Nova karta za predviđanje grmljavinskih oluja, nazvana ML WMAXSHEAR, unijela je dosta zbunjenosti kod dijela naših čitatelja. Kako ih ne bi ostavili bez odgovora, evo detaljnijeg pojašnjenja, koje zahtijeva ipak više teksta i slike nego je to moguće u facebook komentarima.

WMAXSHEAR karta izgleda otprilike ovako:

Minimalističko objašnjenje

Bojom (skala desno) je označena vrijednost WMAXSHEAR, dok su bijelim točkicama označene potencijalne oborinske zone, prema izravnom predviđanju modela. Očito, zone oborine su moguće i na bijelom području karte ali one tad neće biti vidljive na slici. To je namjerno tako izvedeno. Cilj ove karte je odrediti područja pojave grmljavinskih oluja. U obojanom području postoji nestabilnost atmosfere i vertikalno smicanje vjetra (oboje su > 0) i to će biti zapravo i uvjeti za nastanak imalo ozbiljnijih grmljavinskih nepogoda, ako postoji oborinska naoblaka. Ako nema nestabilnosti (CAPE = 0; smicanje je gotovo u 99,9% slučajeva > 0), onda će i oborina biti iz formirane stratiformne (slojevite, negrmljavinske) naoblake i kao takva nam je za potrebe pronalaženja konvektivnih oluja nezanimljiva. Zato nije vidljiva na ovoj karti (bijele točkice na bijeloj podlozi ==> generalno, tamo gdje je CAPE = 0).

Stoga, da bi odredili područje mogućih grmljavinskih oluja potrebno je da imamo obojano područje na karti i bijele točkice. No kako su bijele točkice vidljive isključivo u obojanom području, to je dovoljno se koncentrirati samo na njih – ako vidimo bijele točkice, grmljavinska naoblaka je moguća. Razina boje, prema desnoj skali, govori o potencijalnom intenzitetu grmljavinskih oluja tamo gdje ima bijelih točkica. Što je boja viša, i oluje su potencijalno jače, i obratno.

Linija od 400 m2/s2 označava WMAXSHEAR granicu koja ugrubo dijeli mogućnost nastanka jače grmljavinske naoblake s opasnim elementima od one manje opasne. U područjima s WMAXSHEAR > 400 m2/s2 (narančasta boja i više), mogu se očekivati multićelijski i superćelijski kumulonimbusi mezoskalnih dimenzija s potencijalno opasnim pojavama (tuča, tornado, orkanski vjetar, poplave), dok u područjima s manjom vrijednosti (plava boja) mogu se očekivati jednoćelijski grmljavinski oblaci, mnogo manjih dimenzija, koji u pravilu ne daju opasne pojave. Na kraju treba nešto pitati i količinu bijelih točkica. Što ih u nekoj regiji ima više, to je oborinska naoblaka rasprostranjenija pa je i veća vjerojatnost da će doći do ostvarenja pojave grmljavinskog nevremena u blizini…

Kao osnovno objašnjenje to je dovoljno da znate o ovoj karti. Uz obaveznu napomenu da su znatna odstupanja od tako dobivene prognoze uvijek moguća te da kombinacija točkica i boja nije nikakva garancija za uspješan stormchase, niti izostanak kombinacije znači da se oluja neće dogoditi. Sve je to zapravo pitanje vjerojatnosti.

A sad za one koji žele znati više, detaljnije objašnjenje

Nestabilnost, CAPE, CIN, uspinjujuće česti i druge bitne bedastoće…

U prvom redu da bi razumjeli ovu kartu s mehanističkog principa, moramo razumjeti osnovne principe nastanka grmljavinskih oluja. Da bi se formirao grmljavinski oblak (kumulonimbus) treba biti ispunjeno par uvjeta. Prvi nužan uvjet je tzv. latentna nestabilnost atmosfere. Postoji i apsolutna nestabilnost, kad je opadanje temperature s visinom > 1°C na svakih 100 metara uspona. Pri apsolutnoj nestabilnosti dolazi do spontanih uzlaznih strujanja (miješanja slojeva po visini) i to su primjerice situacije u niskom sloju zraka pri termičkog konvekciji uslijed pregrijane podloge sredinom dana nad kopnom. No, to nije situacija koja nužno vodi do nastanka grmljavinskih oluja.

Za njihov nastanak u pravilu tražimo područja latentne nestabilnosti; takva područja imaju manji vertikalni gradijent od 1°C na 100m, te pritom nema spontanog miješanja slojeva po visini. Međutim, mjera za latentnu nestabilnost je CAPE (Convective Available Potential Energy) i takva latentna nestabilnost dolazi iz sinoptičkih uvjeta kad se pri tlu nalazi vlažna i topla zračna masa a iznad nje hladnija i u najčešće manje vlažna. Tad, ako postoji neki termički ili dinamički mehanizam koji je u stanju prisilno podignuti dio donjeg sloja zraka na veću visinu, u hladnije i manje vlažno područje, može doći do oslobađanja nestabilnosti. Obično taj određen volumen zraka kojem promatramo fizikalne promjene tijekom podizanja kroz okolne slojeve zraka nazivamo čest, a proces ovakvog podizanja ulaganjem vanjske (kinetičke) energije zovemo prisilna konvekcija. Što se dalje događa?

Naime, dizanjem česti dolazi do njezina hlađenja (zbog opadanja tlaka ekspanzijom) po stopi 1°C na 100m uspona, te čest postaje u pravilu hladnija od okoline u kojoj temperatura opada sporije od 1°C na 100m). Ali, u trenutku kad se vodena para u česti zbog hlađenja počne ukapljivati, proces ukapljivanja u tekuće stanje oslobađa toplinu i daljnjim podizanjem česti ona se stoga hladi sporije nego ranije. Takav proces se sad zove mokroadijabatska stopa hlađenja (za razliku od suhoadijabatske prije ukapljivanja vodene pare) i stopa hlađenja je sad manja od 1°C na 100m.

Ako je pritom mokroadijabatska stopa dovoljno mala (kad ima mnogo vlage u zraku za oslobađanje mnogo latentne topline ukapljivanjem), tj. kad je stopa česti manja od okolnog vertikalnog gradijenta temperature, doći će trenutak kad će čest koja se uspinje (još uvijek prisilno, vanjskim podražajem!) postati jednako topla kao okolina. Svako daljnje podizanje iste dovodi do toga da je ona toplija od okoline, što znači da ima uzgon u odnosu na okolinu i više joj nije potreban vanjski prisilan mehanizam za podizanje. Odsad nadalje, ona se samostalno akcelerira uvis zbog uzgona, i nastaje tzv. slobodna konvekcija. Kažemo da je čest dosegla razinu slobodne konvekcije (Level of Free Convection – LFC) i to je trenutak u kojem započinje samostalni životni ciklus olujnog oblaka kumulonimbusa. Zabava može početi!

Ovdje je iznimno važno primjetiti da je za podizanje česti prije nego ona dosegne LFC apsolutno nužna vanjska pobuda, tj. uložena kinetička energija izvana koja će čest podizati unatoč njezinom otporu podizanju, koji nastaje zbog negativnog uzgona ispod LFC razine. Taj negativni uzgon se opisuje parametrom CIN (Convective INhibition) i što je on veći to će biti potreban jači inicijalni impuls za savladavanje istog. CIN postoji dok god je uspinjujuća čest hladnija od okolnih slojeva zraka. Nakon dosezanja LFC, vanjski impuls prestaje biti nužan, jer čest nastavlja vertikalno ubrzavanje zbog uzgona, budući da ona više nije hladnija od okoline, što je posljedica procesa ukapljivanja dovoljne količine vodene pare, tj. oslobađanja dovoljno latentne topline.

U slučaju kad je CAPE mali, tj. kad je na nekoj visini iznad LFC mala razlika između temperature česti i okoline (*), postojanje vanjskog impulsa može i dalje biti važno za održavanje procesa, tj. da se konvekcija ne ugasi. Ako je CAPE velik i povoljnog oblika površine na termodinamičkim dijagramima (skew-t), tj. značajnog iznosa u donjem dijelu, samostalna konvekcija nakon dosezanja LFC ne bi trebala biti upitna.

* – striktno govoreći ova razlika nije CAPE nego lifted index ali nema potrebe da vas zbunjujem dodatno

Uložena energija koja daje početni impuls za formiranje slobodne konvekcije (dosezanje LFC razine) je zapravo mehanizam iniciranja konvekcije i osim latentne nestabilnosti (CAPE > 0), drugi je nužan uvjet nastanka olujnog oblaka. Što može u praksi biti taj mehanizam? Hladna fronta, orogenetsko uspinjanje zraka pri prelasku prepreke, dinamika mlazne struje, prizemna konvergencija vjetra, visinska divergencija vjetra, su neki od uobičajenih primjera mehanizama koji su u stanju podići prizemne česti na visinu veću od LFC razine.

Dakle za sad imamo dva nužna uvjeta za nastanak olujnog kumulonimbusa: 1) CAPE > 0, i 2) mehanizam iniciranja konvekcije. Nedostaje još nešto za one prave, moćne oluje, a to je:

Vertikalno smicanje vjetra…

Da bi oluja imala svoj pravi karakter i stvorila opasne pojave poput destruktivne tuče, tornada, orkanskih downburstova, obilne kiše i poplava i drugih nevolja, osim nestabilnosti potrebna je i povoljna dinamika kretanja zraka oko samog kumulonimbusa. Ti dinamički procesi koji poput efekta dimnjaka pojačavaju vertikalne uzlazne struje u olujnom oblaku dolaze iz vertikalnog smicanja vjetra. Vertikalno smicanje je vektorska razlika brzine vjetra na dva sloja visine iznad iste točke tla. Vektorska razlika znači da oduzimamo dva vektora. Naime… ako je brzina na jednom sloju 10m/s i na drugom 10m/s ali su smjerovi suprotni, skalarna razlika bi bila 10-10 = 0m/s, ali vektorska će biti 20m/s ako se smjerovi razlikuju za 180°. Pojednostavljeno, zamislimo to ovako. Imamo dva balona iznad glave, na različitim visinama i pustimo ih slobodno da ih vjetrovi nose. Brzina kojom se udaljavaju točke na tlu koje se nalaze vertikalno ispod pojedinog balona, jedna od druge, govori nam koliko je vertikalno smicanje vjetra između slojeva zraka na kojima se nalaze baloni.

OK, pa zašto je to sad bitno za oluje? Ova razlika vjetrova po visini omogućuje ubrzavanje vertikalnih strujanja u oblaku, čime on postaje jači. Naime, ako se uspinjujuća čest odjednom počne ubrzavati i u horizontalnom smjeru, ona bježi brže od donjeg dijela oblaka u apsolutnom iznosu udaljenosti, što znači da iza sebe ostavlja “prazninu”, tj. rjeđi zrak koji se sad mora brže popunjavati nadolazećim zrakom ododzo… odnosno, uspinjanje donjih slojeva postaje brže, i cijela formacija ima veće šanse za samoodržanje i dugovječnost te apsolutni iznos snage odvijajućih procesa.

Ali, ako je smicanje prejako u odnosu na brzinu uzlaznih strujanja, tj. ako je smicanje u kvalitativnom pogledu mnogo intenzivnije nego nestabilnost (CAPE) onda će doći do raskidanja uzlazne zračne struje i razbijanja formacije oblaka. Prejako smicanje u slabo nestabilnoj atmosferi, ili čak i u dovoljno nestabilnoj ali uz slabe mehanizme iniciranja konvekcije dovode do brzog uništavanja začetnih olujnih sustava.

U pravilu, za postojanje i održivost najjačih olujnih sustava trebamo povoljnu kombinaciju sva tri uvjeta – snažan CAPE, snažno smicanje i snažne mehanizme iniciranja slobodne konvekcije. Upravo to ova karta pokušava predstaviti.

Sad dolazimo do WMAXSHEAR parametra. On kombinira zajednički utjecaj nestabilnosti i vertikalnog smicanja i velik je onda kad su oba parametra velika. WMAXSHEAR je umnožak drugog korijena dvostrukog CAPE-a (J/kg) i smicanja između razine 10m i 6km (m/s). WMAX dio naziva (omega-max) dolazi iz teorijskog opažanja da je maksimalna brzina uzlaznih strujanja slobodne konvekcije proporcionalna upravo tom dijelu jednadžbe – drugi korijen iz dvostruke CAPE vrijednosti. SHEAR dio naziva dolazi očito od smicanja 0-6km.

Prema tome, kad je WMAXSHEAR velik, potencijal za intenziviranje i održivost stvorenih kumulonimbusa je velik. No, to nisu dovoljni uvjeti za njihov nastanak; uzaludna je latentna nestabilnost kao i smicanje, ako ne postoji dovoljno jak mehanizam iniciranja konvekcije koji će nadvladati CIN energiju i podići česti barem do LFC razine. Dapače, visoke vrijednosti CAPE najčešće prati i visoka vrijednost CIN (ne nužno ali zaista često), a također kako smo ranije diskutirali i jako smicanje je u pravilu destruktivno za slabašno inicirane uzlazne struje. Stoga pri jako velikim vrijedostima WMAXSHEAR moramo imati zaista snažan dinamički poticaj razvoja konvekcije, inače od svega neće biti ništa. Grmljavinski oblak će se mnogo lakše stvoriti u nižoj vrijednosti WMAXSHEAR ako su na raspolaganju samo slabašni mehanizmi iniciranja, nego u visokoj vrijednosti ovog parametra. Međutim, u niskim WMAXSHEAR, destruktivni potencijal stvorenih olujnih sustava bit će vrlo ograničen, i obratno.

Modelirane zone oborine donekle rješavaju problematiku prognoze mehanizama iniciranja konvekcije, iako ne u potpunosti. U teoriji a također i u praksi, moguća je stratiformna oborina čak i pri velikoj vrijednosti CAPE i smicanja, no u takve detalje sad nećemo ulaziti. Ipak je zgodno pogledati i prostorni raspored oborinskih zona s predviđenim količinama (standardne karte oborine) za procjenu da li je predviđena oborina konvektivnog ili stratiformnog karaktera, bez obzira nalazi li se u zoni povećanog WMAHXSHEAR parametra ili ne. Kao i obično, jedna karta sama za sebe nije dovoljna, pa tako ni ova.

Usput, “ML” u WMAXSHEAR znači da je CAPE određen na temelju pretpostavljene česti dobivene iz miješanog prizemnog sloja unutar najnižih 180 hPa od tla (Mixed Layer CAPE).

Nadamo se da smo ovime razjasnili u dovoljno detalja ovaj produkt i da više ne bi trebalo biti dileme na koji način tumačiti ovu kartu. Za više informacija o WMAXSHEAR parametru i problematici, predlažemo sljedeću literaturu:

  • Brooks, H., Lee, J., Craven, J. 2003: The spatial distribution of severe thunderstorm and tornado environments from global reanalysis data. Atmospheris Research, 67, 73-94.
  • Pucik, T., Groenemeijer, P., Ryva, D., Kolar, M. 2015: Proximity soundings of severe and nonsevere thunderstorms in central Europe. Monthly Weather Review, 143, 4805-4821.
  • Taszarek, M., Brooks, H.E., Czernecki, B. 2017: Sounding-derived parameters associated with convective hazards in Europe. Monthly Weather Review, in press.