|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
26. ábra
Zivatarlánc fejlődése gyenge-közepesen 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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
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. |
|
|
|
|
31. ábra
Ív echót és szupercellát egyaránt 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 |
|
