W poprzedniej części dowiedzieliśmy się, że powstawanie chmur burzowych jest uwarunkowane zaistnieniem głębokiej, wilgotnej konwekcji [10], czyli wznoszenia się wilgotnego i stosunkowo ciepłego powietrza przynajmniej do górnej troposfery. Wiemy już, że wznoszenie się wynika z różnic w temperaturze, a więc i gęstości między wznoszącym się powietrzem, a tym, które je otacza oraz, że “coś” musi przyczynić się do zapoczątkowania naszego wznoszenia. [2] Dziś skupimy się właśnie na tych mechanizmach.
Nierównomierne nagrzanie podłoża
Skupmy się więc na tym, w jaki sposób nasza wznosząca się cząstka powietrza, która utworzy chmurę Cumulonimbus, może w ogóle “wystartować”. Istnieją pewne mechanizmy, które przyczyniają się do inicjacji pionowych ruchów powietrza. Pierwszy z takich mechanizmów wynika z dziennego ogrzewania powierzchni ziemi i określany jest w meteorologii jako insolacja. [2]
Jak wiecie, powierzchnię terenu cechuje zróżnicowana rzeźba, jak i pokrycie. Przykładem może być las występujący w sąsiedztwie gęstej zabudowy miejskiej. Każda z powierzchni ma inne zdolności pochłaniania ciepła, a więc będzie się inaczej nagrzewać. [7] W wyniku tego powstać będą poziome zróżnicowania temperatury. Cząstki, które zyskają temperaturę wyższą niż sąsiadujące z nimi, zyskają też różnicę gęstości, a cieplejsze i lżejsze zaczną się wznosić, tworząc tzw. kominy konwekcyjne. [2]
Konwekcja rozwijająca się w wyniku dziennej operacji słonecznej to tzw. termika wypracowana. [2] Czy jest ona wystarczająca do zapoczątkowania głębokiej wilgotnej konwekcji, a w efekcie rozwoju burzy? Otóż dość często nie. [1] O ile nagrzewanie powierzchni jest elementem niezwykle ważnym, a często niezbędnym aby burze się rozwinęły, to zwykle potrzebny jest dodatkowy mechanizm, który wymusi wznoszenie lub przynajmniej bardzo wilgotna dolna warstwa troposfery. [7] O tym dlaczego tak jest, dowiesz się w kolejnej części, przy okazji omawiania roli, jaką pełni wilgotność powietrza.
Fronty atmosferyczne
Burze rozwijające się w wyniku dziennego nagrzewania się powierzchni to burze termiczne i powstają w jednorodnych masach powietrza. [12] Jednakże na ziemi zalegają masy powietrza o zróżnicowanych parametrach, w tym przede wszystkim różniące się temperaturą i wilgotnością. Na styku tych mas, w efekcie ich napierania na siebie dochodzi zwykle do rozwoju zachmurzenia i opadów a linie oddzielające te masy nazywamy frontami atmosferycznymi. [1] I tu pojawia się drugi mechanizm, który wymusza wznoszenie się powietrza, a więc omawiany front.
Podstawowe rodzaje frontów to chłodny, ciepły oraz front okluzji. Jeśli to chłodne powietrze napiera na ciepłe, mówimy o froncie chłodnym. Odwrotnie w przypadku frontu ciepłego. Fronty chłodne przemieszczają się szybciej, gdyż chłodne powietrze ma większą gęstość i jest “cięższe”. [1] W wyniku dogonienia frontu ciepłego przez chłodny i ich połączenia, powstają fronty okluzji. [2]
Powyżej, w sposób bardzo uproszczony przedstawiono schemat frontu chłodnego, gdyż to właśnie jego obecność przyczynia się zwykle do rozwoju najbardziej dynamicznych i często dobrze zorganizowanych burz, mogących niekiedy tworzyć rozległe mezoskalowe układy konwekcyjne (MCS). [12] Napór gęstego, chłodniejszego powietrza, “wciskającego się” klinem pod lżejsze i cieplejsze sprzed frontu, powoduje wymuszanie jego ruchu w górę, w efekcie mogąc skutkować rozwojem burz wzdłuż całej linii frontu. Oczywiście jeśli wyżej w troposferze pojawią się korzystne warunki do dalszego i już samoczynnego wznoszenia.
Adwekcja chłodu w środkowej troposferze
Trzecim mechanizmem, który może zainicjować wznoszenie jest adwekcja chłodu. [12] Jest to nic innego, jak napływ chłodnego powietrza w środkowej troposferze, postępujący za chłodnym frontem atmosferycznym. Spływ chłodnego i gęstego powietrza wyżej w troposferze zwiększa pionową różnicę temperatur, a cieplejsze i lżejsze powietrze zalegające przy ziemi, zaczyna się wznosić.
Komórki burzowe, które powstają wskutek adwekcji noszą nazwę burz adwekcyjnych. [12] O ile burz termicznych (które zostały omówione jako pierwsze) nie zanotujemy w okresie zimowym, to zarówno burze frontowe, jak i adwekcyjne mogą wystąpić zimą.
Konwergencja wiatru w dolnej troposferze
Kolejnym i niezwykle ważnym mechanizmem, który może zainicjować wznoszenie, jest obecność dolnotroposferycznej zbieżności wiatru, [9] a bardziej profesjonalnie konwergencji wiatru. Pewnie właśnie chcesz przestać czytać, ale nie rób tego, bo masz moją gwarancję, że zrozumiesz ten mechanizm dość szybko.
O tym z którego kierunku wieje wiatr, decyduje przede wszystkim rozkład pola ciśnienia na Ziemi i siła Coriolisa. Dla zrozumienia artykułu, nie jest to jednak istotne. Ważne jest natomiast to, że wiatr w różnych miejscach może wiać z innego kierunku. Spójrz teraz proszę na poniższą grafikę. Jest to prognoza wiatru z serwisu windy.com na czwartek, 27 czerwca 2024. Dość duże zakrzywienie pola ciśnienia sprawia, że w rejonie Częstochowy powietrze napływa z południowego zachodu, przy czym w rejonie Kielc z południowego wschodu, co odzwierciedlają przerywane linie. Na południe od Łodzi następuje mówiąc nienaukowo “spotkanie się” ze sobą wiatru napływającego z różnych kierunków. To właśnie omawiana strefa zbieżności.
Teraz spójrzmy jak sytuacja wygląda w przekroju poprzecznym i dlaczego takie zbiegające się wektory wiatru wywołują wznoszenie. Sprawa jest dość prosta do wyjaśnienia. W momencie, gdy wiatr napływa z różnych kierunków, w miejscach jego zbiegania się powstaje energia, która musi zostać gdzieś uwolniona. Jeśli wiatr zbiega się w dolnej troposferze, to energia jest uwalniana w górę, inicjując wznoszenie się powietrza. [9] Stąd interesuje nas zbieżność dolnotroposferyczna. Odwrotnie, gdyby taka zbieżność miała miejsce w środkowej troposferze, a więc kilka kilometrów nad ziemią, działałaby niekorzystnie na rozwój burz, inicjując ruch opadający. [19]
Obecność dolnotroposferycznych stref zbieżności jest niezwykle istotna w rozwoju burz, szczególnie tych, które rozwijają się w ciepłym sektorze powietrza, jeszcze przed nadejściem frontu chłodnego. Jak wspomniałem na początku, burze rozwijające się wewnątrz mas powietrza, tzn. bez udziału wspomagania frontowego, często potrzebują dodatkowych mechanizmów. Takim mechanizmem jest właśnie najczęściej konwergencja, która może występować lokalnie lub na dużym obszarze, np. w formie liniowej, często przed chłodnym frontem atmosferycznym. W drugim przypadku, podobnie jak w przypadku burz frontowych, mogą one również przyjąć postać zorganizowanego układu burzowego.
Wznoszenie orograficzne
Kolejnym z kluczowych mechanizmów, który może zainicjować lub wspomóc wznoszenie, jest orografia terenu. [1] Jeśli wiatr będzie wiał prostopadle do wzgórza lub góry, wymusi to jego przepływ po zboczu dowietrznym. Jeśli będzie odpowiednio silny, a powietrze odpowiednio wilgotne, w miarę wznoszenia się może stać się cieplejsze od otaczającego, a w efekcie zacząć się już dalej samoczynnie wznosić (osiągając omawiany wcześniej poziom LFC). [8]
Rozwój chmur i opadów następuje zwykle na zboczu dowietrznym oraz na szczycie wzniesienia. [1] Wznoszenie orograficzne znacznie wspomaga rozwój pionowych prądów powietrza, o czym świadczy chociażby stosunkowo duża liczba dni z burzą, która w Polsce jest notowana na wyżynach oraz w górach. [16]
Granice wypływu "outflow"
Ostatnie dwa mechanizmy można określić dość nietypowymi i często pomijanymi. Przypominają poniekąd chłodne fronty atmosferyczne i w szczególnych przypadkach mogą przyczynić się do rozwoju chmur Cumulonimbus. Pierwszym z nich jest tzw. outflow boundary, co po spolszczeniu oznacza właściwie granicę wypływu. [20] Jak już wiesz, chmury burzowe powstają w wyniku wznoszenia się stosunkowo ciepłego i wilgotnego powietrza. Jednakże, w fazie dojrzałej generują one również prądy zstępujące, a chłodne i gęste powietrze opada ze środkowej części chmury w kierunku ziemi [7], następnie rozprzestrzeniając się. Dowodem na to jest chociażby chłód, wiatr i deszcz, którego jesteś świadkiem w czasie przechodzenia burzy. Czasem chłodne powietrze generowane przez burze, szczególnie w przypadku większych układów, jest w stanie je znacznie wyprzedzić. Postępowanie takiej granicy wypływu (ang. outflow boundary) wymusza wznoszenie cieplejszego i lżejszego, zalegającego przed nią. [20] W czasie dotarcia “outflow” możęmy odczuć nagłą zmianę kierunku wiatru, ochłodzenie, a w skrajnych przypadkach (jeśli wznoszenie będzie odpowiednio silne) może dojść również do rozwoju nowych komórek burzowych w pewnej odległości od burz macierzystych.
Front bryzy morskiej
Ostatni i zarazem drugi mechanizm, który określiłem jaki nietypowy, to front bryzy morskiej, z angielskiego sea-breeze front. Bryza powstaje w wyniku poziomego zróżnicowania temperatury między morzem a sąsiadującym lądem. W ciągu dnia ląd szybko się nagrzewa, natomiast morze pozostaje chłodniejsze. W wyniku tego może rozwinąć się bryza dzienna (morska), a chłodniejsze i gęstsze powietrze znad morza będzie przepływać w kierunku lądu. Nocą ląd szybko się wychładza, natomiast zbiornik wodny, mający dużą pojemność cieplną będzie utrzymywał temperaturę. Może to skutkować pojawieniem się bryzy lądowej, wiejącej od chłodniejszego lądu w kierunku morza, choć jest to efekt występujący rzadziej. [18]
“Napór” bryzy morskiej skutkuje pojawieniem się granicy chłodnego powietrza, przypominającej chłodny front. [17] Taka granica również wymusza wznoszenie się cieplejszego i lżejszego powietrza, co często prowadzi do rozwoju chmur kłębiastych Cumulus. [18] To, że granica bryzy morskiej może zainicjować również głęboką, wilgotną konwekcję było opisywane już na początku lat 50 przez Izreaelską Służbę Meteorologiczną i dotyczyło burz, wywołanych przez obecność bryzy we wschodniej części Morza Śródziemnego. [17] Pisał o tym J. Neumann w swojej pracy “Land Breezes and Nocturnal Thunderstorms” podkreślając, że dzieje się tak szczególnie, jeśli wiatr wieje na lądzie z przeciwnego kierunku, co jednocześnie skutkuje pojawieniem się wyraźnej zbieżności wiatru, a dodatkowo, jeśli pozioma różnica temperatur jest znaczna. W polskich warunkach pojawienie się takiej granicy skutkuje zwykle rozwojem chmur Cumulus, jednak gdy atmosfera jest chwiejna, może to również nasilać konwekcję i przyspieszać rozwój chmur Cumulonimbus.
Podsumowując
W poprzedniej części dowiedziałeś(aś) się, że rozbudowa pionowa chmury burzowej to efekt wznoszenia się powietrza, wynikającego z różnic w temperaturze, a więc gęstości. Powietrze musi zostać w jakiś sposób uniesione (a dzieje się to za pośrednictwem jednego z mechanizmów omawianych wyżej) na wysokość, na której stanie się cieplejsze od powietrza, które je otacza. [8] Stając się cieplejsze ma mniejszą gęstość, a więc będzie się wznosić samoczynnie, niczym balon. Mechanizmy, które powodują start naszej cząstki, a więc inicjują wznoszenie, działają tylko do pewnej wysokości. Dlatego istotą jest, aby warunki panujące wyżej umożliwiały już samoczynne wznoszenie aż do górnej troposfery. Chmura musi się w końcu rozbudować dość wysoko, aby wygenerować burzę. Samoczynne wznoszenie będzie możliwe dzięki odpowiednio szybkiemu spadkowi temperatury otoczenia wraz z wysokością oraz dużemu zasobowi wilgoci, szczególnie w dolnej warstwie. [7] W części trzeciej dowiesz się jaki związek ze wznoszeniem ma szybki spadek temperatury otoczenia w pionie i jak istotną rolę pełni wilgotność powietrza. Skoro wiesz już w jaki sposób powietrze może zostać uniesione, czas dowiedzieć się wreszcie, jakie warunki muszą panować wyżej. Powiemy sobie także o tym, dlaczego przed burzą często robi się parno.
Na koniec zerknij jeszcze na mapę synoptyczną
Prognozowanie zjawisk burzowych nie jest możliwe bez analizy synoptycznej. To dzięki mapom synoptycznym możemy prześledzić wędrówki układów barycznych, frontów, linii zbieżności oraz mas powietrza. Jak widzisz na poniższej prognozie z serwisu DWD, nad Polską przebiega linia zbieżności (pomarańczowa linia), a znad Niemiec zbliża się front chłodny. Jeśli pokryje się to z chwiejną atmosferą, a więc korzystnymi warunkami do wznoszenia się powietrza oraz odpowiednią ilością wilgoci, wiemy już co i gdzie będzie mogło zainicjować rozwój naszych burz.
Opracowanie: Bartłomiej Zastawny
Źródła:
1. M. Wickson, Meteorologia Szkolenie samolotowe EASA wydanie 2, tłum. A. Kalinowska-Jamróz, PILEUS, 2017.
2. K. Kożuchowski i in., Meteorologia i Klimatologia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009
3. U. Kossowska-Cezak, E. Bajkiewicz-Grabowska, Podstawy Hydrometeorologii, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009
4. R. Hamblyn, Wielka Księga Chmur, tłum. R. Klejnowski, Wydawnictwo RM, Warszawa 2010
5. M. Popkiewicz, A. Kardaś, S. Malinowski, Nauka o Klimacie, Wydawnictwo Sonia Draga i GAB Media, Katowice 2019
6. A. Woś, Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997
7. https://cmm.imgw.pl/?page_id=36427 [DoA: 30.04.2024]
8. https://lowcyburz.pl/2014/09/12/rozbudowa-pionowa-chmur-cumulonimbus/ [DoA: 15.06.2024]
9. https://lowcyburz.pl/download/1poradnik.pdf [DoA: 10.06.2024]
10. Schultz, D. M., P. N. Schumacher, and C. A. Doswell III, 2000: The intricacies of instabilities. Mon. Wea. Rev., 128, 4143-4148.[DoA: 05.06.2024]
11. https://www.noaa.gov/jetstream/atmosphere/layers-of-atmosphere [DoA: 06.06.2024]
12. https://lowcyburz.pl/2011/08/17/rodzaje-burz/ [DoA: 06.06.2024]
13. https://zpe.gov.pl/a/mniejsze-nie-zawsze-jest-lzejsze/D10BXuEgX [DoA: 17.06.2024]
14. https://zpe.gov.pl/a/przeczytaj/DfZWHkhAF [DoA: 17.06.2024]
15. http://www.cumulus.nazwa.pl/teoria/wiedza/w_gestosc.htm [DoA: 17.06.2024]
16. https://obserwator.imgw.pl/2022/08/26/klimat-dla-burz/ [DoA: 26.06.2024]
17. Land Breezes and Nocturnal Thunderstorms, J. Neumann, 1950.
18. https://obserwator.imgw.pl/2020/07/15/chlodny-wiatr-znad-morza/ [DoA: 26.06.2024]
19. https://lowcyburz.pl/download/przewodnik_po_prognozach_konwekcyjnych.pdf [DoA: 26.04.2024]
20. https://forecast.weather.gov/glossary.php?word=Outflow%20boundary [DoA: 26.04.2024]
0 Comments