртящ се) възходящ поток. Това несъмнено го разрушава, с което и процесът на клетъчно делене е вече в ход. Образуват се две суперклетки – дяснодвижеща се с циклонален мезоциклон и ляводвижеща се с антициклонален мезоциклон.

Фиг. 9а Фиг. 9б

Припомням, че концептуалният модел от фигура 9 се отнася за вятърен срез, който не променя посоката си във височина. В реални атмосферни условия обаче това е много рядко и обикновено ходографските криви заемат най-различни форми. Тъй като това не е обект на тази статия, аз няма да дискутирам процесите, които описват поведението на суперклетки в такива условия. Информативно обаче ще вметна, че ходографски криви, движещи се по (обратно) на часовниковата стрелка, водят до подсилване на дяснодвижещите (ляводвижещите) се суперклетки. Интересуващите се може да погледнат ето тази схема - http://www.geosci.sfsu.edu/geosciences/classes/m500/Press_Perturbation/LinearPressurePerturbation.jpg , направена отново от щатския университет в Сан Франциско.

Нека да приложим казаното в предния параграф, връщайки се към ходографа от фигура 6. Там виждаме, че ходографската крива се върти обратно на часовниковата стрелка в първите 2-3 km, след което остава относително праволинейна в останалата част на атмосферата. Обикновено това води до хибридни случаи, в които имаме както клетъчно делене, така и промотиране на ляводвижещите се суперклетки. За наша изненада обаче радарното изображение от фигура 8 ни показа, че дяснодвижещата се суперклетка до Бургас се превърна в доминираща. Тук имаме привидно несъответствие между прогноза и реалност. Но дали това е наистина така? Много е вероятно разминаването да се дължи на разликата в местата, където суперклетката се е формирала и откъдето е взета прогностичната Skew-T Log-P диаграма. Тази хипотеза е илюстрирана на фигура 10 чрез качествен анализ на суперклетъчните комплекси от България и Турция. С буквата Р на тази фигура e означена дяснодвижещата се клетка от Раднево, която бързо доминира над левия си близнак, показвайки поведение сходно до това на бургаската буря. Добре изразената суперклетка от Раднево се е запътила стремглаво в посока югоизток към Турция. Там я чакат три други суперклетки, които произлизат от общ облак-майка в много по-ранни срокове. На фигура 10в съм начертал идеализиран модел на тяхната еволюция за ваше улеснение. От радарната информация на трите панела става ясно, че именно антициклоналните суперклетки доминират на турска територия въпреки стадиите на клетъчно делене, през което те спорадично преминават (вижте дискусията за хибридното поведение от по-горе). Нещо повече – формирането на ляводвижещите се суперклетки става на много по-близко разстояние до прогностичния бургаски сондаж от това на българските суперклетки, илюстрирани на фигура 8. Това частично затвърждава хипотезата ми за размиването между очаквания и реалния режим на суперклетките. Но идеята на този пример не е да покаже правотата на изказаната от мен хипотеза, а по-скоро да напомни на синоптици и любители на лятна конвекция колко е важно да се анализират и най-малките подробности в атмосферните условия. Това е критично за издаването на точни прогнози през летния конвективен сезон! Примерът ни показва как разнообразните условия от близки по географско положение райони водят до образуването на коренно различни суперклетъчни режими. В резултат от разликата в тяхната динамика, турските суперклетки преминават на българска територия, а дяснодвижещата се суперклетка от Раднево завършва финалните етапи от своето развитие в Турция.

Фиг. 10а Фиг. 10б

Фиг. 10в

в) Снимков материал

Тук ще видим как изглеждаше дяснодвижещата се суперклетка, която премина през южните квартали на Бургас. На фигури 11a,б,в са показани различните етапи от развитието на тази суперклетка. Първата снимка е направена в 18:29 часа и показва бурята в нейния ранен стадий. Издължението в лявата част на облака отговаря на фланговата линия, показана и на суперклетъчния модел от фигура 7б. Суперклетката продължава бурното си развитие и само след 11 минути (фигура 10б) има добре оформен мезоциклон в основата си. Забележете как възходящият въздух буквално се изстрелва нагоре, променяйки посоката си на движение под въздействието на вятърния срез. На последния панел от фигура 11 облакът е във финалния етап от развитието си; към 19:05 часа имаме добре оформен мезоциклон в лявата част на снимката и преден низходящ поток в дясната и част.

Фиг. 11а Фиг. 11б

Фиг. 11в

В разгара на бурята наблюдавах и няколко интересни облачни структури под мезоциклона на суперклетката. Те са анотирани на фигура 12, която представлява увеличена снимка от телефона ми. Под базата на мезоциклона виждаме стенен облак (wall cloud) и опашат облак (tail cloud). Стенният облак е изключително важно образувание, защото именно под него може да се формира торнадо. Въпреки че при тази суперклетка не се стигна до такива ексцесии, някои от вас биха объркали опашатия облак за торнадо. Разликата между тях е, че в циркулацията на опашатия облак липсва ротация. Последното нещо, на което искам да обърна внимание от фигура 12, са ламинарните облачни бразди в мезоциклона на суперклетката. Те се образуват заради принудителното издигане на въздух, който изпитва отрицателна подемна сила (тоест въздух, намиращ се под нивото на свободна конвекция). При този процес въздухът следва движението на въртящия се възходящ поток и образува тези типични ивици в периферията на мезоциклона.

Фиг. 12

Може би любимата ми снимка, показваща цялостната структура на суперклетката, е илюстрирана на фигура 13 и се отнася до 19:00 часа. По много показатели тя наподобява класическия модел от фигура 7a. Ясно се виждат трите основни елемента на облака – наковалня, мезоциклон и преден низходящ поток. Пунктираните стрелки от облака показват схематично движението на въздуха. Мезоциклонът на снимката от фигура 13 е в пиковата си форма, с ясно изразено винтообразно движение на изкачващия се поток. Суперклетката е загубила облачните си понижения (стенен и опашат облак) от фигура 12, което е и знак за постепенното и отслабване. Основната причина се крие в понижаващата се температура на входящият поток към бурята при нейното приближаване към Черно море. Това означава, че прииждащият въздух не е достатъчно подемен, за да се изкачи към мезоциклона на суперклетката.

Фиг. 13

4. Заключение

С написването на тази статия целях да направя обобщение на обстановката от 2 юни 2016, когато в югоизточните части от страната се формираха няколко суперклетки. Този тип облаци са изключително редки за територията на България. Появата им беше силна мотивация за анализирането на условията, в които те се формираха, и дискутирането на характерни черти от динамиката на процесите в тях. Но може би най-важната причина за написването на статията беше уникалната възможност, да заснема преминаването на една от дяснодвижещите се суперклетки. Пред мене се разкриха всички тези уникални суперклетъчни структури, които бях свикнал да виждам по време на преследванията ми на бури в “Алеята на торнадото”. Немалко от моите колеги-метеоролози възкликнаха, че наблюдаваните структури от бургаската суперклетка са редки даже и по завишените американските стандарти.

Текстът е написан в научно-популярен стил, в опит да направя теоретичните дискусии достъпни за по-голяма маса от хора. Това всъщност е тясно свързано с втората главна цел на тази статия. Лични мои наблюдения показват, че голяма част от българското общество остава силно неуведомено за съществуването на суперклетката като тип лятна буря. Това е до голяма степен обвързано с медийното затъмнение, царящо около проявата на тези облаци. Теоретичните разработки на суперклетъчна тематика са редки или почти липсват от научната ни литература. Може би най-прякото следствие от това е и отсъствието на подходяща терминология, която да описва по адекватен начин динамичните процеси в суперклетъчните бури. Това неслучайно води и до чести обърквания между понятия като торнадо и смерч. Представената от мен статия прави един от първите опити за подходящ превод на съществуващата американо-английска номенклатура. В добавка към всичко това трябва да отбележа и липсата на синергия между научните работници в областта на метеорологията и журналистите, които имат задачата да запознаят обществото със структурата на тези екстремни прояви на конвекция. Подобни тенденции са неотменно свързани с рядкостта на суперклетъчните бури в България. Но дълбоко вкоренената неосведоменост на обществото ни по отношение на разнообразието от опасни суперклетъчни явления увеличават вероятността, тези бури да нанесат големи щети върху публичната инфраструктура и земеделието. А в много от случаите суперклетките представляват и пряка опасност за живота на хората!

Надявам се тази статия да е първата стъпка към популяризирането на екстремните конвективни бури в България. Затова апелирам към научните ни експерти да влязат в ролята си на медиатори, които да запознаят гражданите с широкия спектър от опасни летни явления в страната ни. Пътят към успеха е дълъг и труден, но съм убеден, че статуквото може да бъде променено с общите усилия на всички институции в научните ни среди.



Избрана библиография

Bluestein, H.B. and M. H. Jain, 1985: Formation of mesoscale lines of precipitation: Severe squall lines in Oklahoma during the spring. J. Atmos. Sci., 42, 1711-1732.
Bluestein, H. B., 1993: Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes. Volume II: Observations and Theory of Weather Systems. 593 pages.
Johns, R. H., and C. A. Doswell III, 1992: Severe local storms forecasting. Wea. Forecasting, 7, 588–612.
Sutcliffe, R. C. (1938) On development in the field of barometric pressure. Q. J. R. Meteorol. Soc., 64, pp.495-504


неделя, 5 юни 2016 г.

Дъждовният сезон в Индия

В света на метеорологията едно от най-интересните събития в тази част от годината е сезонът на влажния мусон в Индия.

Предшестван от страхотни жеги, достигащи и даже минаващи +45 градуса, мусонните дъждове носят живителна прохлада. Индийските метеоролози дават старт на мусона тогава, когато ветровете от приземния слой до 700 хПа (около 3 км височина) започват все повече да се обръщат и задържат от запад, но съчетано с ветрове от изток във високата част на тропосферата (250 хПа, около 10 км височина). Графиките са от днес.


И ако южните части на Индия вече могат да говоря за мусона, то трябва да знаете, че той не идва веднага за цялата територия. На север, примерно, се очаква едва след средата на юни.