Adriatic Convective Index

- English version below Croatian -

Inspiraciju za ovaj indeks dobio sam promatrajući Deep Convective Index, pa otuda i sličan naziv. Da bi mogli uspješno izvući zaključke iz Adriatic Convective Indexa (dalje: ACI), treba ukratko navesti fizikalnu podlogu nastanka konvektivnih oluja. Tri su važna parametra koja uvjetuju nastanak konvektivne oluje:

• Dovoljno dubok vlažni sloj u donjoj troposferi
• Nestabilnost
• Sila koja podiže česti iznad njihove razine slobodne konvekcije (LFC)
  

Vlažan sloj na maloj visini (do 3km) nužan je za opskrbu olujnog sustava vodenom parom, jer se njezinim ukapljivanjem oslobađa veća količina latentne topline koja dodatno pridonosi konvekciji. Važno je pritom da je vlažan sloj ograničen na donju troposferu, eventualno srednju, dok u višem sloju, iznad 4km visine velika količina vlage najčešće stvara negativan učinak na nastajanje konvektivnih oluja. Ovaj negativan efekt iskazuje se dvojako; prvo, ukoliko se na visini nalazi vlažan sloj, blizu zasićenja, on će se svakim malim podizanjem uvis početi rano ukapljivati, te će se oslobađati latentna toplina na toj visini, koja smanjuje vertikalni gradijent temperature, odnosno smanjuje nestabilnost zraka. Drugo, pri velikoj količini vlage na visini uglavnom se javlja deblja visoka naoblaka (Ci, Cs, Cc) koja smanjuje zagrijavanje podloge, a time znatno oslabljuje početne termičke sile koje bi trebale podići česti iznad njihovog LFC.  Idealan slučaj raspodjele vlage po visini javlja se kad je donja troposfera vrlo blizu zasićenja, dok iznad nje postoji suhi sloj zraka. Tad se javlja tzv. konvektivna nestabilnost, donji slojevi zraka pri dizanju ulaze u zasićenje mnogo ranije od gornjih, latentna toplina se oslobađa mnogo prije u donjem sloju, čime raste vertikalni temperaturni gradijent i konvekcija dobija dodatni energetski impuls.

Nestabilnost atmosfere je nužan uvjet nastanka konvektivne oluje. Tri su tipa nestabilnosti koje se javljaju u atmosferi - uvjetna, latentna i konvektivna, dok apsolutna nestabilnost (vertikalni gradijent veći od 1K/100m) postoji samo u teoriji dok u praksi u 99% slučajeva predstavlja neodrživo stanje. Bilo koja vrsta nestabilnosti nužna je da bi česti zraka mogle samostalno nastaviti uspinjanje nakon što dosegnu razinu slobodne konvekcije.

Treći uvjet je postojanje sile koja će podignuti česti zraka do razine slobodne konvekcije nakon čega one same uslijed uzgona nastavljaju napredovati prema većoj visini. Ova sila dakle daje početni impuls, a može potjecati od termike, sinoptičkih procesa (mlazna struja, dolina, fronta...), ili pak orogenetske prepreke - dizanja zraka preko reljefne prepreke. 

ACI je zamišljen da uzme u obzir vlažnost donjeg sloja atmosfere, nestabilnost, te izostanak zapornog, inhibicijskog sloja, ali isto tako i vlažnost viših slojeva atmosfere, koji dakle trebaju ući u zasićenje kasnije od donjih slojeva za idealan slučaj konvekcije. Najprije, htio sam u indeks uvrstiti vlažnost u donjem sloju koju sam izrazio temperaturom rosišta, ali za razliku od mnogih drugih indeksa koji uzimaju u obzir uglavnom temperaturu rosišta na 850hPa, ja sam njoj još pridodao i temperaturu rosišta na 2m visine. Time sam na neki način dobio vjerodostojniji podatak o vlažnosti donjeg sloja, koji donekle zavisi i o vrsti i stanju podloge (isparavanju). Prva dva člana jednadžbe ACI su stoga temperatura rosišta na 2 metra visine i temperatura rosišta na 850hPa, zbrojena:

Td2m + Td850 

Konvektivna inhibicija koa priječi nastanak oluja uglavnom se događa kad postoji vrlo topao sloj zraka u srednjoj troposferi. Evaluaciju inhibicije aproksimirat ćemo temperaturom zraka na 700hPa, te ćemo ju usporediti s temperaturom rosišta u prizemnom sloju. Pritom, s obzirom da su uzete u proračun dvije temperature rosišta, temperaturu na 700hPa ćemo podvostručiti kako bi ravnopravno ušla u matematički odnos:

Td2m + Td850 - 2*T700

Dobili smo odnos temperatura rosišta u donjem sloju troposfere i temperature zraka na 700hPa. Iz tog odnosa proizlazi nešto vrlo bitno, a to je, osim količine vlage u donjem sloju, još i vertikalni gradijent temperature i to na najvažnijoj visini, onoj gdje se stvaraju početne uzgonske sile, tj. gdje kreću ubrzanja česti nakon dosezanja LFC (850-700 hPa). Ovaj gradijent je važan stoga jer pri jačem opadanju temperature s visinom ubrzanja česti su snažnija, a time su dakako i snažnije oluje koje time nastaju.

Slijedeći član jednadže odnosi se na količinu vlage u gornjem sloju troposfere, koju ćemo izraziti rosišnom razlikom na 500hPa. što je veća rosišna razlika na 500hPa, sloj sadrži manje vlage, a to kako smo vidjeli, pogoduje razvitku konvektivne nestabilnosti i izostanku visoke naoblake. Radio sam više verzija indeksa dok nisam došao do prave funkcije koja bi ispravno uzimala u obzir ovu vrijednost. Dulje vrijeme sam pokušavao s 0.5*Dd500 (Dd=rosišna razlika), ali kako na toj visini često zna biti 10%, pa i manje od 5% vlage, rosišne razlike tada postaju nekoliko desetaka Celzijevih stupnjeva velike, što znatno povisuje indeks preko svake mjere. Ni smanjenje množenjem sa 0.5 nije dalo dobar rezultat, jer su na kartama i dalje postojali lažni grebeni visokog ACI koji su zapravo bili bez veće šanse za konvekciju. Problem sam riješio drugim korjenom iz rosišne razlike, čime sam limitirao apsurdno povećanje ovog člana pri situacijama s vlagom manjom od 10% na 500hPa. Na kraju sam korjen iz rosišne razlike pomnožio s dva, jer inače ima po mom mišljenju nedovoljan utjecaj na ukupni ACI.

Td2m + Td850 - 2*T700 + 2*sqrt(Dd500) 

Zadnji parametar, po uzoru na Deep Convection Index je lifted index. On daje jednadžbi ponešto elemenata teorije česti, te indirektno u jednadžbu unosi i temperaturu na 500hPa. Ja sam odlučio koristiti Best 4-Layer Lifted Index, i to također množen s dva. Time dobijamo konačan izraz za Adriatic Convective Index:

ACI = Td2m + Td850 - 2*T700 + 2*sqrt(Dd500)  - 2*LI

 English version:

I've been inspired to make this index by looking at Deep Convective Index, hence similar name. In next few paragraphs I will explain what Adriatic Convective Index (from now: ACI) is and where is it's place in operational weather forecasting. First of all, ACI is intended to serve as best possible convective weather probability tool, taking in account two of three ingredients in convective parcel theory. I wrote few explanations of parcel theory in Croatian (above) and in some other places on site, but I believe that repeating this for English readers is not necessary because my thinking is that these who come here intentionally have good knowledge about parcel theory and meteorology.

OK, let's now see what components build ACI. This convective index is trying to cope with two of tree essential parcel theory ingredients - moisture and instability. It does not include lifting in any way. So, ACI cannot really be universal index that will give forecaster everything it needs, as neither one convective index can. Moisture at low levels is represented by two dewpoint temperatures, at 850hPa as many indexes do, but also at 2m over ground. Many will ask why I choose that level, but I believe that soil conditions often can make huge impact on convective situation. For example, moisture contents in soil, water temperature and similar parameters play important role in evaporating and thus filling lowest air layer with moisture. Dewpoint temperature at 2m will react much better on that events than dewpoint at 850hPa. I just add these two:

Td2m + Td850

Now, I compare that dewpoints with air temperature at 700hPa. Temperature at 700hPa is often good sign of inhibition strength, so higher T700 generate stronger inhibition and vice-versa. Also, it is very important that lapse rates in lower troposphere are steep, for generally stronger updrafts. To compare these temperatures, we just need to subtract T700 from dewpoints, but as I used two dewpoint temperatures, I need to subtract two T700 temperatures for fair math. So write:

Td2m + Td850 - 2*T700

What about convective (potential) instability? It is pronounced when dry layer tops moist layer. Low level moist layer is accounted by first two members of equation. Dry layer in middle/high troposphere will represent high dewpoint depression at 500hPa. Not very accurate, but better than nothing. Not accurate, because in reality, dry layer can rest in any level between, say, 800 and 400 hPa to get good potential instability by lifting air column, but hey, I wanted to simplify math so it can be easy computed and widely applicable. OK, higher dewpoint depression at 500hPa, better chances to have potential instability and also, lower chances that convection will be damped by early warming upper parts of troposphere when going in early saturation. Moreover, low dewpoint depressions at this level often means high level clouds (Ci, Cs, etc) thus weaker ground warming, and we know what that mean in summer daytime hours...

So, I thought what will be the best way to compute this. Simple adding of dewpoint depression to the equation leads to overamplification of ACI in really benign situations when there is ultra-low moisture quantity at 500hPa (say 5%), leeding to dewpoint depressions that are sometimes over 50°C! That was unacceptable. If I multiply Dd500 by, say 0.3, I do not get almost any effect on ACI in true potential instability regimes, and still get relatively pronounced effect in very dry airmasses. After some struggling with this, I come to idea to use square root of dewpoint depression, because it effectively holds slow increase with fast increasing argument. To match it little bit up, I multiply it by two. It seems that this can give very good results. Now we have:

Td2m + Td850 - 2*T700 + 2*sqrt(Dd500)

Finally, I wanted to include something of true parcel theory in ACI, so as in Deep Convective Index I used Lifted index to finalize ACI equation. Just, multiplied it by two. It is better to use best 4-layer lifted index than surface lifted index, I think. Lower LI need to give higher ACI, so put sign of minus in front of it:

ACI = Td2m + Td850 - 2*T700 + 2*sqrt(Dd500)  - 2*LI

That is all, ACI now just needs to prove on real convective situations. I cannot give any accurate predicting about thresholds, but as I saw over extended Adriatic region ACI goes from about -50 in very stable situations to +50 in extreme instability regimes. I think that everything over +20 give nice moisture/instability ingredients for convection. You are free to test it and please make your observations public available.