Projekt - Pozorování a databáze supercelárních bouří
Supercela je jedným z troch archetypov búrok, ktoré možno pomerne bežne nájsť v odbornej literatúre, vyhrávajúc nad zastaralými klasifikáciami podľa miesta výskytu búrky (frontálna, vnútri vzduchovej hmoty, atď...). Je najmenej početným archetypom, treba povedať, avšak z pohľadu mnohých výskumov prinášajú supercely disproporcionálny pomer intenzívnych prejavov ku ostatným dvom archetypom. Ukázalo sa, že takmer každá supercela je doprevádzaná nebezpečnými sprievodnými javmi. Hlavne preto je identifikácia vhodných prostredí ku tvorbe superciel a/alebo identifikácia jednotlivých supercelulárnych buniek pomerne žiadúca z pohľadu meteorológa, ktorý zodpovedá za vydávanie a dissemináciu výstrah. Ohromná dynamika týchto búrok často vedie k veľmi podmanivému, charakteristickému vzhľadu, ktorý je veľmi vyhľadávaný obcou pozorovateľov búrok a tak sa pozornosť na supercely neupriamuje len z odbornej ale dneska už aj z amatérskej obce.
Aj pre vyššie uvedené dôvody sa pod záštitou organizácií Amateur Stormchasing Society a Skywarn Czechoslovakia (v spolupráci s Českým Hydrometeorologickým Ústavom) tento rok otvára nová kampaň a to je vyhodnocovanie pozorovaní supercelulárnych búrok. Úlohou kampane je rozšíriť povedomie o týchto búrkach, stimulovať ich pozorovania, zvýšiť objektívnosť pozorovaní, verifikovať pozorovania a zhodnocovať výskyt týchto búrok za jednotlivé roky. Úloha to nie je zďaleka jednoduchá a v nasledujúcich odstavcoch sa možno dozvedieť prečo. Pre výstižnosť sme sa rozhodli dokument udržať krátky (za cenu vynechania množstva dostupných informácií), s použitím obrázkov a pri cudzích výrazoch aj s odkazmi na Slovník Stormchasera, kde sú mnohé z nich vysvetlené.
V prvom rade je treba predstaviť základnú klasifikáciu búrok. Ako sme už vyššie naznačili, základné delenie uvažuje 3 archetypy – unicelulárne (jednobunečné), multicelulárne (mnohobunečné) a supercelulárne búrky. Jednobunečné bunky sú najjednoduchšou formou organizácie búrok, obsahujúc práve jednu bunku (jeden výstupný/zostupný prúd). Búrka pretrváva krátku dobu a štádium zrelosti rádovo desiatky minút, neskôr zostupné prúdy pohltia celú bunku. Mnohobunečné búrky obsahujú viacero buniek v rozlišných štádiách vývoja, pričom na určitej strane búrky dochádza k regenerácii systému – vývoju nových buniek. Búrka tak môže pretrvať niekoľko hodín a obsahovať aj desiatky buniek. Mnohobunečné búrky môžu byť veľmi intenzívne, hlavne v prípade, že búrka ma dostatočnú organizáciu na tvorbu vlastných mezomerítkových cirkulácií (viz. Squall line alebo Bow echo v rámci slovníka Stormchasera). Cyklus bunky v multicele však stále zostáva pomerne krátky – bunka rýchlo smeruje k štádiu zániku.
V rámci supercely však výstupný prúd pretrváva dlhšie a búrka získava kvazi-stabilnú konfiguráciu. Jednotlivé pulzy stúpajúcich bublín vzduchu nasledujú krátko za sebou a tak sa výstupný prúd rýchlo regeneruje. Naviac, v rámci strednej časti búrky, kde je akcelerácia najvyššia, sa tvorí mezomerítkové centrum nízkeho tlaku vzduchu - mezocyklónu. V tejto časti výstupný prúd rotuje a zároveň je tlakovou nížou urýchľovaný. Supercela tak v ponímaní bunečnej architektúry pretrváva oveľa dhšie, je stabilnejšia a zároveň má silnejší výstupný prúd.
Aké podmienky sú rozhodujúce pre zaradenie búrok do jednotlivých archetypov? Túto otázku nebudeme podrobne rozvádzať ale veľmi veľkú rolu hrá vertikálny profil vetra. Zmenu vektoru vetra medzi dvoma hladinami v troposfére budeme nazývať strih vetra. Strih vetra hrá veľmi dôležitú úlohu, pričom so silnejúcim strihom vetra vzrastá vorticita v prostredí. Vorticitu možno chápať ako „vírnatosť“. Vynikajúce pojednanie ohľadom vorticity, jej grafického znázornenia a aplikáciu na problematiku multi a superciel možno nájsť vo vyúkových moduloch COMET. Vorticita v prostredí hrá mimoriadne dôležitú úlohu pri umožňovaní regenerácie nových buniek na čele výtoku chladného vzduchu z búrky (gust front-u). V prípade superciel (viz obrázok) dochádza k naťahovaniu vorticity vo vertikálnom smere, pričom sa dostáva z polohy „víru“ s horizontálnou osou, do polohy „víru“ s vertikálnou osou. Akcelerácia smerom nahor takýto „vír“ zužuje a ako pri efekte krasokorčuliara, zároveň zvyšuje mieru vorticity a v konečnom dôsledku, i rýchlosť rotácie.
V princípe existujú dva typy situácií – ak je strih vetra úplne jednosmerný (myslíme tým, že vietor vo všetkých hladinách má rovnaký smer), vorticita bude priečna k vektoru strihu vetra (tzv. cross-wise vorticity) a výstupný prúd vytvorí jeden pár vírov po stranách jeho maxima (viz obrázok), jeden z nich rotuje cyklonálne a druhý anticyklonálne. Dynamicky podmienené tlakové minimum pritom „priťahuje“ výstupný prúd a v rámci tohto procesu nastane štiepenie bunky na dve časti – pravo a ľavo stáčavú. Bunky tak obe propagujú mimo vektoru, ktorý určuje pohyb tradičných buniek. V ideálnom prípade je jedna bunka zrkadlovým odrazom druhej a sú rovnocenné. V realite však málokedy nájdeme takú situáciu – Ekmannova špirála v meznej vrstve troposféry a iné ageostrofické faktory vedú k tomu, že vietor s výškou často postupne mení smer a teda vorticita nebude čisto priečna k vektoru strihu vetra. Naopak, prejaví sa aj pozdĺžna zložka takejto vorticity. V prípade úplnej dominácie pozdĺžnej zložky (stream-wise vorticity), by poloha jedného víru úplne súhlasila s polohou maxima výstupného prúdu (druhý vír zaniká v zostupnom prúde). Aj takýto prípad tiež v realite tradične nenastáva. Spravidla však v rámci našich podmienok dominuje cyklonálne rotujúci vír vpravo od vznikajúcej bunky a teda prevažne sa vyskytujú pravo-stáčavé supercely. Po rozdelení buniek - storm-splittingu (ak sa vyskytne) ľavá často rýchlo zaniká, pretože dynamicky je podporovaný výstupný prúd na pravej strane. Trvácnosť aj intenzita rotácie supercely je často založená na miere strihu vetra (a teda vorticity). Hrubou mierou možno povedať že hraničná hodnota je 15 m/s v hladine 0-6 km, 25 m/s je cca. medián spomínaný v mnohých štúdiach. Mieru pozdĺžnej zložky vorticity vyjadruje Storm Relative Helicity (Helicita relatívna vzhľadom na pohyb búrky). V literatúre sa uvádza ako hraničná hodnota pre slabé mezocyklóny 150 J/kg.
Supercelulárna búrka teda pozostáva z dominantného mohutného výstupného prúdu, ktorý v značnej časti búrky vykazuje rotáciu, aspoň po takú dobu, ktorá je rovná trvaniu prechodu stúpajúcej parcely trajektóriou výstupného prúdenia (cca. 20 minút). Čo zostupné prúdy? V supercele ich možno nájsť dva. Polohu týchto prvkov možno nájsť na obrázku. Hlavný zostupný prúd sa tvorí po smere prevládajúceho prúdenia od výstupného prúdu búrky (často na severnej, severovýchodnej strane). Nazýva sa forward-flank downdraft (FFD) a iniciuje ho tiaž zrážok. Väčšina zrážok sa nachádza v tomto sektore. Veľké krúpy najčastejšie vypadávajú na rozmedzí výstupného a tohto zostupného prúdu (tento región sa často nazýva vault, viacej v sekcii popisujúcej radarové charakteristiky). Druhý zostupný prúd, rear flank downdraft (RFD), sa tvorí v tylovej časti búrky, na zadnej strane mezocyklóny.
Jeho vývoj súvisí jednak s výparom zrážok na zadnej strane búrky a tiež samotnou mezocyklónou. V každom prípade, tento zostupný prúd sa obtáča okolo mezocyklóny smerom dolu a prenáša vorticitu do nižších hladín. Je hlavným prvkom, ktorý spúšťa intenzifikáciu mezocyklóny bližšie pri zemskom povrchu a podľa doterajších výskumov hrá primárnu úlohu aj pri tornádogenéze (Nemožno však pre výstižnosť pokračovať vo výklade, čitateľ je odkázaný na práce v zozname literatúry). Intenzifikácia mezocyklóny v nižších hladinách v súčinnosti so zostupným prúdom vedie často k silným nárazom vetra, ktoré ak sa v supercele vyskytnú, tak často v náväznosti na týlový zostupný prúd (v zriedkavých prípadoch je aj vtok vzduchu do búrky tak silný, že vydá na intenzívne nárazy vetra). Tento zostupný prúd postupne zároveň „okluduje“ mezocyklónu, respektíve odrezáva ju od zdroja teplého a vlhkého vtoku a búrka následne slabne (avšak je to v tomto štádiu kedy väčšinou vznikajú tornáda). Zokludovaním mezocyklóny sa životné štádium supercely ani zďaleka nemusí končiť – smerom do vtoku vzduchu sa v určitých prípadoch vytvára nová mezocyklóna (v rámci nového výstupného prúdu, je teda vidieť že supercela je veľmi dobre organizovaná multicela). Supercela takto môže prejsť niekoľkými cyklami (následne sa označuje ako cyklická).
Základnými vizuálnymi prvkami pri pozorovaní supercely z veľkej diaľky sú často rozsiahla kovadlina, natiahnutá po smere prevládajúceho prúdenia na jej úrovni. Silu výstupného prúdu môže prezradiť výrazný prestreľujúci vrchol (overshooting top), alebo kovadlina prenikajúca proti smeru prúdenia (back-sheared anvil). Niekedy sa pod touto časťou kovadliny, vyskytujú tzv. knuckles, ktoré prezrádzajú výrazný výstupný prúd, ktorý narazil na hladinu nulového vztlaku a jeho časť sa pretočila smerom dole. V náveternej tylovej časti búrky sa často schodovito dvíha smerom k hlavnej veži „flanking line“. Jednotlivé vežičky pritom postupne nahrádzajú hlavný výstupný prúd. Smerom k hlavnej búrke sa črtá rozsiahla bezzrážková základňa, nad ňou samotná veža búrkového oblaku, ktorá môže mať charakteristický tvar napovedajúci o výraznej vorticite v rámci búrky (žliabky, kanáliky na periférii oblaku, „šrúbovité“ zatočenie, po prípade aj vizuálne pozorovanie rotácie). Pod základňou sa veľmi často vytvára tzv. wall-cloud (v určitých formách sa vyskytuje súčasne s collar alebo tail cloud-om). Wall cloud často charakterizujú pomerne výrazné pohyby, často vertikálne, v niektorých prípadoch na ňom možno pozorovať aj zreteľnú rotáciu. Od základne sa na pomedzí pseudo-teplého frontu (na rozhraní vtoku vzduchu a predného zostupného prúdu) niekedy tvorí beaver-tail. V procese oklúzie mezocyklóny, sa často v dôsledku interakcie tylového zostupného prúdu, rozpúšťa časť oblačnosti patriacej k hlavnému výstupnému prúdu. Ak nie je tylový zostupný prúd naplnený zrážkami, viditeľne sa prejaví ako prejasnenie („clear slot“), respektíve zárez do základne búrkového oblaku. Postupne takto bezzrážková základňa v niektorých prípadoch nadobúda tvar podkovy.
Vzhľadom na pozorovanie v praxi je treba identifikáciu zamerať hlavne na prvky, ktoré napovedajú o rotácii. Niektoré vyššie vymenované sa totiž neviažu exkluzívne na supercely ale aj na iné výrazné búrky (napr. intenzívne multicely). Rotácia pritom nemusí byť na prvý pohľad zrejmá (tu často viacej napovie intervalové snímanie oblačnosti).
Supercely možno rozdeliť do spektra podľa množstva zrážok, ktoré sú pozorované v rámci tylového zostupného prúdu a v blízkosti základne búrkového oblaku. Je nutné povedať, že supercela týmto spektrom často postupne prechádza, ako sa vyvíja balans medzi výstupnými a zostupnými prúdmi (tento balans robí supercelu supercelou, keďže v prvom rade boli supercelami označované hlavne dlhotrvajúce intenzívne bunky). „Zrážkovosť“ supercely je funkciou hlavne výraznej ventilácie supercely (výrazné prúdenie v stredných a vyšších hladinách voči búrke) ale aj vlhkosti vzduchu, miery lability, mikrofyziky búrky alebo interakcie s inými bunkami.
Delenie je nasledovné (po kliknutí prejdete na odkaz Slovníku Stormchasera):
1/ Low-precipitation supercell. Pre tieto supercely je charakteristická výborná viditeľnosť spôsobená relatívnym nedostatkom zrážok. Tie vypadávajú v rámci FFD a v určitých prípadoch to bývajú len výlučne veľké krúpy len s pár kvapkami dažďa. Základňa zvyčajne nie je rozsiahla, veža s výstupným prúdom je užšia a často nesie výrazné znaky rotácie (skrutkovito stočené oblaky a pod.) RFD je málo výrazný alebo neprítomný. Zánik tohto typu štádia môže byť prevedený buď úplným rozpadom búrky (veža sa postupne zužuje, „rozpúšťa“) alebo prechodom k druhu s vyššou zrážkovou činnosťou.
2/ Classic supercell. Vyznačujú sa „typickým“, „učebnicovým“ vzhľadom s rozsiahlou bezzrážkovou základňou, výraznými zrážkami v rámci FFD a slabými až miernymi zrážkami v rámci RFD. Oba zostupné prúdy bývajú dobre viditeľne oddelené, pričom RFD sa zapĺňa zrážkami hlavne v neskorších štádiách tejto supercely. Typické vizuálne aspekty superciel sme popísali v stati vyššie (základné vizuálne prvky), Dobrý balans medzi zostupným a výstupným prúdením robí z tejto supercely najčastejšieho producenta tornád.
3/ High-precipitation supercell. Pre tieto supercely je typická výrazná zrážková aktivita a hlavne „agresivita“ RFD, ktorý rýchlo okluduje vtok vzduchu do búrky. Bezzrážková základňa je užšia, lineárna, často na prednej strane hlavnej veže (v smere postupu búrky). RFD ako i FFD sú úplne zaplnené zrážkami, pričom môžu splývať. Čelo RFD môže „zdobiť“ monumentálny arcus. Vtok teplého vzduchu do mezocyklóny je často úzko profilovaný dostáva k wall cloudu až za mohutnou stenou zrážok. Nazýva sa „bear´s cage“, podľa nebezpečnosti približovania sa k takému miestu, kde sa môže nachádzať tornádo. Supercela má často veľmi hrozivý, temný zjav. Veľká zrážková efektivita ako aj rozloha jadra versus silný výstupný prúd búrky z týchto superciel často rezultujú vo vysoké zrážkové úhrny a/alebo devastujúce krupobitia. Výrazné zostupné prúdy, hlavne na strane RFD, môžu transformovať radarový odraz búrky do tvaru „bow-echa“. Takýto vývoj naznačuje potenciál na veľmi silné nárazy vetra v tejto časti búrky.
Množstvo prípadov môže vykazovať rôzne hybridné štruktúry a preto je treba upozorniť, že klasifikáciu nemožno brať úplne doslovne.
Z hľadiska dištančných metód je najúčinnejším prostriedkom radarové pozorovanie, ktoré zahŕňa meranie radiálnych rýchlostí vzhľadom na radarový lúč (umožnené vďaka Dopplerovmu efektu). Takýmto spôsobom, zahŕňajúc vektor pohybu búrky, je možné pomerne jednoducho detekovať mezocyklóny. V rámci siete CZRAD je však meranie radiálnych rýchlostí limitované možnosťami radaru – a tak sa dajú vyššie rýchlosti merať len v malom okruhu 50 km. Z tohto dôvodu je optimálnejšie použitie niektorých z koncepčných modelov, ktoré boli pre rozoznávanie superciel vypracované.
V prvom rade – supercela je pomerne stabilná bunka. V rámci Z:max produktu by teda mala vykazovať pomerne stálu, vysokú odrazivosť, bez výrazných fluktuácií po dlhšiu dobu. Ďalej by o supercelulárnom pôvode mohol napovedať deviantný spôsob pohybu bunky od ostatných (v našich podmienkach najčastejšie pôjde o pravostáčavosť). Pozor však, v rámci multiciel môže deviantný pohyb vyvolať aj propagácia búrky (t.j. vektor v ktorom sa vytvárajú nové bunky), nielen transformácia na supercelu. Bohužiaľ, to je všetko, čo sa dá z bežne dostupných radarových informácií (v rámci ČR) vyčítať. Je to príliš málo, aby sme mohli len na základe vyššie uvedených dvoch znakov usudzovať na supercelu.
Bežne užívateľom nedostupné sú dáta z jednotlivých hladín búrky (elevácie, v ktorých ňou lúč „prechádza“ - PPI). Tieto sa dajú dobre použiť na identifikáciu rôznych znakov. Výrazný výstupný prúd supercely môže tvoriť tzv. WER alebo BWER. V nižších hladinách sa vďaka pôsobenia RFD dočasne vytvára zatočený odraz, často v tvare háku (hook echo) alebo v tvare obličky (v prípade HP superciel). V prípade, že supercela(y) je(sú) vnorené do mezomerítkového konvektívneho systému, jej(ich) prítomnosť môže prezrádzať v nižších hladinách LEWP štruktúra. V rámci stredných hladín niekedy vďaka výraznému výstupnému prúdu, ktorý pôsobí ako „prekážka“ pre prevládajúce prúdenie sa tvorí tzv. V-notch (odraz v tvare V, s vrcholom písmena v jadre búrky).
Tvary odrazov, ktoré sme v prechádzajúcej stati uviedli, bez prístupu k PPI alebo CAPPI dátam, užívateľ neodhalí. Napriek tomu by sme radi týmto dokumentom všetkých potenciálnych pozorovateľov vyzvali, aby akékoľvek „podozrivé“ bunky, hlavne z hľadiska vizuálneho pozorovania, zaznamenávali a ich hlásenia buď vkladali do fóra alebo zaslali na emailovou adresu bourky@bourky.com. Vzhľadom na spoluprácu s ČHMÚ sa budeme snažiť o objektívne zhodnotenie každého pozorovania z hľadiska tak enviromentálnych podmienok, ktoré v danú situáciu vládli, ako aj z hľadiska dištančných meraní.
Prípady budú vyhodnocované ako:
- Búrka nebola supercela. A to v prípade, že vizuálne pozorovania, ako aj radarové snímky sú nepresvedčivé.
- Potenciálna supercela. Búrka vykazovala aspoň 2 supercelulárne znaky na radare a/alebo ide o presvedčivé pozorovanie.
- Supercela. V prípade presvedčivej radarovej prezentácie búrky (aspoň 2 znaky, ktoré naznačujú buď rotáciu alebo veľmi silný výstupný prúd) a zároveň dobrého vizuálneho pozorovania.
Na záver treba pripomenúť, že príroda nepozná žiadne definície a nepracuje podľa našich klasifikácií. Množstvo prípadov tak skončí sporných ale my veríme, že aj prostredníctvom tejto kampane vyvoláme širokú diskusiu ohľadom tejto problematiky a po nejakom čase určite dôjde aj na vyhodnotenie :-).
Za tím A.S.S. a SKYWARN,
Tomáš Púčik
V Poprade, 17.02. 2011
Zdroje a literatúra, ktorú možno na tému superciel nájsť a z ktorej sme čerpali:
Asi jediný zdroj v rámci českej literatúry, ktorý sa viacej zaoberá problematikou superciel je:
ŘEZÁČOVÁ, D. et al. Fyzika oblaků a srážek. 1 vyd. Praha: Academia, 2007. 576 s. ISBN: 978-80-200-1505-1.
Ostatné, ktoré tu uvediem, sú písané v anglickom jazyku. Užívateľsky veľmi príjemná je táto stránka, ktorá dáva veľký dôraz na vizuálnu stránku. Možno v nej nájsť bohatú a ľahko stráviteľnú dokumentáciu problematiky búrok:
http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/mtr/svr/home.rxml
Mimoriadne interaktívne a poučné sú moduly programu COMET venovné konvekcii, možno ich nájsť na nižšie uvedenej adrese. Prístup k modulom je umožnený až po bezplatnej registrácii.
http://www.meted.ucar.edu/topics_convective.php
Jedným zo základných starších článkov, ktoré by si mal každý nadšenec prečítať, od autorskej dvojice Lemon a Doswell, poukazuje na základné prvky, ktoré možno pozorovať v rámci superciel, ako aj na cirkuláciu v rámci nich.
LEMON L.R. - DOSWELL, C. A. III. Severe Thunderstorm Evolution and Mesocyclone Structure as Related to Tornadogenesis. Monthly Weather Review. 1979, roč. 107, s. 1184-1197.
Pre náročnejších čitateľov odporúčam dva knižné zdroje, kde možno nájsť bohaté informácie o supercelách, aj keď je treba upozorniť, že výklad je často výdatne sprevádzaný riešením náročných matematicko-fyzikálnych vzťahov.
Prvá kapitola v nižšie uvedenej monografii poskytuje stručný prehľad problematiky búrok vrátane superciel a nie je príliš náročná na pochopenie.
DOSWELL, C.A. III. Severe convective storms – an overview. In Severe Convective Storms, Meteorological Monograph. American Meteorological Society, 2001. vyd.50, s. 1-26.
Vynikajúcim zdrojom je aj nedávno vydaná monografia z dielne autorskej dvojice Markowski a Richardson.
MARKOWSKI, P.M. – RICHARDSON, Y. Mesoscale Meteorology in Midlatitudes. 1. vyd. Barcelona: Wiley-Blackwell, 2010. 407 s. ISBN: 978-0-470-74213-6.
Kolega z ESTOFEX-u, Dr. Johannes Dahl sa v rámci diplomovej práci venoval kompilácii rozsiahlych poznatkov o supercelách. Práca je veľmi bohatá na informácie, no tiež určená skôr pre náročného čitateľa. Možno ju nájsť na tejto adrese:
http://www.estofex.org/files/dahl_thesis.pdf
