TORNADO W REJONIE CZĘSTOCHOWY — 20 LIPCA 2007 Część

PRZEGLĄD GEOFIZYCZNY
Rocznik LIV
2009
Zeszyt 3–4
Jan PARFINIEWICZ
IMGW — Warszawa
TORNADO W REJONIE CZĘSTOCHOWY — 20 LIPCA 2007
Część II. SYMULACJE KOMPUTEROWE I ANALIZA 3D1
20TH OF JULY 2007 — EXPLOSIVE CONVECTION OVER EUROPE
WITH TORNADO IN POLAND
PART II. COMPUTER SIMULATIONS
W niniejszej pracy skoncentrujemy się na szczegółowej analizie powstawania superkomórki (Browning, Ludlam, 1962) i zjawiska tornada z wykorzystaniem przeprowadzonych symulacji komputerowych. Dla celów multiskalowej analizy (Browning
i in., 2002) przeprowadzono symulacje modelem niehydrostatycznym COSMO-Lm
w wersji 14 km/35 poziomów, 0,7 km/50 poziomów, 2,8 km/50 poziomów (wersja
zagnieżdżona, teleskopowana) nad Europą i Polską, a odbiciowość z radarów Ramża,
Pastewnik i Legionowo została złożona tak, aby odtworzyć — w miarę realną —
3-wymiarową historię rozwoju systemu konwekcyjnego nad południową Polską
z superkomórką burzową generującą tornado w pobliżu Częstochowy.
Wyróżniono 5 okresów ewolucji sytuacji konwekcyjnej: a) nocnego rozpadu
poprzedniego kompleksu konwekcyjnego 00-04, b) rozwoju i zaniku indywidualnych komórek konwekcyjnych 04-10, c) utworzenie zlepka konwekcyjnego (cluster)
i komórki — inicjatora przyszłej superkomórki 10-14, e) powstawanie superkomórki 14-16, f) dojrzałe stadium superkomórki z tornadem w rejonie Częstochowy
i kompleksu konwekcyjnego znad Tatr i Słowacji 16-18. Do interpretacji kompozycji
radarowych wykorzystano symulacje komputerowe ze zmienną rozdzielczością,
dane satelitarne i dane z systemu detekcji wyładowań PERUN, co pozwoliło wnios1
Referat wygłoszony na posiedzeniu Oddziału Warszawskiego PTGeof. 5 XI 2008.
[161]
162
J. Parfiniewicz
kować nawet o takich subtelnych procesach, jak prawo i lewoskrętność ruchu
układów wiatrowych konwekcyjnego systemu tornada. Tym niemniej konwekcyjne
struktury wody chmurowej, symulowane przez model, pozostały niedoszacowane.
Wyniki uległyby prawdopodobnie poprawie, gdyby udało się zaadaptować jakiś
rozsądny schemat asymilacji danych radarowych. Prace nad takimi systemami są
w toku, jednak nie ma nadziei na zwiększenie czasu wyprzedzenia takiej prognozy
poza 1 godzinę, pozostajemy więc praktycznie przy symulacji diagnostycznej, a nie
prognostycznej. Z drugiej strony istnieje przypuszczenie, że w danym przypadku
o nieudanej prognozie chmury konwekcyjnej zadecydowała zbyt skąpa rozdzielczość modelu w obszarze ageostroficznego przepływu mas powietrza pod prądem
strumieniowym. Tego rodzaju ruch powietrza w górnej troposferze powoduje, że
nad ciepłe i wilgotne masy powietrza zwrotnikowego zaczęło napływać górą zimne
i suche powietrze arktyczne, generując natychmiastowy wzrost niestabilności potencjalnej i eksplozję konwekcji — dobrze rozpoznany mechanizm (Browning, 1985).
Pracę niniejszą należy traktować jako wstępne fenomenologiczno-dokumentacyjne
studium przypadku tornadogenezy.
Historia rozwoju systemu konwekcyjnego nad południową Polską
na podstawie odbiciowości radarowej
Synteza i etapy rozwoju. Analiza całości materiału prowadzi do wyróżnienia
następujących najważniejszych procesów synoptycznych, które wpłynęły na utworzenie tornada: a) napływ chłodnej i suchej arktycznej masy powietrza w górnej
troposferze nad zalegające poniżej ciepłe i wilgotne powietrze zwrotnikowe, b) cyklogeneza po zawietrznej stronie gór (tzw. cyklogeneza lee ) na północ od Bramy
Morawskiej, c) niezwykle wysokie wartości temperatury maksymalnej, sięgające
40°C, d) lokalny transport wirowości, z wyraźnymi granicami wirowości dodatniej
(cyklonicznej, lewoskrętnej) i ujemnej (antycklonicznej, prawoskrętnej). Wyróżniono
następujące okresy rozwoju sytuacji konwekcyjnej:
A) nocny rozpad poprzedniego kompleksu konwekcyjnego — 00-04 UTC (rys.
1 i 2),
B) rozwój i zanik indywidualnych komórek konwekcyjnych — 04-10 UTC (rys.
2 i 3),
C) utworzenie zlepka konwekcyjnego (cluster) — wolno poruszającego się prawoskrętnego obiektu konwekcyjnego typu right mover i komórki inicjatora przyszłej
superkomórki — bardzo szybko poruszającego się i gwałtownie wypiętrzającego
olbrzymiego cumulonimbusa z domniemanym obrotem lewoskrętnym typu left
mover — 10-14 UTC (rys. 3 i 4),
D) powstawanie superkomórki z połączenia wolno poruszającego się prawoskrętnego konwekcyjnego kompleksu i gwałtownie wypiętrzającego się w obszarze
wirowości dodatniej olbrzymiego cumulonimbusa — 14-16 UTC (rys. 4 i 5),
PRZEGLĄD
GEOFIZYCZNY
Tornado w rejonie
Częstochowy
— 20 lipca
2007. Część II. Symulacje komputerowe
A
Rocznik LIV
2009
163
Zeszyt 3–4
40
35
30
25
20
15
10
5
0
I
M
G
W
B
C
Rys. 1. Suma odbiciowości (A), kompozycja trójwymiarowa (B), zdjęcie satelitarne (C) godz. 00 UTC
Fig. 1. Vertical sum of reflectivity (A) radar 3D composition (B), satellite picture (C) 00 h UTC
[163]
A
40
35
30
25
20
15
10
5
0
I
M
G
W
B
C
Rys. 2. Suma odbiciowości (A), kompozycja trójwymiarowa (B), zdjęcie satelitarne (C) godz. 04 UTC
Fig. 2. Vertical sum of reflectivity (A) radar 3D composition (B), satellite picture (C) 04h UTC
[164]
A
Rocznik LIV
PRZEGLĄD GEOFIZYCZNY
2009
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Zeszyt 3–4
I
M
G
W
B
C
Rys. 3. Suma odbiciowości (A), kompozycja trójwymiarowa (B), zdjęcie satelitarne (C) godz. 10 UTC
Fig. 3. Vertical sum of reflectivity (A) radar 3D composition (B), satellite picture (C) 10h UTC
[165]
opisy nie do odczytania
A
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
I
M
G
W
B
C
Rys. 4. Suma odbiciowości (A), kompozycja trójwymiarowa (B), zdjęcie satelitarne (C) godz. 14 UTC
Fig. 4. Vertical sum of reflectivity (A) radar 3D composition (B), satellite picture (C) 14h UTC
[166]
A
Rocznik LIV
PRZEGLĄD GEOFIZYCZNY
2009
Zeszyt 3–4
70
60
50
40
30
20
10
0
I
M
G
W
B
C
Rys. 5. Suma odbiciowości (A), kompozycja trójwymiarowa (B), zdjęcie satelitarne (C) godz. 16 UTC
Fig. 5. Vertical sum of reflectivity (A) radar 3D composition (B), satellite picture (C) 06h UTC
[167]
168
A
J. Parfiniewicz
70
60
50
40
30
20
10
0
I
M
G
W
B
C
Rys. 6. Suma odbiciowości (A), kompozycja trójwymiarowa (B), zdjęcie satelitarne (C) godz. 18 UTC
Fig. 6. Vertical sum of reflectivity (A) radar 3D composition (B), satellite picture (C) 18h UTC
[168]
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część II. Symulacje komputerowe
169
E) dojrzałe stadium superkomórki z tornadem w rejonie Częstochowy (16:05
— 16:15 UTC) i kompleksu konwekcyjnego znad Tatr i Słowacji — 16-18 UTC (rys.
5 i 6).
Przedstawiono zmienność sytuacji konwekcyjnej wybranych granicznych terminów za pomocą obrazu zachmurzenia wyrażonego przez: a) rzut pionowy (suma
w pionie) odbiciowości radarowej, b) kompozycję trójwymiarową, c) zdjęcie satelitarne w świetle widzialnym.
Szczegółowy opis (synoptyka) sytuacji konwekcyjnej. Do opisu rozwoju sytuacji konwekcyjnej — w celu identyfikacji różnych form zachmurzenia
— wprowadzono charakterystyczne akronimy (np. OUK — Olbrzymi Układ
Konwekcyjny), przydając im kolejne numery w miarę ich pojawiania się. Skrótem
„>>” określono proces przemieszczania się, a skrótem „ =>” konwersję jednego
obiektu w drugi.
00:00 — 2 słabnące Olbrzymie Układy Konwekcyjne (OUK) (degradujące się Olbrzymie Cb); (OUK01) Sudety, Góry Jesioniki, na wschód od Masywu
Pradziada i Bramy Morawskiej; (OUK02) na północ od Częstochowy.
01:00 — obydwa Olbrzymie Układy Konwekcyjne słabną i przemieszczają się (>>)
zgodnie ze spływem na NE; nad Bramą Morawską rozrasta się 3. Układ
Konwekcyjny UK03.
02:00 — UKCu01 słabnie; UK02 przechodzi ( =>) w Cu02 i zanika w ruchu na
NE; UKCu03 — utrzymuje się.
02:30 — UK=>Cu01 i zanika; UKCu03 słabnie w powolnym ruchu na NE wzdłuż
Bramy Morawskiej.
03:00 — UKCu03 zanika; na W od niej w Górach Orlickich (na S od Kotliny Kłodzkiej) powstaje Cu04.
03:30 — UKCu03 w zaniku; Cu04=>UKCu04 i rozwija się.
04:00 — śladowy Cu03 zanika; Cu04 rozbija się na grupy poszczególnych Cu.
04:30 — słabnąca grupa Cu04 utrzymuje się w rejonie Gór Orlickich i podąża
w kierunku Masywu Pradziada.
05:00 — zespół chmur Cu04 przemieszcza się (>>) E w rejon Masywu Pradziada.
05:30 — poszczególne Cu, pozostałości Cu04 słabną i przechodzą na polską stronę
na N skraj Kotliny Kłodzkiej i Gór Jesioników.
06:00 — pozostałości Cu04 w zaniku; i znowu na S od Gór Orlickich wyrasta Cu05.
06:30 — Cu05 zanika; daleko na S skraju Bramy Morawskiej pojawia się Cu06.
07:00 — Cu06 rozwija się i powoli wędruje wzdłuż Bramy Morawskiej na NE;
powstaje grupa Cu (cluster) Cu07 na Przedgórzu Sudeckim.
07:30 — Cu06 + zespół Cu utrzymuje się; Cu07 zmienia formy,
08:00 — Cu06 + zespół słabnie, Cu07 umacnia się.
08:30 — Cu06 zanika; Cu07 tworzy zespół Cu.
09:00 — Cu07 słabnie.
170
J. Parfiniewicz
09:30 — Cu07 umacnia się i przekształca w Cu07bis; z Cu06 wyrasta w kierunku
Przedgórza Sudeckiego Cu06bis + zespół Cu.
10:00 — Cu06bis2 (dublet) rośnie i Cu07bis2 utrzymuje się.
10:30 — ze słabnącego Cu07bis2 i umacniającego się Cu06bis2 powstaje grupa
(rodzina) chmurowa CuCb0607.
11:00 — grupa Cu0607 konsoliduje się i umacnia, szybko rośnie nowy Cu08
w rejonie Masywu Pradziada i w rejonie Tatr; głównie po Słowackiej stronie
wyrasta „zespół Tatry” CuCb09.
11:30 — grupa Cu0607 => rodzina Cu0607, zacieśnia się i powoli propaguje na
NE; Cu08 znad Gór Jesioniki i Masywu Pradziada propaguje (wydłuża się)
na NE; „zespół Tatry” CuCb09 konsoliduje się.
12:00 — rodzina Cu0607 zmienia formy; Cu08 słabnie; „zespół Tatry” CuOCb09
z dominującym olbrzymim OCb w rejonie Beskidu Niskiego umacnia
się.
12:30 — rodzina Cu0607 wypiętrza się => rodzina CuCb0607; „zespół Tatry”
CuCb09 z dominującymi Cb w rejonie Beskidu Niskiego i Podhala umacnia się.
13:00 — rodzina CuCb0607 umacnia się i stopniowo propaguje na E; „zespół
Tatry” CuCb09 tworzy rozległy zespół chmurowy z 4. (lokalnie) dominującymi Cb.
13:30 — rodzina CuCb0607 konsoliduje się i wypiętrza w olbrzyma Cb OCb =>
OCb0607 + luźno powiązany zespół Cu; „zespół Tatry” CuCb09 konsoliduje się z dominującym OCb w rejonie Podhala; w Masywie Pradziada
wypiętrza się nowy Cu10.
14:00 — OCb0607 konsoliduje się i rośnie powoli propagując na E; „zespół Tatry”
CuCb09 tworzy rozległy olbrzymi zespół chmurowy z wbudowanymi
OCb; Cu10 wydłuża się i przemieszcza się na NE zgodnie ze strumieniem
sterującym.
14:30 — rozległy OCb0607 nabiera rotacji antycyklonalnej (AC), bardzo powoli
propaguje na E i czeka na Cu10; „zespół Tatry” CuCb09 nadal aktywny;
konsoliduje się Cu10 i bardzo szybko (w 0,5 h) przekształca się w olbrzyma
Cb OCb10 i przemieszcza się o ok. 100 km na NE.
15:00 — OCb0607 przekształca się w pojedynczy olbrzymi układ konwekcyjny
OUKCb0607 z dwoma rotującymi AC wierzchołkami (rdzeniami) olbrzymich OCb, bardzo powoli propaguje na E, czekając na olbrzymiego Cb
OCb10 (z domniemaną cyrkulacją cykloniczną — C); OCb10 puchnie i rośnie, przekształca się w olbrzymi układ konwekcyjny OUKCb10, zwalnia
i dogania OUKCb0607; „zespół Tatry” CuCb09 tworzy dwa wyróżnione
OUKCb dublet Tatry po stronie polskiej i słowackiej.
15:30 — z dwóch olbrzymich systemów konwekcyjnych OCb OUKCb0607 i OUKCb10 powstaje zalążek gigantycznej superkomórki SK060710 z dwoma
dubletami rdzeniowymi (z zalążkiem ogona); OUKCb dublet Tatry akty-
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część II. Symulacje komputerowe
171
wizuje się po stronie słowackiej i słabnie po polskiej => OUKCb Słowacja.
Komentarz: na definicję SK składa się m.in. wąski komin konwekcyjny
(rdzeń — mezocyklon), przebicie tropopauzy (overshooting) + wyciągnięty
ogon (trail).
16:00 — gigantyczna SK060710 z połączonymi rdzeniami opadowymi w formie łuku
(półksiężyca), pojawia się zalążek ogona, a na S krawędzi rdzenia opadowego,
niedaleko ogona formuje się tornado; OUKCb Słowacja utrzymuje się i konsoliduje; w rejonie Gór Jesioniki i Masywu Pradziada pojawia się UKCb11.
17:00 — gigantyczna SK060710 propaguje powoli na E, następuje przekształcenie
rdzenia opadowego w odwróconą formę półksiężyca i rozbudowa potężnego ogona skierowanego na SW (komentarz: odwrócenie formy łukowej
rdzenia i skręcenie ogona na SW wskazuje na makrorotacje antycyklonalną
— mezocyklon tornada wewnątrz SK zgodnie z teorią powinien się kręcić
cyklonalnie); UKCb11 rozwija się i wyciąga zgodnie ze strumieniem sterującym na NE, dąży do połączenia z ogonem SK060710; OUKCb Słowacja
rekonsoliduje się i nieznacznie propaguje na N.
17:30 — gigantyczna SK060710 propaguje powoli na E; regeneracja rdzenia opadowego nadal w formie odwróconego półksiężyca; UKCb11 umacnia się na
N od Masywu Pradziada i nadal dąży do połączenia z ogonem SK060710
OUKCb Słowacja słabnie.
18:00 — gigantyczna SK060710 utrzymuje się z tendencją do osłabienia; pozostaje
silny wieloogniskowy rdzeń opadowy przechodzący z formy półksiężyca w
linię. Ogon utrzymuje się. Systemy towarzyszące UKCb11 i OUKCb Słowacja
dysypują.
Porównanie symulacji komputerowych na różnych siatkach
(downscaling) : PL14/35 vs. PL2.8/50 na 16 UTC
Ogółem wykonano następujące symulacje komputerowe modelem COSMO-Lm:
a) dla domeny Europy: siatka 14 km/35 poziomów, prognoza 00-18 h, siatka 07 km/
35 poziomów, prognoza 12-18 h, siatka 07 km/ 50 poziomów, prognoza 12-18 h;
b) dla domeny Polski: siatka 2,8 km/ 50 poziomów, prognoza 12-18 h. Szczegółowe żmudne porównanie wymaga oddzielnej pracy, tu zajmiemy się najbardziej
różniącymi się przebiegami symulacji ograniczonymi do obszaru Polski: PL14/35
i PL2,8/50, koncentrując się na terminie 16 UTC, zbliżonym do momentu wystąpienia
tornada. Jest problem, z czym porównywać. Z natury rzeczy trąby powietrzne i tornada „omijają” sieć posterunków i stacji naziemnych służby prognoz. Na przykład,
w omawianym przypadku badanie depesz SYNOP ze wszystkich stacji w otoczeniu
Częstochowy (Wrocław, Wieluń, Łódź, Sulejów, Warszawa, Kozienice, Kielce, Sandomierz, Rzeszów, Tarnów, Kraków, Katowice, Opole, Lublin, Częstochowa) oraz
METAR (Wrocław, Łódź, Warszawa, Rzeszów, Kraków, Katowice) wykazało jedynie
172
J. Parfiniewicz
w Częstochowie na znaczący skręt i poryw wiatru między 15 i 17 UTC. Zgodnie
z kodem DD FF FF_911 (060, 04,-1000) => (330,10,19)=>(320,8,17), przy ciśnieniu praktycznie bez zmian. Najbardziej wiarygodnym świadectwem przejścia tornada
pozostają świadkowie i analiza zniszczeń in situ (por. Bebłot i in., 2007). Tornado widać
również na odbiciowości radarowej (w decybelach dBZ) i wietrze radialnym z radarów
dopplerowskich oraz na zdjęciach satelitarnych w świetle widzialnym i podczerwieni. Wiedząc o fakcie wystąpienia zjawiska, możemy szukać w produktach symulacji
komputerowej — polach elementów meteorologicznych — oznak potwierdzenia. Nie
można oczekiwać w najbliższym czasie dokładnej prognozy tornado — mamy prawo
natomiast doszukiwać się symptomów uprawdopodobniających jego wystąpienie. A
zatem przebadano symulacje (świadomie zastępuję tu słowo prognozy) wybranych elementów meteorologicznych, m.in.: ciśnienia na poziomie morza, prądów pionowych,
zawartości wody chmurowej, prędkości wiatru nad powierzchnią gruntu, maksymalnej
prędkości wiatru w okresie 6 godz., temperatury przy powierzchni ziemi, wysokości
wierzchołków chmur konwekcyjnych i wirowości. Nie zawsze prognoza uszczegółowiona PL2,8/50 wydawała się lepiej charakteryzować wystąpienie zjawiska. I tak:
a) symulacja ciśnienia sprowadzonego do poziomu morza PL2,8/50 lepiej oddaje
pogłębienie i zatokę ciśnienia za torem tornada niż PL14/35 i efekt cyglogenezy lee
w cieniu Sudetów Wschodnich;
b) w symulacji prądów pionowych w przypadku PL2,8/50 wystąpił wzrost chaotyczności i utrudnienie w interpretacji względem PL14/35;
c) średnia zawartość wody chmurowej jest silnie skorelowana z wysokością wierzchołków chmur (niestabilnością atmosfery); obie wersje modelu źle prognozują wodę
chmurową; PL14/35 tworzy fikcyjny pas zachmurzenia nad Niziną Wielkopolską, PL2,8/50
wysusza ten pas chmur i tworzy ogniska chmurowe za południową granicą Polski;
d) w przypadku prędkości i kierunku wiatru nad powierzchnią gruntu na poziomie 2 m w obu przebiegach modelu zostaje zachowana podobna ogólna organizacja
przepływu, jednak PL2,8/50 dostarcza znacznie więcej szczegółów i miejscami
wzmacnia prędkość wiatru;
e) w symulacji maksymalnej prędkości wiatru w okresie 6 godz. ma miejsce
znaczne uszczegółowienie i wzmocnienie przez PL2,8/50: pojawia się strefa bardzo
silnego wiatru na domenie tornada. Strefa bardzo silnych wiatrów chociaż przesunięta jest względem toru tornada, jednoznacznie kojarzy się z superkomórką; znaczna
poprawa PL2,8/50 względem PL14/35 (rys. 7);
f) w symulacji temperatury przy powierzchni ziemi na wysokości 2 m ogólny
charakter pola został zachowany podobnie, jednak PL2,8/50 uszczegółowia, pojawiają się ogniska podwyższonej temperatury (36o C) w pobliżu toru tornada;
g) wirowość (hcurl według programu GrADS) jest wyliczana ze wszystkich poziomów, natomiast linie prądu pola wiatru bezwzględnego i względnego wyliczane
są na średnim poziomie.
W przypadku PL2,8/50 jest znaczne uszczegółowienie, ale i zagmatwanie (utrata
przejrzystości), ogólny charakter względnych średnich linii prądu pozostaje jednak
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część II. Symulacje komputerowe
173
zachowany. W okolicy toru pojawiają się ogniska zwiększonej rotacji, ale poglądowość jest lepiej widoczna w większej skali, w szczególności wyraźne rozdzielenie
obszarów wirowości dodatniej i ujemnej (rys. 8).
Rys. 7. Maksymalna prędkość wiatru w okresie 6 godz. według PL14/35 (A) i PL2,8/50 (B)
Fig. 7. Maximal wind speed by 6 hours according to PL14/35 (A) and PL2,8/50 (B)
Rys. 8. Wirowość (hcurl) i linie prądu pola wiatru bezwzględnego i względnego według PL14/35 (A)
i PL2, 8/50 (B)
Fig. 8. Vorticity (hcurl) and streamlines of direct and relative wind fields due to PL14/35 (A) and
PL2, 8/50 (B)
Cyklogeneza lee w cieniu Bramy Morawskiej
oraz wzrost temperatury podłoża (niestabilność typu CAPE)
Efekt cyklogenezy lee (równoważny wzrostowi wirowości w warstwie dolnej)
oraz efekt wzrostu temperatury podłoża (równoważny wzrostowi niestabilności
PRESmal._pllm2.8_ []
I
M
G
W
&
D
W
D
PRESmal._pllm2.8_ []
Valid: Fri_20-JUL-2007_16_UTC
Fig. 9. Atmospheric pressure as reduced to mean sea level (msl) at 12h UTC (A) and 16h UTC (B)
Rys. 9. Ciśnienie atmosferyczne zredukowane do poziomu morza o godz. 12 UTC (A) i 16 UTC (B)
Valid: Fri_20-JUL-2007_12_UTC
1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018
1019
1008
1009
1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018
I
M
G
W
&
D
W
D
174
J. Parfiniewicz
TEMPERATURE 2M [C]
I
M
G
W
&
D
W
D
TEMPERATURE 2M [C]
Fig. 10. Air temperature on the 2m level at 12h UTC (A) and 16h UTC (B)
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Valid: Fri_20-JUL-2007_16_UTC
Rys. 10. Temperatura powietrza na poziomie 2 m o godz. 12 UTC (A) i 16 UTC (B)
Valid: Fri_20-JUL-2007_12_UTC
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
I
M
G
W
&
D
W
D
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część II. Symulacje komputerowe
175
176
J. Parfiniewicz
CAPE) najlepiej wyrazić za pomocą animacji (pętli czasowej). Tu ograniczymy
się do udokumentowania okresu między z 12 i 16 UTC, chociaż proces obniżania
ciśnienia na pogórzu Karpacko-Sudeckim rozpoczął się wcześniej, już od 00 UTC
i nie był jednostajny (rys. 9 i 10).
Trajektorie napływu mas powietrza na 850 hPa na 00 i 12UTC
Operacyjnie wykonywane 48-godzinne trajektorie napływu mas powietrza na
godz. 00 i 12 UTC 20 VII 2007 nad wybrane miejscowości — Łebę, Jarczew, Śnieżkę
i Warszawę — Bielany na poziomie 850 hPa (ok. 1500 m) wykazują charakterystyczną
zmianę kierunku napływu nad południową Polskę w ciągu dnia. O ile na północy
Polski utrzymuje się spływ zachodni, praktycznie równoległy do stacjonarnego
frontu ciepłego na mapie synoptycznej (por. również definicję „strumień zasilający
frontu polarnego” na rys. 13, część I), o tyle na południu Polski wiatr skręca na
południowy, pozostając w zgodzie z wywodami o zwiększeniu cykloniczności dołem
i wzrostem temperatury.
Rys. 11. Trajektorie napływu powietrza o godz. 10 i 12 UTC
Fig. 11. Air flow trajectories at 10h and 12h UTC
Przykłady analizy 3D na gęstej siatce
Prawoskrętność superkomórki typu right mover (rys. 12).
Przekrój pionowy superkomórki: uskok wiatru i rurka wirowa (rys. 13).
Przekrój pionowy superkomórki: pole wiatru w ruchu względnym (rys. 14).
Przekrój pionowy superkomórki: ruch względny w powiększeniu (rys. 15).
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część II. Symulacje komputerowe
177
Rys. 12. Odtworzona z odbiciowości radarowej 3D struktura superkomórki typu right mover.
Rozpiętość 15 km
Fig. 12. 16h UTC: Restored 3D supercell structure of the right mover type. Vertical range 15 km
Rys.13. Przekrój pionowy superkomórki z liniami prądu pola wiatru w polu prędkości. Charakterystyczny uskok wiatru w dolnej troposferze ze śladem rurki wirowej w polu prędkości powyżej uskoku.
W tle odbiciowość radarowa. Rozpiętość pionowa 15 km
Fig. 13. The supercell crosssection with streamlines and wind speed as the background. The characteristic typical wind jump and related vortex tube trace as simulated by the Lm –COSMO high resolution 2,8km/50lev. nested model. Vertical range 15km
178
J. Parfiniewicz
Rys.14. Przekrój pionowy w tylnej części superkomórki z liniami prądu pola wiatru w ruchu względnym, uzyskanym przez odjęcie wybranego profilu wektora prędkości poziomej nad miejscem, gdzie
wystąpiło tornado, od wektora wiatru poziomego na całej domenie. Wybrany ustalony profil wiatru
reprezentuje ruch superkomórki jako jednego spójnego obiektu – po odjęciu od pola wiatru pozostaje
względny ruch powietrza w samej komórce, a zmniejszenie prędkości poziomej uwypukla wpływ
prędkości pionowej. Rozpiętość 15 km
Fig. 14. The rear supercell part crosssection with relative motion wind streamlines, defined by
subtraction the chosen wind profile over the tornado place from the horizontal wind vector on the
whole domain. The chosen wind profile represents the motion of the suppercell as the whole coherent object – then after subtraction remains the relative suppercell motion, thus the decreased
horizontal velocity enhances impact of vertical currents. Vertical range 15 km
Wpływ elektryczności burzowej na powstanie superkomórki
Na rysunku 16 przedstawiono sumę odbiciowości radaru Brzuchania z nałożonymi wyładowaniami elektrycznymi — doziemnymi i wewnątrzchmurowymi
łącznie — w momencie poprzedzającym połączenie kompleksu konwekcyjnego
z gwałtownie wypiętrzającym się cumulonimbusem, szybko przemieszczającym
się od strony Bramy Morawskiej na północ. Do prezentacji wybrano dwa terminy
14:40 i 15:10. Zagadnienie wzajemnego oddziaływania elektryczności burzowej
i konwekcji dynamicznej wymaga dalszego prześledzenia.
Wstępne wnioski
Rozwój sytuacji konwekcyjnej nad południową Polską w dniu 20 VII 2007
był uwarunkowany w skali synoptycznej przez degradację frontu polarnego
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część II. Symulacje komputerowe
179
Rys. 15. Przekrój pionowy superkomórki z liniami prądu pola wiatru w ruchu względnym. A. Widok
od strony południowej, rozpiętość pionowa 5 km. Na osi domniemanego mezocyklonu profil wektorów wiatru. Charakterystyczne „kominowe” ułożenie obok siebie linii prądu wstępującego i opadającego jako pewne przybliżenie organizacji rzeczywistego pola ruchu. B. Perspektywa SW, rozpiętość
pionowa 5 km
Fig. 15. The supercell crosssection with relative motion wind streamlines. A. The view from south
side, vertical range – 5 km. The chosen wind profile on the axis of presumed mesocyclone. The
characteristic “chimney like” side by side streamlines of up and down wind currents giving approximation of the real motion field. B. SW perspective, vertical distance 5 km
180
J. Parfiniewicz
70
60
50
40
30
20
10
0
dBZ9._lejp01_ suma
D
W
D
70
60
50
40
30
20
10
0
&
I
M
G
W
Valid: Wed_20-JUN-2007_14_h40_min
dBZ9._lejp01_ suma
D
W
D
&
I
M
G
W
Valid: Wed_20-JUN-2007_15_h10_min
Rys.16. Odbiciowość i wyładowania o godz. 14:40 UTC (A) i 15:10 UTC (B)
Fig. 16. Reflectivity and discharges at 14:40 UTC (A) and 15:10 UTC (B)
i rozmycie połączonych prądów strumieniowych polarnego i zwrotnikowego,
z charakterystycznym napływem chłodnej masy polarnej górą (aktywny górny
front chłodny) nad ciepłe i wilgotne masy zwrotnikowe. Tego typu proces generuje tzw. warunkową niestabilność potencjalną i uwalnia silną konwekcję.
Makrosynoptyczna sytuacja sprzyjająca rozwojowi silnej konwekcji nad południową Polską realizowała się przez cyklogenezę zawietrzną lee w cieniu Bramy
Morawskiej (tym samym wzrost wirowości w warstwie dolnej) oraz silny wzrost
temperatury potęgujący wzrost chwiejności i nagromadzenie dostępnej energii
potencjalnej typu CAPE, co inicjowało konwekcję. Przeanalizowano system konwekcyjny, wyróżniając stadia rozwoju i stanu dojrzałego. Zdefiniowano moment,
w którym prawoskrętny olbrzymi kompleks konwekcyjny zderza się z olbrzymim
cumolonimbusem — prawdopodobnie zawirowanym dodatnio. Po zlaniu się
obu komórek konwekcyjnych powstaje superkomórka z makrocyrkulacją prawoskrętną (dominującą) i wewnętrznym mezocyklonem kręcącym się dodatnio.
Mezocyklon można zauważyć w dojrzałej fazie rozwoju superkomórki na zdjęciu
satelitarnym w świetle widzialnym. Powstałe stosunkowo słabe tornado trwało
krótko i cyrkulacja superkomórki już bez charakterystycznej trąby przyziemnej
była całkowicie prawoskrętna.
Wykonaną pracę należy traktować jako wstępną fenomenologiczno-dokumentacyjną fazę badania. Dalsze prace należy prowadzić w kierunku modelowania
transportu lokalnej wirowości z uwzględnieniem wiatru dopplerowskiego, jeszcze
zwiększając poziomą rozdzielczość.
Tornado w rejonie Częstochowy — 20 lipca 2007. Część II. Symulacje komputerowe
181
Podziękowania
Panu Zdzisławowi D z i w i t o w i , Panu Wojciechowi G a j d z i e i Pani Irenie
Tu s z y ń s k i e j za udostępnienie i pomoc w interpretacji danych radarowych,
Pani Monice P a j e k i Panu Piotrowi S t r u z i k o w i za udostępnienie i pomoc
w analizie danych satelitarnych,
Panu Piotrowi B a r a ń s k i e m u za dyskusje przy analizowaniu rozwoju sytuacji
konwekcyjnej.
Zarządowi Warszawskiego Oddziału PTGeof. za umożliwienie przedstawienia
tej pracy na forum Towarzystwa.
Pani Urszuli K o s s o w s k i e j - C e z a k za wskazówki dotyczące precyzyjnej
polskojęzycznej definicji procesu cyklogenzy lee.
Materiały wpłynęły do redakcji 27 IV 2009.
Literatura
B r o w n i n g K.A., L u d l a m F.H., 1962, Airflow in convective storms. Quarterly Journal of the Royal
Meteorological Society, 88, 117–135.
B r o w n i n g K.A., 1985, Conceptual models of precipitation systems. The Meteorological Magazine, 114,
1359, 293–319.
B r o w n i n g K.A., P a n a gi 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.
Streszczenie
20 VII 2007 r. eksplozja gwałtownej konwekcji dotknęła liczne kraje Europy, a w Polsce powodując
tornado. Niniejsza praca stanowi kontynuację części I: w tej części pracy skoncentrujemy się na szczegółowej analizie powstawania superkomórki i zjawiska tornada z wykorzystaniem przeprowadzonych
symulacji komputerowych. Odbiciowość z radarów Ramża, Pastewnik i Legionowo została złożona
tak, aby odtworzyć 3-wymiarową historię rozwoju systemu konwekcyjnego nad południową Polską
z superkomórką burzową generującą tornado w pobliżu Częstochowy. Do interpretacji kompozycji
radarowych wykorzystano symulacje komputerowe ze zmienną rozdzielczością, dane satelitarne i dane
z systemu detekcji wyładowań PERUN, co pozwoliło wnioskować nawet o takich subtelnych procesach,
jak prawo i lewoskrętność ruchu układów wiatrowych konwekcyjnego systemu tornada. Tym niemniej
konwekcyjne struktury wody chmurowej, symulowane przez model, pozostały niedoszacowane — istnieje przypuszczenie, że w danym przypadku o nieudanej prognozie chmury konwekcyjnej zadecydowała
zbyt skąpa rozdzielczość modelu w obszarze ageostroficznego przepływu mas powietrza pod prądem
strumieniowym.
S ł o w a k l u c z o w e: tornado, superkomórka burzowa, eksplozja konwekcji, model COSMO-Lm,
dane satelitarne. odbiciowość radarowa
182
J. Parfiniewicz
Summary
On the 20 July 2007 explosive convection weather event has affected number of Europe countries
and promoting tornado in Poland. This work is continuation of the part I: here we concentrate on the
detail analysis of supercell and tornado generation basing on computer simulations by COSMO–Lm
nonhydrostatic model. The radar reflectivity from Ramża, Pastewnik, Legionowo Doppler radars has
been used in a way to restore — possibly real — 3D development history of the convective system over
southern Poland with the giant supercell storm that produced tornado near Częstochowa. To interpret
radar compositions we used computer simulations with different resolutions, satellite data and lightening detection system data PERUN.Many synoptic futures were correctly reproduced by the model
and helped to understand the mechanisms of the case and deduce even such subtle processes like right
and left moving wind patterns of tornado convective system. Nevertheless the cloud water convective
structures as simulated by model remain underestimated. One of the fault reasons is that the proper
radar assimilation scheme was not adopted, but the second suspicion is that the ageostrophic flow just
under the jet stream was not adequately represented.
K e y w o r d s : tornado, thunderstorm supercell, explosive convection, nonhydrostatic model
COSMO-Lm, satellite data, radars reflectivity