2.1  Bevezetés

A vertikális szélnyírás, a zivataros kifutó(szél)front (gust front) által generált újabb cellák kialakulását segítve, hatással van a zivatarok szervezettségére, felépítésére, típusára. Szélnyírás nélkül a cellából kiáramló hideg levegő önmagában csak akkor okozhatja újabb cellák létrejöttét, ha a kifutószél vezető éle mentén keletkező emelő mozgás elegendő a légrészek LFC-ig történő feljuttatásáig. Egy olyan környezetben, amelyben a légkör állapotjelzői egységesen oszlanak el, és a vertikális szélnyírás gyenge, a kifutófrontnak nincsen olyan része, mely kiemelten kedvezne az új cellák képződésének. Természetesen a légkörben mindig vannak inhomogenitások, így pl. egy melegebb helyre érkező kifutófront mentén a légrészek könnyebben feljuthatnak az LFC-ig.

Ahogy a vertikális szélnyírás növekszik, a szélnyírás és a hideg légtest kölcsönhatása a zivatar megfelelő részein további emeléssel járul hozzá a vertikális feláramlásokhoz. Ez a fajta többlet emelés még egy viszonylag homogén környezet esetén is jelentkezik. A nyírás és a kifutó hideg levegő közt fellépő kölcsönhatást a horizontális tengelyű örvényesség fogalmán keresztül mutatjuk be. A hideg légtest eredetéről a "A konvekció alapjai I. - Felhajtóerővel kapcsolatos alapismeretek" című anyagból lehet részletesebben tájékozódni.

2.2  Horizontális (tengelyű) örvényesség

Egy olyan függőleges szélprofil esetén, amely szélnyírást mutat (tehát a magassággal változik a szélsebesség és/vagy a szélirány), horizontális tengelyű örvényesség alakul ki a légkörben. Ennek elképzeléséhez szemléletes példa, ha veszünk egy malomkereket, amelynek forgási síkja a szélnyírás vektor irányával egyezik meg (tehát a forgás vízszintes tengelye erre merőleges). Fontos megjegyezni azonban, hogy e példa csak az örvényesség szemléltetésére szolgál, valójában a levegő nem forog ténylegesen egy horizontális tengely körül.

2.3  A szétterjedő hideg légtest

2.4  Az örvényességek kölcsönhatása általánosságban

2.5  A hideg légtest és a környezeti örvényesség kölcsönhatása

2.6  A hideg légtest és a szélnyírás kölcsönhatásának modellezése

Az erős függőleges feláramlások számára akkor a legkedvezőbbek a feltételek a hideg légtest szélnyírási vektorral egyező oldalán, amikor a környezet vertikális szélnyírása által generált horizontális tengelyű örvényesség előjele ellentétes, nagysága és mérete (az érintett légréteg vastagsága) pedig nagyjából egyenlő a kifutófronton kialakult örvényességgel.

A továbbiakban kétdimenziós numerikus szimuláción keresztül mutatjuk be a cella alól kifutó hideg levegő terjedését három különféle vertikális szélnyírási profil esetén. A kékes színű terület a kifutó, környezeténél hidegebb légtestet mutatja, míg a szélvektorok a környezet szélsebességeit és a megváltozott áramlási viszonyokat ábrázolják. A szélvektorok egy olyan keretben kerülnek megjelenítésre, amely a kifutó hideg levegővel együtt körülbelül 20 m/s sebességgel halad. A keretben a rácshálózat 2 km-es horizontális és 700 m-es vertikális felbontású.

2.7  Gyakori kérdések

3.1  Bevezetés

Ebben a fejezetben azzal foglalkozunk, hogy a vertikális szélnyírás hogyan hat a feláramlásokra, és megvizsgáljuk, hogy ez miként befolyásolja a zivatarok szervezettségét, típusát. A szélnyírás legnyilvánvalóbb hatása, hogy megdönti a feláramlást, ahogy ez a 12. ábrán is látható. Annak ellenére, hogy ezen ismeretterjesztő anyagunkban azt hangsúlyozzuk, miként fokozza a szélnyírás a zivatarok szervezettségét, azt sem szabad elfelejtenünk, hogy a vertikális szélnyírás alapvetően csökkenti a feláramlás energiáját. Valójában, ha a feláramlás gyenge, és ehhez képest a szélnyírás túl erős, akkor a növekvő felhő darabokra szakad és nem fejlődik tovább zivatarrá. A következő három alfejezetben a feláramlások és a szélnyírás kölcsönhatását vizsgáljuk meg különféle megközelítésben.

3.2  Horizontális momentum és a feláramlás dőlése

A feláramlásból származó vertikális momentum horizontális momentummá alakulva a feláramlás megdőlését okozza. A dőlés nagysága a vertikális szélnyírás és a feláramlás egymáshoz viszonyított erősségének függvénye. Adott nagyságú szélnyírásban egy erősebb, nagyobb felhajtóerővel rendelkező feláramlás nem fog oly mértékben megdőlni, mint egy gyengébb feláramlás, mivel az előbbi nagyobb vertikális momentumot hordoz.

3.3  Horizontális örvényesség és a feláramlás dőlése

A feláramlás megdőlésének jelenségét a horizontális örvényesség fogalmán keresztül is tárgyalhatjuk. Ahogy a feláramlás egyre magasabb szintekig jut fel, folyamatosan horizontális örvényesség képződik a feláramlás szélein. Ezen örvényesség kialakulását magyarázhatjuk a felhajtóerő horizontális gradiensének szükségszerű meglétével éppúgy, mint ahogy azt a zivatarból kifutó hideg légtest vezető éle mentén keletkező örvényességnél is tettük. Az 14. ábrán látható módon a feláramlás jobb oldalán pozitív, míg a bal oldalán negatív örvényesség keletkezik. Szélnyírásmentes környezetben a pozitív és negatív horizontális örvényesség egyensúlyban van a feláramlás oldalain, így az függőleges lesz.

Amikor a környezetben értékelhető szélnyírás van jelen, ennek örvényessége hozzáadódik ahhoz az örvényességhez, mely feláramlás esetén keletkezik a felhajtóerő gradienséből fakadóan. Ez okozza, hogy a felhő abba az irányba dől, amelyik oldalon az örvényesség azonos előjelű a környezet szélnyírásából fakadó örvényességgel (másképpen kifejezve a feláramlás arra dől, amerre a szélnyírási vektor mutat) (15. ábra).

3.4  Horizontális nyomási gradiens és a feláramlás dőlése

A feláramlás és a szélnyírás kölcsönhatása révén keletkező dőlt feláramlást más módon is megközelíthetjük. Amikor a feláramlás légoszlopa részben akadályt képez az áramló környezeti levegő számára, relatív dinamikai nyomástöbblet keletkezik a felhő szélnyírási vektorral szembeni oldalán, és nyomáshiány az ellentétes oldalon.

Azt, hogy a zivatarfelhő megdől, illetve az emelkedő légrész a szélnyírási vektornak megfelelő irányba hajlik, valójában az a nyomási gradiens okozza, mely a feláramláson keresztül a magasabb érték felől az alacsonyabb felé mutat.

4.1  Bevezetés

Nem a felhajtóerő, hanem a vertikális szélnyírás a konvekció szerveződésének legfőbb irányítója. A szélnyírás a zivatarok felépítésére és fejlődésére egyaránt hatással van, egyrészt a kifutófront által keltett emelés módosításán keresztül, másrészt azáltal, hogy befolyásolja a feláramlásban kialakuló forgás lehetőségét és erősségét.

Ahogy a következőkben látni fogjuk, a szélnyírás által érintett légréteg vastagsága, a szélnyírás erőssége, illetve a hodográf alakja lényeges különbségeket eredményezhet a zivatarok, zivatarrendszerek fejlődésében.

4.2  Egycellás zivatarok

A 17. ábrán egy tipikus egycellás zivatar életciklusa látható, a csapadékintenzitás jellemzésére szolgáló radarechó-eloszlással. A fejlődése során a csapadékintenzitás maximuma mindvégig függőlegesen elnyújtott marad. Ennek oka a vertikális szélnyírás gyengesége (esetleg hiánya), amely miatt a radarechó-maximum nem dől a magassággal. Ahogy a cella leépülő stádiumba lép, a kifutófront minden irányban eltávolodik alóla.

Az, hogy a kiáramlás mentén képződnek-e új cellák, az LFC magasságától, a kifutó hideg levegő vastagságától, a labilitási viszonyok térbeli eloszlásától és egyéb tényezőktől függ. Többnyire azonban gyenge szélnyírásos környezetben a kifutófront okozta emelés önmagában nem elegendő egy-egy újabb cella kialakulásához. Ilyen (gyenge vagy elhanyagolható szélnyírással jellemezhető) környezeti feltételek esetén az egyedi cellák a felhőt tartalmazó légréteg uralkodó szélirányával és sebességével helyeződnek át.

4.3  Multicellás zivatarok

A 18. ábrán egy érett multicellás (többcellás) zivatarrendszer keresztmetszete tanulmányozható, a fejlődés különböző stádiumaiban lévő cellák skálájával. A szélnyírással (hosszabban kifejezve: a szélnyírási vektorral) szembeni oldal szélén (balra) a legöregebb (1.) cella található, melynek már csak az üllője maradt meg. Jobbra haladva egyre korábbi stádiumban lévő cellák helyezkednek el, a legfiatalabb (5.) taggal a szélnyírással egyező oldal szélén. A cellák fejlődésének e mintázata a szerveződött multicellás zivatarok tipikus jellemvonása. A zivatarrendszert alkotó egyedi cellák felépítése és fejlődése azonos az egycellás zivatarokéval, mindegyikük a felhőt tartalmazó légréteg átlagszelével mozdul el. A rendszer áthelyeződése azonban nem feltétlenül egyezik meg az egyes cellák (azaz a magassági átlagszél) sebességének nagyságával, irányával. A multicellás zivatar haladását a rendszer terjedése és a magassági szél eredője adja meg. A "rendszer terjedése" kifejezés az újabb cellák keletkezésének üteme és helye által meghatározott vektort jelenti.

4.4  A multicellás zivatarok struktúrája és a szélnyírás

A 19. ábrán azt láthatjuk, hogy a közepes szélnyírásban kifejlődő multicellás zivatar szétterjedő kifutófrontján elsősorban a szélnyírással egyező (tehát a szélnyírási vektorral egyező irányba haladó) oldalon alakulnak ki az újabb cellák, ahol a legerőteljesebbek a feláramlások. Természetesen a szétterülő hideg levegő peremén máshol is megindulhat a cellaképződés egyéb külső tényezőktől függően. Megfelelően erős alacsonyszintű szél esetén a kifutófront felülről nézve nem szimmetrikus formát vesz fel, hanem inkább tojásdad alakúvá válik.

A hideg légtest és a környezetben jelenlévő alacsonyszintű szélnyírás közti kölcsönhatás erősen befolyásolja a zivatar hajlamát az újabb cellák létrehozására. Egyéb kényszerhatások hiányában a legerősebb, leghosszabb életű multicellás rendszerek nagy alacsonyszintű szélnyírásban jönnek létre. A korábbiakat felidézve, az új cellák kialakulásához az az ideális, ha a hideg légtestben és a környezetben meglévő örvényesség egyenlő mértékű és ellentétes előjelű a rendszer szélnyírással egyező oldalán.

4.6  Szupercellák

Az egyenes hodográffal jellemezhető, erős szélnyírás és a feláramlás kölcsönhatása a növekvő zivatarfelhőben egy középszintű örvénypárt hozhat létre. Megfelelően erős szélnyírás esetén a középszintű forgás és a hozzá kapcsolódó nyomáscsökkenés kényszerhatása új feláramlásokat generálhat a zivatar "oldalszárnyain". (Középszintű forgás akkor is kifejlődik, ha az erős szélnyírás hodográfja görbült formát ölt, de ebben az esetben a görbület az új feláramlásoknak az egyik vagy a másik oldalon kedvez jobban.) Bizonyos körülmények között ez a forgás tartós, örvénylő feláramláshoz vezethet. E forgó feláramlás a szupercellás zivatarok elsődleges jellegzetessége. Az itt ismertetett folyamat végeredménye, hogy az örvénypár megfelelően tartós feláramlások esetén egyre inkább eltávolodik egymástól, és teljesen elkülönülve kettéválik, az örvények a továbbiakban eltérő irányba haladva két külön cellaként folytatják útjukat. A szupercellák gyakran veszélyes időjárási jelenségek, heves zivatarok okozói - kialakulásukkal, jellemzőikkel, típusaikkal részletesen egy másik ismeretterjesztő cikkünkben foglalkozunk.

4.7  A szupercellák fejlődése és a szélnyírás

Ahogy már bemutattuk, a vertikális szélnyírás elegendő felhajtóerővel párosulva szupercellás zivatarok kialakulásához vezethet. Továbbá a szélnyírási profil, azaz a hodográf formája nagymértékben befolyásolja szupercellák fejlődését. A 22., 23., 24. ábrákon három különböző szupercellás zivatar fejlődése látható a hozzájuk tartozó tipikus hodográf formákkal. A hodográfok mindegyike erős szélnyírásos környezetet mutat, azonban alakjukban lényeges eltérés figyelhető meg. Az ábrákon szándékosan nem használtunk a távolság jelölésére szolgáló skálát, ugyanis a szupercellák által bejárt terület nagysága igen változó lehet, mert mozgásuk jelentősen eltérhet a vertikális szélnyírási profil függvényében. Több száz kilométert is megtehetnek, de bizonyos szélnyírási viszonyok esetén közel stacionáriusak is maradhatnak.

4.8  A szupercellák kialakulásához szükséges szélnyírás mértéke

Megfigyelések és modelltanulmányok alapján az alsó 4-6 kilométeres légrétegben 25 m/s vagy annál nagyobb teljes vertikális szélnyírás (a hodográf hossza) elegendő szupercellák létrejöttéhez, 15 m/s-nál kisebb teljes szélnyírás mellett azonban általában már nem tudnak kifejlődni. Ezen értékek között kevésbé gyakori, de előfordulhat szupercellás konvekció. A fenti küszöbértékek nem függnek a hodográf formájától. Továbbá ha a nyírás főleg csak az alsó légrétegekre terjed ki (alsó 2-3 km-re vagy még alacsonyabbra), akkor az inkább a cellák vonalba rendeződését fogja segíteni, mintsem a szupercellák kifejlődését.

5.1  Bevezetés

A konvekció az eddig tárgyalt izolált zivatartípusokon túl még számtalan formában megjelenhet. Ilyen klasszikus konvektív rendszer pl. a squall line (vonalba rendeződött cellák, instabilitási vonal, zivatarlánc), a (mezoléptékű) bow echo (ív echó, ív alakú radarvisszhang), vagy a mezoléptékű konvekív komplexum (MKK). Ezeket összefoglaló nevükön mezoléptékű (vagy mezoskálájú) konvektív rendszereknek (MKR) nevezzük. Szerte a világon, bármely évszakban kialakulhatnak, amint pl. a 25. ábrán is látható. Az animáció egy károkozó ív echó reflektivitási radarképeit mutatja, amely 1985. novemberében Hawaii, Kauiai szigeténél fordult elő.

5.2  Zivatarláncok és a szélnyírás

5.3  A zivatarláncok környezeti feltételei

5.4  A zivatarlánc fejlődése

Amikor egy zivatarlánc környezetének szélnyírási viszonyait elemezzük, leginkább az alacsonyszintű szélnyírás vonalra merőleges komponensét (vonal-normális nyírás) érdemes megvizsgálni, ugyanis ez az összetevő van a legnagyobb hatással a vonalba rendeződött zivatarok felépítésére és fejlődésére. A 29. ábrán három, azonos szélnyírási profil mellett kialakuló zivatarláncot láthatunk. Eltérő irányultságuk miatt azonban mégsem valószínű, hogy fejlődésük azonos módon zajlana le. A legfelső rendszer feltehetően erős és hosszú életű lesz, mivel a szélnyírás vektora teljes mértékben merőleges a zivatarlánc vonalára. Ugyanakkor a legalsó rendszer esetében nincsen vonal-normális nyírás, így valószínűleg gyengébb, rövidebb életű rendszer fog kialakulni.

Felmerülhet bennünk a kérdés, hogy vajon a zivatarláncok létrejöttéhez szükség van-e valamekkora kezdeti minimális vertikális szélnyírásra? A válasz az, hogy nem. A zivatarláncok létrejöttükhöz egészen addig nem igénylik a szélnyírás meglétét, amíg valamilyen hosszirányú kényszerhatás van jelen. Azonban a növekvő alacsonyszintű szélnyírás növeli a rendszer szervezettségét és élettartalmát, így a heves zivatarláncok általában olyan légköri feltételek mellett jelentkeznek, ahol erősebb az alacsonyszintű szélnyírás.

5.5  Ív echó (bow echo)

A Fujita által meghatározott ív echó (a radaron ív alakba görbült formát mutató zivatar) a mezoléptékű konvektív rendszerek (MKR) egy különösen intenzív fajtája. Életüket gyakran erős egyedi zivatarként, vagy cellák kisebb vonalaként kezdik, amelyek szimmetrikus ív alakba fejlődnek, majd végül vessző formájú radarechóvá válhatnak. Ez a folyamat néhány óra alatt zajlik le, és a vertikális szélnyírás ebben is fontos szerepet játszik.

5.6  Az ív echók környezeti feltételei

A heves ív echók leggyakrabban közepestől erősig terjedő alacsonyszintű szélnyírásos környezetben és nagyon magas CAPE-értékek mellett keletkeznek. Az amerikai szakirodalom szerint a lifted index (LI) átlagosan -8 C° körüli (mely rendszerint 2500 J/kg feletti CAPE-értékeket jelent), illetve 700 hPa-on átlagosan 17 m/s körüli a szélsebesség.

Az ív echók és szupercellák kialakulásához szükséges környezeti feltételek között nagy az átfedés, ív echók gyakran jelentkeznek a szupercellás események későbbi stádiumában. Hasonlítsuk össze a 31. és a 32. ábrát. A 31. ábrán látható környezeti feltételek esetén ív echó és szupercella egyaránt létrejött, míg a másik esetben (32. ábra) csak ív echó fejlődött ki. Ív echó elsődlegesen olyan környezetben fordul elő, ahol az erős vertikális szélnyírás az alacsonyabb szintekre (alsó 2-3 km-re) korlátozódik, míg szupercella főként vastagabb (legalább az alsó 4-6 km-es) légrétegre kiterjedő erős szélnyírás mellett alakul ki. Továbbá az ív echók hajlamosak az alacsonyszintű (0-3 km-es) szélnyírási vektor irányába terjedni.

5.7  Konklúzió

Ebből az anyagból a szélnyírás konvekcióra gyakorolt hatását ismerhettük meg (az alábbi alfejezetekben a lényegi elemek vannak röviden kiemelve). A labilitás témakörében "A konvekció alapjai I. - Felhajtóerővel kapcsolatos alapismeretek" című anyagunkból lehet alaposabban tájékozódni, míg a szélnyírás megállapítására használatos hodográfot "A konvekció alapjai II. - A hodográf használata" című leírásban mutatjuk be részletesebben.

6.1  A szélnyírás és a hideg légtest kölcsönhatása

6.2  A szélnyírás és a feláramlás kölcsönhatása

6.3  A szélnyírás hatása az izolált zivatarokra

6.4  A szélnyírás hatása a zivatarrendszerekre