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.

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.