Indeksy konwekcji. < 300 bardzo słaba konwekcja (ale np. ubiegłej zimy wystąpiła burza przy wskaźniku CAPE =100)

Transkrypt

1 Juliusz Orlikowski Indeksy konwekcji. Od wielu lat próbuje się parametryzować konwekcje. Wykonuje się to w celu określenia zagrożenia burzami, uskokami wiatru oraz ewentualnie pojawiającym się trąbami powietrznymi. W tym celu wyznacza się określone parametry które bardzo często związane są analizą sondaży aerologicznych zarówno bieżących jak i prognozowanych. Niestety mimo zastosowania różnych metod analizy, nie ma jak dotąd wskaźnika / indeksu który pozwalałby na precyzyjne parametryzowanie zjawisk konwekcyjnych. Wynika to z jednej strony z problemów prognozowania małych układów synoptycznych (jakimi najczęściej są burze) w związku z problemem wielkości siatki numerycznego modelu prognostycznego oraz z dużym wpływem podłoża na przebieg zjawisk konwekcyjnych (którego wpływ jest bardzo także trudny do prognozowania). Najstarszym i najczęściej wykorzystywanych wskaźnikiem jest indeks CAPE (Convective Available Potential Energy), który wyrażany jest w jednostce J/kg. Polskie tłumaczenie tego wskaźnika to: Dostępna (konwekcyjnie) energia potencjalna. Jest wartością energii potencjalnej cząstki powietrza podniesionej pionowo w wyniku konwekcji. Czynniki wzmagające konwekcję to: duże nagrzanie powierzchni Ziemi lub np. kondensacja pary wodnej w unoszącym się powietrzu. CAPE jest dobrym wskaźnikiem generalnej niestabilności atmosfery i wskazuje na wielkość konwekcji oraz skłonność do występowania burz a także trąb powietrznych. Podzielony jest zwykle na następujące zakresy: < 300 bardzo słaba konwekcja (ale np. ubiegłej zimy wystąpiła burza przy wskaźniku CAPE =100) słaba średnia silna >3000 bardzo silna Przykładem ekstremalnie wysokiego indeksu CAPE jest wartość przekraczająca przy takiej wartości indeksu wystąpiło tornado o wskaźniku F5 w Oklahoma City. W sposób obrazowy wartość CAPE określa powierzchnia pomiędzy krzywymi stanu i stratyfikacji, w warunkach konwekcji tzn. krzywa stanu jest po prawej stronie od krzywej stratyfikacji na diagramie aerologicznym. Na poniższym rysunku dodatnie CAPE jest dla obszaru w kolorze różowym

2 Jak się okazało CAPE jest mało precyzyjnym parametrem, dlatego że taką samą powierzchnię (czyli wartość CAPE) mogą przyjmować obszary o kształcie długim i wąskim (jak na w/w rysunku) lub o mniejszej długości ale większej szerokości. W takich sytuacjach prędkość ruchów pionowych a tym samym intensywność burz może być bardzo różna. Wartość CAPE można codziennie sprawdzać na bazie aktualnych danych sondażowych. Np. dane z Pragi:

3 Dodatnie CAPE jest na wykresie wskazane czerwoną strzałką, natomiast wyliczona wartość CAPE 33,98J/kg zaznaczono różowym kwadratem Z kolei dane z Legionowa wskazują że tego dnia nie było konwekcji:

4 Prognozy wskaźnika CAPE można znaleźć: Meteoblue: link CAPE/Streams GFS: - link na górze ekranu CAPE + Lifted Index Ponieważ indeks CAPE nie jest precyzyjny wprowadzono podział indeksu CAPE na poszczególne poziomy w atmosferze. Innym wskaźnikiem który doprecyzowuje wartość wskaźnika CAPE jest Indeks podniesiony LI (Lifted Index), który wyrażany jest w jednostkach temperatury C.

5 Jest wskaźnikiem pozwalającym określić przewidywaną aktywność burzową w danym rejonie. Jest to temperatura jaka osiąga odizolowana cząstka powietrza podniesiona adiabatycznie do poziomu 500hPa w danych warunkach (około 5500m) Wskaźnik ten otrzymuje się zależności: LI = TL-T500 gdzie: TL - temperatura cząstki powietrza podniesionej do poziomu 500hPa chłodzącej się adiabatycznie do poziomu kondensacji T500 - temperatura otoczenia na tym samym poziomie (do odczytania z diagramu aerologicznego). Wartość indeksu LI osiąga wartości: > 11 Ekstremalna stabilność atmosfery burze nie są możliwe od 8 do 11 Bardzo duża stabilność atmosfery burze nie są możliwe od 4 do 7 Atmosfera stabilna burze nie są możliwe od 0 do 3 Atmosfera raczej stabilna burze nie są możliwe od -3 do -1 Atmosfera mało stabilna burze są możliwe od -5 do -4 Atmosfera niestabilna burze są prawdopodobne od -7 do -6 Atmosfera bardzo niestabilna burze występują < -7 Atmosfera bardzo ekstremalnie niestabilna - bardzo wysoka aktywność burzowa (w USA możliwe tornada) Wartość wskaźnika można odczytać z danych radiosondażowych. Opierając się na przykładzie sondażu z Pragi:

6 Wartość indeksu wynosi około 2 C, (są dwie wartości bowiem wyliczenia są dwiema metodami). W sposób obrazowy wartość LI określa szerokość powierzchni dodatniego obszaru CAPE mierzonego na poziomie 500hPa. Im mniejsza (ujemna) wartość indeksu LI, tym szerszy jest obszar określany wartością CAPE na poziomie 500hPa. Prognozy wskaźnika LI można znaleźć: GFS: - link na górze ekranu CAPE + Lifted Index

7 Wskaźnik CIN lub CINH Convective Inhibition [J/kg] - ilość energii potrzebna do ogrzania warstwy granicznej tak, aby cząstki powietrza podnoszące się z powierzchni Ziemi były w stanie dotrzeć do poziomu swobodnej konwekcji (LFC). Jest to "negatywny" obszar sondażu aerologicznego, w którym panuje równowaga stała (nie występuje konwekcja). Bardzo często ten zakres wysokości związany jest z występowaniem inwersji. Wartości wskaźnika przyjmują następujące własności: 0-50 wartość inwersji - słaba wartości inwersji średnia 200 i więcej silna inwersja Przykładowy wykres (obszar niebieski to zakres występowania CIN) materiały kursu COMET Dane o wskaźniku CIN można znaleźć w opisie sondażu:

8 Jak widać nie występowała warstwa hamująca konwekcję. Natomiast w Legionowie o godz (tuż przed pamiętną burzą na Mazurach)

9 występowała warstwa hamująca konwekcję wartość CIN = - 77J/kg. Bardzo często wysoka ujemna wartość CIN może uniemożliwić powstanie chmur konwekcyjnych mimo wysokiego CAPE. Wskaźnik EL - Granica równowagi (Equillibrium Level) Jest to górna granica dodatniego wskaźnika CAPE, tzn jest to górna granica dla której cząstka powietrza jest cieplejsza niż otoczenie (cieplejsza niż krzywa stratyfikacji), powyżej tej granicy występuje jeszcze rozbudowa chmur cumulonimbus, ale już przy ujemnej sile napędowej. Na rysunku oznaczono strzałką:

10 Dane indeksu EL z danych sondażowych:

11 Wartość wskaźnika EL - około 680MPa Maksymalna granica zasięgu cząstki (Maximum Parcel Level) określa Wskaźnik MPL Jest to maksymalny poziom na który może wznieść się cząstka. Poziom ten określa górną granicę chmur konwekcyjnych (np. cumulonimbus), po osiągnięciu tej granicy chmura przestaje rozbudowywać się pionowo, zaczyna przyjmować kształt kalafiora. Pomiędzy granicą MPL i EL, siła napędowa procesu rozwoju chmur jest ujemna, zachodzi dzięki zapasie energii obszaru dodatniego wskaźnika CAPE. Inaczej mówiąc przekroczeniu poziomu EL cząstka powietrza porusza się dalej "z rozpędu", ale ruch jest już hamowany (cząstka przestaje być lżejsza od otoczenia). Poziom maksymalnej granica zasięgu cząstki można określić ze zdjęcia satelitarnego analizując górną wysokość chmur konwekcyjnych. Przykład wartości wskaźnika MPL (czerwona strzałka):

12 Rysunek z materiałów kursu COMET Inne indeksy burzowe: TT (Total Totals) jest indeksem pozwalającym oszacować siłę wiatru, oraz wielkość gradu. Oznaczenie na diagramie: TOTL Obliczany jest na podstawie: Temperatury i temperatury punktu rosy dla poziomu 850hPa Tempertury dla poziomu 500hPa Nie nadaje się do stosowania do prognozowania pogody w górach (problem wysokości 850hPa) Indeks TT przyjmuje wartości: Wartość TT Siła wiatru/wielkość gradu: < 44 Brak konwekcji Wiatr <64 km/h oraz grad <12,7 mm 53 < Wiatr >92 km/h oraz grad >19 mm

13 Dane indeksu TT z danych sondażowych: Wartość indeksu TT = 49. Indeks SWEAT prognozuje możliwość występowania komórek burzowych na podstawie parametrów; wilgotności powietrza w dolnych warstwach atmosfery, adwekcji ciepła, chwiejności konwekcyjnej oraz maksymalnej szybkości prądu strumieniowego. Oznaczenie wartości na diagramach skrót SWEAT. Do obliczeń pobierane są następujące parametry: Total index TT temperatura punktu rosy na poziomie 850hPa szybkość wiatru i kierunek na poziomie 500hPa szybkość wiatru i kierunek na poziomie 850hPa Indeks przyjmuje wartości: < 272 Burze mało prawdopodobne

14 Małe ryzyko występowania burz Umiarkowane ryzyko występowania burz Silne ryzyko, kilka komórek burzowych (wiatr >92 km/h oraz grad >19 mm)/pojedyncze tornada) Bardzo wysokie ryzyko komórek z wiatrem >92 km/h oraz gradem >19 mm)/pojedyncze tornada > 800 Ogromna siła konwekcji Według innych danych gdy indeks Sweat > możliwe jest tornado Dane indeksu SWEAT z danych sondażowych Wartość SWEAT = 23,20 SI, SSI (Indeks Showalter) jest zbudowany podobnie jak wskaźnik LI, tylko że cząstka powietrza "jest podnoszona" do poziomu 500hPa z powierzchni izobarycznej 850 hpa (zwykle nad warstwą graniczną).

15 Oznaczenie na diagramach: SHOW Wartość SI a stan równowagi powietrza: + Stabilna 0 do -4 Chwiejność warunkowa -4 do -7 Duża chwiejność -8 i mniej Extremalna chwiejność Zestawienie dwóch wskaźników tj. LI oraz SI daje możliwość określenia stanu równowagi atmosfery w jej dolnych częściach i to na określonych poziomach izobarycznych np. SI tylko na 850 mb. Wartość LI Wartość SI Równowaga powietrza + - Warstwa graniczna: równowaga stabilna, warstwa powyżej warstwy granicznej; równowaga chwiejna - + Warstwa graniczna: równowaga chwiejna, warstwa powyżej warstwy granicznej; równowaga stabilna (inwersja) + + Głęboka warstwa równowagi stabilnej - - Głęboka warstwa równowagi chwiejnej Dane indeksu SHOW z danych sondażowych

16 Wartość indeksu SHOW = 2,86 KI ( KI Index) jest wskaźnikiem określającym prawdopodobieństwo do tworzenia się komórek burzowych. Skrótowe oznaczenie na diagramach: KINX. Jest to parametr określający rozkład wilgoci i temperatury w atmosferze. Do jego wyznaczenia nie jest potrzebny diagram sondażowy. Należy pamiętać, że nie nadaje się do stosowania w górach, z uwagi na dane potrzebne do jego obliczenia z poziomu 850hPa Wartość KI: 0-15 Brak komórek burzowych < 20% Małe prawdopodobieństwo występowania komórek burzowych Pojedyncze (izolowane) komórki burzowe 20-40% Licznie rozproszone komórki burzowe 40-60% Liczne komórki burzowe 60-80% Wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia komórki burzowej 80-90% > % szansy na burzę Dane indeksu KI z danych sondażowych

17 Wartość indeksu KI = 25,70