A konvekció alapjai III. - A szélnyírás és a konvekció kapcsolata

Kategória: 
ismerettejesztő anyagok
A KONVEKCIÓ ALAPJAI III. - A SZÉLNYÍRÁS ÉS A KONVEKCIÓ KAPCSOLATA
 
 
  Ahogy arról már "A konvekció alapjai I. - Felhajtóerővel kapcsolatos alapismeretek" című anyagunkban írtunk, gyenge vertikális szélnyírás esetén a konvektív fel- és leáramlások a felhajtóerővel vannak közvetlen összefüggésben. Ahogy növekszik a szélnyírás erőssége a környezetben, úgy az a zivatarok fejlődését, típusát, élettartalmát egyre erősebben befolyásolja. A modellezett radarkép-animáción (1. ábra) azt figyelhetjük meg, hogy a különböző szélprofilok hogyan határozzák meg a zivatarcellák struktúráját.
 
 
1. ábra
Különböző szélprofilok zivatarcellák struktúrájára gyakorolt hatása
 
  Ezen anyagunkban a vertikális szélnyírás zivatarok fejlődését befolyásoló hatásait mutatjuk be. A vertikális szélnyírás meghatározására, ábrázolására a hodográfot használjuk (ahogyan az 1. ábra bal alsó sarkában láthatjuk). Az anyag további megértéséhez ezért ennek alapvető ismerete szükséges. A hodográffal kapcsolatos alapismeretek elsajátításához ajánljuk a "A konvekció alapjai II. - A hodográf használata" című ismeretterjesztő írást.
 
2.1  Bevezetés
  A vertikális szélnyírás, a zivataros kifutó(szél)front (gust front) által generált újabb cellák kialakulását segítve, hatással van a zivatarok szervezettségére, felépítésére, típusára. Szélnyírás nélkül a cellából kiáramló hideg levegő önmagában csak akkor okozhatja újabb cellák létrejöttét, ha a kifutószél vezető éle mentén keletkező emelő mozgás elegendő a légrészek LFC-ig történő feljuttatásáig. Egy olyan környezetben, amelyben a légkör állapotjelzői egységesen oszlanak el, és a vertikális szélnyírás gyenge, a kifutófrontnak nincsen olyan része, mely kiemelten kedvezne az új cellák képződésének. Természetesen a légkörben mindig vannak inhomogenitások, így pl. egy melegebb helyre érkező kifutófront mentén a légrészek könnyebben feljuthatnak az LFC-ig.
 
Szélnyírásmentes környezetben szétterülő hideg légtest
2. ábra
Szélnyírásmentes környezetben szétterülő hideg légtest
  Ahogy a vertikális szélnyírás növekszik, a szélnyírás és a hideg légtest kölcsönhatása a zivatar megfelelő részein további emeléssel járul hozzá a vertikális feláramlásokhoz. Ez a fajta többlet emelés még egy viszonylag homogén környezet esetén is jelentkezik. A nyírás és a kifutó hideg levegő közt fellépő kölcsönhatást a horizontális tengelyű örvényesség fogalmán keresztül mutatjuk be. A hideg légtest eredetéről a "A konvekció alapjai I. - Felhajtóerővel kapcsolatos alapismeretek" című anyagból lehet részletesebben tájékozódni.
2.2  Horizontális (tengelyű) örvényesség
  Egy olyan függőleges szélprofil esetén, amely szélnyírást mutat (tehát a magassággal változik a szélsebesség és/vagy a szélirány), horizontális tengelyű örvényesség alakul ki a légkörben. Ennek elképzeléséhez szemléletes példa, ha veszünk egy malomkereket, amelynek forgási síkja a szélnyírás vektor irányával egyezik meg (tehát a forgás vízszintes tengelye erre merőleges). Fontos megjegyezni azonban, hogy e példa csak az örvényesség szemléltetésére szolgál, valójában a levegő nem forog ténylegesen egy horizontális tengely körül.
 
3. ábra
A horizontális tengelyű örvényesség szemléltetése egy malomkerék példáján keresztül
2.3  A szétterjedő hideg légtest
  A felhajtóerő felszínen történő változása (horizontális gradiense) a kifutófront mentén horizontális tengelyű örvényességet generál. A 4. ábra példájában a szétterülő hideg légtest vezető éle mentén negatív horizontális tengelyű örvényesség keletkezik a jobb oldalon, míg a bal oldalon pozitív horizontális tengelyű örvényesség jön létre.
 
A szétterülő hideg légtest vezető éle mentén fellépő horizontális tengelyű örvényességek
4. ábra
A szétterülő hideg légtest vezető éle mentén fellépő horizontális tengelyű örvényességek
  De hogyan állapítsuk meg, hogy az örvényesség pozitív vagy negatív? E kérdés megválaszolásához a jobbkézszabályt alkalmazzuk. Ahogyan az 5. ábrán látható, karunkkal mutassunk a szélnyírási vektor irányába, és hajlítsuk be ujjainkat az örvényesség áramlásának (az 5. ábrán az egyik kör alakú nyílnak) megfelelően. Ha a saját nézőpontunkból tekintve hüvelykujjunk ekkor balra mutat (a példaképen feltüntetett eset), pozitív örvényességről van szó.
 
A jobbkézszabály alkalmazása az örvényesség előjelének megállapításához
5. ábra
A jobbkézszabály alkalmazása az örvényesség előjelének megállapításához
2.4  Az örvényességek kölcsönhatása általánosságban
  Ahhoz, hogy megértsük, hogyan erősödnek meg a feláramlások a vertikális szélnyírás miatt a hideg légtest egy kitüntetett részén, először az örvényesség általános tulajdonságait kell megvizsgálnunk. Nézzük meg, hogyan befolyásolják az általános áramlási viszonyokat a különféle örvényességek között fellépő kölcsönhatások!

Ha például van egy egyenlő nagyságú és méretű, egymáshoz közel elhelyezkedő pozitív és negatív örvényességű területünk, a két örvény felszálló ágain fellépő emelő mozgások összeadódnak. Ez erős függőleges feláramlást kelt az örvények között (6. ábra). Amennyiben azonban az egyik örvényesség erősebb a másiknál, akkor a köztük keletkező feláramlás a fokozottabb örvényességű terület felé fog elhajlani a magasban (7. ábra).
 
6. ábra
Ellenkező előjelű, egyenlő méretű és nagyságú örvényességek kölcsönhatása
 
7. ábra
Ellenkező előjelű, eltérő erősségű örvényességek kölcsönhatása
2.5  A hideg légtest és a környezeti örvényesség kölcsönhatása
 
Kérdés:   Az örvényesség imént ismertetett tulajdonságait most már alkalmazhatjuk a kifutó hideg levegőre. Szélnyírásmentes környezetben a kifutófront mentén (vagyis a hideg légtest peremén) keletkező örvényesség a feláramlásokat mindkét oldalon egyformán elhajlítja a hideg légtest fölé. Amikor jelen van alacsonyszintű szélnyírás (ahogy a 8. ábra bal szélén szélvektorok formájában látható), a hideg légtest egyik oldalán kedvezőbbek lesznek a feltételek az erős, mély feláramlások kialakulásához. Meg tudod határozni, melyik oldal lesz az? Kattints arra a területre, amelyik véleményed szerint a mélyebb, erősebb feláramlás kitüntetett helyét jelöli!
 
8. ábra
Gyakorlat a hideg légtest feláramlások számára kedvezőbb részének meghatározására
 
Válasz:   Ahogy a szélmalmos animáción láthattuk, az alacsonyszintű vertikális szélnyírást értelmezhetjük úgy, mint az alsóbb szinteken előforduló horizontális örvényességet. Ebben a példában (8. ábra) a környezet örvényessége azonos előjelű a hideg légtest szélnyírási vektorral szembeni oldalán lévővel (a 8. ábrán balra). A két azonos cirkulációjú örvény azt eredményezi, hogy kis mértékű feláramlást követően a levegő a magasban jelentősen elhajlik a hideg légtest fölé. A másik oldalon (a 8. ábrán jobbra), ahol a kifutófront mentén ellentétes előjelű örvényes területek kerülnek szembe egymással, jelentékeny függőleges feláramlás keletkezik.
2.6  A hideg légtest és a szélnyírás kölcsönhatásának modellezése
  Az erős függőleges feláramlások számára akkor a legkedvezőbbek a feltételek a hideg légtest szélnyírási vektorral egyező oldalán, amikor a környezet vertikális szélnyírása által generált horizontális tengelyű örvényesség előjele ellentétes, nagysága és mérete (az érintett légréteg vastagsága) pedig nagyjából egyenlő a kifutófronton kialakult örvényességgel.

A továbbiakban kétdimenziós numerikus szimuláción keresztül mutatjuk be a cella alól kifutó hideg levegő terjedését három különféle vertikális szélnyírási profil esetén. A kékes színű terület a kifutó, környezeténél hidegebb légtestet mutatja, míg a szélvektorok a környezet szélsebességeit és a megváltozott áramlási viszonyokat ábrázolják. A szélvektorok egy olyan keretben kerülnek megjelenítésre, amely a kifutó hideg levegővel együtt körülbelül 20 m/s sebességgel halad. A keretben a rácshálózat 2 km-es horizontális és 700 m-es vertikális felbontású.

a., A hideg légtest dominál
 
       Ha a hideg légtest örvényessége sokkal nagyobb, mint a környezet szélnyírásából származó örvényesség, akkor a környező levegő csak a hideg légtest magasságáig emelkedik, azután pedig hátracsúszik a hideg légtest fölé.
 
Kétdimenziós numerikus szimuláció - a hideg légtest dominál
9. ábra
Kétdimenziós numerikus szimuláció - a hideg légtest dominál
 
b., A hideg légtest és a szélnyírás egyensúlyban van egymással
 
       Amennyiben a hideg légtest vezető élén kialakuló, illetve a környezet szélnyírásából származó örvényesség közel egyensúlyban van egymással, akkor olyan markáns feláramlás alakul ki, amely a környezeti és a kifutó hideg levegőt egyaránt jóval a hideg légtest eredeti magassága fölé emeli. Ez az eset hoz létre a leghatékonyabban jelentékeny emelést.
 
Kétdimenziós numerikus szimuláció - a hideg légtest és a szélnyírás egyensúlyban van egymással
10. ábra
Kétdimenziós numerikus szimuláció - a hideg légtest és a szélnyírás egyensúlyban van egymással
 
c., A szélnyírás dominál
 
       Amikor a szélnyírás által kialakított örvényesség a domináns, akkor a keletkező feláramlás a magasban előrehajlik a kifutófront elé (a környezet szélnyírási vektorával megegyező irányba). Ez az eset a b., helyzethez (egyensúly) képest kisebb, az a., esethez (domináns hideg légtest) képest viszont nagyobb emelést biztosít.
 
Kétdimenziós numerikus szimuláció - a szélnyírás dominál
11. ábra
Kétdimenziós numerikus szimuláció - a szélnyírás dominál
 
Összefoglalás
 
       A hideg légtest és a szélnyírás közti kölcsönhatás eredménye meghatározható a kifutó hideg levegő erősségének (kifutófront terjedési sebességének) és az alacsonyszintű szélnyírás mértékének aránya alapján. Az alacsonyszintű szélnyírás erősségét a talajközeli szélsebesség és a 2.5 km-es szinten fújó szél különbségeként határozhatjuk meg. Ez az alsó 2.5 km-es légréteg az, amelyben a hideg légtest és a környezeti szélnyírás leginkább kapcsolatba léphet egymással. Amint az előzőekben megfigyelhettük, a legnagyobb emelés akkor jön létre, amikor az említett két hatás közel egyenlő egymással, tehát az arány közelít az 1-hez.
2.7  Gyakori kérdések
 
1. Mekkora alacsonyszintű szélnyírás szükséges ahhoz, hogy a kifutófront okozta emelés jelentősen megnövekedjen, illetve újabb cellák alakuljanak ki?
 
       Közepes földrajzi szélességeken a szabad konvekciós szint (LFC) általában magasabban van, a kifutószelek pedig erősebbek, mint a trópusokon. Az alsó 2.5 km-es légréteg 5 m/s-os szélnyírása általában kevésnek bizonyul jelentősebb járulékos emelések kialakításához. A 10-20 m/s-os alacsonyszintű szélnyírás már általában elegendő az új cellák képződéséhez a kifutófront azon részén, amelynek haladási iránya megegyezik a környezet szélnyírási vektorának irányával. A 2.5 km-es magasság felett jelentkező szélnyírás szintén fokozza a feláramlást a kifutófront ezen részén.

A trópusokon a nedvesebb környezet miatt rendszerint az LFC alacsonyabban van, a közepes földrajzi szélességekhez képest pedig gyengébbek a kifutószelek. Itt már többnyire 5 m/s-os szélnyírás is elegendő az újabb cellák kifejlődéséhez.
 
2. A talajközeli konvergenciát gyakran összefüggésbe hozzák az újabb cellák keletkezésének valószínűségével. Igaz az, hogy az erősebb konvergencia a kifutófront mentén minden esetben jobban kedvez az újabb cellák kialakulásának?
 
       Nem feltétlenül, ugyanis a felszínközeli összeáramlás nem sokat árul el arról, hogy egy adott légrészre összességében mekkora emelés hat. Hiába nagyon erős a konvergencia egy kifutófront mentén, gyenge szélnyírásos helyzetben a hideg légtest örvényessége dominál, a környezeti szélnyírásból fakadó örvényesség túl kicsi a kifutófrontéhoz képest. Emiatt végeredményben csak kis mértékű feláramlás tud kialakulni a hideg légtest vezető élén, az áramlás rövid úton átvált oldalirányú mozgásba. Ha azonban van egy gyengébb konvergenciánk, viszont a környezet szélnyírása megfelelően nagy, akkor az ellentétes előjelű örvényességek eredményeként jóval erősebb feláramlás is létrejöhet.
3.1  Bevezetés
  Ebben a fejezetben azzal foglalkozunk, hogy a vertikális szélnyírás hogyan hat a feláramlásokra, és megvizsgáljuk, hogy ez miként befolyásolja a zivatarok szervezettségét, típusát. A szélnyírás legnyilvánvalóbb hatása, hogy megdönti a feláramlást, ahogy ez a 12. ábrán is látható. Annak ellenére, hogy ezen ismeretterjesztő anyagunkban azt hangsúlyozzuk, miként fokozza a szélnyírás a zivatarok szervezettségét, azt sem szabad elfelejtenünk, hogy a vertikális szélnyírás alapvetően csökkenti a feláramlás energiáját. Valójában, ha a feláramlás gyenge, és ehhez képest a szélnyírás túl erős, akkor a növekvő felhő darabokra szakad és nem fejlődik tovább zivatarrá. A következő három alfejezetben a feláramlások és a szélnyírás kölcsönhatását vizsgáljuk meg különféle megközelítésben.
 
A szélnyírás hatására a gyenge feláramlás megdől, a gomolyfelhő szétszakadozik
12. ábra
A szélnyírás hatására a gyenge feláramlás megdől, a gomolyfelhő szétszakadozik
3.2  Horizontális momentum és a feláramlás dőlése
  A feláramlásból származó vertikális momentum horizontális momentummá alakulva a feláramlás megdőlését okozza. A dőlés nagysága a vertikális szélnyírás és a feláramlás egymáshoz viszonyított erősségének függvénye. Adott nagyságú szélnyírásban egy erősebb, nagyobb felhajtóerővel rendelkező feláramlás nem fog oly mértékben megdőlni, mint egy gyengébb feláramlás, mivel az előbbi nagyobb vertikális momentumot hordoz.
 
13. ábra
A feláramlás dőlésének nagysága a vertikális szélnyírás és a feláramlás egymáshoz viszonyított erősségének függvénye
3.3  Horizontális örvényesség és a feláramlás dőlése
  A feláramlás megdőlésének jelenségét a horizontális örvényesség fogalmán keresztül is tárgyalhatjuk. Ahogy a feláramlás egyre magasabb szintekig jut fel, folyamatosan horizontális örvényesség képződik a feláramlás szélein. Ezen örvényesség kialakulását magyarázhatjuk a felhajtóerő horizontális gradiensének szükségszerű meglétével éppúgy, mint ahogy azt a zivatarból kifutó hideg légtest vezető éle mentén keletkező örvényességnél is tettük. Az 14. ábrán látható módon a feláramlás jobb oldalán pozitív, míg a bal oldalán negatív örvényesség keletkezik. Szélnyírásmentes környezetben a pozitív és negatív horizontális örvényesség egyensúlyban van a feláramlás oldalain, így az függőleges lesz.
 
14. ábra
Szélnyírásmentes környezetben a pozitív és negatív horizontális örvényesség egyensúlyban van a feláramlás oldalain, így az függőleges lesz
  Amikor a környezetben értékelhető szélnyírás van jelen, ennek örvényessége hozzáadódik ahhoz az örvényességhez, mely feláramlás esetén keletkezik a felhajtóerő gradienséből fakadóan. Ez okozza, hogy a felhő abba az irányba dől, amelyik oldalon az örvényesség azonos előjelű a környezet szélnyírásából fakadó örvényességgel (másképpen kifejezve a feláramlás arra dől, amerre a szélnyírási vektor mutat) (15. ábra).
 
15. ábra
Amikor a környezetben értékelhető szélnyírás van jelen, a felhő abba az irányba dől, amelyik oldalon az örvényesség azonos előjelű a környezet szélnyírásából fakadó örvényességgel
3.4  Horizontális nyomási gradiens és a feláramlás dőlése
  A feláramlás és a szélnyírás kölcsönhatása révén keletkező dőlt feláramlást más módon is megközelíthetjük. Amikor a feláramlás légoszlopa részben akadályt képez az áramló környezeti levegő számára, relatív dinamikai nyomástöbblet keletkezik a felhő szélnyírási vektorral szembeni oldalán, és nyomáshiány az ellentétes oldalon.
 
16. ábra
A zivatarfelhő megdőlését a feláramláson keresztülhúzódó nyomási gradienssel is magyarázhatjuk
  Azt, hogy a zivatarfelhő megdől, illetve az emelkedő légrész a szélnyírási vektornak megfelelő irányba hajlik, valójában az a nyomási gradiens okozza, mely a feláramláson keresztül a magasabb érték felől az alacsonyabb felé mutat.
4.1  Bevezetés
  Nem a felhajtóerő, hanem a vertikális szélnyírás a konvekció szerveződésének legfőbb irányítója. A szélnyírás a zivatarok felépítésére és fejlődésére egyaránt hatással van, egyrészt a kifutófront által keltett emelés módosításán keresztül, másrészt azáltal, hogy befolyásolja a feláramlásban kialakuló forgás lehetőségét és erősségét.

Ahogy a következőkben látni fogjuk, a szélnyírás által érintett légréteg vastagsága, a szélnyírás erőssége, illetve a hodográf alakja lényeges különbségeket eredményezhet a zivatarok, zivatarrendszerek fejlődésében.
4.2  Egycellás zivatarok
  A 17. ábrán egy tipikus egycellás zivatar életciklusa látható, a csapadékintenzitás jellemzésére szolgáló radarechó-eloszlással. A fejlődése során a csapadékintenzitás maximuma mindvégig függőlegesen elnyújtott marad. Ennek oka a vertikális szélnyírás gyengesége (esetleg hiánya), amely miatt a radarechó-maximum nem dől a magassággal. Ahogy a cella leépülő stádiumba lép, a kifutófront minden irányban eltávolodik alóla.
 
Egy egycellás zivatar életciklusa
17. ábra
Egy egycellás zivatar életciklusa
  Az, hogy a kiáramlás mentén képződnek-e új cellák, az LFC magasságától, a kifutó hideg levegő vastagságától, a labilitási viszonyok térbeli eloszlásától és egyéb tényezőktől függ. Többnyire azonban gyenge szélnyírásos környezetben a kifutófront okozta emelés önmagában nem elegendő egy-egy újabb cella kialakulásához. Ilyen (gyenge vagy elhanyagolható szélnyírással jellemezhető) környezeti feltételek esetén az egyedi cellák a felhőt tartalmazó légréteg uralkodó szélirányával és sebességével helyeződnek át.
4.3  Multicellás zivatarok
  A 18. ábrán egy érett multicellás (többcellás) zivatarrendszer keresztmetszete tanulmányozható, a fejlődés különböző stádiumaiban lévő cellák skálájával. A szélnyírással (hosszabban kifejezve: a szélnyírási vektorral) szembeni oldal szélén (balra) a legöregebb (1.) cella található, melynek már csak az üllője maradt meg. Jobbra haladva egyre korábbi stádiumban lévő cellák helyezkednek el, a legfiatalabb (5.) taggal a szélnyírással egyező oldal szélén. A cellák fejlődésének e mintázata a szerveződött multicellás zivatarok tipikus jellemvonása. A zivatarrendszert alkotó egyedi cellák felépítése és fejlődése azonos az egycellás zivatarokéval, mindegyikük a felhőt tartalmazó légréteg átlagszelével mozdul el. A rendszer áthelyeződése azonban nem feltétlenül egyezik meg az egyes cellák (azaz a magassági átlagszél) sebességének nagyságával, irányával. A multicellás zivatar haladását a rendszer terjedése és a magassági szél eredője adja meg. A "rendszer terjedése" kifejezés az újabb cellák keletkezésének üteme és helye által meghatározott vektort jelenti.
 
Egy multicellás zivatar keresztmetszete, a fejlődés különböző stádiumaiban lévő cellákkal
18. ábra
Egy multicellás zivatar keresztmetszete, a fejlődés különböző stádiumaiban lévő cellákkal
4.4  A multicellás zivatarok struktúrája és a szélnyírás
  A 19. ábrán azt láthatjuk, hogy a közepes szélnyírásban kifejlődő multicellás zivatar szétterjedő kifutófrontján elsősorban a szélnyírással egyező (tehát a szélnyírási vektorral egyező irányba haladó) oldalon alakulnak ki az újabb cellák, ahol a legerőteljesebbek a feláramlások. Természetesen a szétterülő hideg levegő peremén máshol is megindulhat a cellaképződés egyéb külső tényezőktől függően. Megfelelően erős alacsonyszintű szél esetén a kifutófront felülről nézve nem szimmetrikus formát vesz fel, hanem inkább tojásdad alakúvá válik.
 
A közepes szélnyírásban kifejlődő multicellás zivatar kifutófrontján elsősorban a szélnyírási vektorral egyező irányba haladó oldalon alakulnak ki az újabb cellák
19. ábra
A közepes szélnyírásban kifejlődő multicellás zivatar kifutófrontján elsősorban a szélnyírási vektorral egyező irányba haladó oldalon alakulnak ki az újabb cellák
  A hideg légtest és a környezetben jelenlévő alacsonyszintű szélnyírás közti kölcsönhatás erősen befolyásolja a zivatar hajlamát az újabb cellák létrehozására. Egyéb kényszerhatások hiányában a legerősebb, leghosszabb életű multicellás rendszerek nagy alacsonyszintű szélnyírásban jönnek létre. A korábbiakat felidézve, az új cellák kialakulásához az az ideális, ha a hideg légtestben és a környezetben meglévő örvényesség egyenlő mértékű és ellentétes előjelű a rendszer szélnyírással egyező oldalán.
 
Az új cellák kialakulásához az az ideális, ha a hideg légtestben és a környezetben meglévő örvényesség egyenlő mértékű és ellentétes előjelű a rendszer szélnyírással egyező oldalán
20. ábra
Az új cellák kialakulásához az az ideális, ha a hideg légtestben és a környezetben meglévő örvényesség egyenlő mértékű és ellentétes előjelű a rendszer szélnyírással egyező oldalán
4.6  Szupercellák
  Az egyenes hodográffal jellemezhető, erős szélnyírás és a feláramlás kölcsönhatása a növekvő zivatarfelhőben egy középszintű örvénypárt hozhat létre. Megfelelően erős szélnyírás esetén a középszintű forgás és a hozzá kapcsolódó nyomáscsökkenés kényszerhatása új feláramlásokat generálhat a zivatar "oldalszárnyain". (Középszintű forgás akkor is kifejlődik, ha az erős szélnyírás hodográfja görbült formát ölt, de ebben az esetben a görbület az új feláramlásoknak az egyik vagy a másik oldalon kedvez jobban.) Bizonyos körülmények között ez a forgás tartós, örvénylő feláramláshoz vezethet. E forgó feláramlás a szupercellás zivatarok elsődleges jellegzetessége. Az itt ismertetett folyamat végeredménye, hogy az örvénypár megfelelően tartós feláramlások esetén egyre inkább eltávolodik egymástól, és teljesen elkülönülve kettéválik, az örvények a továbbiakban eltérő irányba haladva két külön cellaként folytatják útjukat. A szupercellák gyakran veszélyes időjárási jelenségek, heves zivatarok okozói - kialakulásukkal, jellemzőikkel, típusaikkal részletesen egy másik ismeretterjesztő cikkünkben foglalkozunk.
 
Örvénypár egy fejlődő szupercellában
21. ábra
Örvénypár egy fejlődő szupercellában
4.7  A szupercellák fejlődése és a szélnyírás
  Ahogy már bemutattuk, a vertikális szélnyírás elegendő felhajtóerővel párosulva szupercellás zivatarok kialakulásához vezethet. Továbbá a szélnyírási profil, azaz a hodográf formája nagymértékben befolyásolja szupercellák fejlődését. A 22., 23., 24. ábrákon három különböző szupercellás zivatar fejlődése látható a hozzájuk tartozó tipikus hodográf formákkal. A hodográfok mindegyike erős szélnyírásos környezetet mutat, azonban alakjukban lényeges eltérés figyelhető meg. Az ábrákon szándékosan nem használtunk a távolság jelölésére szolgáló skálát, ugyanis a szupercellák által bejárt terület nagysága igen változó lehet, mert mozgásuk jelentősen eltérhet a vertikális szélnyírási profil függvényében. Több száz kilométert is megtehetnek, de bizonyos szélnyírási viszonyok esetén közel stacionáriusak is maradhatnak.
 
a.,   Hosszú egyenes hodográf esetén, a zivatarfelhő kettéválását követően jellemzően egymás tükörképeként viselkedő szupercellás zivatarok alakulnak ki, vagyis mindkét tag egyformán életképes marad.
 
Szupercellák fejlődése egyenes hodográf esetén
22. ábra
Szupercellák fejlődése egyenes hodográf esetén
 
b.,   A jobbra (óramutató járásával megegyezően) forduló szélnyírási vektorok az örvénypár jobb oldali tagjának kedveznek, így a balra haladó tag gyengébb és rövidebb életű marad, míg a jobbra haladó példány erősebb lesz és hosszabb ideig marad fenn. Előfordulhat, hogy az örvénypár balra haladó tagja még el sem különül teljesen a kettéválás során, és máris elhal, így radaron mindössze annyit lehet észlelni, hogy az eredeti cella a korábban követett irányától jobbra tér el (balra haladó tagot észre sem lehet venni). Az USA Great Plains területén és hazánkban, a Kárpát-medencében egyaránt többnyire jobbra kitérő szupercellákkal találkozhatunk, ugyanis az északi félteke ezen régióiban jobbra forduló hodográfok jellemzőek. A déli féltekén lévő Ausztráliában azonban éppen fordított a helyzet.
 
Szupercellák fejlődése jobbra forduló hodográf esetén
23. ábra
Szupercellák fejlődése jobbra forduló hodográf esetén
 
c.,   Alkalmanként az északi féltekén is megesik, hogy a szélnyírási vektorok balra (óramutató járásával ellentétesen) fordulnak, egy ilyen helyzet döntően a balra mozgó szupercelláknak kedvez.
 
Szupercellák fejlődése balra forduló hodográf esetén
24. ábra
Szupercellák fejlődése balra forduló hodográf esetén
4.8  A szupercellák kialakulásához szükséges szélnyírás mértéke
  Megfigyelések és modelltanulmányok alapján az alsó 4-6 kilométeres légrétegben 25 m/s vagy annál nagyobb teljes vertikális szélnyírás (a hodográf hossza) elegendő szupercellák létrejöttéhez, 15 m/s-nál kisebb teljes szélnyírás mellett azonban általában már nem tudnak kifejlődni. Ezen értékek között kevésbé gyakori, de előfordulhat szupercellás konvekció. A fenti küszöbértékek nem függnek a hodográf formájától. Továbbá ha a nyírás főleg csak az alsó légrétegekre terjed ki (alsó 2-3 km-re vagy még alacsonyabbra), akkor az inkább a cellák vonalba rendeződését fogja segíteni, mintsem a szupercellák kifejlődését.
5.1  Bevezetés
  A konvekció az eddig tárgyalt izolált zivatartípusokon túl még számtalan formában megjelenhet. Ilyen klasszikus konvektív rendszer pl. a squall line (vonalba rendeződött cellák, instabilitási vonal, zivatarlánc), a (mezoléptékű) bow echo (ív echó, ív alakú radarvisszhang), vagy a mezoléptékű konvekív komplexum (MKK). Ezeket összefoglaló nevükön mezoléptékű (vagy mezoskálájú) konvektív rendszereknek (MKR) nevezzük. Szerte a világon, bármely évszakban kialakulhatnak, amint pl. a 25. ábrán is látható. Az animáció egy károkozó ív echó reflektivitási radarképeit mutatja, amely 1985. novemberében Hawaii, Kauiai szigeténél fordult elő.
 
25. ábra
Károkozó ív echó reflektivitási radarképei 1985. novemberében Hawaii, Kauiai szigeténél
5.2  Zivatarláncok és a szélnyírás
  Korábbi fejezetünkben bemutattuk, hogy a vertikális szélnyírás miként hat az egyedi zivatarok fejlődésére. Vajon a nagyobb zivatarrendszerek fejlődését is hasonlóan befolyásolja a vertikális szélnyírás? A válasz: igen. A mezoskálájú konvektív rendszerek tulajdonságai erősen összefüggnek a felhajtóerővel és a szélnyírási profillal. A felszínközeli határrétegből fejlődésnek induló mezoskálájú konvektív rendszerek erősségét, szervezettségét növeli a nagyobb vertikális szélnyírás. Az ilyen típusú rendszerek esetében a leglényegesebb egyesítő tényező a földfelszínen szétterülő hideg légtest, fejlődésükre nagymértékben rányomja bélyegét a kifutó hideg levegő és az alacsonyszintű szélnyírás kölcsönhatása.
 
Zivatarlánc fejlődése gyenge-közepesen erős szélnyírásban
26. ábra
Zivatarlánc fejlődése gyenge-közepesen erős szélnyírásban
 
Zivatarlánc fejlődése közepesen erős-erős szélnyírásban
27. ábra
Zivatarlánc fejlődése közepesen erős-erős szélnyírásban
5.3  A zivatarláncok környezeti feltételei
  Zivatarláncokat a legkülönfélébb CAPE és vertikális szélnyírási értékek mellett figyeltek már meg. Azonban egy adott CAPE-érték mellett a rendszer élettartalma és erőssége növekszik, ha nagyobb a vertikális szélnyírás, ill. vastagabb légrétegre terjed ki. Kutatások kimutatták, hogy a heves és nem heves zivatarláncok környezetében egyaránt jelentős a szélnyírás, főként az alacsonyabb szinteken. A heves eseményeket produkáló zivatarláncok átlagban valamelyest erősebb szélnyírás mellett alakulnak ki, mint nem heves társaik.
 
Heves és nem heves zivatarláncok kompozit rádiószondás felszállásainak és hodográfjainak összehasonlítása
28. ábra
Heves és nem heves zivatarláncok kompozit rádiószondás felszállásainak és hodográfjainak összehasonlítása
5.4  A zivatarlánc fejlődése
  Amikor egy zivatarlánc környezetének szélnyírási viszonyait elemezzük, leginkább az alacsonyszintű szélnyírás vonalra merőleges komponensét (vonal-normális nyírás) érdemes megvizsgálni, ugyanis ez az összetevő van a legnagyobb hatással a vonalba rendeződött zivatarok felépítésére és fejlődésére. A 29. ábrán három, azonos szélnyírási profil mellett kialakuló zivatarláncot láthatunk. Eltérő irányultságuk miatt azonban mégsem valószínű, hogy fejlődésük azonos módon zajlana le. A legfelső rendszer feltehetően erős és hosszú életű lesz, mivel a szélnyírás vektora teljes mértékben merőleges a zivatarlánc vonalára. Ugyanakkor a legalsó rendszer esetében nincsen vonal-normális nyírás, így valószínűleg gyengébb, rövidebb életű rendszer fog kialakulni.
 
Azonos szélnyírási profil mellett különböző irányultságú zivatarláncok vonal-normális nyírásai
29. ábra
Azonos szélnyírási profil mellett különböző irányultságú zivatarláncok vonal-normális nyírásai
  Felmerülhet bennünk a kérdés, hogy vajon a zivatarláncok létrejöttéhez szükség van-e valamekkora kezdeti minimális vertikális szélnyírásra? A válasz az, hogy nem. A zivatarláncok létrejöttükhöz egészen addig nem igénylik a szélnyírás meglétét, amíg valamilyen hosszirányú kényszerhatás van jelen. Azonban a növekvő alacsonyszintű szélnyírás növeli a rendszer szervezettségét és élettartalmát, így a heves zivatarláncok általában olyan légköri feltételek mellett jelentkeznek, ahol erősebb az alacsonyszintű szélnyírás.
5.5  Ív echó (bow echo)
  A Fujita által meghatározott ív echó (a radaron ív alakba görbült formát mutató zivatar) a mezoléptékű konvektív rendszerek (MKR) egy különösen intenzív fajtája. Életüket gyakran erős egyedi zivatarként, vagy cellák kisebb vonalaként kezdik, amelyek szimmetrikus ív alakba fejlődnek, majd végül vessző formájú radarechóvá válhatnak. Ez a folyamat néhány óra alatt zajlik le, és a vertikális szélnyírás ebben is fontos szerepet játszik.
 
Erős és kiterjedt légzuhatagokkal járó radarechók tipikus morfológiája
30. ábra
Erős és kiterjedt légzuhatagokkal járó radarechók tipikus morfológiája
5.6  Az ív echók környezeti feltételei
  A heves ív echók leggyakrabban közepestől erősig terjedő alacsonyszintű szélnyírásos környezetben és nagyon magas CAPE-értékek mellett keletkeznek. Az amerikai szakirodalom szerint a lifted index (LI) átlagosan -8 C° körüli (mely rendszerint 2500 J/kg feletti CAPE-értékeket jelent), illetve 700 hPa-on átlagosan 17 m/s körüli a szélsebesség.

Az ív echók és szupercellák kialakulásához szükséges környezeti feltételek között nagy az átfedés, ív echók gyakran jelentkeznek a szupercellás események későbbi stádiumában. Hasonlítsuk össze a 31. és a 32. ábrát. A 31. ábrán látható környezeti feltételek esetén ív echó és szupercella egyaránt létrejött, míg a másik esetben (32. ábra) csak ív echó fejlődött ki. Ív echó elsődlegesen olyan környezetben fordul elő, ahol az erős vertikális szélnyírás az alacsonyabb szintekre (alsó 2-3 km-re) korlátozódik, míg szupercella főként vastagabb (legalább az alsó 4-6 km-es) légrétegre kiterjedő erős szélnyírás mellett alakul ki. Továbbá az ív echók hajlamosak az alacsonyszintű (0-3 km-es) szélnyírási vektor irányába terjedni.
 
Ív echót és szupercellát egyaránt produkáló vihar
31. ábra
Ív echót és szupercellát egyaránt produkáló vihar
 
Csak ív echót produkáló vihar
32. ábra
Csak ív echót produkáló vihar
5.7  Konklúzió
  Bár a zivatartípusok kategorizálása igen nagy segítséget nyújt az adott környezetben létrejövő zivatarok felépítésének és viselkedésének előrejelzésében, azt sem szabad elfelejtenünk, hogy a valóságban (annak komplexitása révén) a megfigyelt zivatarok struktúrája és fejlődése sokkal inkább egy folytonos spektrumon képzelhető el. Sok olyan eset van, amelyik egyik elméleti modellbe sem fér bele. Azonban a szélnyírás zivatarcellák típusára vonatkozó hatásának figyelembe vételével, illetve a környezet vertikális szélnyírásának vizsgálatával sokkal könnyebben előrejelezhető a zivatarok várható viselkedése.
  Ebből az anyagból a szélnyírás konvekcióra gyakorolt hatását ismerhettük meg (az alábbi alfejezetekben a lényegi elemek vannak röviden kiemelve). A labilitás témakörében "A konvekció alapjai I. - Felhajtóerővel kapcsolatos alapismeretek" című anyagunkból lehet alaposabban tájékozódni, míg a szélnyírás megállapítására használatos hodográfot "A konvekció alapjai II. - A hodográf használata" című leírásban mutatjuk be részletesebben.
6.1  A szélnyírás és a hideg légtest kölcsönhatása
 
—   A vertikális szélnyírás oly módon van hatással a zivatarok szervezettségére, hogy a kifutófront mentén elősegíti az újabb cellák keletkezését
—   A vertikális szélnyírás megléte szükséges a hosszú életű, szervezett konvekció kialakulásához
—   Az erős alacsonyszintű szélnyírás kedvez az új cellák létrejöttének, mégpedig a kifutófront szélnyírással egyező oldalán (tehát a szélnyírási vektorral egyező irányba haladó részén)
—   Gyenge alacsonyszintű szélnyírás esetén a kifutó hideg levegő által okozott emelés (vagyis a hideg légtest cirkulációja) egymaga nem szükségképpen elegendő ahhoz, hogy a talajközeli légrészek feljussanak az LFC-ig (kivéve, ha az LFC eléggé alacsonyan van)
—   A legvastagabb légrétegre kiterjedő emelés akkor lép fel, amikor a hideg légtest vezető éle mentén keletkező horizontális örvényesség és a környezet alacsonyszintű szélnyírásából származó horizontális örvényesség közel egyenlő nagyságú és ellentétes előjelű
—   10-20 m/s-os alacsonyszintű (0-2.5 km közötti) szélnyírás már általában elegendő emelést biztosít az új cellák képződéséhez a kifutófront azon részén, amelynek haladási iránya megegyezik a környezet szélnyírási vektorának irányával. Trópusi környezetben azonban már 5 m/s-os szélnyírás is elegendő lehet. Az említett légréteg fölötti szélnyírás tovább fokozhatja az emelést
6.2  A szélnyírás és a feláramlás kölcsönhatása
 
—   A vertikális szélnyírás kisebb-nagyobb mértékben megdönti a feláramlást
 
—   Az erős vertikális szélnyírás kezdetben káros a fejlődő feláramlásra, főképp ha a feláramlás gyenge (ilyenkor darabokra szaggathatja a felhőt)
—   A zivatarfelhő megdőlésének mértéke a feláramlás és a vertikális szélnyírás erősségétől egyaránt függ
—   A felhajtóerő gradiense a tornyos gomolyfelhő oldalán horizontális tengelyű örvényességet generál az emelkedő feláramlás mindkét felén
—   Ha nincs szélnyírás, akkor a felhő két szélén keletkező örvényesség egyensúlyban van egymással, és a feláramlás függőlegesen emelkedik fel
—   Amikor a szélnyírás erősebb, a felhő megdől abba az irányba, amelyik oldalon a felhajtóerő gradiense révén keletkező örvényesség azonos előjelű a környezet szélnyírásából származó örvényességgel (vagyis a feláramlás a szélnyírási vektorral megegyező irányba dől)
—   A felhő feláramlási csatornája akadályozza a környezeti levegő zavartalan áramlását, így a szélnyírási vektorral szembeni oldalon dinamikai nyomástöbblet jön létre, míg a másik oldalon nyomáshiány keletkezik. A felhő szélnyírási vektorral egyező irányba történő megdőlését tehát e folyamattal is magyarázhatjuk
6.3  A szélnyírás hatása az izolált zivatarokra
 
—   A vertikális szélnyírás elegendően nagy felhajtóerővel kombinálva szupercellás konvekció kialakulásához vezethet
—   A vertikális szélnyírási profil alakja, amit a hodográf jelenít meg számunkra, erősen befolyásolja szupercellák felépítését, mozgását
—   Az amerikai szakirodalom szerint az alsó 4-6 kilométeres légrétegben 25 m/s vagy annál nagyobb teljes vertikális szélnyírás (a hodográf hossza) elegendő szupercellák létrejöttéhez. 15 m/s-nál kisebb teljes szélnyírás mellett azonban általában szupercellák már nem tudnak kifejlődni
6.4  A szélnyírás hatása a zivatarrendszerekre
 
—   Adott CAPE-értékek mellett a növekvő erősségű és vastagabb légrétegre kiterjedő vertikális szélnyírás növeli a mezoléptékű konvektív rendszerek (MKR-ek) erősségét és élettartalmát
—   Az alacsonyszintű szélnyírási vektor zivatarláncra merőleges komponense (vonal-normális nyírás) határozza meg leginkább a zivatarlánc felépítését, fejlődését, élettartalmát
—   Az ív echókat és a szupercellákat kialakító légköri feltételek között átfedés van, ív echók gyakran a szupercellás események későbbi stádiumaként jelentkeznek
 
—   A heves ív echókat kialakító környezetet leggyakrabban közepestől erősig terjedő alacsonyszintű szélnyírás és nagyon magas CAPE jellemzi
Forrás: 
eredeti forrás: — Principles of Convection III: Shear and Convective Storms — COMET program
Írta / készítette: 
Fordította: 
— Molnár "Storman" Ákos — Polyánszky "Meteorman" Zoltán

Élő viharvadászat

Konvektív előrejelzés

Convective forecast

Köszönjük!

Támogasd a
Viharvadászok Egyesületét
adód 1%-ával!

Adószámunk: 
18033108-1-03

Részletekért kattints!

Zivatar valószínűség a következő órákban

+0h+3h+6h

Navigáció

Belépés

Jelenlévő felhasználók

Jelenleg 0 felhasználó és 1 vendég van a webhelyen.

Copyright

Az oldalon található minden tartalom (szöveg, kép, videó) - kivéve ahol a feltüntetett forrás ettől eltér - a Magyarországi Viharvadászok és Viharkárfelmérők Közhasznú Egyesületének tulajdonát képezi. Bármilyen nemű felhasználáshoz az Egyesület hozzájárulása szükséges.

info@szupercella.hu