Tekst / Artykuł

Jan PARFINIEWICZ
IMGW — Warszawa
TORNADO W REJONIE CZĘSTOCHOWY — 20 LIPCA 2007
CZĘŚĆ I. ANALIZA SYNOPTYCZNA1
20TH OF JULY 2007 — EXPLOSIVE CONVECTION OVER EUROPE
WITH TORNADO IN POLAND
PART I. SYNOPTIC BACKGROUND
20 VII 2007 ok. 16:05 UTC w rejonie Częstochowy, w gminach Rędziny, Kłomnice i Mostów przeszło tornado (polska nazwa – silna trąba powietrzna), niszcząc
„domy mieszkalne, zabudowania gospodarcze, słupy i linie energetyczne, powalając
dziesiątki hektarów lasu, przenosząc samochody” (Bebłot i in., 2007). IMGW odział
Katowice przeprowadził wizję lokalną, wykonano zdjęcia lotnicze, przesłuchano
naocznych świadków (jest nagranie wideo), oszacowano straty. Wystąpiły silne
gradobicia: około godziny przed, w czasie i po przejściu tornada. Według naocznych świadków były to początkowo gradziny wielkości grochu, następnie duże
i nieregularne kawałki lodu o średnicy 5 cm i większe. Na gruncie zalegała gruba
warstwa lodu, sięgająca kolan. W czasie przechodzenia trąby i tuż po obserwowano
gradziny piłki tenisowej unoszone poziomo. Długość toru tornada wynosiła ok.
14 km, a szerokość toru zniszczeń do 500 m. Średnia prędkość przemieszczania się
wyniosła ok. 45 km/godz. Na podstawie analizy i charakteru zniszczeń siłę tornada
oceniono pomiędzy F1 i F2 według skali Fujity-Pearsona (Fujita, 1981) lub jako T4
w 11-stopniowej skali TORRO (Meaden, 1985). Prędkość wiatru w wirze mogła
osiągać 60 m/s (Bebłot i in., 2007).
1
Referat wygłoszony na posiedzeniu Oddziału Warszawskiego PTGeof. 5 XI 2008
Prz. Geof. LIV, 3–4 (2009)
[147]
148
J. Parfiniewicz
Tło synoptyczne
Sięgając wstecz do daty 12 VII 2007, widzimy w polu temperatury nad Atlantykiem, na południe od Grenlandii, rozległą i głęboką, do poziomu 300 hPa, kroplę
arktycznego chłodu (rys. 1). Ten chłód zaczyna przemieszczać się w kierunku południowo-wschodnim ku Wyspom Brytyjskim, pchając przed sobą atlantycką gałąź
polarnego prądu strumieniowego – na rys. 2 przedstawiono pole temperatury 300
hPa po upływie 8 dni wędrówki chłodu nad północnym Atlantykiem, tj. 20 VII 2007
o godz. 00 UTC. Na rysunku 3 tej samej daty widzimy w polu prędkości wiatru izotachy wskazujące na lokalizację polarnego prądu strumieniowego. Te dwa obiekty
(osobliwości synoptyczne) determinują sytuację synoptyczną, która doprowadziła
TMPprs 300 00Z12JUL2007
TMPprs 300 00Z20JUL2007
222 225 228 231 234 237 240 243 246 249
222 225 228 231 234 237 240 243 246 249
Rys. 1. Temperatura na poziomie 300hPa (00 UTC
12 VII 2007)
Rys. 2. Temperatura na poziomie 300 hPa (00 UTC
20 VII 2007)
Fig. 1. Temperature (K) at 300 hPa on 00h UTC
12 July 2007
Fig. 2. Temperature (K) at 300 hPa, on 00h UTC
20 July 2007
Isotech (m/s) 300 00Z20JUL2007
TMPprs 850 06Z20JUL2007
0
5
10
15
20
25 30
35
40
45
50
0
5
10
15
20
25 30
35
40
45
50
Rys. 3. Jet na poziomie 300 hPa (00 UTC
20 VII 2007)
Rys. 4. Temperatura na poziomie 850 hPa (00 UTC
20 VII 2007)
Fig. 3. Jet (m/s) at 300 hPa, on 00 UTC 20 July
2007
Fig. 4. Temperature (K) at 850 hPa, on 00h UTC
20 July 2007
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część I. Analiza synoptyczna
149
tego dnia do eksplozji konwekcji nad Europą, w tym do katastrofalnych powodzi
w Anglii i tornada nad Polską. Atlantycka gałąź jetu polarnego zlała się w tym momencie ze zwrotnikowym prądem strumieniowym (por. rys. 6) i wyciągnięta na
północo-wschód pompowała nad Europę gorące i wilgotne zwrotnikowe powietrze
znad Atlantyku, jak to ilustruje pole temperatury 850 hPa (rys. 4).
Do analizy procesu w skali synoptycznej wykorzystano dostępne materiały
operacyjne i symulacje komputerowe nad Europą, a do wstępnej analizy mezoskalowej wykorzystano produkty modelu drobniejszej skali (2,8 km) zagnieżdżonego
nad Polską. Dane satelitarne z rozdzielczością 15 min. i dane z systemu detekcji
burz i wyładowań PERUN uzupełniły ogląd sytuacji. Domenę modelu COSMO-Lm
nad Europą z polem ciśnienia na poziomie 8 km (tuż poniżej jetu, 357–380 hPa,
co 100 Pa) przedstawiono na rys. 5. Na rysunku 6 przedstawiono izentropę 315 K
(powierzchnię temperatury potencjalnej) z charakterystycznym wybrzuszeniem
nad Anglią, reprezentującym wspomnianą kroplę chłodu i zagnieżdżony w tej powierzchni prąd strumieniowy. Izobary na poziomie 8 km pozwalają ocenić ich wzajemną pionową konfigurację. Po upływie 16 godzin prąd strumieniowy nad Europą
został rozszarpany przez eksplozję gwałtownej konwekcji (rys. 7), zachowując dwie
słabnące gałęzie: jedną skierowaną ku Wyspom Brytyjskim i drugą skierowaną na
wschód nad Niemcy i Polskę.
Omawiana sytuacja synoptyczna była trudna do analizy ze względu na fakt, że
dominującym procesem napędzającym gwałtowną konwekcję na Europą był wlew w
górnej troposferze arktycznego chłodu nad ciepłe i wilgotne powietrze zwrotnikowe
— mechanizm dobrze rozpoznany w meteorologii (por. Browning, 1985). Różnice w dolnej analizie synoptycznej, wykonanej przez służby: angielską, niemiecką,
Rys. 5. Ciśnienie na poziomie 8 km
Fig. 5. Pressure at 8 km level
150
J. Parfiniewicz
Rys. 6. Izentropa 315 K z prądem strumieniowym
Fig. 6. Isentropic surface 315 K with embedded jet
Rys. 7. 16 UTC: Jet jako powierzchnia 30 m/s w polu prędkości na poziomie 10,2 km. Ciśnienie na poziomie 1,5 km + odbiciowość radarowa nad Polską. Pionowy przekrój temperatury potencjalnej wskazuje na przejście do stratosfery w miejscach zagęszczenia izoterm
Fig. 7. 16 UTC: Jet as 30 m/s surface and wind speed on 10.2 km level. Pressure on 1.5 km + radar
reflectivity over southern Poland. Vertical cross-section of potential temperature squeezing temperature isopleths represent passage to stratosphere
holenderską i polską, wskazują na trudności w wypracowaniu koncepcji analizy i rozwoju frontów górnych. Na rysunkach 8 A-D z godz. 00 UTC oraz 8E i 8F z godz.12
UTC przedstawiono ręczne (dolne) mapy synoptyczne wykonane przez różne biura
pogody sprowadzone do zbliżonego obszaru domeny Europy. Dla porównania na
rys. 9 zamieszczono zdjęcie satelitarne w podczerwieni z godz. 00.
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część I. Analiza synoptyczna
A. 00 UTC, Biuro Prognoz, IMGW, PL
C. 00 UTC, Met. Office, UK
E. 12 UTC, Biuro Prognoz, KNMI
151
B. 00 UTC, Biuro Prognoz, KNMI
````````D. 00 UTC, DWD, Germany
F. 12 UTC, DWD, Germay
Rys. 8. Mapy synoptyczne wykonane przez biura pogody różnych krajów
Fig. 8. Operational synoptic analysis performed by Weather Biuro’s of chosen Weather Services
152
J. Parfiniewicz
O godz. 00 UTC tylko Brytyjczycy i Holendrzy uwzględnili górny katafront,
przy czym analiza Met. Office fronty dolne jedynie markuje przerywaną linią. Dla
porównania załączono mapy KNMI i DWD na 12 UTC, gdzie widać korektę koncepcji DWD.
Rys. 9. Zdjęcie satelitarne w podczerwieni z godz. 00 UTC
Fig. 9. 00Z: Satellite infrared picture 00h UTC
Wystąpiły zatem znane trudności z aplikacją konceptualnego modelu szkoły norweskiej (Bjerknes, 1919; Bjerknes, Solberg, 1921; Bergeron 1937) (por. Browning,
1985, Schulz i in., 1998). Z drugiej strony aplikacja podejścia szkoły angielskiej
(Browning i in., 1969, 1982,1985,1998, 2002), opartego na koncepcji tzw. „strumieni zasilających” (idea conveyer belt) definiowanych we względnym układzie ruchu
niżu na froncie polarnym, nie jest oczywista w słabogradientowych polach dolnej
troposfery. Model Shapiro-Keyser (1990, również por. Shapiro, 1989), wykorzystywany rutynowo w USA jako alternatywa modelu norweskiego w szczególnych
sytuacjach konfluencji w prądzie strumieniowym (i tworzenia struktur typu „T-bone”
na frontach dolnych), byłby zapewne do zaakceptowania w kolejnych fazach rozwoju
procesu, ale nie do analizy sytuacji wyjściowej definiowanej kontrastami w atmo-
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część I. Analiza synoptyczna
153
sferze górnej powyżej 500 hPa. Prawdopodobnie mamy tu sytuację, w której analizę
dolną należałoby prowadzić, wychodząc od modelu norweskiego z uwzględnieniem
strumieni zasilających, przechodząc następnie do opisu modelem Shapiro-Keyser.
W tej sytuacji analiza operacyjna przeprowadzona metodami klasycznymi wydaje
się do zaakceptowania, chociaż wymaga dodatkowej interpretacji. Dalej przytoczono
elementy teorii rozwiniętej przez Browninga, które według autora mogą być zastosowane do omawianego przypadku.
Konceptualne schematy opisu frontów za pomocą
„strumieni zasilających” według Keitha Browninga, 1985
Katafront z niewyraźnym frontem górnym. Na rysunku 10 przedstawiono
schemat przepływu mas powietrza w szerokościach umiarkowanych, w których ciepły
strumień zasilający (grubo zacieniowana strzała) pozostaje w ruchu wstępującym
przed chłodnym katafrontem, wspinając się ponad strumień chłodnego powietrza
(kropkowana strzałka — chłodny strumień zasilający). Chłodne powietrze średnich
warstw troposferycznych (kreskowana strzałka) wyprzedza front chłodny i generuje
potencjalną niestabilność w górnej części ciepłego strumienia zasilającego: a) widok
z góry, b) przekrój pionowy wzdłuż linii AB z rys. a (LLJ oznacza oś niskotroposferycznego strumienia zasilającego low-level-jet). Przepływ jest pokazany w układzie
względem poruszających się frontów.
Rys. 10. Katafront z niewyraźnym frontem górnym
Fig. 10. Kata cold front with cold and dry middle tropospheric air inflow (upper front)
154
J. Parfiniewicz
Katafront z frontem dolnym i górnym. Rysunek 11 ilustruje ciepły strumień
zasilania w ruchu wstępującym (rys. a), ale ma miejsce podział katafrontu chłodnego na front dolny i górny, wraz ze szczegółową charakterystyką rozkładu opadów.
Zakreskowane obszary wzdłuż linii UU i przed frontem ciepłym oznaczają opady.
Numerki na przekroju b dotyczą typów opadu: 1 — opady na froncie ciepłym,
2 — opady z komórek konwekcyjnych na górnym froncie chłodnym, 3 — opady
konwekcyjne z frontu górnego przechodzące przez ciepły sektor zasilania, 4 — płytka wilgotna strefa między górnym i dolnym frontem – słaby deszcz lub mżawka
w ciepłym sektorze, 5 — płytka strefa opadów przy dolnym froncie chłodnym (za
Browning, Monk, 1982).
Rys. 11. Katafront z frontem dolnym i górnym
Fig. 11. Kata cold front with the upper and surface cold front
Strumień zasilania zatoki polarnej z natychmiastową okluzją. Na rysunku
12 zamieszczono zdjęcie satelitarne w podczerwieni NOAA z godz. 15:02, pokazujące pasmo chmur konwekcyjnych związane ze strumieniem zasilającym zatoki
polarnej.
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część I. Analiza synoptyczna
155
Rys. 12. „Natychmiastowa okluzja” na zdjęciu satelitarnym, NOAA 15:02 UTC
Fig. 12. Instant occlusion on the intrared photograph from a NOAA satellite at 15:02 UTC
Pasmo chmur konwekcyjnych zostało tu zawinięte dookoła czoła napływającego
chłodu, na skraju rozciągniętego pasma chmur warstwowych związanych ze strumieniem zasilającym polarnego frontu chłodnego. Na rysunku 13 przedstawiono
konceptualny model tego systemu chmur.
Rys. 13. Schematyczny model systemu chmur z rys. 12 wskazujący na nakrywanie strumienia zasilającego zatoki polarnej przez strumień zasilania frontu polarnego: a) widok z góry, b) przekrój pionowy
wzdłuż osi zatoki polarnej (Browning, Hill, 1985)
Fig. 13. Schematic model of the cloud system in Fig. 12 showing intersecting polar through conveyer
belt and polar front conveyer belt: a) plan view, b) vertical section along axis of polar through (Browning, Hill, 1985)
156
J. Parfiniewicz
Przedstawione modele konceptualne powinny być wykorzystane do analizy synoptycznej i kreślenia frontów górnych na mapach synoptycznych (por. rys. 8A-D).
Ocena jakości symulacji komputerowych nad Europą
O ile wielkoskalowe cechy procesu synoptycznego wyrażone przez pola ciśnienia, poziomego wiatru, a nawet wilgotności zostały odtworzone zadowalająco
przez model w przypadku wszystkich rozdzielczości (od 14 km/35 poziomów do
2,8 km/50 poziomów), o tyle woda chmurowa (tj. chmury konwekcyjne) pozostaje
niedoszacowana — patrz rys. 14 i porównaj ze zdjęciem satelitarnym — rys. 15.
Rys. 14. Prognoza zachmurzenia z modelu na godz. 16 UTC a odbiciowość radarowa na tle prądu strumieniowego (w grafice Vis 5D)
Fig. 14. The cloudiness forecasted by model on 16 UTC against radar’s reflectivity with the jet-stream
in the background (all expressed in Vis 5D graphic)
Na trójwymiarowym rys. 14 z godz. 16 UTC widoczny jest rozerwany przez
konwekcję prąd strumieniowy (górne dwa płaty) oraz zachmurzenie (woda chmurowa): a) wygenerowana przez model w prognozie 4-godzinnej (skłębione struktury
niezbyt wysoko uniesione nad powierzchnią ziemi), b) rzeczywiste zachmurzenie
odtworzone na podstawie odbiciowości radarowej; dwa wysokie jasne obiekty
— kompleksy konwekcyjne — jeden w pobliżu Częstochowy, a drugi w rejonie Tatr.
Kompleks konwekcyjny z okolic Częstochowy został zidentyfikowany jako superkomórka burzowa (Browning, Ludlam, 1962), pod którą utworzyło się tornado. Jest
to obiekt 30 km szeroki i 18 km wysoki.
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część I. Analiza synoptyczna
157
Rys.15. Zdjęcie satelitarne w podczerwieni z godz. 16 UTC z widoczną superkomórką w rejonie
Częstochowy i kompleksem konwekcyjnym nad Tatrami i Słowacją
Fig. 15. 16h UTC: Satellite infrared picture with Thunderstorm Suppercell and convective complexes
over Tatry Mountains and Slovakia
Wnioski
Rozwój sytuacji synoptycznej 20 VII 2007 wyrażał się poprzez degradację frontu
polarnego i rozmycie połączonych prądów strumieniowych polarnego i zwrotnikowego, z charakterystycznym napływem chłodnej polarnej masy górą (aktywny górny
front chłodny) nad ciepłe i wilgotne masy zwrotnikowe, generując silną konwekcję.
Wyjściowa faza procesu makroskalowego jest zatem dobrze opisana schematem
norweskim (Bjerknes, Bergeron, Solberg, 1922) z uzupełnieniem prac szkoły angielskiej, w szczególności Browninga, 1970–1990 (tu cytowane schematy i definicje
— Browning, 1985). Ze względu jednak na rozmywanie się (m.in. pod wpływem
bardzo silnej konwekcji) prądu strumieniowego mamy tu przypadek transformacji
od modelu Bergerona-Browninga do tzw. schematu Shapiro-Kayser (1990), gdzie
analizowany front dołem przyjmuje formę szkieletu T (T-bone).
Materiały wpłynęły do redakcji 27 IV 2009.
158
J. Parfiniewicz
Literatura
B e b ł o t G., H o ł d a I., R o r b e k K., 2007, Trąba powietrzna w rejonie Częstochowy w dniu 20 lipca 2007 roku.
IMGW, Oddział Kraków, Górnośląskie Centrum Hydro-Meteorologiczne w Katowicach, s. 18.
B e r g e r o n T., 1937, On the physics of fronts, Bull. Amer. Met. Soc., 18, 265–275.
B j e r k n e s J., 1919, On the structure of moving cyclones. Geophys. Publikasjoner., Norske Videnkaps-Akad.,
Oslo, 1, nr 1, 1–8.
B j e r k n e s J., S o l b e r g H., 1921, Meteorological conditions for the formation of rain. Geophys. Publikasjoner., Norske Videnkaps-Akad., Oslo, 2, nr 3, 1–60.
B r o w n i n g K.A., H a r r o l d T.W., 1969, Air motion and precipitation growth in a wave depression. Q.J.R.
Meteorol. Soc., 95, 288–309.
B r o w n i n g K.A., M o n k G.A., 1982, A simple model for the synoptic analysis of cold fronts. Q.J.R. Meteorol. Soc., 108, 435–452.
B r o w n i n g K.A., 1985, Conceptual models of precipitation systems. The Meteorological Magazine, 111,
1359, t. 114, 293–319.
B r o w n i n g K.A., H i l l F.F., 1985, Mesoscale analysis of a polar trough interacting with a polar front. Q.J.R.
Meteorol. Soc., 111, 445–462;
B r o w n i n g K.A., J e r r e t D., O a k l e y T., R o b e r t s N.M., 1998, Cold frontal structure derived from
radar wind profiles. Meteorol. Appl., 5 , 67–74.
B r o w n i n g K.A., P a n a g i P.., D i c k s E.M., 2002, Multi-sensor synthesis of the mesoscale structure of
a cold-air comma cloud system. Meteorol. Appl., 9, 155–175.
F u j i t a T.T., 1981, Tornadoes and downbursts in the context of generalized planetary scales. J. Atmos. Sci., 38,
1511–1534.
M e a d e n G.T., 1985, Tornadoes in Britain, TORRO. Bradford-on-Avon, Wiltshire Prepared for H.M.
Nuclear Installations Inspectorate, s.131.
S c h u l t z D.M., K e y s e r D., B o s a r t L.F., 1998, The effect of large-scale flow on low-level frontal structure
and evolution in midlatitude cyclones. Mon. Wea. Rev., 126, 1767–1791.
S h a p i r o M.A.,1989, The mesoscale structure of extratropical marine cyclones. IAMAP 89, Fifth Sci. Assem.
of the Intern. Assoc. of Met. And Atm. Phys., Univ. od Reading, UK; MP 24–28.
S h a p i r o M.A., K e y s e r D., 1990, Fronts, jet streams and the tropopause [w:] Extratropical Cyclones,
The Erik Palmén Memorial Volume, red. N e w t o n C.W., H o l o p a i n e n E.O., Amer. Meteor. Soc.,
167–191.
Walker Institute, 2007, The exceptional UK rainfall and flooding of summer 2007. Walker Institute briefing;
University of Reading; http://www.walker-institute.ac.uk/ publications/ factsheets/walker%
20factsheet% 20summer% 2007_MN.pdf
Streszczenie
20 VII 2007 r. eksplozja gwałtownej konwekcji dotknęła liczne kraje Europy: Anglię, Niemcy, Polskę
i Ukrainę. Groźne burze spowodowały ekstremalne powodzie (Wyspy Brytyjskie i Ukraina) oraz niszczące wiatry, włączając tornado w Polsce. Przypadek ten był szeroko dyskutowany, zwłaszcza w mediach
brytyjskich, nierzadko upatrujących źródła jego wystąpienia w zmieniającym się klimacie. Dla przykładu,
komentarz renomowanego Instytutu Walkera (2007) wskazuje, m.in., że przyczyną powodującą, iż prąd
strumieniowy latem 2007 został przemieszczony dalej na południe niż normalnie (co stanowiło kluczową osobliwość powodzi) była „niezwykła aktywność azjatycko-hinduskiego monsunu letniego” i dalej
wyraża nadzieję, iż „eksperymenty z modelami atmosferycznymi ...wyjaśnią te możliwe dalekie związki”.
Do analizy synoptycznej wykorzystano symulacje modelem niehydrostatycznym COSMO-Lm nad Europą.
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część I. Analiza synoptyczna
159
Wiele charakterystycznych osobliwości procesu synoptycznego zostało poprawnie odtworzonych przez
model i pomogło zrozumieć mechanizmy sterujące tym przypadkiem.
S ł o w a k l u c z o w e : tornado, analiza synoptyczna, superkomórka burzowa, kropla arktycznego
chłodu, polarny prąd strumieniowy, eksplozja konwekcji, „strumienie zasilające”, schemat konceptualny
Bergerona-Browninga vs. Shapiro-Kaysera.
Summary
On the 20 July 2007 explosive convection weather event has affected number of Europe countries:
England, Germany, Poland and Ukraine. Severe storms caused extreme floods (Britain and Ukraine)
and damaging winds, with tornado in Poland. The case has been broadly discussed, especially in British
media, not rarely suggesting its climate change origin. For instant, the Walker Institute briefing note,
2007, indicates among others that the reason why “ the jet stream was further south than normal during
summer 2007” (recognized as the key feature for floods) was “a very vigorous Indian/Asian Summer
Monsoon” and hopes in “experiments with atmospheric models .. to clarify these possible links”. Here,
for synoptic analysis purpose, additionally to standard weather charts, radar and satellite pictures,
COSMO — Lm nonhydrostatic model simulations over Europe has been performed and thoroughly 3D
examined. Many synoptic futures were correctly reproduced by the model and helped to understand
the mechanisms that control the case.
K e y w o r d s : tornado, synoptic analysis, thunderstorm supercell, drop of arctic cold, polar jet,
explosive convection, conveyer belts, conceptual scheme of Bergeron-Browning vs. Shapiro- Kayser