Aktuality SHMU
Rapídna cyklogenéza
V úvode februára sa nad Atlantickým oceánom vyskytla mimoriadne hlboká tlaková níž s extrémne rýchlym vývojom. Takéto níže často prinášajú extrémne silný vietor (orkán), výdatné zrážky a v pobrežných oblastiach aj veľmi vysoké vlny. Preto sa im v meteorológii venuje zvýšená pozornosť.
Najvhodnejšie podmienky pre cyklogenézu (vznik a vývoj tlakovej níže) sú nad oceánmi v oblastiach výrazných teplotných rozhraní a dýzového prúdenia v chladnom polroku. Vtedy sú totiž teplotné kontrasty veľmi výrazné, dýzové prúdenie silnejšie a níže sa tak prehlbujú rýchlejšie. Ak tlak v strede níže poklesne za 24 hodín o 24 hPa a viac, hovoríme o rapídnej cyklogenéze (ďalej RCG) (v ang. bomb/bombogenesis/rapid cyclogenesis/explosive cyclogenesis). Tieto hodnoty sú často výrazne prekračované, prípadne je spomínaný pokles tlaku dosiahnutý za kratší čas. V drvivej väčšine prípadov k RCG dochádza nad oceánmi, nad pevninou len výnimočne, pretože významným zdrojom energie týchto níží je latentné teplo uvoľňované pri kondenzácii vodnej pary. Tento efekt je nad pevninou neporovnateľne slabší a okrem toho je tu významná sila trenia, ktorá spôsobuje vypĺňanie (rozpad) níže predovšetkým v spodných hladinách, preto nad kontinentom také hlboké níže nevznikajú. RCG tak v našom priestore zväčša prebieha nad Atlantickým oceánom. V západnom prúdení väčšinou tieto níže ovplyvnia počasie len v západnej a severozápadnej Európe, prípadne sa vypĺňajú už nad oceánom a do počasia vo vnútrozemí Európy nezasiahnu. Vhodné podmienky pre RCG teda sú:
- Silné dýzové prúdenie,
- Pod dýzou výrazné teplotné rozhranie a na ňom vývoj mladej cyklóny v prízemnom tlakovom poli,
- Studený vzduch prúdiaci nad (relatívne) teplý oceán.
Vývoj níže je pri RCG veľmi rýchly, pretože tu pôsobí viacero spätných väzieb, ktoré ho ešte urýchľujú (podrobnejšie TU, prípadne zdroje na konci článku). To samozrejme spôsobí aj viacero typických čŕt a prejavov počasia, ktoré pri takto vyvíjajúcich sa nížach registrujeme. Ukážkovú RCG sme zaznamenali 5. a 6. februára 2017 nad Atlantickým oceánom. Na tomto prípade v šiestich fázach zjednodušene popíšeme vývoj takejto níže na sérii niekoľkých obrázkov a družicových snímok, predtým však ešte stručný popis meteorologických veličín prezentovaných na obrázkoch:
- A - tlakové pole prepočítané na hladinu mora (čierne izočiary) a prúdenie v hladine 300 hPa (farebná škála); v tejto hladine identifikujeme dýzové prúdenie (najsilnejšie je medzi vertikálne mohutnými tlakovými výšami a nížami, porovnaj s obr. B),
- B - prízemné tlakové pole (biele izočiary) a geopotenciálna výška hladiny 500 hPa (farebná škála),
- C - tlakové pole prepočítané na hladinu mora (čierne izočiary) a teplota v hladine 925 hPa (výška hladiny zvyčajne okolo 700-800 m, v tlakových nížach nižšie, vo výšach vyššie),
- D - tlakový gradient prepočítaný na hladinu mora v hPa na 100 km (horizontálny rozdiel tlaku vzduchu, vektor ukazuje do poklesu).
Proces RCG v šiestich fázach:
1. Níž sa vyvíja zdola nahor, teda na začiatku mladá cyklóna vyjadrená len v prízemnom tlakovom poli postupuje v západnom prúdení pozdĺž výrazného teplotného rozhrania pod dýzovým prúdením na anticyklonálnej strane dýzy (vpravo vzhľadom na smer dýzového prúdenia). Veľký teplotný kontrast je spôsobený interakciou teplého vzduchu nad Golfským prúdom so studeným vzduchom z Kanady.
2. Silnie meridionálne prúdenie (v smere sever-juh): na prednej strane mladej cyklóny zosilňuje teplé prúdenie (smerom na sever) - tzv. teplá advekcia, na zadnej studené (na juh) - studená advekcia. Níž sa výrazne prehlbuje (silnie aj tlakový gradient), no stále je na anticyklonálnej strane dýzy. Teplotné rozhranie sa deformuje.
3. Štádium maximálneho rozvoja. Níž sa buduje do vyšších hladín, čo deformuje aj dýzové prúdenie. Stred níže pri zemi sa dostáva pod os dýzy a tlak v jej strede veľmi výrazne klesá, čím silnie tlakový gradient a aj vietor (najsilnejší je na juhozápadnom okraji níže, často až sila orkánu). Prúdenie v níži je veľmi silné, silná je najmä teplá advekcia na jej prednej strane (teplá advekcia prebieha v hrubej vrstve troposféry, čo znamená tvorbu hrebeňa vysokého tlaku vzduchu vo vyšších hladinách na prednej strane níže; výstupné pohyby sú tam výrazné, čo podporuje ďalšie uvoľňovanie energie z kondenzácie vodnej pary a aj tvorbu oblačnosti). Na družicových snímkach pozorujeme tzv. cloud head, ktorý leží v nižších vrstvách než oblačnosť spojená s teplým prenosovým pásom pred studeným frontom, teda na poli jasovej teploty hornej hranice oblačnosti sa javí ako teplejší. V blízkosti stredu níže pozorujeme na kanáli vodnej pary výrazný úbytok vodnej pary (tmavá oblasť) v dôsledku prepadu suchého stratosférického vzduchu do strednej troposféry (výrazný lokálny pokles tropopauzy). Vo výnimočných prípadoch sa objavuje aj "oko" níže, ako napr. v tomto prípade (napriek tomu však nejde o hurikán!). Fronty spojené s nížou sú jednoznačne identifikovateľné na teplotnom poli aj na oblačnosti, studený front býva v určitej časti katafront (o typoch studených frontov viac TU).
4. Stred níže pri povrchu sa dostáva na cyklonálnu stranu dýzy (vľavo vzhľadom na smer dýzového prúdenia), níž je vyjadrená v celej troposfére (teda aj vo vyšších hladinách), tlak dosahuje minimum, vzniká veľmi silný tlakový gradient a teda aj vietor (opäť najmä na juhozápadnej strane), v spodných hladinách pozorujeme teplé jadro, teplotný gradient tu už slabne. Níž sa stáva riadiacim tlakovým útvarom (keďže je vyjadrená v celej hrúbke troposféry a je horizontálne rozsiahla). Družicové črty spomínané v predchádzajúcom bode už nie sú výrazné.
5. Níž okluduje, jej stred pri povrchu je totožný so stredom vo vyšších hladinách (vertikálna os útvaru je takmer kolmá), slabne tlakový gradient (aj horizontálne rozdiely ostatných veličín sa zmenšujú), pomaly sa vypĺňa = nárast tlaku vzduchu. Níž je riadiacim tlakovým útvarom a začína sa pripravovať na zánik. Toto štádium trvá najdlhšie zo všetkých, no v princípe sa nijak nelíši od štádia okludovania ostatných níží, ktoré neprešli RCG. V prípade RCG však platí, že níž sa dostane do tohto štádia rýchlejšie.
6. Zánik níže, napr. začlnenením k polárnemu vortextu, ako v tomto prípade.
Keď už vieme, čo je nutné sledovať, pridávame aj dve animácie vo vysokom rozlíšení - na prvej je vývoj polí A, B, C z vyššie uvedených obrázkov, na druhej vývoj na snímkach z družice MSG.
Tlak v strede níže klesol na mimoriadne nízku hodnotu, podľa reanalýzy ECMWF na 930 hPa, podľa analýzy UKMO dokonca na 929 hPa. Podľa oboch však za 24 hodín tlak vzduchu v strede níže poklesol o 57 hPa (teda kritérium 24 hpa/24 h bolo výrazne prekonané). Požadovaný pokles 24 hPa bol v tomto prípade dosiahnutý za extrémne krátky čas, stačilo na to len 6 hodín! Priebeh tlaku vzduchu je na obr. nižšie, kde taktiež vidieť, že fáza okludovania tlakovej níže (vypĺňania níže = vzostup tlaku vzduchu) je pomalšia a tlak stúpa rovnomerne (takmer lineárne), podobne aj fáza mladej cyklóny, no v štádiu maximálneho rozvoja je pokles podstatne razantnejší. Ide o tzv. lagrangeovský prístup, keďže sledujeme vlastnosti tlakového poľa s pohybujúcou sa časticou (v tomto prípade stred tlakovej níže).
Podľa modelu ECMWF sme zmenu tlaku vzduchu sledovali aj v konkrétnom bode, ide teda o tzv. eulerovský prístup (podobne ako merajú meteorologické stanice na pevnine - vo fixnom bode sa sledujú meteorologické veličiny a ich zmeny). Zvolili sme bod, cez ktorý prešiel stred tlakovej níže vo fáze najnižšieho tlaku vzduchu, vývoj tlaku vzduchu v tomto bode je na obr. nižšie. V obrázku sú uvedené aj zmeny tlaku vzduchu (tzv. tlakové tendencie) za jednotlivé časové intervaly 3, 6, 12 a 24 hodín. Aj tu vidieť, že pokles tlaku vzduchu bol výraznejší ako vzostup predovšetkým pri kratších časových intervaloch 3-12 h. V tomto prípade za tým však netreba hľadať nič fyzikálne, ide len dôsledok výberu bodu (extrémy v jednotlivých časových intervaloch sa priestorovo nezhodujú, teda ak by sme napr. zvolili bod, v ktorom bol najvýraznejší 12-hodinový pokles, 24-hodinový by naopak nemusel byť taký výrazný a pod.). Preto uvádzame aj animácie tlakových tendencií v daných časových intervaloch (všetky v trojhodinových intervaloch) a najvýraznejšie hodnoty, ktoré sú skutočne mimoriadne:
- za 3 hodiny: -25/+31 hPa (animácia),
- za 6 hodín: -43/+40 hPa (animácia),
- za 12 hodín: -63/+50 hPa (animácia),
- za 24 hodín: -64/+69 hPa (animácia).
V niektorých prípadoch sa však stáva, že hlboká tlaková níž, vzniknutá procesom RCG, priamo ovplyvní počasie aj v Európe, napr. 19-20.11.2016. Níž síce nemala také ukážkové družicové črty, ako v prípade analyzovanom vyššie, no pokles tlaku vzduchu v níži bol dostatočný (25 hPa/24 h), identifikovali sme aj teplé jadro v spodných hladinách, studený front spojený s nížou bol katafront a najsilnejší vietor bol tesne za ním južne od stredu níže. Stred níže sa už vo fáze okludovania presúval cez južné Anglicko a Lamanšský prieliv na východ až severovýchod (animácia nižšie) a v oblasti tak boli zaznamenané aj výraznejšie tlakové tendencie. Na animácii nižšie sú tendencie za uplynulé tri hodiny, plochy predstavujú oblasť najvýraznejších zmien tlaku vzduchu o viac ako 8 hPa/3 hodiny. Najvýraznejšiu zmenu zaznamenala stanica v južnom Anglicku, kde bol nameraný nárast tlaku vzduchu za tri hodiny o 15,5 hPa.
V západnej Európe sa v minulosti vyskytli aj výraznejšie prípady. Významný je napr. zo záveru decembra 1999, kedy sa v západnej Európe procesom RCG vyvinulo niekoľko takýchto níží, obzvlášť níže Lothar a Martin boli veľmi závažné. Dýzové prúdenie vtedy bolo extrémne silné, aerologická stanica Brest na západnom pobreží Francúzska namerala rýchlosť vo výške 8 km až 527 km/h (bežne je to v podobných prípadoch v dýze 250-350 km/h). K tomuto prípadu bolo spracovaných množstvo analýz, tu je niekoľko z nich:
http://www.wetteran.de/documents/publ/lothar_successor_2010.pdf
http://www.wetter-extrem.de/stuerme/lothar/orkan_lothar.pdf
http://www.wsl.ch/dienstleistungen/publikationen/pdf/4319.pdf
Reanalýzy tlaku vzduchu prepočítaného na hladinu mora a geopotenciálnej výšky hladiny 500 hPa
Zdroje a ďalšia literatúra k cyklogenéze (aj rapídnej):
Bluestein, H. B., 1993: Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes. Vol. I, II
http://eumetrain.org/synoptic_textbook.html
http://www.zamg.ac.at/docu/Manual/SatManu/main.htm
http://derecho.math.uwm.edu/classes/AtmSci361.html
http://www.inscc.utah.edu/~u0028395/classes/5110/papers/Shapiro+Keyser-1990.pdf
Lagrangeovský vs. eulerovský prístup:
https://www.youtube.com/watch?v=mdN8OOkx2ko