Indeksy konwekcji (2)

Juliusz Orlikowski
Indeksy konwekcji.
Od wielu lat próbuje się parametryzować konwekcje. Wykonuje się to w celu
określenia zagrożenia burzami, uskokami wiatru oraz ewentualnie pojawiającym
się trąbami powietrznymi. W tym celu wyznacza się określone parametry które
bardzo często związane są analizą sondaży aerologicznych zarówno bieżących
jak i prognozowanych. Niestety mimo zastosowania różnych metod analizy, nie
ma jak dotąd wskaźnika / indeksu który pozwalałby na precyzyjne
parametryzowanie zjawisk konwekcyjnych. Wynika to z jednej strony z
problemów prognozowania małych układów synoptycznych (jakimi najczęściej są
burze) w związku z problemem wielkości siatki numerycznego modelu
prognostycznego oraz z dużym wpływem podłoża na przebieg zjawisk
konwekcyjnych (którego wpływ jest bardzo także trudny do prognozowania).
Najstarszym i najczęściej wykorzystywanych wskaźnikiem jest indeks CAPE
(Convective Available Potential Energy), który wyrażany jest w jednostce J/kg.
Polskie tłumaczenie tego wskaźnika to: Dostępna (konwekcyjnie) energia
potencjalna. Jest wartością energii potencjalnej cząstki powietrza podniesionej
pionowo w wyniku konwekcji. Czynniki wzmagające konwekcję
to: duże
nagrzanie powierzchni Ziemi lub np. kondensacja pary wodnej w unoszącym się
powietrzu. CAPE jest dobrym wskaźnikiem generalnej niestabilności atmosfery i
wskazuje na wielkość konwekcji oraz skłonność do występowania burz a także
trąb powietrznych. Podzielony jest zwykle na następujące zakresy:
< 300 bardzo słaba konwekcja (ale np. ubiegłej zimy wystąpiła burza przy
wskaźniku CAPE =100)
300 -1000 słaba
1000-2500 średnia
2500-3000 silna
>3000 bardzo silna
Przykładem ekstremalnie wysokiego indeksu CAPE jest wartość przekraczająca
5000. 3.05.1999 przy takiej wartości indeksu wystąpiło tornado o wskaźniku F5
w Oklahoma City.
W sposób obrazowy wartość CAPE określa powierzchnia pomiędzy krzywymi
stanu i stratyfikacji, w warunkach konwekcji tzn. krzywa stanu jest po prawej
stronie od krzywej stratyfikacji na diagramie aerologicznym. Na poniższym
rysunku dodatnie CAPE jest dla obszaru w kolorze różowym
Jak się okazało CAPE jest mało precyzyjnym parametrem, dlatego że taką samą
powierzchnię (czyli wartość CAPE) mogą przyjmować obszary o kształcie długim
i wąskim (jak na w/w rysunku) lub o mniejszej długości ale większej szerokości.
W takich sytuacjach prędkość ruchów pionowych a tym samym intensywność
burz może być bardzo różna. Wartość CAPE można codziennie sprawdzać na
bazie aktualnych danych sondażowych.
http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html
Np. dane z Pragi:
Dodatnie CAPE jest na wykresie wskazane czerwoną strzałką, natomiast
wyliczona wartość CAPE 33,98J/kg zaznaczono różowym kwadratem
Z kolei dane z Legionowa wskazują że tego dnia nie było konwekcji:
Prognozy wskaźnika CAPE można znaleźć:
Meteoblue:
http://www.meteoblue.com/en/weather/more-maps/europe/ link CAPE/Streams
GFS:
http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsavneur.html - link na górze ekranu
CAPE + Lifted Index
http://www.lightningwizard.com/maps/
Ponieważ indeks CAPE nie jest precyzyjny wprowadzono podział indeksu CAPE
na poszczególne poziomy w atmosferze.
Innym wskaźnikiem który doprecyzowuje wartość wskaźnika CAPE jest Indeks
podniesiony LI (Lifted Index), który wyrażany jest w jednostkach temperatury °C.
Jest wskaźnikiem pozwalającym określić przewidywaną aktywność burzową w
danym rejonie. Jest to temperatura jaka osiąga odizolowana cząstka powietrza
podniesiona adiabatycznie do poziomu 500hPa w danych warunkach (około
5500m)
Wskaźnik ten otrzymuje się zależności:
LI = TL-T500
gdzie:
TL - temperatura cząstki powietrza podniesionej do poziomu 500hPa chłodzącej
się adiabatycznie do poziomu kondensacji
T500 - temperatura otoczenia na tym samym poziomie (do odczytania z diagramu
aerologicznego).
Wartość indeksu LI osiąga wartości:
> 11 Ekstremalna stabilność atmosfery – burze nie są możliwe
od 8 do 11 Bardzo duża stabilność atmosfery – burze nie są możliwe
od 4 do 7 Atmosfera stabilna – burze nie są możliwe
od 0 do 3 Atmosfera raczej stabilna – burze nie są możliwe
od -3 do -1 Atmosfera mało stabilna – burze są możliwe
od -5 do -4 Atmosfera niestabilna – burze są prawdopodobne
od -7 do -6 Atmosfera bardzo niestabilna – burze występują
< -7 Atmosfera bardzo ekstremalnie niestabilna - bardzo wysoka aktywność
burzowa (w USA możliwe tornada)
Wartość wskaźnika można odczytać z danych radiosondażowych. Opierając się
na przykładzie sondażu z Pragi:
Wartość indeksu wynosi około 2°C, (są dwie wartości bowiem wyliczenia są
dwiema metodami).
W sposób obrazowy wartość LI określa szerokość
powierzchni dodatniego obszaru CAPE mierzonego na poziomie 500hPa. Im
mniejsza (ujemna) wartość indeksu LI, tym szerszy jest obszar określany
wartością CAPE na poziomie 500hPa.
Prognozy wskaźnika LI można znaleźć:
GFS:
http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsavneur.html - link na górze ekranu
CAPE + Lifted Index
http://www.lightningwizard.com/maps/
Wskaźnik CIN lub CINH
Convective Inhibition [J/kg] - ilość energii potrzebna do ogrzania warstwy granicznej
tak, aby cząstki powietrza podnoszące się z powierzchni Ziemi były w stanie dotrzeć
do poziomu swobodnej konwekcji (LFC).
Jest to "negatywny" obszar sondażu aerologicznego, w którym panuje równowaga
stała (nie występuje konwekcja). Bardzo często ten zakres wysokości związany jest z
występowaniem inwersji.
Wartości wskaźnika przyjmują następujące własności:
0 - 50 wartość inwersji - słaba
51- 199 wartości inwersji średnia
200 i więcej silna inwersja
Przykładowy wykres (obszar niebieski to zakres występowania CIN)– materiały kursu
COMET
Dane o wskaźniku CIN można znaleźć w opisie sondażu:
Jak widać nie występowała warstwa hamująca konwekcję. Natomiast 21.08.2007 w
Legionowie o godz.12.00 (tuż przed pamiętną burzą na Mazurach)
występowała warstwa hamująca konwekcję
wartość CIN = - 77J/kg.
Bardzo często wysoka ujemna wartość CIN może uniemożliwić powstanie chmur
konwekcyjnych mimo wysokiego CAPE.
Wskaźnik EL - Granica równowagi (Equillibrium Level)
Jest to górna granica dodatniego wskaźnika CAPE, tzn jest to górna granica dla
której cząstka powietrza jest cieplejsza niż otoczenie (cieplejsza niż krzywa
stratyfikacji), powyżej tej granicy występuje jeszcze rozbudowa chmur
cumulonimbus, ale już przy ujemnej sile napędowej.
Na rysunku oznaczono strzałką:
Dane indeksu EL z danych sondażowych:
Wartość wskaźnika EL - około 680MPa
Maksymalna granica zasięgu cząstki (Maximum Parcel Level) określa Wskaźnik
MPL
Jest to maksymalny poziom na który może wznieść się cząstka. Poziom ten
określa górną granicę chmur konwekcyjnych (np. cumulonimbus), po osiągnięciu
tej granicy chmura przestaje rozbudowywać się pionowo, zaczyna przyjmować
kształt kalafiora. Pomiędzy granicą MPL i EL, siła napędowa procesu rozwoju
chmur jest ujemna, zachodzi dzięki zapasie energii obszaru dodatniego
wskaźnika CAPE. Inaczej mówiąc przekroczeniu poziomu EL cząstka powietrza
porusza się dalej "z rozpędu", ale ruch jest już hamowany (cząstka przestaje być
lżejsza od otoczenia). Poziom maksymalnej granica zasięgu cząstki można
określić ze zdjęcia satelitarnego analizując górną wysokość chmur
konwekcyjnych.
Przykład wartości wskaźnika MPL (czerwona strzałka):
Rysunek z materiałów kursu COMET
Inne indeksy burzowe:
TT (Total Totals) jest indeksem pozwalającym oszacować siłę wiatru, oraz wielkość
gradu. Oznaczenie na diagramie: TOTL
Obliczany jest na podstawie:
Temperatury i temperatury punktu rosy dla poziomu 850hPa
Tempertury dla poziomu 500hPa
Nie nadaje się do stosowania do prognozowania pogody w górach (problem
wysokości 850hPa)
Indeks TT przyjmuje wartości:
Wartość TT Siła wiatru/wielkość gradu:
< 44 Brak konwekcji
44-50 Wiatr <64 km/h oraz grad <12,7 mm
53 < Wiatr >92 km/h oraz grad >19 mm
Dane indeksu TT z danych sondażowych:
Wartość indeksu TT = 49.
Indeks SWEAT prognozuje możliwość występowania komórek burzowych na
podstawie parametrów; wilgotności powietrza w dolnych warstwach atmosfery,
adwekcji ciepła, chwiejności konwekcyjnej oraz maksymalnej szybkości prądu
strumieniowego. Oznaczenie wartości na diagramach skrót SWEAT.
Do obliczeń pobierane są następujące parametry:
Total index TT
temperatura punktu rosy na poziomie 850hPa
szybkość wiatru i kierunek na poziomie 500hPa
szybkość wiatru i kierunek na poziomie 850hPa
Indeks przyjmuje wartości:
< 272 Burze mało prawdopodobne
273 - 299 Małe ryzyko występowania burz
300 - 400 Umiarkowane ryzyko występowania burz
401 - 600 Silne ryzyko, kilka komórek burzowych (wiatr >92 km/h oraz grad >19
mm)/pojedyncze tornada)
601 - 800 Bardzo wysokie ryzyko komórek z wiatrem >92 km/h oraz gradem >19
mm)/pojedyncze tornada
> 800 Ogromna siła konwekcji
Według innych danych gdy indeks Sweat > 400 - możliwe jest tornado
Dane indeksu SWEAT z danych sondażowych
Wartość SWEAT = 23,20
SI, SSI (Indeks Showalter) jest zbudowany podobnie jak wskaźnik LI, tylko że
cząstka powietrza "jest podnoszona" do poziomu 500hPa z powierzchni izobarycznej
850 hPa (zwykle nad warstwą graniczną).
Oznaczenie na diagramach: SHOW
Wartość SI a stan równowagi powietrza:
+ Stabilna
0 do -4 Chwiejność warunkowa
-4 do -7 Duża chwiejność
-8 i mniej Extremalna chwiejność
Zestawienie dwóch wskaźników tj. LI oraz SI daje możliwość określenia stanu
równowagi atmosfery w jej dolnych częściach i to na określonych poziomach
izobarycznych np. SI tylko na 850 mb.
Wartość LI Wartość SI Równowaga powietrza
+ - Warstwa graniczna: równowaga stabilna, warstwa powyżej warstwy granicznej;
równowaga chwiejna
- + Warstwa graniczna: równowaga chwiejna, warstwa powyżej warstwy granicznej;
równowaga stabilna (inwersja)
+ + Głęboka warstwa równowagi stabilnej
- - Głęboka warstwa równowagi chwiejnej
Dane indeksu SHOW z danych sondażowych
Wartość indeksu SHOW = 2,86
KI ( KI Index) jest wskaźnikiem określającym prawdopodobieństwo do tworzenia się
komórek burzowych. Skrótowe oznaczenie na diagramach: KINX. Jest to parametr
określający rozkład wilgoci i temperatury w atmosferze. Do jego wyznaczenia nie jest
potrzebny diagram sondażowy. Należy pamiętać, że nie nadaje się do stosowania w
górach, z uwagi na dane potrzebne do jego obliczenia z poziomu 850hPa
Wartość KI:
0 - 15 Brak komórek burzowych < 20%
18 - 19 Małe prawdopodobieństwo występowania komórek burzowych
20 - 25 Pojedyncze (izolowane) komórki burzowe 20-40%
26 - 30 Licznie rozproszone komórki burzowe 40-60%
30 - 35 Liczne komórki burzowe 60-80%
36 - 39 Wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia komórki burzowej 80-90%
> 40 100% szansy na burzę
Dane indeksu KI z danych sondażowych
Wartość indeksu KI = 25,70