Bevezetés:
Az alábbi tudományos ismeretterjesztő anyagunk Komjáti Kornél (témavezetők: Csirmaz Kálmán és Breuer Hajnalka) diplomamunkáján alapul. A dolgozatban a Kárpát-medencében előforduló zivatarláncok környezeti feltételeit vizsgálták meg, különös tekintettel azok hatásait a squall lineok morfológiájára. Parker és Johnson (2000) munkássága óta tudjuk, hogy a vonalas zivatarrendszereket három alap kategóriába sorolhatjuk a réteges csapadékú (sztratiform) terület elhelyezkedése alapján: hátoldali sztratiform (trailing stratiform – TS), párhuzamos sztratiform (parallel stratiform – PS), és előoldali sztratiform (leading stratiform – LS) rendszerek. A különböző típusok más-más veszélyes időjárási jelenségek kialakulásának lehetőségét hordozzák magukban. A TS rendszerek gyakorta heves szélviharok előidézői, míg a PS és LS rendszerek esetében az ún. torlasztó hatás miatt magas a villámárvizek kialakulásának valószínűsége. A dolgozat célja, hogy az elmúlt évtized (2010–2019) Kárpát-medencében kialakuló zivatarláncainak környezeti feltételeit megvizsgálja a konvektív paramétereken és a különböző meteorológiai változókon keresztül, beleértve mindezek tendenciáját a zivatarláncok kiindulási és érett állapotában. A kutatás kiemelt célja, hogy a vizsgálandó meteorológiai mezők kielemzése révén egy előrejelzési segédletet tudjon nyújtani a zivatarláncokra vonatkozóan, meghatározva, hogy mely rendszertípus számára ideálisak a környezeti feltételek.
A kutatásban azok a zivatarláncok kerültek kiválogatásra és lettek megvizsgálva, amelyek az elmúlt évtized (2010–2019) zivataros hónapjaiban (április–szeptember) a Kárpát-medence területén legalább 2 óráig jól azonosítható, összefüggő, érett, vonalas struktúrával rendelkeztek, elérték a 150 km-es hosszanti kiterjedést, illetve morfológiájukra (azaz a magas reflektivitású konvektív vonal és a sztratiform csapadékú terület egymáshoz viszonyított radarképes elhelyezkedésére*) egyértelmű kategorizálást lehetett felállítani (1. ábra). A kritériumoknak megfelelően a vizsgált időszak során összesen 40 zivatarlánc került kiválogatásra, amelyek közül a PS rendszerek bizonyultak a leggyakoribbnak (22 eset). Gyakran fordultak még elő TS (14 eset) zivatarrendszerek, legkisebb esetszámban pedig az LS rendszerek (4 eset) alakultak ki a Kárpát-medencében.
1. ábra: Különböző típusú zivatarláncok a Kárpát-medence felett. A sztratiform csapadékú terület (zöldes-sárgás árnyalatok) és a magas reflektivitású konvektv vonal (pirosas árnyalatok) egymáshoz viszonyított elhelyezkedése alapján 3 fő rendszertípus került elkülönítésre. Radraképek forrása: Országos Meteorológiai Szolgálat
Módszertan, felhasznált adatok
A zivatarrendszerek környezeti viszonyainak vizsgálatát az ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) modellből előállított ERA5 adatokból lett elvégezve. Az adatbázis a teljes időtartamra egységes, 0,25° x 0,25°-os rácsfelbontást biztosított és az adatok 137 modellszintre álltak rendelkezésre. A vizsgálat során az alábbi (konvektív) paraméterek lettek megvizsgálva a zivatarrendszerek kezdeti és érett állapotában: SbCAPE, MUCAPE, BLI, TI, SSI, DCAPE, Delta Theta-e, 0-3 km relatív nedvesség, 0-6 km hodográf hossza, SREH-R, zivatarlánchoz viszonyított szélnyírás (0–2 km, 2–6 km, 6–10 km, 0–2,5 km és 0-6 km). Kezdeti állapoton az az ERA5 lépcső lett kinevezve, amikor a zivatarlánc réteges csapadékú területe még nem fejlődött ki, vagy láthatóan még nem alakult ki az adott zivatarlánc típusra jellemző morfológia. Az érett állapotnak az az időpont lett véve, amikor a rendszerben a legmagasabb reflektivitású cellák megjelentek és egyértelműen be lehetett kategorizálni valamely rendszertípusba. A zivatarláncok környezetében a vizsgálatokat – mind a kezdeti, mind az érett állapotban – rendre három pontban lett elvégezve, szubjektív módon meghatározva a rendszer egy északi, egy középső és egy déli pontját (kelet–nyugati irányultság esetén értelemszerűen a keleti, középső és nyugati területek), közvetlenül a legmagasabb reflektivitású cellák előtti területről. A környezet jellemzése tehát e három rácspontból kinyert adatok alapján történt.
A zivatarláncokhoz viszonyított szélprofil előállításának legelső lépéseként megvizsgálásra került Wakimoto és munkatársai (2015), illetve Bluestein és Jain (1985) tanulmányokban megfigyelt jelenség, miszerint a squall lineok irányultsága gyakorta a 0–3,5 km-es vertikális szélnyírási vektor ~40 fokos, óramutató járásával ellentétes irányba való elforgatásával jelölhető ki (2. ábra). A diplomamunkában kiválogatott 40 esetből 34 esetben (azaz az esetek 85%-ában) az elforgatott szélnyírási vektor valóban kijelölte a zivatarlánc irányultságát. A három rendszertípusra levetítve elmondható, hogy a PS rendszereknél 22 esetből 19 esetben, TS rendszereknél 14-ből 12 esetben, míg az LS rendszereknél 4-ből 3 esetben esett egybe az elforgatott 0–3,5 km.es szélnyírási vektor a zivatarlánc vonalával. A kimaradt 6 esetből 4 esetben (3 PS, 1 TS) a vektor elforgatás nélkül párhuzamosnak bizonyult a zivatarlánc vonalával, míg a maradék 2 esetben (1-1 TS és LS) a vektor elforgatás nélkül merőleges volt a zivatarláncra, tehát egy 90°-os elforgatás útján jelöltük ki az irányítottságot. A 0–3,5 km-es szélnyírási vektor elforgatásával tehát jó közelítéssel megadható a zivatarláncok irányultsága.**
2. ábra: 2003. június 2-án a Mississippi államban található Okolona településen elvégzett radaros és rádiószondás mérések hodográfja: fekete szaggatott vonal: vertikális (VAD) radarmérés eredménye; szürke szaggatott vonal: rádiószondás felszállás. Forrás: Wakimoto et. al (2015).
A zivatarlánchoz-relatív szélprofilok tehát a fenti analógián alapulnak: a 0–3,5 km-es szélnyírási vektor meghatározott szögű elforgatása jelölte ki a squall lineok irányát, ez lett az elforgatott koordináta rendszer y tengelye, amelynek pozitív tengelye a zivatarlánc északi irányába mutatott. A szélprofil vizsgálathoz kiválasztott rétegek kijelölését az alábbi szempontok indokolták: a 0–2 km-es réteg a határréteg folyamatait reprezentálja, a 2–6 km-es réteggel a középtroposzférát kívántuk lefedni, míg a 6–10 km-es réteg a felső-troposzférikus szélviszonyokat mutatja meg. A rendszer-relatív szél- és szélnyírás-profil mellett a 0–6 km-es hodográf hosszát is megvizsgálták, amely információt nyújtott arról is, hogy az adott hodográf mennyire volt görbült, ezáltal mennyire állt fenn a lehetősége, hogy a zivatarláncok szupercellákra jellemző környezetben alakulnak ki, ami tovább fokozhatja a hevességüket (Bluestein és Weisman, 2000; Marion és Trapp, 2021).
A fentiek mellett a szerzők keresték az előrejelzési paraméterek olyan kombinációját, amivel a különböző típusú zivatarláncok környezete megfelelően elkülöníthető, ezzel előrejelezhetővé válnának a különféle típusok. Mivel az LS rendszerek mindösszesen 4 esetben fordultak elő, ezért a paraméter-párosok vizsgálata csak a PS és TS rendszerek esetében lett elvégezve. Ennek megfelelően azzal a feltételezéssel éltek, hogy az összes squall line ebbe a kétféle típusba sorolható be. A paraméter párosok erőssége a TSS (True Skill Score) statisztikai mérőszámmal lett vizsgálva (Hanssen and Kuipers, 1965). A TSS maximális értéke 1, ebben az esetben a vizsgált paraméter-párosra megállapított küszöbérték tökéletesen elkülöníti a két rendszertípust (az összes PS eset küszöbérték feletti, és nincs küszöb érték fölötti TS eset).
Főbb eredmények:
1. Légköri instabilitást érintő vizsgálat
Az instabilitási paramétereket érintő vizsgálat - nem meglepő módon - nagyon hasonló eredményeket hozott a különböző rendszertípusoknál. Érthető, hiszen a légkör instabil állapota elengedhetetlen a zivatarok kifejlődéséhez. Némi eltéréseket ugyan az SSI, a TI és a DCAPE (utobbi paraméterre a konvektv leáramlások erősségét becsülhetjük) mutatott (3. ábra).
3. ábra: az SSI, TI és a DCAPE értékei a zivatarláncok kezdeti (balra) és érett (jobbra) állapotában, ERA5 reanalízis adatok alapján. A szürke dobozok a PS típusokat, a narancssárga dobozok a TS rendszereket, míg a citromsárga az LS-eket reprezentálják. Dobozon belüli vízszintes vonal a mediánt mutatja, míg a dobozok alja és teteje a 25. és a 75. percentilist jelölik ki. Megj.: az LS rendszerek kis esetszáma miatt nem tekinthetők reprezentatívnak.
2. Légköri nedveségtartalmat érintő vizsgálat
A légköri nedvességi viszonyokat érintő vizsgálat eredményei alapján látható, hogy a Delta Theta-e paraméterben és a 0-3 km-es relatív nedvességi viszonyokban fedezhető fel némi különbség a PS és TS típusok között. Érdekesség, hogy ugyan az LS rendszerek eredményeiből a kis esetszám miatt statisztikailag korrekt következtetések nem vonhatók le, azonban az előforduló 4 esetben is roppant magas Delta Theta-e és rendkívul száraz alsó légprofil jellemezte őket (4. ábra).
4. ábra: légköri nedvességi viszonyok a különbözű típusú zivatarláncok kezdeti és érett állapotában, ERA5 reanalízis adatok alapján. A jelölések a 3. ábrán bemutatottakkal megegyeznek.
3. Légköri vertikális szélnyírást érintő vizsgálat
Az instabilitási és légnedvességi paramétereket követően a szélnyírási paraméterek kerültek górcső alá. Az eredményekből látható, hogy ebben a szegmensben már adódnak olyan paraméterek, amelyek alkalmasabb differenciálónak bizonyulhatnak a különböző rendszertípusok előrejelzésénél (5. ábra). A legerősebb elkülönítő párosnak a 0-6 km-es szélnyírás és a 0-3 km SREH-R bizonyult. A Box-Whiskers diagramokon tapasztaltak alapján a két paraméter (25. és 75. percentilise közötti értékekből, azaz a kiugró értékek leválogatásával) 0,863 score-t ért el a TSS módszerben 13 ms-1 0-6 km szélnyírás és 90 m2s-2 0-3 km SREH-R mellett. Azaz az eredmények alapján feltételezhető, amikor a 0-6 km-es szélnyírás 13 ms-1 feletti és ehhez 90 m2s-2 0-3 km SREH-R társul, akkor megnő a PS rendszerek előfordulásai lehetősége a TS-ekkel szemben (6. ábra).
5. ábra: Különböző szélnyírási paraméterek a különböző típusú zivatarláncok kezdeti és érett állapotában, ERA5 reanalízis alapján. A jelölések a 3. ábrán bemutatottakkal megegyeznek.
6. ábra: A 0–6 km-es szélnyírás és a 0–3 km-es SREH paraméter-párosa PS (párhuzamos sztratiform) és TS (hátoldali sztratiform) rendszertípusok környezetében, ERA5 reanalízis adatok alapján a 2010–2019-es időszakban. Az adatsort a kiugró értékek elhagyásával lett ábrázolva. A piros egyenesek által körül zárt terület mutatja a PS rendszerre nem jellemző szélnyírási környezetet.
4. A zivatarláncokhoz viszonyított vertikális szélnyírás és átlagszél profilt érintő vizsgálat
Az intabilitási és szélnyírási paraméterek mellett a fentiekben leírtak alapján a zivatarlánc-relatív vertikális szélnyírási és átlagszél profil is vizsgálva volt. A legszembetűnőbb eredményeket a 0–2 km-es, illetve a 2–6 km-es réteg hozta (7.–9. ábra). Vizsgáljuk meg először a vertikális szélnyírást:
7.–8. ábra: a zivatarláncokra (TS: hátoldali sztratiform, PS: párhuzamos sztratiform) merőleges (u) és azokkal párhuzamos (v) átlagos szélnyírási komponensek, illetve a szélnyírások abszolútértékei a 0–2 km-es és 2–6 km-es rétegben, a rendszere kezdeti és érett állapotában, ERA5 reanalízis adatok alapján 2010–2019-es időszakra. A zöld, piros és kék négyzetek a rendszerek környezetéből kinyert rácspontok elhelyezkedését mutatják.
9. ábra: zivatarlánc-relatív szélnyírási profil az előforduló esetekre (2010–2019, ERA5 reanalízis adatok alapján), különböző zivatarrendszer típusokra (TS: hátoldali sztratiform, PS: párhuzamos sztratiform) és fejlettségi állapotra. A pontok a szélnyírási vektorok végpontjait reprezentálják. A zivatarlánc irányítottsága az y tengellyel esik egybe.
A vertikális szélnyírást érintő vizsgálatból látható, hogy a PS rendszerek esetében a 0–2 km-es és a 2–6 km-es rétegben a TS-ekhez képest abszolútértékben nagyobb szélnyírási értékek a jellemzők, illetve jelentősen nagyobb vonallal párhuzamos komponenssel rendelkeznek. Továbbá, a TS rendszerek esetében – a PS-ekkel szemben – sokkal dominánsabbak a vonalra merőleges, u komponensei a szélnyírásnak az alsó- és középtroposzférikus rétegben. Ezek az eredmények lehetővé teszik a két rendszertípusok elkülönítését már a korai élet-stádiumukban is. Fontos kiemelni azonban, hogy a vizsgálat nem tartalmazta a zivatarláncok átlagos haladási sebességét és az áthelyeződés irányát, emiatt a valóságban a rendszerek haladási irányába eső szélnyírási vektorok némiképp módosulhatnak. Összességében ez nem probléma, hiszen a vizsgálattal egy olyan zivatarlánchoz viszonyított szélprofilt lett előállítva, amely független a rendszerek mozgásától, s ebben is észrevehetők különbségek a két rendszertípushoz képest. Kérdéses azonban, hogy az ERA5 reanalízis adatokban mennyire és milyen értékben jelentek meg a zivatarláncok és azok hatásai a környezeti paraméterekre, legfőképpen a troposzférikus szélviszonyokra.
Vizsgáljuk meg a rendszer-relatív átlagszél profil eredményeit! A legszembetűnőbb eredményeket a 2–6 km-es réteg szolgáltatta (10. és 11. ábra)
10. ábra: a zivatarláncokra (TS: hátoldali sztratiform, PS: párhuzamos sztratiform) merőleges (u) és azokkal párhuzamos (v) átlagos átlagszél komponensek, illetve az átlagszelek abszolútértékei a 2–6 km-es rétegben, a rendszere kezdeti és érett állapotában, ERA5 reanalízis adatok alapján 2010–2019-es időszakra. A jelölések a 7. és 8. ábrán bemutatottakkal megegyeznek.
11. ábra: zivatarlánc-relatív átlagszél profil az előforduló esetekre (2010–2019, ERA5 reanalízis adatok alapján), különböző zivatarrendszer típusokra (TS: hátoldali sztratiform, PS: párhuzamos sztratiform) és fejlettségi állapotra. A jelölések a 9. ábrán bemutatottakkal megegyeznek.
A vertikális átlagszelet érintő vizsgálatból látható, hogy a két leggyakrabban kialakuló rendszertípus morfológiai sajátosságaira az alsó-, illetve a középtroposzféra átlagszél viszonyai vannak a legnagyobb hatással. A PS rendszerek környezetében jellemzően sokkal dominánsabb vonallal párhuzamos átlagszél komponensek adódtak, s ezen túl – kiemelten a 2–6 km-es rétegben – az átlagszél vektorok abszolútértékei is jelentősen nagyobbnak bizonyultak, mint a TS-ek esetében. Ezen eredmények alapján úgy tűnik, hogy a PS rendszerek olyan környezetben alakulnak ki, amelyeknél már a kezdeti élet-stádiumában az elforgatott 0–3,5 km-es szélnyírási vektorhoz viszonyított 0–2 km-es és 2–6 km-es átlagszélvektorok nagy, párhuzamos komponenssel bírnak.
Összefoglalás:
Összességében elmondható, a kutatás során sikerült olyan környezeti paramétereket találni, amely alapján úgy tűnik, hogy valós esély mutatkozhat a PS és TS rendszerek prognosztikai elkülönítésére már a rendszerek kezdeti érettstádiumában is, amikor a jellemző radarképes morfológiájuk még nem alakult ki. Az eredményeket azonban némiképp árnyalja, hogy az egy évtizedes adatsor ellenére is viszonylag kis esetszámmal állt rendelkezésre, aminek következtében az eredmények jelenleg csak erős sejtésként értelmezhetők, mintsem biztos kijelentésként. Jövőbeli cél lehet, hogy további esetek bevonásával megerősítésre kerüljenek ezek a sejtések. További cél, hogy a rendszerekhez viszonyított, előrejelzett szélnyírási- és átlagszél profilból levont következtetések segítségével újabb paraméter-kombinációkat szülessenek, amelyek képesek lesznek a két, leggyakrabban kialakuló zivatarlánc-típus környezetének elkülönítésére.
A diplomamunka az alábbi linkre kattintva megtekinthető.
*Megjegyezzük, a zivatarláncokat nem csak a klasszikus TS, PS, LS osztályokba tudjuk sorolni. Az utóbbi évek kutatása alapján új rendszertípusok is bevezetésre kerültek, ilyenek például a No Startiform (NS, azaz sztratiform csapadékú területtel nem rendelkező rendszer) (Zheng et al., 2013), illetve az ú.n. Training Line Adjoining Stratiform (TL/AS) zivatarlánc (Schumacher és Johnson, 2005). Ez útibbinak jelenleg a magyar terminológiában még nincsen honosított megfelelője. A zivatarrendszerek csoportosításnak emellett további lehetőségei is vannak: kialakulási mechanizmusuk szerint (Bluestein & Jain, 1985); A rendszert alkotó cellák terjedése szerint (Corfidi, 2003); A rendszerek hevessége szerint (Cohen et al., 2007).
**A légtömeg-határon (pl hidegfront) kialakuló zivatarláncok esetében a rendszer irányultságát vélhetően határozottabban befolyásolja a szinoptikus skálájú trigger. Ugyan a kutatás erre nem tér ki, de feltételezhető, hogy a 0–3,5 km-es szélnyírási vektor elforgatása leginkább a légtömegen belül kialakuló zivatarláncok irányultságának meghatározásához lehet hasznos eszköz.
Bluestein, H.B., & Jain, M.H., 1985: Formation of Mesoscale Lines of Pirecipitation: Severe Squall Lines in Oklahoma during the Spring. Journal of the Atmospheric Sciences, 42 (16), 1711–1732.
Bluestein, H.B., Weisman, M.L., 2000: The Interaction of Numerically Simulated Supercells Initiated along Lines. Monthly Weather Review, 128 (9), 3128–3149.
Cohen, A. E., Coniglio, M.C., Corfidi, S.F., Corfidi, S.J., 2007: Discrimination of Mesoscale Convective System Environments Using Sounding Observations. American Meteorological Society, 22, 1045–1062.
Corfidi, S.F., 2003: Cold Pools and MCS Propagation: Forecasting the Motion of Downwind-Developing MCSs, Weather and Forecasting, 18, 997–1017.
Hanssen, A.W., and Kuipers, W.J.A., 1965: On the relationship between the frequency of rain and various meteorological parameters. Meded. Verhand. K. Nederlands Meteor. Inst., 81, 2–15.
Marion, G.R., Trapp, R.J., 2021: Controls of Quasi-Linear Convective System Tornado Intensity. Journal of the Atmospheric Sciences, 78 (4), 1189–1205.
Parker, M.D., & Johnson, R.H., 2000. Organizational modes of midlatitude mesoscale convective systems. Monthly weather review, 128 (10), 3413–3436.
Schumacher, R.,S., Johnson, R.H., 2005: Organization and Environmental Properties of Extreme-Rain-Producing Mesoscale Convective Systems. Monthly weather review, 133, 961–976.
Zheng, L., Sun, J., Zhang, X., Liu, C., 2013: Organizational Modes of Mesoscale Convective Systems over Central East China. Weather and Forecasting, 28, 1081–1098.
Komjáti Kornél
