Nem-mezociklonális tornádók (Tornádók III.)

Új és egyben befejező ismeretterjesztő anyagunkban betekintést nyújtunk a nem-mezociklonális tornádók világába, mely során megismerhetitek ezen légörvények kialakulási hátterét, valamint fejlődésük egyes stádiumait. Mindezeken túl egyéb s olykor igen különleges légörvényekről is olvashattok majd.

---

1. Bevezetés

Annak ellenére, hogy a nem-mezociklonális tubák és tornádók is legtöbbször a mély konvekciós felhőzet alapjához csatlakoznak, a mezociklonális tornádókkal ellentétben kialakulásukhoz nem szükségesek a szupercelláknál már jól ismert leáramlások (ugyanakkor közvetetten a kialakulásukat befolyásolhatja a zivatarok kiáramlása). Kifejlődésük alapját az úgynevezett mizociklonok (angolul misocyclone) adják, melyek a felszín közelében húzódó konvergencia vonal mentén elhelyezkedő kis skálájú (Fujita definíciója szerint legfeljebb 4 km-es átmérővel rendelkező), sekély örvények (1. ábra).

1. ábra Egy szimulált kiáramlás határa (amely egyúttal egy szélfordulási zóna vagy konvergencia is) mentén kialakuló mizociklonok sorozatának horizontális keresztmetszete. A mizociklonális cirkuláció a horizontális nyírási instabilitás eredményeként jön létre. A két határfelület között hozzávetőlegesen 3 Celsius fok a potenciális hőmérsékleti különbség (fekete és fehér satírozás) a fehér terület javára. Nyilakkal jelölve egy  mizociklon fejlődésének egyes stádiumai.

A nem-mezociklonális tornádókat olykor nem szupercellás tornádóként is emlegetik, ám e megnevezés nem túl szerencsés, hiszen szupercellák is létrehozhatnak efféle tornádókat a mezociklontól távolabbi régiókban (lásd 4. fejezet).

2. Nem-mezociklonális tornádók kialakulásának feltételei
 

Kialakulásukhoz egy lassan mozgó, vagy tartósan egy helyben álló talajközeli konvergencia^1. szükséges, amelyhez a tömegmegmaradás törvénye miatt feláramlások társulnak. Erőteljes feláramlással párosulva a konvergencia mentén kifejlődő mizociklon függőlegesen megnyúlik, az örvény sugara lecsökken, és az impulzusmomentum megmaradása értelmében tornádó erejű forgás alakulhat ki (2. ábra). Fontos hangsúlyozni, hogy az örvény a talajról terjed felfelé, és a tornádót nem előzi meg magasabb szinteken mezociklon létrejötte. A tölcsérfelhő viszont a mezociklonális tornádókhoz hasonlóan először a felhő alapja közelében jelenik meg, mivel az örvényben a lecsökkenő nyomás először ezen a szinten okozza a vízgőz kondenzálódását.

2. ábra  Feláramlások hatására a konvergencia mentén kifejlődő mizociklon függőlegesen megnyúlik, sugara fokozatosan lecsökken, és az impulzusmomentum megmaradása értelmében tornádó erejű forgás jön létre.

 
Most vizsgáljuk meg, milyen légköri feltételek szükségesek az ilyen típusú tornádók kialakulásához! A 3. ábrán látható összetevők közül alapvető a tartós, markáns konvergenciavonal jelenléte, illetve a légkör alsó 3 km-es szakaszán a labilis rétegződés. Minél nagyobb a labilitás ugyanis, annál erősebb feláramlások alakulhatnak ki, így annál erősebb lehet az örvény megnyúlása és összehúzódása. A labilitást többféleképpen is megközelíthetjük. A legegyszerűbb esetben vizsgálhatjuk például a 2 m-es hőmérsékletet, megpróbálhatjuk felderíteni annak maximumát. Továbblépve elemezhetjük a 2 m-es és az 1, 2, vagy 3 km-es légrétegek közti hőmérsékleti gradienst. Ez már többet elárul a labilitási viszonyokról, de a nedvességről még nem tartalmaz információt. A leginkább árulkodó paraméter ezért a CAPE, melyet a termodinamikai diagramon ábrázolva a talajról indított légrész termodinamikai útja és a környezeti hőmérséklet vonala által bezárt terület alapján kapunk meg. Mivel a légrész útját a harmatpontja is befolyásolja, a CAPE teljesebb képet nyújt a labilitásról. Végső soron a nem mezociklonális tornádók szempontjából kritikus légréteg az alacsonyabb szinteken helyezkedik el, mivel a konvergencia örvényei is itt találhatóak, így a 0-3 km-es CAPE (a CAPE alsó 3 km-es szakasza) jelenti a leginkább használható mutatót. Nem mellékesen a kicsi vagy nem kimutatható CIN is hozzájárul, hogy ne fogja vissza záróréteg a konvekciót, és ily módon jelentős felhajtóerővel rendelkező, akadálytalanul fejlődő erős feláramlások jöjjenek létre.

3. ábra: A nem-mezociklonális tornádók kialakulásához szükséges légköri feltételek sematikus ábrázolása. Megjegyezzük, hogy a konceptuális modell a kevert CAPE-t (MLCAPE) 0-3 km-es szakaszát veszi alapul, ami nem más, mint a 0-1 km-es alsó rétegben összekevert állapotjelzőkből indított termodinamikai útból kapott CAPE 0-3 km-es szakasza. De ugyanígy szintén értelmes a felszínről indított (SBCAPE) 0-3 km-es szakaszát tekinteni. (A kevert CAPE-ről lásd bővebben itt!)

A nem-mezociklonális tornádókról elmondható, hogy általában gyengébbek mezociklonális társaiknál, de extrém labilitás esetében akár az F3-as kategóriát is elérhetik. A 2005. július 17-i tyukodi tornádó pl. F2-es erősségű volt (Nem_mezociklonalis_tornadok_Magyarorszagon) . További jellemzőként említhető, hogy az ilyen helyzetek stacionárius jellege miatt a kialakuló tornádó tartósabban pusztíthat egy adott területen.

 2.1 Egy nem-mezociklonális tornádó forrópont

A Föld talán legismertebb és leginkább kutatott nem-mezociklonális tornádó forrópontja az úgynevezett Denver konvergencia és örvényességi zóna (angolul Denver convergence and vorticity zone, röviden DCVZ vagy korábban „The Denver Cyclone”). E mezoskálájú "örvény" területén több nem-mezociklonális tornádó fordul elő, mint az USA bármely más térségében (4. ábra). 
 

4. ábra 1951-2008 közötti tornádós esetek az USA területén. Piros színnel bekarikázva a DCVZ térségében jelentkező kiugró anomália.

A colorádói Front Range keleti előterében, az év legalább kilenc hónapjában fordulnak elő tornádók, melynek döntő többsége nem-mezociklonális eredetű. A legaktívabb hónap a június. A DCVZ felfedezése az 1981-es Denver környéki tornádókitöréshez kapcsolódik. Ennek során a kutatók feltárták, hogy bizonyos makroszinoptikus helyzetek fennállása során a környék topográfiai viszonyai olyan áramlást módosító szerepet töltenek be, mely a Front Range keleti előterében egy tartós (kvázi-stacionárius) konvergencia zónát eredményez (5. ábra). Az észak-déli tengelyű, hozzávetőlegesen 50-100 km hosszúságú zóna mentén gyakorta mozognak kisebb-nagyobb skálájú ciklonális örvények (200 m - 4 km átmérőig, mezoanalízisek alapján 1998), melyek jó táptalajt biztosítanak a tornádók kialakulásához. Megfigyelések szerint a júniusi hónapokban a DCVZ-k mentén vagy közelében 70 %-nyi esély van tornádók kialakulására.

5. ábra Sematikus ábra a DCVZ kialakulásáról. A délkelet felől érkező (Mexikói-öböl) légáramlatok a Denvertől délre húzódó Palmer Ridge-be (1500-2000 m, nyugat-kelet tengelyű) ütköznek, melynek köszönhetően lelassulnak és orografikus emelkedésbe kezdenek. A keletebbre eső alacsonyabb térszíneken azonban a légáramlás szabadon jut el a Front Range hegylábi (észak-déli tengelyű) területeire. Ez utóbbi orografikus tényező légáramlást módosító szerepe révén a szelek egy részének iránya északias komponensűvé válik, így ez összetalálkozva a Palmer Ridge délkeleti lee szeleivel egy tartós konvergencia zónát hoz létre.

3. Nem-mezociklonális tornádók kialakulásának egyes fázisai
 
 
A 6. ábra segítségével lépésről lépésre nyomon követhetjük a nem-mezociklonális tornádók létrejöttének és leépülésének egyes fázisait:
 
I-II.  Az örvény kialakulásának fázisa: a horizontális szélnyírás következtében a konvergenciavonal (szélfordulási vonal) mentén vertikális tengelyű, sekély örvények, mizociklonok alakulnak ki, melyek a folyamat előrehaladtával egy közel szabályos örvénysort is alkothatnak. Itt jegyezzük meg, hogy gyakori az a helyzet, hogy több nem-mezociklonális tornádó (tuba) egyidejűleg jelenik meg, miközben egy szabályos térbeli mintázatot követ (7. ábra).  Ez aligha meglepő, hiszen a már korábban kialakuló mizociklonok is szabályos térbeli elrendeződést mutatnak a konvergencia tengelye mentén.

III. Mizociklonok interakciójának és összeolvadásának fázisa: A kialakult, többnyire különböző intenzitású és nagyságú örvények eltérő sebességgel haladnak (a nagyobb örvények természetesen gyorsabban), így elkerülhetetlenül egy idő után összeolvadnak. A folyamat végén egy olyan koncentráltabb örvénysor jön létre, amely a korábbihoz képest kevesebb, de erősebb örvényt tartalmaz nagyobb átlagos távolsággal.

IV. Tornádó kialakulásának fázisa: a fejlődő konvektív cellák feláramlásainak köszönhetően az örvények fölfelé is advektálódnak, miközben a felhőalap alatti (szintén a feláramláshoz kapcsolódó) konvergencia tovább erősíti az örvény-összehúzódás és nyújtás folyamatát. A felszínközeli súrlódás-indukálta radiális beáramlás további örvényösszehúzódást eredményez, melynek következtében az intenzitás akár a tornádó erősséget is elérheti.
 
V. Tornádó érett fázisa: a kései érett fázis során a már kifejlődött záporból, zivatarból kiáramló hideg légtömeg fokozatosan kezdi körülölelni a forgószelet, miközben az alacsony szintű konvergenciát és örvényösszehúzódást tovább erősíti a korábbi kiáramlás határán.
 
VI. Tornádó disszipálódásának fázisa: az egyre intenzívebb csapadékhullás keltette negatív felhajtóerő (leáramlások) hatására a kiáramlás határa meglódul, ami így az örvény vertikális tengelyét kibillenti, és a tornádó disszipálódásához vezet (8. ábra). A mezociklonális tornádókkal ellentétben a kiáramlás határán, a baroklin úton generált horizontális örvényesség vertikálisba fordulása nem játszik fontos szerepet a nem-mezociklonális tornádóképződés során.

6. ábra Nem-mezociklonális tornádók kialakulásának és fejlődésének elvi modellje egy konvergencia vonal mentén.

7. ábra Szabályos örvénysort alkotó, érett fázisban lévő nem-mezociklonális tornádók sorozata

8. ábra Példa egy leépülő stádiumban lévő nem-mezociklonális tornádóra (víztölcsér)

 

3.1 Minek nevezzelek (víztölcsérek)?

A vízfelületek (óceánok, tengerek, tavak) felett kialakuló nem-mezociklonális tornádókat víztölcséreknek (angolul waterspout, melynek a szárazföldi megfelelője a landspout) vagy más néven trombáknak is nevezzük. A víztölcséreket létrehozó vertikális örvényesség egy lehetséges forrása a parti szelek által generált tartós konvergencia zóna, mely a szárazföldtől néhány km-re fejti ki hatását, jellemzően a kora reggeli órákban. Fejlődési dinamikájukat tekintve nem különböznek szárazföldi társaiktól.

4. Nem-mezociklonális tornádók szupercellákban

Az elmúlt évtizedekben már többször megfigyeltek és sikeresen dokumentáltak olyan jobbra haladó szupercellákat (ciklonális), melyek a ciklonálisan örvénylő tornádók mellett, anticiklonális forgószeleket is produkáltak (9. ábra),  ám ez utóbbi örvények jellemzően jóval gyengébbnek bizonyultak a ciklonális társaiknál. A ciklonálisan forgó szupercellákban kialakuló anticiklonális tornádókat a hátoldali leáramlás (RFD) kifutó frontjának vezetőéle mentén, illetve annak közelében figyelték meg (néhány km-re az alacsonyszintű mezociklontól vagy a ciklonálisan örvénylő tornádótól). Gyakran ezeket az anticiklonális tornádókat egy nagyobb kiterjedésű, de intenzitásban jóval gyengébb anticiklonális örvénybe beágyazódva figyelték meg.  Kérdés, hogy ezek a nagyobb skálájú örvények hogyan jöttek létre? A kutatók két, egymástól alapjaiban eltérő mechanizmust sejtenek:

1.  A hátoldali kiáramlás mentén létrejövő, horizontális tengelyű örvényvonalak a flanking line (szárnyfelhőtornyok) feláramlása és a fő feláramlás hatására boltívszerűen "felpúposodnak", létrehozva ezzel a feláramlás déli végén egy anticiklonális, a fő feláramlás peremén pedig egy ciklonális örvényt (10. ábra felső illusztráció ).
2. A környezetben már eleve meglévő vertikális szélnyírás generálta horizontális örvényvonalakat a hátoldali leáramlás deformálja úgy, hogy az RFD déli végén megjelenik egy anticiklonális, északi végén pedig egy ciklonális örvény  (10. ábra alsó illusztráció). (Az örvényvonalakról és azok deformációjáról a Tornádók II.-ben részletesebben olvashatunk.)

Az így kialakult anticiklonális örvényeket az RFD mentén megvalósuló erőteljes konvergencia a nyújtás mechanizmusával igen gyorsan tornádó erősségűvé képes koncentrálni.

9. ábra Példa ugyanazon szupercellán belül létrejövő ciklonálisan (fent jobbra) és anticiklonálisan (fent balra) örvénylő tornádóra 2006. április 24-én El Reno (Oklahoma) közelében. A szaggatott fehér vonal jelöli az RFD gust frontjának hozzávetőleges helyzetét a felhőalapnál. Fotó: Howard B. Bluestein

10. ábra Egy idealizált ábrázolás arról, hogy milyen kétféle módon alakulhatnak ki anticiklonális tornádók jobbra térülő szupercellákban (anticiklonális tag A, ciklonális tag C). A horizontális keresztmetszeten fekete folytonos vonallal jelölve a feláramlás területe (U), fekete szaggatott vonalakkal a leáramlás/RFD területe (D) látható. A hosszú piros vonal, nyíllal a végén az örvényvonalat reprezentálja, a karikákat alkotó piros vonalak nyíllal az örvényvonal forgási irányát reprezentálják.

5. Nem-mezociklonális tornádók mezoléptékű konvektív rendszerekben:
 

Nem-mezociklonális tornádókat MKR-ek (mezoléptékű konvektív rendszer) is létrehozhatnak, azonban az itt kialakuló forgószelekért leggyakrabban a zivatarrendszerbe beágyazódott szupercellák tehetők felelőssé. Értelemszerűen ez utóbbi esetben mezociklonális tornádóról beszélünk. Azonban számos megfigyelés az mutatja, hogy nagyobb mezoléptékű örvények területén (jellemzően a bow echók északi ív végi örvénye; 11. ábra) jó eséllyel jöhetnek létre tornádók, melyek így nem-mezociklonális eredetűnek tekinthetők. Az esetek többségében az efféle tornádók erőssége nem éri el az EF2-EF3-mas fokozatot. Ennél intenzívebb, ív végi örvény területén létrejövő, nem-mezociklonális tornádó rendkívül ritka (kivételes eset az 1981-es EF4-es bow echó tornádó). Azt eldönteni, hogy egy MKR-be ágyazott tornádó mezociklonális eredetű-e vagy sem, részletes Doppler radaros mérésekre van szükségünk. Érdemes azonban megjegyezni, hogy egy MKR-ben lejátszódó tornádógenezis fizikai háttere kevésbé jól ismert, mint például a szupercellák esetében, ám vélhetően a leáramlások itt is fontos szerepet tölthetnek be (ha nincs jelen vertikális örvényesség a határréteg területén, úgy mindenképp szükségesek a leáramlások, akár szupercellás zivatarról, akár MKR-ről legyen szó).

11. ábra Példa egy bow echós mezoléptékű konvektív rendszerre (MKK), melynek északi végén egy jól fejlett ív végi örvény jött létre. A kép jobb oldalán a ciklonális örvénylést (bekarikázva) reprezentáló radiális széltérkép látható (amerikai eset).

6. Nem-mezociklonális tornádók detektálása, előrejelzése

A nem-mezociklonális tornádók (!) előrejelzése nem könnyű feladat, annak ellenére, hogy az őket kialakító környezeti feltételekkel már tisztában van a tudomány. A következőkben összefoglaltuk, hogy melyek azok a detektálási nehézségek, melyek a nem-mezociklonális tornádók előrejelzése során tapasztalhatók:

• a radarok áltál érzékelt csapadékhullást megelőzően is megjelenhetnek,
• a mizociklonok kis térbeli kiterjedését legtöbbször nem érzékelik a radarok, vagy épp csak a radar közelében detektálhatók,
• sokszor a sugárnyaláb mérési szintje alá esnek, melyet a radar és a mizociklon között lévő távolság is nagyban befolyásol,
• gyorsan kifejlődő, átmeneti örvényekről van szó, melyeket a mérőhálózat nehezen tud érzékelni,
• szinte lehetetlen megmondani, hogy a konvergencián kippattanó cellák közül melyek hozhatnak létre tornádót.

E tényezők a mezociklonális tornádóknál már kevésbé jelentenek problémát, így a középszintű örvények (mezociklon) nagyságának és erősségének detektálása során jó eséllyel következtethetünk az adott szupercella tornádópotenciáljára. Azt azonban érdemes megjegyezni, hogy a távérzékelés minősége nagyban függ a radaroktól, így a második és harmadik pontban felsorolt mintavételi nehézségek a kisebb skálájú mezociklonnal rendelkező szupercelláknál is előfordulhatnak.

---

7. Egyéb különleges örvények/forgószelek

Utolsó fejezetünkben további és egyben látványos légörvényekkel ismerkedhettek meg, azonban nem célunk e jelenségek teljes spektrumának lefedése és dinamikus hátterének részletes leírása, hiszen alapvetően nem tartoznak az általunk vizsgált légköri képződmények közé.
Érdemes megjegyezni, hogy az első csoportban bemutatott légörvények (high-based funnel clouds, U-shaped funnel) kialakulása körül még jócskán vannak kérdőjelek.
 

12. ábra Fotó: Howard B. Bluestein

13. ábra Fotó: Howard B. Bluestein

A megfigyelések szerint e jelenségek megjelenése során jelentékeny légköri örvényesség van a légkörben. Kialakulásuk általában kisebb gomolyfelhők  feláramlásához köthetők, mely kapcsolatba lép a környező levegővel, ami így egy dipól örvényt hoz létre (a jelenség teljesen hasonló a 4. fejezetben tárgyalt örvényvonal deformáció mechanizmusához).  Ez jellemzően a gomolyfelhő tetején jelenik meg, ami akár annak feloszlását követően is látható marad. Az örvény mindaddig életképes, míg a környező levegő bekeveredése (turbulencia) le nem rombolja azt. A patkó alakú forma mellett akár kör alakot is ölthet e ritka légköri jelenség.

14. ábra Fotó: Kacs Dávid

15. ábra Fotó: Beth Mccarley

16. ábra Forrás: liveleak.com

17. ábra Fotó: Chris Tangey

18. ábra Fotó: Scott Teichman

---

A nem-mezociklonális tubás, tornádós esetek kialakulási körülményeiről és környezeti feltételeiről az Országos Meteorológia Szolgálat és a Viharvadászok Egyesülete korábban már publikált közös cikkeket, melyek az alábbi linkekre kattintva olvashatók el:

http://szupercella.hu/Non_mesocyclone_Tornadoes

http://szupercella.hu/Nem_mezociklonalis_tornadok_Magyarorszagon

Megj.: Ahol külön nem jelöltük, a képek forrása a Severe Convective Storms and Tornadoes Observations and Dynamics (Howard B. Bluestein) illetve a Mesoscale Meteorology in Midlatitudes (Paul M. Markowski, Yvette P. Richardson) szakkönyvek.

---

Lábjegyzet:

1. A szárazföld felett létrejövő nem-mezociklonális forgószelek alapjául szolgáló vertikális örvényesség gyakran kiáramlások határán, konvergencia vonal mentén, légtömegek találkozásánál, stacionárius frontok (vagy okklúzió) mentén, sekély ciklonális mezőben (gyenge beragadó hidegörvény, bárikus mocsárhelyzetek, egyéb mezoskálájú örvények) jelentkezik.