Az alábbi ismeretterjesztő anyagunkban az úgynevezett zivatar-relatív hodográfok használatáról olvashattok, kiemelten szupercellás konvekció esetén. A módszer lényege, hogy a vertikális szélprofilt nem a felszínhez viszonyítva vizsgáljuk, hanem a középpontba magát a zivatarcellát helyezzük, ezáltal képet kaphatunk arról, hogy életútja során milyen szélviszonyokat tapasztal a cella. Mielőtt nekikezdenél az olvasásnak, erősen javasolt a hodográfok alapjairól szóló ismeretterjesztő anyagunk elsajátítása: link!
Alapok
Mint az közismert, a vertikális szélnyírás meghatározza a zivatarok hevességét, élettartamát és szervezettségét is. A vertikális szélnyírás becslésére (azaz a szél irányának és erősségének magasság szerinti megváltozására) bevett szokás a 0-6 km-es szélnyírást használni. Ez az érték azonban csupán egy egyszerű vektorkülönbség, amely a felszíni és a 6 km-es szélvektor különbségét veszi, nem ad információt a „köztes” réteg szélviszonyairól (1. ábra).
1. ábra: két képzeletbeli hodográf, a számok a felszín feletti magasságot jelentik km-ben kifejezve (lila: 0-1 km, piros: 1-3 km, zöld: 3-6 km-es szélnyírási vektorok). Amennyiben csak a 0-6 km-es vektorkülönbségre fókuszálunk, azzal a téves feltételezéssel élhetünk, hogy a jobb oldali esetben a szélnyírás nem biztos, hogy elégséges szupercellák kialakulásához. Ellenben, ha a teljes hodográfot tekintjük, észrevehetjük, hogy kellően nagy szélnyírásunk van, kiemelten az 1-3 km-es rétegben.
Ugyan a hodográfok felrajzolását, értelmezését korábbi tanulmányukban már bemutattuk, egy rövidke ismertető álljon alább is:
- Az adott szintek szélvektorait egy sebesség komponensek (u,v) szerinti polár koordinátarendszerbe helyezzük, azaz a vektorok talppontjait az origóba toljuk (2. ábra, bal). A vektorok hossza arányos a szélsebességgel és irányuk megegyezik a széliránnyal.
- A vektorok végpontjait összekötve jön létre a hodográf (2. ábra, jobb).
- A hodográf a legjobb eszköz a vertikális szélnyírás vizualizációjához, amely az egyik legfontosabb paraméter a heves zivatarok előrejelzéséhez.
2. ábra: a hodográfok előállításának lépései.
A hodográf alakja
Jól látható, hogy a hodográfok különböző alakokat tudnak ölteni, elég csak megnézni az 1. ábrát is. Lássuk, milyen információval tud szolgálni számunkra a hodográf görbülete. A meteorológia dinamikai leírásában ismert fogalom az úgynevezett termikus szél, ami nem más, mint egyszerűen mondva a szél megváltozása a magassággal. A termikus szél egyenletéből (jelen írásban nem tárgyaljuk) kapjuk meg azt az összefüggést, miszerint: ha magassággal jobbra fordul a szél („veering”), akkor nagytérségi melegadvekció zajlik, ha pedig a magassággal balra fordul a szél („backing”), akkor nagytérségi hidegadvekció figyelhető meg a légkörben (3. ábra). Könnyű belátni tehát, hogy az északi féltekén, ha alul jobbra fordul a hodográf, akkor ott meleg levegő szállítódik, ami kedvez a zivataroknak. Nem mindegy azonban, hogy hol fordul a hodográf. Ha már az alsó szinteken megjelenik a „backing” (hidegadvekció) akkor az könnyen stabil, hideg levegő beáramlását is eredményezheti, ami rombolhatja a feláramlást. Becslésnek elmondható, ha az alsó 0-2, esetleg 0-3 km-en (környezettől, cellától függően) melegadvekció zajlik, akkor az hasznos a talajalapú konvekciónak. Az adott zivatarcella (effektív) beáramlási rétegének meghatározására rendelkezésre áll egyébként egy formula is: link, de első közelítésben alkalmazható a fenti becslés.
3. ábra: archív hodográf egy szupercella környezetéből. Kellően nagy szélnyírás, a beáramlási régióban meleg, míg a magasban hidegadvekcióval. Ez az elrendeződés amellett, hogy lehetőséget teremt a cella számára meleg levegőt szívni a feláramlásába, a magasban történő hűlés következtében fokozza az instabilitást is.
Milyen hodográfok támogatják a jobbra és balra haladó szupercellákat? Bunkers és munkatársai (2002) tanulmánya alapján az alábbi hodográf minták mellett alakulnak ki nagy valószínűséggel csak balra; illetve balra és jobbra haladó szupercellák (4. ábra):
- Jellemzően egyenes hodográf
- Némi jobbra fordulás az alsó 1 km-es rétegben
- Balra fordulás az alsó, középső rétegekben
4. ábra: Bunkers és munkatársai (2002) tanulmánya alapján a jobbra és balra haladó szupercelláknak kedvező szélnyírási profil kompozit hodográfja (fent), illetve, egy magyarországi eset 2021-ből (középen és lent). Jól látható, hogy a mérsékelt jobbra forduló szélprofil alul, kiegészülve a többi szint döntően egyenes hodográfjával kedvezett a jobbos és balos szupercelláknak is.
Örvényesség
A szupercellák a forgó feláramlásukat a környező örvényességnek köszönhetik, amelyet (nagyrészt) a vertikális szélnyírás generál. A vertikális szélnyírás által generált horizontális örvényességnek két nagy típusát különíthetjük el: keresztirányú örvényesség (crosswise vorticity) és áramlásirányú örvényesség (streamwise vorticity).
- Keresztirányú örvényesség akkor jön létre, ha a magassággal csak a szél sebessége nő => örvényesség vektor merőleges az átlagszélre (5. ábra)
5. ábra: a magassággal csak a szél nagysága változik, ezáltal az átlagszél, a szélnyírási vektor is egy irányba esik. A szélnyírás által generált örvényesség emiatt merőleges lesz az átlagszélre (zivatarcella mozgása)
- Áramlásirányú örvényesség akkor jön létre, ha a magassággal a szél sebessége és iránya is változik => örvényesség vektor párhuzamos az átlagszéllel (6. ábra)
6. ábra: a szél iránya és sebessége is változik a magassággal. A szélnyírási vektor a fenti és a lenti szélvektor különbsége, míg az átlagszél a kettő közé esik. Ennek eredményeképpen az átlagszél vektora egy egyenesbe esik a szélnyírás által generált örvényességgel.
Mit határoz meg a zivatarcella szempontjából az áramlás- és keresztirányú örvényesség?
Keresztirányú örvényesség:
Sebesség szerinti nyírás => keresztirányú (crosswise) örvényességet eredményez => forgás a feláramlás peremein (kezdetben) => ciklonális és anticiklonális örvénypár => jobbra haladó és balra haladó szupercella is életképes maradhat (7. ábra)
7. ábra: A tisztán keresztirányú örvényesség hatására a feláramlás „peremén” jelentkezik az örvényesség zöme, dinamikailag ez azt eredményezi, hogy mind a jobb-, mind a balra haladó cellatag életképes maradhat.
Áramlásirányú örvényesség:
Sebesség és irány szerinti nyírás => áramlásirányú (streamwise) örvényességet eredményezhet => az egész feláramlás forog => jobbra haladó, vagy balra haladó szupercella marad életképes (8. ábra).
8. ábra: A tisztán áramlásirányú örvényesség hatására a teljes feláramlás forog, emiatt főleg csak a jobbra-, vagy a balra haladó cellatag marad életben (attól függően, hogy jobbra, vagy balra görbül a hodográf)
A zivatar-relatív hodográf
Ahhoz, hogy a zivatarcella helyébe képzelhessük magunkat, módosítanunk kell a felszín-relatív hodográfunkat, méghozzá az alábbiak szerint: a zivatar talajhoz viszonyított mozgásvektorát kivonjuk minden egyes szint talajhoz viszonyított szélvektorából.
Lássuk lépésről lépésre (9. ábra)!
1.) Meghatározzuk a zivatar mozgását:
- Fejlődő zivatarcella: 0–6 km átlagszél
- Jobbra térülő szupercella: Bunkers Right mozgásvektor
- Balra térülő szupercella: Bunkers Left mozgásvektor
2.) A zivatar mozgását kijelölő vektorból (az ábrán a Bunkers Right-tal bemutatva) egyeneseket bocsátunk a hodográf görbéjére különböző magassági szinteken. Az így kapott vektorok megmutatják, hogy a különböző szinteken milyen szélviszonyokat tapasztal a mozgásban lévő szupercella.
FIGYELEM! A fejlődő szupercella nem az Bunkers Right vektorral mozog, hanem a 0–6 km-es átlagszél vektorral (ábrán szürke nyíl). Kezdetben tehát ahhoz viszonyítva érdemes vizsgálni.
9. ábra: Zivatar-relatív hodográf készítésének lépései. A szürke nyíl a 0-6 km-es átlagszél vektor jelenti (a kialakuló zivatarok mozgását kezdetben ez határozza meg), a fekete nyíl, illetve az RM feliratú kör a Bunkers zivatarmozgás vektort ábrázolja jobbra haladó szupercella esetén (ezt alapvetően a legtöbb hodográfos weblap alapértelmezetten feltünteti, nem kell számolnunk). A piros nyilak pedig a zivatarhoz képesti szeleket mutatják, megadják, hogy a cella „milyen szeleket érez” a különböző magasságokban.
A zivatar-relatív hodográfok előállítására létezik egy másik módszer is, miszerint: A koordináta-rendszert eltoljuk a zivatar mozgásvektorának végpontjába => ezzel a zivatarmozgás nulla lesz, ehhez képest vizsgáljuk a környezeti szeleket (10. ábra).
10. ábra: zivatar-relatív hodográf előállításának egy másik módja. A cella mozgását jelölő piros négyzetet az origóba helyezzük, ehhez mérten módosulnak a különböző szintek szélvektorai.
Zivatar-relatív örvényesség
Ha már előállítottunk egy zivatar-relatív hodográfot (a mozgásvektor végpontjából vektorokat bocsátunk „vissza” a hodográf vizsgálni kívánt szintjeire), akkor könnyen megvizsgálhatjuk, hogy ezeken a kiválasztott szinteken milyen örvényességet tapasztal a cellánk. Ehhez semmi másra nincs szükségünk, mint az úgynevezett jobbkéz szabályt alkalmaznunk. Használata: ha jobb mutató ujjunkat a hodográf tetszőleges szakaszával párhuzamosan tartjuk (ez lesz a szélnyírás vektora), akkor a hüvelyk ujjunk megadja, hogy merre mutat az örvényesség vektor (11. ábra). (A szélnyírás által generált horiziontális örvényesség nagysága minden esetben arányos az őt létrehozó szélnyírással.) Amennyiben a már korábban meghatározott zivatar-relatív szélvektorok egy egyenesbe esnek az örvényesség vektorával, akkor áramlásírányú örvényességet tapasztal a cella. Amennyiben a zivatarhoz képesti áramlásra merőleges az örvényesség, abban az esetben keresztirányú örvényességet tapasztal a cella. Figyelem, a környezetben ritkán fordul elő tisztán áramlás-, vagy keresztirányú örvényesség.
11. ábra: zivatar-relatív örvényességek előállítási kijelölt magassági szintekre. Piros nyilak: előállított zivatar-relatív szélvektorok, zöld nyilak: jobbkéz szabály értelmében a mutatóujjunk iránya (ami tulajdonképpen a szélnyírást ábrázolja), míg lila nyilak: a szélnyírás által generált örvényesség (hüvelykujj iránya).
Lássunk néhány példát a közelmúltból!
Először a 10. ábrán bemutatott eljárás alapján (12. ábra):
12. ábra: Szinte tökéletesen áramlásirányú örvényesség (piros és lila nyilak közel egy egyenesbe esnek), amelynek eredményeképpen a szupercella teljes feláramlása forog. Ebben az esetben a zivatarcella mozgását betoltuk az origóba (10. ábra), ezáltal a cella-relatív szeleket is a középpontból vizsgáljuk. A nagy környezeti örvényesség hatására a szupercella gyönyörű felhőbordás struktúrát öltött. Leoti, Kansas, 2016. május 21.
13. ábra: Szinte tökéletesen áramlásirányú örvényesség (piros és lila nyilak közel egy egyenesbe esnek), amelynek eredményeképpen a szupercella teljes feláramlása forog. Ebben az esetben a zivatarcella mozgását betoltuk az origóba (10. ábra), ezáltal a cella-relatív szeleket is a középpontból vizsgáljuk. A nagy környezeti örvényesség hatására a szupercella gyönyörű felhőbordás struktúrát öltött. Douglass, Kansas, 2018. június 27.
Most pedig a 11. ábrán bemutatott lejárás alapján (14. ábra):
14. ábra: A hodográfon jól látható, hogy az alacsonyabb szinteken elenyésző a szélnyírás, s ami akad, az is inkább keresztirányú örvényesség. Ezzel szemben a 2-5 km-es rétegben már nagyobb a szélnyírás, ami jobbára áramlás irányú is: a szupercellán felhőbordás struktúra jelenik meg ebben a rétegben.
A ventillációs hatás
A környezeti szélprofilnak, egészen pontosan a magassági szélnek (jellemzően 6-12 km közötti magasság) van egy másik fontos tulajdonsága is: meghatározza, hogy a csapadékelemek mennyire lesznek képesek a feláramlás közelében maradni. Azaz, minél nagyobb az adott rétegben a szél, annál inkább klasszikus, vagy LP (alacsony csapadékú) szupercellára számíthatunk. Viharvadászat során tehát érdemes azokat a cellákat belőni célpontnak, amelyeknél nagyobb a magassági szélnyírás, ezáltal sokkal kevésbé lesz csapadékkal körülvett a szupercella feláramlása. Ökölszabályként azt mondhatjuk, ha a 6-12 km-es szakasza a hodográfnak 20 m/s-on kívül esik, akkor már nem jellemző a HP szupercella típus. (15. ábra).
15. ábra: izolált szupercella robog végig a déli országrészben. A feláramlási csatorna irányából az erős magassági szél (6-12 km) okozta ventillációs hatás a csapadékelemeket (az üllőt is) messzire szállítja. A szupercella így sokáig mentes marad a stabil, hűvös levegő bekeveredésétől és hosszú életű, jól fotózható cellaként halad tovább.
Jégesős vs. tornádós hodográfok
Kumjian és munkatársai (2021) tanulmányában idealizált szupercellákat vizsgáltak, az alapján, hogy milyen környezetben produkálnak igazán nagy méretű (akár 10 cm körüli, vagy azt meghaladó átmérőjű) jégesőt. Az alábbi szükséges (de nem elégséges!) feltételeket találták, ami a környezeti szélviszonyakat illeti:
- Kellően nagy 0-6 km-es szélnyírás (szupercella) => nagy szélnyírás szélesebb feláramlást eredményez
- Nagy mértékű zivatarhoz képesti alacsony szintű beáramlás => erős beáramlás erős szupercellát, szélesebb feláramlást eredményez (15 m/s már kedvező)
- Kellően nagy mértékű zivatarhoz képesti szélfordulás alul, a beáramlási rétegben => helikális mozgás, örvénylő feláramlás növeli a jégszem tartózkodási idejét
- Gyenge zivatarhoz képesti szelek a beáramlási réteg tetején, merőlegesen a 0-6 km-es szélnyírásvektorra => tovább tartózkodik a jégszem a növekedési zónában
Mindezre nézzünk egy magyarországi példát is (16. ábra)!
16. ábra: vizsgáljuk meg a hodográfot a fent megfogalmazott 4 pont alapján. 1.) A kellően nagy, szupercellás szélnyírás teljesül. 2.) Nagy, zivatarhoz képesti beáramlás szintén teljesül, ha a Bunkers_R és Bunkers_L (jobb és bal) mozgásvektorból egyenest bocsátunk a felszíni szélre (szaggatott sárga és lila vonal az alsó szintre). Továbbá látható, hogy a balos (sárga) esetén nagyobb zivatarhoz képesti beáramlás jelentkezik. 3.) A kellően nagy szélfordulás szintén teljesül a legalsó ~3 km-es, beáramlási rétegben. 4.) A gyenge zivatar-relatív szelek a beáramlási réteg tetején szintén teljesülnek (szaggatott sárga és lila vonalak a ~3 km-es réteggel összekötve).
Figyelem! Az eredmények idealizált, szimulált szupercellák vizsgálata során születtek meg, a természetben ez sokszor változhat és előfordulhat, hogy a feltételek nem állnak fenn egyszerre térben és időben. Az is érdekes kérdés, hogy vajon, ha nem áll fenn az összes feltétel, akkor tudja-e egyik pótolni a másikat. Az eredmények hitelességének vizsgálata még sok-sok eset kivizsgálását igényli, azonban látható a bemutatott példán is, hogy van létjogosultságuk.
Kumjian és munkatársai tanulmányából megtudhattuk, hogy elméletileg milyen feltételek szükségesek a nagy méretű jégesőhöz, már ami a vertikális szélprofilt illeti. Nixon és munkatársai (2022) cikke ellenben a klasszikus tornádós és jégesős hodográfokat hasonlította össze, hosszú évek statisztikái alapján. Szembetűnő különbség legfőképp az alsó, 0-1 km-es réteg szélnyírásában rejlik. Amíg a jeges eseteknél jellemzően az 1-3 km-es rétegben tapasztaljuk a legnagyobb szélnyírást, addig a tornádós esetekben – s különösen az erős tornádós esetekben – a szélnyírás maximuma a 0-1 km-es rétegben jelentkezik, jellemzően nagyobb görbülettel, mint a jeges esetekben (17. ábra).
17. ábra: jeges, illetve tonrádós szupercellákra jellemző hodográfok, hosszú évek statisztikai átlaga alapján. Figyelem! Mint ahogyan a nevében is benne van, ezek átlagos hodográfok, ezért érdemes inkább az arányokat megjegyezni, mintsem a tökéletesen azonos mintázatot!
A Storm-relative Helicity
A storm-relative helicity, rövidítve SREH annak számszerűsítése, hogy a környezet horizontális örvényessége – miután azt a zivatar feláramlása felállítja –, térben mennyire fog korrelálni a feláramlással, azaz milyen mértékben forog a feláramlásunk. A SREH a hodográfokon az adott szélnyírási réteg (általában 0-1, vagy 0-3 km) által bezárt terület (18. ábra). Gyakran használt paraméter a szupercellák előrejelzéséhez. Érdemes azonban vigyázni vele! Ugyanis, a SREH klasszikusan a Bunkers jobbra, vagy balra haladó mozgásvektorral számolódik, miközben a kialakuló cellák kezdetben a felhőzet vertikumára vonatkoztatott átlagszéllel haladnak. Emiatt, a SREH kezdetben félrevezető lehet, s a valóságban sokkal kisebb értékek realizálódhatnak, még mielőtt a szupercella kettéválna. Összességében, a SREH inkább azt mutatja meg, hogyha kialakult a szupercella és már kettévált, akkor a jobbra, vagy balra haladó tagok esetében mennyire támogatja a környezet a cellák hosszú életű fennmaradását.
18. ábra: a SREH meghatározása a hodográf segítségével. A kék nyilak a zivatar-relatív szeleket ábrázolják, míg a szürke terület a helikalitás nagyságát.
Azonban a helikalitás nagysága sokszor semmit sem mond a valós helyzetről. Vizsgáljuk meg az alábbi példát (19. ábra)! A bal oldalon 100 m2/s2 helikalitás áll a cella rendelkezésére 0-1 km-en, azonban a szélnyírás jóval nagyobb ebben a rétegben, mint a jobb oldali esetben (150 m2/s2). Amellett, hogy nagyobb a nyírás, sokkal inkább áramlás irányú is az örvényesség. A példából is jól látszik tehát, hogy a görbe alatti terület nagysága pusztán egy számérték, amelyet ha csak leolvasunk a térképről, könnyen félrevezethet bennünket, s lemaradhatunk az ütősebb szupercellákról.
19. ábra: az úgynevezett helikalitás paradoxon. Hiába nagyobb a görbe (lila szélnyírási vektor: 0-1 km) alatti terület, összességében a bal oldali hodográfon sokkal nagyobb alacsonyszintű szélnyírás és áramlás irányú örvényesség áll a képzeletbeli szupercellánk rendelkezésére, mint a jobb oldali esetben.
Összefoglalás
Foglaljuk tehát össze a legfontosabbakat!
- Ne hagyatkozzunk csupán a 0-6, 0-1, 0-3, stb km-es szélnyírásra, mert nem nyújt információt a valódi szélprofilról.
- A hodográfot vizsgáljuk meg a zivatar szempontjából is (manuális módszer: mozgásvektorból egyenest bocsátunk a hodográf vizsgálni kívánt szintjeire => zivatar-relatív szelek)
- Vizsgáljuk meg az adott réteg örvényességi viszonyait, használjuk a jobb kezünket!
- Ha az örvényesség vektor egy egyenesbe esik a zivatar-relatív széllel => áramlásirányú örvényesség => az „egész feláramlás forog” => felhőbordás struktúra.
- Ha az örvényesség vektor merőleges a zivatar-relatív szélre => keresztirányú örvényesség => a „feláramlási csatorna pereme forog” => jobbos és balos szupercella is életképes
- Tekintsük a magassági szeleket! Ha a 20 m/s-os karikán kívül van a hodográfon a 6-12 km-es réteg szélnyírásai, akkor egyre inkább a LP struktúra felé tolódik a szupercella.
- Nagy méretű jégeső előrejelzéséhez vizsgáljuk meg a Kumjian és mtsai (2021) eredményeit. Figyelem! Az eredményeket idealizált, szimulált szupercellákon keresztül vizsgálták, s egyelőre a gyakorlatban még nem áll rendelkezésre kellő számú eset, hogy kőbe vésett feltételeknek vehessük.
- A hosszú évek statisztikái alapján a tornádós szupercellák környezetét jellemzően erősebb 0-1 km-es szélnyírás és nagyobb hodográf görbület jellemzi, mint a jeges cellák környezetét. Emellett, a jeges eseteknél a szélnyírás zöme jobbára a 1-3 km-es réteg közé tehető.
- Ne elégedj meg a SREH értékek leolvasásával, láss a dolgok mögé is!
Komjáti Kornél
