WYKORZYSTANIE INDEKSÓW KINEMATYCZNYCH I TERMODYNAMICZNYCH DO PROGNOZY ZJAWISK KONWEKCYJNYCH I BURZ. 1. Wstęp

Transkrypt

1 Autor: kpr. pchor. inż. Łukasz PAJUREK Opiekun naukowy: mgr Wojciech TRZEŚNIAK WYKORZYSTANIE INDEKSÓW KINEMATYCZNYCH I TERMODYNAMICZNYCH DO PROGNOZY ZJAWISK KONWEKCYJNYCH I BURZ. 1. Wstęp Burze oraz towarzyszące im zjawiska konwekcyjne stanowią istotne zagrożenie dla wykonywania zadań sił powietrznych. W warunkach klimatu Polski, z niebezpiecznymi zjawiskami pogody towarzyszącymi burzom można spotkać się w okresie od marca do października najczęściej w okresie letnim, tj. w czerwcu, lipcu i sierpniu. Średnia liczba dni z burzą dla obszaru Polski wynosi od 20 do 30 dni, z czego 70 procent tej liczby przypada właśnie na okres ciepły. Warunki pogodowe w czasie sytuacji synoptycznych sprzyjających burzom, zmieniają się gwałtownie z pozoru przyjazne warunki, w ciągu kilkudziesięciu minut, zmieniają się na groźne dla statków powietrznych. Dlatego tak istotnym jest zabezpieczenia meteorologiczne sił powietrznych poprzez prognozowanie oraz monitorowanie tych zjawisk w newralgicznym okresie lata, kiedy zjawiska burzowe występują najczęściej. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie analizy wykorzystania wybranych indeksów termodynamicznych i kinematycznych do prognozy zjawisk konwekcyjnych i burz. Wiele z tych indeksów nie zostało opracowanych do operowania na terytorium Polski, jednak poznanie ich wad i ograniczeń, związanych z ich otrzymywaniem, prognozowaniem oraz pierwotnym przeznaczeniem, może pozwolić na ich skuteczne wykorzystanie w pracy operacyjnej. Praca określa zakres obszaru stosowalności wybranych indeksów, określa które indeksy są odpowiednie do prognozowania konkretnych rodzajów burz. 2. Dane wykorzystane do opracowania Aby dokonać oceny przydatności wybranych indeksów termodynamicznych i kinematycznych, przeanalizowano szereg sytuacji synoptycznych. Ze zgromadzonych 40 sytuacji, wybrano 16 najlepiej przedstawiających przedmiot analizy. W opracowaniu występują przykłady pochodzące z tych sytuacji synoptycznych. Analizę przeprowadzono z

2 użyciem szeregu danych pod kątem prognozy wystąpienia zjawisk konwekcyjnych i burz, oraz jej weryfikacji względem stanu faktycznego. Dane te to przede wszystkim: dane synoptyczne w postaci map, mapy prognostyczne wybranych indeksów konwekcji pozyskane z modelu numerycznego GFS sondaże aerologiczne wybrane z rejonów reprezentatywnych dla prognozy zobrazowania detektorów wyładowań atmosferycznych zobrazowania radarowe i satelitarne Rys Przykład prognozy indeksu termodynamicznego (po lewej, indeks LI) oraz zobrazowania satelitarnego (po prawej). Prognozy wybranych indeksów konwekcyjnych obejmowały okres od 6 do 12 godzin, weryfikacji tych prognoz dokonywano poprzez porównanie wartości otrzymanych z sondażu aerologicznego z wartościami zaprognozowanymi przez model numeryczny (GFS). Do tego celu, sporządzono tabelę wartości indeksów prognozowanych oraz otrzymanych z sondażu aerologicznego (Tabela 2.1). Gdy doszło do inicjacji konwekcji, pozostałe dane służyły weryfikacji opracowanej na bazie indeksów prognozy dotyczącej aktywności zjawisk konwekcyjnych i burz. Na rysunku 2.1 przedstawiono przykładową prognozę indeksów konwekcyjnych oraz odpowiadające jej zobrazowanie satelitarne. Na rysunku 2.2 przedstawiono przykładowe zestawienie danych - sondaż aerologiczny oraz zobrazowanie radarowe dla wybranej sytuacji synoptycznej.

3 Rysunek 2.2 Sondaż aerologiczny (po lewej) oraz zobrazowanie radarowe (po prawej). Tabela 2.1. Wartości wybranych indeksów obliczone z radiosondaży oraz ich prognozy z modelu numerycznego GFS. Tabela przedstawiająca wartości liczbowe indeksów kinematycznych i termodynamicznych dla wybranych, przeanalizowanych sytuacji synoptycznych. Barwa odpowiada skali wartości wskaźników, przedstawionych w tabelach w pracy. Kolor szary oznacza brak danych dla wybranego terminu. 06 UTC 12 UTC GFS 12 UTC GFS 15 UTC GFS 18 UTC termodynamiczne kinematyczne termodynamiczne kinematyczne termodynamiczne kinematycznetermodynamicznekinematyczne termodynamiczne kinematyczne LI LLS LI -0,9 LLS 3,3 LI -2 LLS 3,5 LI -4,5 LLS 6,5 LI -4 LLS 9 CAPE DLS CAPE 208 DLS 5,4 CAPE 650 DLS 7 CAPE 1900 DLS 3,5 CAPE 1350 DLS 8 CIN SRH CIN 0 SRH 76 CIN 0 SRH 60 CIN 0 SRH 0 CIN 0 SRH 35 K K 33 K 31 K 33 K 25 TT TT 49 TT 50 TT 51 TT 49 LI -2 LLS 7,4 LI -4,4 LLS 5 LI -4 LLS 3,5 LI -4 LLS 2 LI -6 LLS 6 CAPE 211 DLS 9,2 CAPE 650 DLS 8 CAPE 800 DLS 9 CAPE 600 DLS 12 CAPE 1000 DLS 13 CIN -700 SRH 102 CIN -220 SRH 17 CIN -120 SRH 25 CIN -90 SRH 50 CIN -190 SRH 70 K 29 K 27,7 K 26 K 30 K 29 TT 55 TT 53,2 TT 52 TT 55 TT 55 LI 2,7 LLS 7,4 LI -1 LLS 7 LI -2 LLS 6 LI -2 LLS 10 LI -1 LLS 15 CAPE 0 DLS 28 CAPE 350 DLS 25 CAPE 400 DLS 27 CAPE 400 DLS 22 CAPE 250 DLS 22 CIN 0 SRH 88 CIN 0 SRH 33 CIN -20 SRH 55 CIN 0 SRH 30 CIN 0 SRH 60 K 26 K 23 K 29 K 30 K 31 TT 47 TT 50 TT 59 TT 57 TT 57 LI 4 LLS 6 LI 1,3 LLS 15 LI LLS LI LLS LI -1,5 LLS 20 CAPE 20 DLS 28 CAPE 150 DLS 25 CAPE DLS CAPE DLS CAPE250 DLS 25 CIN -20 SRH 80 CIN 0 SRH 222 CIN SRH CIN SRH CIN 0 SRH 250 K 25 K 27 K K K 32 TT 48 TT 46 TT TT TT Charakterystyka wybranych indeksów kinematycznych i termodynamicznych. Wybrane indeksy dotyczące konwekcji można podzielić na dwie grupy : indeksy termodynamiczne, opisujące wybrane charakterystyki temperaturowe dotyczące troposfery, wskazują na charakter stratyfikacji termicznej ( równowagę) atmosfery.

4 indeksy kinematyczne, opisujące dynamikę troposfery oraz powiązanie tej dynamiki z charakterem zjawisk konwekcyjnych, np. uporządkowanie zjawisk konwekcyjnych, ich intensywność. Indeksy termodynamiczne oblicza się na podstawie wartości temperatur na odpowiednich poziomach atmosfery, otrzymanych np. z sondażu aerologicznego (rys. 3.1). Rysunek 3.1. Przykładowy diagram aerologiczny z zaznaczonym polem przedstawiającym indeks CAPE. Wybrane indeksy termodynamiczne to: CAPE Indeks CAPE reprezentuje ilość energii (wyporność) dostępnej do przyspieszenia cząstki powietrza w pionie, lub ilość pracy, jaka jest wykonana na otoczeniu, aby cząstkę podnieść. Na diagramie termodynamicznym jest to obszar na lewo od krzywej stanu do krzywej stratyfikacji, począwszy od poziomu swobodnej konwekcji, zwanego LFC a poziomem równowagi EL. Im większa jest różnica temperatury cząstki i otoczenia tym ten obszar jest większy w związku z czym istnieje większy potencjał do powstania prądów konwekcyjnych.

5 Tabela 3.1. Interpretacja wartości indeksu CAPE Wartość CAPE Opis J/kg Mała energia, niewielka niestabilność Umiarkowana niestabilność Duża niestabilność >2500 Bardzo duża niestabilność * >3500* Dodatkowy podział przeprowadzony dla USA gdzie duże wartości sięgają do 3500 a w ekstremalnych przypadkach powyżej 3500 ( w Europie rzadko) K W literaturze oraz pracy operacyjnej stosuje się również nazwy K INDEX, KINX, WHAITING, KI. Obliczenia tego indeksu oparte są o temperatury z danych poziomów troposfery. Tabela 3.2. Interpretacja wartości indeksu K Wartość Opis indeksu K w C <20 Brak burz, szanse na ich wystąpienie poniżej 20%, możliwe opady konwekcyjne słabe i umiarkowane Burze mało prawdopodobne (20% - 40%), możliwe opady Burze prawdopodobne (40% - 60%) umiarkowane i intensywne opady konwekcyjne możliwe Wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia burz z intensywnym opadem (60% - 80%) >35 Bardzo wysokie prawdopodobieństwo (80% - 90%) w rejonie prognozy istnieje największy potencjał dla generowania intensywnych opadów konwekcyjnych i gwałtownych burz TT Indeks ten składa się z dwóch części. Pierwsza to VT która określa chwiejność atmosfery w warstwie (na podstawie gradientu temperatury) a druga to CT która z kolei określa wilgotność na poziomie 850 hpa (na podstawie punktu rosy). W wyniku takiego połączenia otrzymujemy indeks opisujący chwiejność i wilgotność.

6 Tabela 3.3. Interpretacja indeksu TT Wartość Opis indeksu TT w C 43 Burze mało prawdopodobne, warunki progowe Prawdopodobne lokalne burze Prawdopodobne liczne burze w rejonie >55 Liczne burze w rejonie, o dużej gwałtowności (intensywne opady itp.) LI Indeks ten jest powszechnie wykorzystywany do oceny stabilności. Za jego pomocą oblicza się różnicę temperatury cząstki powietrza uniesionej do poziomu 500 hpa (zgodnie z diagramem, po krzywej stanu danej cząstki) a temperaturą, jaką posiada jej otoczenie na tym poziomie. Tabela 3.4. Interpretacja wartości indeksu LI Wartości indeksu LI w C Opis >3 (6) Atmosfera stabilna 3 1 (nawet od 6 do 3) Generalnie brak burz, ale mogą występować procesy konwekcyjne i przy odpowiednim wspomaganiu, np. na frontach lub dzięki zbieżnościom mogą pojawić się opady przelotne, a w chłodnej porze roku, gdy dynamika kompensuje brak termodynamiki, nawet słabe burze. 0-3 Wartość progowa, niewielka chwiejność atmosfery Umiarkowana niestabilność Duża niestabilność, liczne burze. < -9 Ekstremalna niestabilność (burze powszechne w całym regionie, towarzyszyć mogą im bardzo intensywne opady) CIN Jest to indeks określający wartości energii hamującej konwekcję (występuje przy inwersjach). Na diagramie aerologicznym jest obszarem, który ogranicza krzywa stanu i stratyfikacji, położona po przeciwnej stronie, odwrotnie niż jak to jest przy CAPE.

7 Rys Przykładowy diagram aerologiczny, przedstawiający indeks CIN (niebieskie pole). Tabela 3.5. Interpretacja wartości indeksu CIN Wartość indeksu Opis CIN w J/kg 0-50 Bardzo mała wartość, często spotykana, niewielka blokada procesów konwekcyjnych Umiarkowana wartość, niewielkie wspomaganie jest wymagane do rozwoju konwekcji Duża wartość. Skutecznie hamuje rozwój dla większości procesów konwekcyjnych w rejonie, często nie pozwala nawet na rozwój do stadium cumulusa (konwekcja niewidoczna).wymagane jest wysokie wspomaganie ruchów wstępujących. Duża liczba przypadków intensywnych burz. < -200 Bardzo duża wartość. Tylko nieliczne prądy konwekcyjne są wstanie wytworzyć chmury kłębiaste i burze. Jeśli im się uda, istnieje najwyższe prawdopodobieństwo powstania gwałtownych zjawisk burzowych (oczywiście, gdy w parze z takimi wartościami CIN idą wysokie wartości CAPE). Z kolei wybrane indeksy kinematyczne to: SHEAR 0-6 (DLS) Indeks określa różnica wektora wiatru pomiędzy poziomem 6 km (ok.450 hpa) a wiatrem przyziemnym. Można go wyliczyć, tak jak pozostałe indeksy, za pomocą hodografu (Rysunek 3.2)

8 Rysunek 3.2. Przykładowy hodograf Tabela 3.6. Interpretacja wartości indeksu DLS Wartości indeksu DLS w KT oraz m/s Opis <30kt <15m/s 30 50kt m/s >50kt >25m/s Słaby gradient pionowy. Niskie prawdopodobieństwo występowania superkomórek, słaba organizacja burz, powstające burze mogą być intensywne, ale są w większości pojedyncze i rozproszone. Gradient umiarkowany. Podwyższone prawdopodobieństwo występowania superkomórek burzowych. Wzmaga się uporządkowanie ognisk burzowych, mogą występować formacje liniowe. Wysoki gradient oraz wysokie prawdopodobieństwo powstania superkomórek burzowych. W tych warunkach, każda komórka burzowa może stać się superkomórką. Zorganizowana konwekcja, burze w postaci skupisk komórek. SHEAR 0-1 (LLS) Indeks ten określa wielkość różnicy wektora wiatru pomiędzy poziomem 1 km a wiatrem przyziemnym. LLS znacznie lepiej wskazuje potencjał powstawania zjawisk burzowych z którymi związane są niszczące porywy wiatru i zjawiska typu downburst niż inne indeksy kinematyczne.

9 Tabela 3.7. Interpretacja wartości indeksu LLS Wartości indeksu LLS w węzłach oraz metrach na sekundę >20kt >10m/s 20 40kt m/s >40kt >20m/s Opis Słaby gradient pionowy, mogą występować formacje liniowe, prędkości porywów wiatru wywołane prądami zstępującymi nie przybierają większych wartości. Gradient umiarkowany. Mogą powstawać formacje liniowe oraz liniowe w kształcie łuku. Wiatr przybiera większe wartości. Wysoki gradient. Aktywność burzowa w większości zorganizowana w wydłużone formacje linie szkwałów, echa w kształcie łuku. Mogą wystąpić intensywne prądy zstępujące. SRH (Storm Relative Helicity) Dość złożony indeks, powstaje poprzez wskazanie pola na hodografie zakreślonego przez wektor wiatru w funkcji wysokości (rys. 3.3). Wartość indeksu określa zmianę kierunkową i prędkościową wiatru, wskazuje na potencjał powstania superkomórek (wirowość prądu wstępującego). Może być obliczany dla kilku warstw w troposferze (SRH 0-1km, 0-2km, 0-3km). Z obserwacji wynika, że superkomórki burzowe są silnie związane z głębokim, pionowym gradientem kierunkowym i prędkościowym wiatru. Większe wartości SRH 0-3km (powyżej m^2/s^2) oraz SRH 0-1km (powyżej 100m^2/s^2) wskazują na zwiększenie prawdopodobieństwa wystąpienia trąb powietrznych. Natomiast podwyższone wartości głębszej warstwy sprzyjają powstawaniu złożonych formacji liniowych (rozbudowanych linii szkwału) oraz ewolucji w superkomórki. Rys Hodograf z naniesionymi na niebiesko punktami (końce wektorów, opisujących kierunek i prędkość wiatru na kolejnych poziomach atmosferze), żółte pole odpowiada indeksowi SRH.

10 Tabela 2.3. Interpretacja wartości indeksu SRH 0 3 km Wartości indeksu SRH Opis 0-3km [m 2 /s 2 ] 100 Wartość progowa dla powstawania superkomórek burzowych. Superkomórki powstają przy średnich i wysokich wartościach CAPE, możliwe słabe trąby powietrzne. Superkomórki mogą powstawać nawet przy niskich wartościach indeksów termodynamicznych, możliwe umiarkowane, silne trąby powietrzne. Superkomórki mogą powstawać przy warunkach progowych co do niestabilności w atmosferze. >500 W warunkach dużej niestabilności, mogą powstawać trąby powietrzne o ogromnej sile. 4. Ocena wybranych indeksów Aby dokonać oceny przydatności wybranych indeksów termodynamicznych i kinematycznych, dokonano podziału sytuacji synoptycznych, na 3 grupy: 1. Sytuacje frontowe o słabym przepływie: gdy front chłodny jest słabo scharakteryzowany, to znaczy jego aktywność jest słabo widoczna zarówno w zjawiskach, jak i zmianie temperatur oraz kierunku i prędkości wiatru, przy wymianie powietrza z PZ na PP, ale występuje słaby do umiarkowanego przepływ w troposferze (do km/h). 2. Sytuacje frontowe dynamiczne: w przypadku występowania intensywnej dynamiki w troposferze ( intensywny przepływ, powyżej km/h, występowanie prądu strumieniowego), gdy wartości wskaźników kinematycznych uzyskują wartości średnie i wysokie w obrębie frontów. 3. Sytuacje wewnątrzmasowe: obrzeża wyżów, szczególnie w ich tylnej, zachodniej zwykle części, Zatoki i bruzdy obniżonego ciśnienia, rozmyte pola baryczne, słaby przepływ w atmosferze, brak prądu strumieniowego. Dla każdej z trzech grup wybrano indeksy przydatne w ocenie sytuacji i prognozie oraz indeksy o ograniczonej lub niskiej przydatności. W sytuacjach frontowych o słabym przepływie, przydatne okazały się indeksy CAPE oraz LI stosunkowo niewielkie obszary o wartościach maksymalnych wskazują na obszary

11 największej aktywności konwekcyjnej na froncie chłodnym (Rys.4.1.), w przypadku gdy wartość CIN nie jest wysoka. Jednocześnie nie występują wysokie wartości wskaźników LLS oraz DLS. Indeksy K oraz TT, a także indeksy kinematyczne wykazały niewielką przydatność. Indeks K w tych przypadkach dobrze określa ogólny obszar występowania zjawisk konwekcyjnych, szczególnie opadów konwekcyjnych, natomiast nie wskazuje konkretnych obszarów największej aktywności ( jak i TT, rys. 4.2.) Rys.4.1 Po lewej, zobrazowanie radarowe, godz UTC, po prawej prognoza indeksu CAPE oraz LI na godz UTC tego samego dnia. Rys. 4.2 Po lewej prognoza indeksu K, po prawej indeksu TT na godz UTC, Z kolei w sytuacjach frontowych dynamicznych przydatne okazały się również indeksy CAPE oraz LI, a także indeksy kinematyczne, przede wszystkim LLS oraz DLS. Wartości progowe

12 wskaźnika LI wystarczą, aby określić miejsca występowania centrów aktywności konwekcyjnej, jeżeli pojawią się obszary o podwyższonych wartościach CAPE (wystarczą niskie wartości) Rys. 4.3 Po lewej, detektor wyładowań atmosferycznych, godz UTC, po prawej prognoza indeksu CAPE oraz LI na godz UTC tego samego dnia. Z analiz wynika również, że w tych sytuacjach burze pojawiają się tuż przed strefami najwyższych wartości wskaźników. Poza tym, CAPE może również służyć do oceny, jak duże obszary będą objęte aktywnością burzową (rys. 4.3) Obszary podwyższonych wartości indeksów kinematycznych, pokrywających się z nawet niewielkimi wartościami wyżej wymienionych indeksów kinematycznych, czyli LLS i DLS, pozwalają wyznaczyć obszary największej aktywności konwekcyjnej (rys. 4.4). Rys. 4.4 Po lewej, zobrazowanie radarowe, godz UTC, po prawej prognoza indeksu LLS na godz UTC tego samego dnia.

13 W tym przypadku, było to powstanie burzy o charakterze formacji liniowej ( linia szkwału) o dość pokaźnej, jak na tę porę roku, liczbie wyładowań ( jest to sytuacja z października, rys. 4.5). Rys. 4.5 Detektor wyładowań, , godz UTC. W tej przykładowej sytuacji wartości indeksu SRH były dość wysokie, jednakże w przypadku liniowych formacji konwekcyjnych jest to z reguły normalne (rys. 4.6). Rys Prognoza indeksu SRH na godz UTC, dnia Gdy indeks osiąga wysokie wartości, zazwyczaj dochodzi do inicjacji mniejszych skupisk lub pojedynczych komórek burzowych (przy odpowiednich wartościach, nawet

14 superkomórek) o gwałtownym charakterze zjawisk. Odbywa się to najczęściej w sytuacjach, gdy występuje intensywny przepływ w atmosferze oraz chwiejność atmosferyczna jest przynajmniej średnich wartości (średnią chwiejność można interpretować jako umiarkowane wartości indeksów termodynamicznych). W tym wypadku, chwiejność atmosferyczna była niewielka, jednak oddziaływanie frontowej linii zbieżności wiatrów przyziemnych i dynamiki atmosferycznej pozwoliły na powstanie linii szkwału. Najczęściej jednak indeks przyjmuje najwyższe wartości w chłodnej porze roku ( co jest związane ze zwiększona dynamiką w atmosferze z powodu większych gradientów termicznych) czego nie należy interpretować jako zagrożenia ze strony konwekcji, bez uwzględnienia termodynamiki. Przydatny okazał się indeks K, jeśli chodzi o wyznaczenie rejonu opadów konwekcyjnych. W tym wypadku prawidłowo wskazał ten rejon, a jego wartości dobrze oceniły intensywność opadów konwekcyjnych, co było zauważalne na produktach radarowych. Rys Prognoza indeksu K na godz UTC, dnia Niewielką przydatność wykazał indeks TT, którego wartości w sytuacjach dynamicznych okazywały się zbyt wysokie. Również położenie prognozowanego obszaru wystąpienia zjawisk konwekcyjnych nie sprawdziło się. Przykładem jest rysunek 4.7, na którym widać, że zjawiska konwekcyjne, widoczne na zobrazowaniu radarowym po prawej, znajdują się o wiele dalej niż to przewidywał model numeryczny, z wyliczeń indeksu TT. Również intensywność i zasięg zjawisk jest znacznie mniejszy, niż wynikałoby to z interpretacji wartości prognozowanej dla tego indeksu.

15 . Rys. 4.6 Po lewej, prognoza indeksu TT na godz UTC ,po prawej zobrazowanie radarowe dla godz UTC tego samego dnia. Ostatecznie, indeksy przydatne w sytuacjach wewnątrzmasowych, to przede wszystkim indeks TT. Podczas gdy pozostałe indeksy termodynamiczne zawyżały swoje wartości, lub były w miarę jednolite w całym rozpatrywanym obszarze, indeks TT wykazał różnorodność i wiarygodność. W obszarach, gdzie była prognozowana jego największa wartość, doszło do rozwoju intensywnych zjawisk konwekcyjnych silnie rozbudowanych chmur kłębiastych, przynoszących w rejonie burze. Widoczne jest to dobrze na rysunku 4.7 poniżej. Rys Po lewej, prognoza indeksu TT na godz UTC , po prawej zobrazowanie satelitarne dla godz UTC tego samego dnia.

16 5. Podsumowanie Wykorzystując wybrane indeksy termodynamiczne i kinematyczne w prognozach konwekcji, można istotnie wspomóc pracę operacyjną. Podczas stosowania poszczególnych, wybranych indeksów, można określić pewne, wynikające z opracowania: W przypadku prognozowania burz na anafrontach chłodnych należy brać pod uwagę obszary o maksymalnej wartości CAPE potencjalne ogniska burzowe. Przy katafrontach nie rozróżnia się stref maksymalnych, obszar jest równomierny, natomiast jego wielkość wskazuje na rozległość występowania zjawisk konwekcyjnych. Indeks TT w sytuacjach frontowych często przyjmuje zbyt wysokie wartości lepiej charakteryzuje chwiejność masy niż zjawiska frontowe na styku mas powietrza, jest to z kolei przydatne w prognozowaniu burz wewnątrzmasowych. W sytuacjach dynamicznych obserwuje się przesuniecie występowania zjawisk względem stref o maksymalnej wartości chwiejności prognozy modelu spóźniają się względem rzeczywistości ze względu na dynamiczną sytuację, złożoność przepływu powietrza przy dużej jego prędkości nie pozwala na zbyt dokładne wyliczenia modelu Dla indeksów kinematycznych, w sytuacjach podwyższonej dynamiki obszary o podwyższonej wartości indeksów kinematycznych przy marginalnych wartościach chwiejności świadczą o możliwości powstania zjawisk konwekcyjnych wymuszonych dynamicznie. W takich wypadkach należy analizować położenie stref marginalnej chwiejności na froncie. Ogólnie można stwierdzić, że indeksy kinematyczne są pomocne w określeniu wystąpienia oraz formy organizacji konwekcji. Indeksy te pozwalają ocenić, jaką intensywność będą miały zjawiska konwekcyjne. Nie są popularne, ze względu na stosunkowo niewiele źródeł, z których można je uzyskiwać, ale ich zastosowanie może istotnie pomagać w ocenie sytuacji, w pracy operacyjnej, np. podczas zabezpieczania lotów na lotnisku. Powiązanie ze sobą indeksów kinematycznych i termodynamicznych poszerza możliwości prognozowania zjawisk konwekcyjnych i burz.

17 PIONOWY GRADIENT WIATRU Rys.5.1. Przedstawienie zależności powstawania i rozwoju zjawisk konwekcyjnych w zależności od chwiejności atmosferycznej i pionowego gradientu wiatru. Wykazano, że zależność pomiędzy chwiejnością atmosferyczną a dynamiką przepływu ma istotny wpływ na powstawanie i przebieg zjawisk konwekcyjnych (rys. 5.1.). Rysunek 5.1 wiąże chwiejność atmosferyczną (może być interpretowana jako wartości indeksu CAPE) wraz z pionowym gradientem wiatru (interpretacja może dotyczyć takich indeksów kinematycznych jak np. DLS) Należy zwrócić uwagę że istnieją ograniczenia stosowania indeksów obliczonych przez model, skuteczność prognozy jest silnie zależna od czasu oraz miejsca prognozy. Do badań wybrano prognozy 6 godzinne oraz 3 godzinne, maksymalnie 12 godzinne prognozy powyżej tego czasu stanowiły tylko orientacyjną informację, w sytuacjach dynamicznych dochodziło do częstych aktualizacji wyliczeń modelu numerycznego (nawet co godzinę). Im bardziej prognozy wybiegały w przyszłość, tym gorsza była ich sprawdzalność (rozbieżności w wartościach indeksów otrzymanych z radiosondażu i z modelu numerycznego rzędu %). Przydatne okazały się prognozy 3 godzinne, które były wykorzystywane w sytuacjach pojawienia się popołudniowej lub wieczornej konwekcji dane z porannych sondaży uzupełniały prognozę i doprowadzały do poprawienia jej wyników. Również sam model generował błędy, które wynikały z jego konstrukcji i sposobu obliczania parametrów dotyczących atmosfery. Często okazywało się, że zawartość pary

18 wodnej był mniejsza niż przewidywana, wobec czego część indeksów była zawyżana, nie dochodziło do rozwoju intensywnej konwekcji prognozy okazywały się błędne. Przyczyną takiego zachowania modelu jest przede wszystkim jego rozdzielczość rzędu 17 km, oraz niedokładne odwzorowanie orografii, co przy adwekcji powietrza z południa, przejawia się brakiem reakcji modelu na zjawiska fenowe, które osuszają powietrze ( punkty rosy okazują się znacznie niższe). Również powstające, lokalne linie zbieżności, o niewielkiej rozciągłości, mogą zostać pominięte przez model, a to na nich może dojść do inicjacji konwekcji, w warunkach mniej sprzyjających. Dokładniejsze rozważania na temat przydatności i ograniczeń związanych ze stosowalnością wybranych indeksów są zawarte w załączniku nr 1 (Tabela przydatności indeksów dla wyróżnionych rodzajów sytuacji synoptycznych). Literatura 1. Ahrens Donald C., Essentials of meteorology. An invitation to the atmosphere 3 rd edition, Australia, Pacific Grove,2001, Brooks/Cole Publication Co. 2. Droegemeier K., Gallagher F., Xue M., The Wind Hodograph. METR 4433: Mesoscale Meteorology, School of Meteorology, University of Oklahoma Jasiński J., Wiktorowski J., Prognozowanie sytuacji synoptycznych oraz elementów i zjawisk atmosferycznych, Warszawa, 2000, Wyd. WAT 4. Ostrowski M., Meteorologia dla lotnictwa sportowego, Warszawa 1999, Wyd. Przegląd lotniczy 5. Rakov V. A., Uman M. A, Lightning. Physics and effects, USA, New York 2003, Cambridge University Press 6. Szewczak P., Meteorologia dla pilota samolotowego Wydanie drugie zmienione,, Poznań 2010, Wyd. Avia Test 7. Van der Veelde O., Guide to using convective maps, ESTOFEX, sondaże aerologiczne 9. dane detektorów wyładowań atmosferycznych dane modelu numerycznego GFS dane zobrazowań satelitarnych dane synoptyczne oraz zobrazowania radarowe

19 Załącznik nr 1. Tabela przedstawiająca przydatność indeksów termodynamicznych i kinematycznych do prognozy zjawisk konwekcyjnych i burz. Przydatność zastosowania Wysoka przydatność Ograniczona lub niska przydatność Charakter sytuacji synoptycznej Frontowa dynamiczna* Frontowa o słabym przepływie** Wewnątrzmasowe*** Indeksy LLS, DLS zwracać uwagę na obszary o wartościach maksymalnych, przy podwyższonych i umiarkowanych wartościach wskaźników Indeksy CAPE, LI obszary o wartościach maksymalnych, w obrębie wskaźników LLS i DLS Indeksy CAPE, CIN, LI obserwować obszary maksymalnych wartości, zwracać uwagę na CIN, które może blokować konwekcję w tych obszarach Indeks K w połączeniu z powyższym postępowaniem, pozwoli określić intensywność opadów w rejonie aktywnym konwekcyjnie Indeks CIN obserwacja prognoz nocnych i porannych, wartości wysokie negują pojawienie się konwekcji przed i tuż po południu, Indeks TT obszary maksymalnych wartości wskazują na popołudniową konwekcję Indeksy K, TT ograniczona wiarygodność, zbyt duże obszary, często wartości są zawyżone lub znacznie przesunięte Indeks TT pozwala określić potencjał konwekcyjny masy powietrza, nie pozwala wydzielić obszarów największego prawdopodobieństwa wystąpienia zjawisk konwekcyjnych ( zbyt rozmyte wartości) Indeksy kinematyczne mało przydatne, forma konwekcji sterowana przez aktywność poj. Komórek burzowych, a więc głównie termodynamikę. Indeks CAPE, LI ogólna charakterystyka masy, często zawyżone wartości poprzez błędy modelu, również częste aktualizacje, wymagają uwagi Frontowa o słabym przepływie* - W sytuacjach, gdy front chłodny jest słabo scharakteryzowany, to znaczy jego aktywność jest słabo widoczna zarówno w zjawiskach, jak i zmianie temperatur oraz kierunku i prędkości wiatru, przy wymianie powietrza z PZ na PP, ale występuje słaby do umiarkowanego przepływ w troposferze (do km/h). Frontowa dynamiczna** - W przypadku występowania intensywnej dynamiki w troposferze ( intensywny przepływ, powyżej km/h, występowanie prądu strumieniowego), gdy wartości wskaźników kinematycznych uzyskują wartości średnie i wysokie w obrębie frontów. Wewnątrzmasowe*** - Obrzeża wyżów, szczególnie w ich tylnej, zachodniej zwykle części, Zatoki i bruzdy obniżonego ciśnienia, rozmyte pola baryczne, słaby przepływ w atmosferze, brak prądu strumieniowego.