Significante hagel-events

Noodweersituaties gaan regelmatig gepaard met hagel. Naast de windstoten & bliksemactiviteit zijn hagel-events tijdens onweersbuien ook een grote bron van schade. Deze bespreking licht deze hagel-events toe waarbij we het zullen hebben over de hagel-groeizone (hail growth zone), het traject hagel in de onweersbui volgt om te groeien tot grotere objecten en zullen we dit linken aan de valsnelheid van hagel, diens impact & waar we de oorsprong van hagel kunnen zoeken.

Laten we beginnen met een discussie omtrent de rol van windschering & mid-level rotatie in de sterkte van een updraft.

Verticale windschering produceert horizontale vorticiteit dat door een updraft gekanteld kan worden in de verticale zin. Deze verticaal-georiënteerde vorticiteit is geassocieerd met een roterende updraft en is volgens onderzoeken het sterkste in de de mid-levels van de updraft. We denken o.a. aan Browning & Laundry in 1963, Fujita & Grandoso in 1968, Rotunno in 1981 & Rotunno & Klemp in 1985.

Ongeacht de richting van de rotatie (cyclonaal of anticyclonaal) is er met de rotatiekolom een centrifugale kracht geassocieerd. Hoe sterker de rotatie, hoe sterker de centrifugale kracht die er mee gepaard gaat. Sterkere roterende updrafts worden op radar geïdentificeerd als mesocyclonen (of mesoanticyclonen).

Om de 2 krachten te balanceren (rotatie & centrifugale kracht) moet er een tegengestelde PGF of pressure gradient force aanwezig zijn. Draait de vortex nu cyclonaal, of anticyclonaal: de rotatiekern genereert een dynamisch geïnduceerde kern van lage druk, nl. het "lifting pressure gradient" zoals genoemd door Kelvin Droegemeier, Frank Gallagher III & Ming Xue en Markowski & Richardson in hun 2010- onderzoek. Hierdoor wordt er een inwaarts gerichte kracht (PGF) opgewekt en blijft de balans tot stand.

Dit dynamische lagedrukgebied werkt een opwaarts gericht drukgradiënt op waardoor er een opwaartse PGF wordt opgezet die de verticale beweging of anders gezegd de updraft versterkt. In de vermelde onderzoeken is het wiskundig aangetoond dat de versterking van de updraft als resultaat van dit concept even groot kan zijn dan de stijgstroom opgewekt door de CAPE. En verhoogt de originele stijgstroom soms met een factor 2.

Sterkere updrafts hebben de mogelijkheid om grotere hagelstenen in de lucht te houden, dus een mesocycloon (roterende updraft) heeft door bovenvermeld proces een grotere kans om een significante hagel-event te brengen. Een mesocycloon is zelfs een héél sterke indicator voor de anticipatie op hagel-events. 

Sterker zelfs... het hoogste percentage van significante hagel-events worden geproduceerd door supercels zoals aangetoond in onderzoeken door o.a. Conway, John W., Dušan S. Zrnić in 1993 en Blair, S. F., D. R. Deroche, J. M. Boustead, J. W. Leighton, B. L. Barjenbruch, & W. P. Gargan in 2011.

Uit de onderzoeken is gebleken dat er een verband bestaat tussen de terminale velociteit van een vallende hagelsteen en de impact die deze hagelstenen kunnen hebben. Als de diameter van een hagelobject vergroot stijgt de impact van deze hagelstenen volgens een expontentiële factor.

m.a.w. De impact van de hagel is veel groter bij een grotere diameter... Dit terwijl volgens het diagram de valsnelheid van hagel niet zo zeer toeneemt. Deze proportionaliteit is te wijten aan het feit dat een grotere hagelsteen een groter oppervlak heeft waardoor de "drag" van de lucht langs de hagelsteen groter wordt en daardoor ook de valsnelheid sterker gemoduleerd (vertraagd) kan worden.

Het vormen van een hagelsteen heeft een soort embryo nodig zoals een ijs-kristal, graupel of een regendruppel, etc... waarop ijs kan accumuleren tijdens zijn tocht doorheen de "superkoele" water-regio in een cumulonimbus updraft. Volgens onderzoek is de meest efficiënte hagelgroei gegenereerd in de regio tussen -10 & -30°C. Dus weten we dat de grootte van een hagelsteen afhankelijk is van de periode of de tijdspanne waarin het zich in die regio kan bevinden.

Deze regio wordt de hagel-groei zone genoemd (hail growth zone).

Een factor waarvan gedacht wordt dat deze de verblijftijd in de hagel-groei zone zou moduleren is de CAPE. Zeker de CAPE in de -10 tot -30°C laag. Een hogere CAPE in de hagel-groei zone is een indicatie dat een updraft van een onweersbui sterk genoeg is om grotere hagelstenen langer in deze hagel-groei zone te houden waardoor accumulatie op het hagelobject langer kan doorgaan en zo resulteert in een grotere hageldiameter.

Hou in gedachten dat de CAPE in de hagel-groei zone enkel een concept is gebaseerd op een model en dat deze stelling nog niet is getest geweest. Ook zijn in-situ waarnemingen er nog niet in geslaagd dit te bevestigen. 

Verder onderzoek is broodnodig want hagel-forecasting staat nog in zijn prille kinderschoenen.

Dit is een sounding van een onweersdag in april, meerbepaald 11 april 2012. De witte lijn representeert het pad een luchtdeeltje volgt dat gelift wordt vanaf het oppervlak (sbCAPE). De blauwe lijnen representeren de -10 tot -30°C laag (= de hagel-groei zone) en het gebied afgebakend tussen de witte & rode lijn & de 2 blauwe is de CAPE in de hagel-groei zone. We zien een dun CAPE-profiel met weinig CAPE in de laag tussen -10 tot -30°C.

Het resultaat was dat er geen significante hagel bij deze onweersdag te melden was. Daarmee bedoelen we niet dat de intensiteit van de hagel-neerslag ondermaats hoeft te zijn maar doelen we op de impact van de hagel gemoduleerd door kinetische energie van de hagelobjecten.

Bovenstaande afbeelding illustreert dit gegeven waar duidelijk is dat de hageldiameter op deze dag klein was en dus ook geen grote impact had op de omgeving en samenleving. Een link naar het filmpje vind je hier (opgemaakt door onze vaste chase-partners "Chase2be").

Vergeet niet dat supercels de mogelijkheid hebben om ondanks een dun CAPE profiel in de hagel-groei zone toch significante hagel kunnen brengen door het dynamisch systeem besproken in het begin van dit artikel (verhoogde updraftsnelheid door het dynamisch geïnduceerd lagedrukgebied)

Als tegenpool op de april-casus is dit een sounding van een andere onweersdag. Ditmaal sprekend over 25 mei 2009. Hier zien we een dik CAPE-profiel in de hagel-groei zone waarbij de volledige sbCAPE veel hoger is (+ 2500 J/kg).

We zien steile lapse rates in de hagel-groei zone waardoor we bij deze onweersituatie wèl een significant hagel-event hebben meegemaakt (ook gemoduleerd door de dynamische eigenschappen van dit systeem).

Een onweersbui heeft verschillende bronnen voor het leveren van hagel-embryo's en kunnen allemaal tegelijkertijd in de bui aanwezig zijn, maar we gaan ons hier enkel focussen op de 3 belangrijkste bronnen.

De eerste bron is deze door een ontwikkelende updraft of groeiende cumuli aan de flank van de primaire bui of binnenin de stijgstromen van een multicel-onweer.

De tweede is bij het "stagnatie punt" in de midlevels van een intense updraft terwijl de derde bron het water is dat van de hagelsteen wordt afgescheiden tijdens zijn smeltproces. Deze laatste is een secundaire bron. Secundair omdat er eerst hagel aanwezig moet zijn vooraleer deze bron betekenis heeft want iets dat smelt dient natuurlijk eerst bevroren te zijn.

Groeiende cumuli & flanking lines nabij de hoofd-updraft van de "parent-cel" zijn een ideale incubator voor jonge hagel-embryo's omdat hun stijgstroomsnelheden niet te sterk zijn zodat de embryo's tot enige grootte kunnen groeien vooraleer ze richting de hoofd-updraft geadvecteerd worden en daarin tot grotere hagelobjecten kunnen groeien.

Het "stagnatiepunt" vinden we in de mid-levels aan de "upshear" kant (richting waaruit de shearvector wijst) van een updraft en is een belangrijke bron voor hagel-embryo's. Het stagnatiepunt ontwikkelt omdat een updraft een obstakel vormt voor de airflow, zodat een dynamisch hogedrukgebied aan de "upwind" kant wordt gecreëerd en een regio van weinig tot geen horizontale flow omdat de airflow in die midlevels splitst en langs de updraft zelf wordt geleid.

Onthoud dat de updraft van een onweersbui poreus is. Daarmee bedoelen we dat het geen vast object is dat de flow verstoort maar enkel een percentage van de mid-level airflow langs de updraft omleidt. Een deel van de flow vindt toch zijn weg nog richting de updraft en ondergaat met deze laatste een mixing.

Het stagnatiepunt is belangrijk omdat de rand van de hoofdzakelijke updraft van een onweersbui een regio is waar graupel & ijskristallen lang genoeg in de hagel-groei zone kunnen blijven om zo tot grotere hagelobjecten te groeien.

Hagelstenen met een diameter hoger dan 9mm zijn gekend om water af te scheiden bij hun smeltproces. Deze waterdruppels zijn dan terug potentiële embryo's geworden en kunnen op hun beurt terug uitgroeien tot grotere hagelobjecten wanneer zij terug worden opgetild door de updraft om het vries & accumulatieproces opnieuw te doorlopen. 

Dual-polarisatie radarapparatuur zoals deze van het KMI in Jabbeke ondersteunt in wezen de detectie van deze "water-afscheidende regio's" indien de software daarvoor aanwezig is.

Het betreft een proces dat als volgt te werk gaat...

Langs het midden van het hagelobject wordt een torus gevormd van water en uit deze watercoating wordt omwille van de oppervlaktespanning die gebroken wordt water afgescheiden.

Deze waterdruppels worden dan terug in de updraft naar boven getrokken waar het terug deze cyclus van bevriezing & accumulatie ondergaat.

Vergeet niet dat een traject van hagel sterk afhankelijk is van de verblijftijd in de hagel-groei zone van supergekoeld water (-10 tot -30°C). Sterke, wijde en persistente updrafts met een storm-relatieve wind die niet al te sterk is lijken het meest voordelig omdat de terminale velociteit van een hagelsteen gebalanceerd is met de updraft om een extensieve periode in de hagel-groei zone te waarborgen.

Dus... het belang om het meest ideale traject te begrijpen dat een hagelsteen doorheen de updraft dient te volgen spreekt voor zichzelf.

Het probleem is daarentegen dat deze trajecten extreem divers zijn en dat veel, zoniet alle trajecten tegelijkertijd in de onweersbui te vinden zijn.

Deze diversiteit wordt nog gecompliceerder wanneer de grootte van de bui, de sterkte van de updraft en winschering toeneemt. Laat staan wanneer er een supercel wordt gevormd bij een splitsing waardoor een left- en of rightmover wordt gevormd.

Een hagel-embryo kan tot de grootte van een golfbal groeien door 1 enkele trip te reizen door een updraft van een pluse-bui (Knight & Knight in 2001) maar grotere dimensies vereisen dat de deze hagelobjecten gerecycleerd moeten worden en dus meerdere cycli doorheen de updraft moeten ondergaan.

Een voorbeeld hiervan gebeurt in een multicel-onweerscomplex waarbij de nieuwere updraft aan diens basis hagelval injecteert van een oudere updraft. De grootste hagelstenen vinden we wanneer embryo's aan de upshear zijde (vb flanking line van een supercel updraft) beginnen en zo door verschillende cycli de langste verblijftijd in de hagel-groei zone behalen.

Laten we een grafische blik werpen op wat we bedoelen met de verblijftijd.

In bovenstaande afbeelding zijn de kleurvelden isopleths die de updraftsnelheden in m/s aanduiden. De grijze stippellijnen stellen de radar-reflectiviteit voor in dBZ en de dikke blauwe horizontale streepjes zijn de isothermen in °C.

Laten we beginnen met een voorwaarts gescheerde updraft en een graupel-deeltje dat zijn oorsprong heeft in de "back-sheared anvil" (het achterste stuk van het vooruit gesmeerd aambeeld). In dit sterk gesimplificeerd 2D model is er horizontale circulatie doorheen de updraft waardoor het graupel-deeltje beweegt. Het graupel deeltje wordt door de stijgstroom omhoog getild en komt in de hagel-groei zone terecht van -10 tot -30°C.

Daar groeit het verder uit tot een groter hagelobject door steeds verdere accumulatie tot het hagelobject zwaarder wordt dan de stijgstroom kan dragen en wordt dan naar beneden geaccelereerd waardoor het richting het aardoppervlak valt.

Hier ziet u een ander beeld van dit recyclage proces. De kleurvelden zijn de reflectiviteit van de radar in dBZ en de blauwe streepjes zijn de isothermen in °C.

Bemerk dat het hageldeeltje niet door de kern van de updraft naar boven trekt daar die meestal neerslagvrij is. Het graupeldeeltje wordt naar boven gebracht tot de EL van de onweersbui waarna het lateraal downshear wordt geadvecteerd en dan langs de rand van de WER (Weak Echo Region) zo terug wordt getrokken, waarna er mogelijks terug een cyclus begint tot het terug te zwaar wordt en vlak naast het updraftmaximum naar beneden valt.

Een HP supercel met een DCZ of "Deep convergence zone", is een peristente potentieel catastrofale onweersbui die grote hoeveelheden neerslag met zich meebrengt, gaande van regen tot grote en soms gigantische hagel met frequent hagelschade over een groot traject.

De typische HP supercel produceert enkel een zwakke korte tornado of meestal zelfs geen enkele, maar het noodweerverschijnsel bij uitstek voor zo een cel is de flash flooding en de hagel.

De sterkste eigenschap van een HP supercel is de DCZ of Deep Convergence Zone en is een smalle zone van hoge shear & turbulentie die gevonden kan worden langs de rand van de rear flank downdraft (RFD) en de forward flank downdraft (FFD).

Men kan dit zien als een soort hellend vlak die 2 types luchtstromen van elkaar scheidt en reikt soms tot 10 km hoog.

Deze illustratie stelt de DCZ voor van een HP supercel zoals voorgesteld werd in een onderzoek door Lemon & Parker (1996). De pijlen stellen de relatieve flow-regimes voor waarbij rood/oranje de warme vochtige lucht is die als inflow in de bui wordt geadvecteerd. De groene pijlen daarentegen stellen de droge lucht voor die langs de achterzijde naar voor wordt gedrukt (RFD).

De oranje "X" is de locatie waar wij ons bevonden toen we deze cel onderzochten en een illustratie hebben voorzien voor het conceptioneel model dat door Lemon & Parker in 1996 werd opgesteld.

In het conceptioneel model van Lemon & Parker is de updraft gelocaliseerd tussen B & C. Hieronder ziet u onze afbeelding van de HP supercel ten NO van Parijs, en kunt u duidelijk de interface en het onderste stuk van het hellend DCZ oppervlak zien.

Mixing wordt hierdoor op een efficiënte manier beperkt tot deze dunne zone die de updraft van destructieve mixing afschermt waardoor de onverstoorde updraft desondanks de hoge water-loading & hoge neerlslagsterkte, waarden kan bereiken die grote tot soms gigantische hagel ondersteunt.

Zulke onweersbui heeft een heel brede updraft die niet noodzakelijk beperkt is tot 1 exemplaar maar soms bestaat uit vele stijgstroomkernen die samenwerken en een enorm hagel-groei gebied (volume) creëren waar de temperatuur tussen de -10 tot -30°C is zodat deze type buien de hagelproducenten bij uitstek zijn.

Met grote dank aan Arne Prové voor het nemen van deze foto en de altijd productieve samenwerking met Chase2be voor de mogelijkheid te brengen een tastbare illustratie van het Lemon & Parker onderzoek te ontdekken.

Bow echo's & mesovortices

Met de bow-echo event van zaterdag 25 januari 2014 nog fris in het geheugen lijkt het een goed tijdstip om deze fenomenen tot de uiterste grens van de huidige kennis a.d.h.v. de meest recente onderzoeken uit de verpakking te halen.

We weten dat buienlijnen in een boogvorm kunnen voorkomen. De boogvorm die duidelijk is op de neerslagbeelden krijgt dan de naam van "bow-echo" toegekend, aangezien de "echo-return" van de radar-pulse een buienlijn in boogvorm retourneert.

De reden van deze boogvorm dienen we te zoeken in het feit dat er een sterke voorwaartse duw aanwezig is die de buienlijn naar voor doet doorbuigen. Het mechanisme dat verantwoordelijk is voor die boogvorm is de Rear inflow jet (of RIJ).

De rol dat deze RIJ invult in deze frequente buienconfiguratie is reeds geruime tijd bestudeerd geweest door o.a. Fujita in 1978 - 1981, Fujita en Wakimoto in 1981, Forbes en Wakimoto in 1983, Atkins et al. 2005, Wheatley et al. 2006 en Wakimoto et al. 2006.

Elk van deze onderzoeken toonde aan dat de RIJ als motor diende om de buienlijn naar voor te duwen en de bow-echo zijn naam te geven en dat deze boog-configuratie veelal gepaard ging met diverse manifestaties van schade. De schadesporen varieerden sterk en manifesteerden zich in smalle tot brede sporen die zowel kort als lang kunnen zijn, strekkend tot meer dan 100 kilometer lang.

Onderzoeken naar de typische schade, hun manifestaties en sporen van bow-echo's werden uitgevoerd door o.a. Fujita and Wakimoto in 1981, Johns & Hirt in 1987, Przybylinski 1995, Jorgensen & Weckwerth 2003 en Atkins et al. 2004.

Een recenter onderzoek (Wheatley et al. in 2006) heeft dan gebruik makend van een schade-onderzoek in combinatie met de doppler radial velocity-data succesvol kunnen aantonen dat de onderzoeken naar de mogelijke RIJ inderdaad juist waren en heeft het bestaan van de RIJ en diens rol in de bow-echo schade kunnen bewijzen.

De creatie van een Line echo wave pattern (LEWP) is door onderzoeken zoals BAMEX, 2003 & Davis et al, 2004 bevestigd als mogelijke evolutie en/of manifestatie van de bow-echo feature en is in wezen een soort ketting van kleinere bow-echo's als onderdeel van een volledige lijn.

Door de golvende natuur van deze buienlijn en de veel voorkomende onderbrekingen die bij deze configuratie te vinden zijn werd deze buienconfiguratie dan een Quasi Linear Convective System (QLCS) genoemd.

Recente numerische & observationele onderzoeken hebben uitgewezen dat er op de meso-gamma schaal (2 - 20km) aan de voorkant van bow-echo's mesovortices worden gegenereerd die verantwoordelijk zijn voor versterking en lokalisatie van schade en dat die sterk gelinkt zijn met de plaats waar de RIJ tegen het aardoppervlak wordt gesmakt... Een hypothese voor het eerst naar voor gebracht door Trapp & Weisman in 2003.

We moeten weten dat overal waar die RIJ de grond raakt en het QLCS naar voor drukt dat er aan het voorwaartse gustfront van de bow-echo uitstulpingen ontstaan.

De volgende afbeelding illustreert dit gegeven waarbij de oranje/roze/rode uitstulpingen aan de voorkant van de bow-echo verantwoordelijk zijn voor de creatie en onderhoud van mesovortices (groene rotatiepijltjes). Het maximum aan RIJ-intrusie illustreert de locatie waar de Rear inflow jet (RIJ) langs de achterkant de buienlijn naar voor drukt.

De locatie van de sterkste mesovortices zijn sterk gerelateerd aan de locatie van de sterkste RIJ intrusie. m.a.w. Waar de gustfront-uitstulping het grootst is, vinden we iets ten noorden of ten zuiden van die locatie de zwaarste mesovortices. Enkel de sterkste mesovortices zijn deze die schade brengen, terwjil er ook overtrekkende mesovortices zijn die geen (extra) schade berokkenen.

Onderzoek door Trapp & Weisman in 2003 en Atkins in 2005 heeft uitgewezen dat nagenoeg alle schade bij bow-echo events te wijten is aan mesovortices die zich langs het QLCS gevormd hebben.

Let op: mesovortices zijn géén supercels want die hebben een andere diepte waarin de rotatie zich afspeelt. Terwijl supercels rotatie hebben tussen hun cloudbase tot verder dan de mid levels: upper levels tot +6 km, vinden we bij deze mesovortices rotatie tot 2 - 3 km hoog. (In de meest extreme gevallen kan die rotatie tot 4 km hoog reiken). 

Ook is de bron van rotatie voor supercels en mesovortices verschillend. De rotatie voor supercels vinden we in de verticale windschering van de omgeving, gemoduleerd door een updraft terwijl de bron van de mesovortex-rotatie (groene rotatierichting) te vinden is in de rotatie langs het gustfront die langs de interface van de uitstulping (outflow) en instulping (inflow) wordt gegenereerd.

Belangrijk om te weten is dat langs een voortbewegend gustfront van een QLCS er continu mesovortices kunnen worden gecreëerd zolang er een golvende natuur in het gustfront aanwezig is waardoor er een inflow-outflow of anders gezegd een downdraft-updraft interactie mogelijk is.

Valt de downdraft (locaal en/of RIJ) weg, zijn er ook geen uitstulpingen mogelijk en dus ook geen updraft/downdraft interactie. De gelokaliseerde inflow is te wijten aan de vorm en diepte van de uitstulping, waarlangs er lucht wordt gekanaliseerd in een compacte inflow-notch.

Onderstaande afbeelding, afkomstig van een onderzoek uitgevoerd door Atkins et al in 2005, toont dit in een mooi progressie-schema aan waarbij we per tijdsinterval de progressie zien van een bow-echo (QLCS gustfront) en de mesovortices die daar langs werden gecreëerd.

Het is duidelijk dat er langs èlke uitstulping van het gustfront mesovortices worden gecreëerd. De zwarte vlekjes zijn anticyclonale vortices en de grijze zijn de cyclonale tegenpolen. Hoe dieper de uitstulping, hoe sterker de vortices zijn wat aangetoond wordt aan de grootte van de vlekjes.

Het doppler onderzoek door Weisman in 2003 heeft aangetoond dat de meeste gelokaliseerde schadesporen te vinden zijn waar er een superpositie is tussen de mesovortices en de sterkste outflow (RIJ- intrusies). Waar de rotatierichting van de mesovortex en de richting van de RIJ dezelfde zijn heb je een zeer lokaal accumulerend effect waardoor deze valwind heel lokale schade kan brengen en bevindt zich hoofdzakelijk langs 1 flank van de mesovortex in kwestie.

Daardoor dienen we op radar te kijken naar plaatsen waar de grootste uitstulpingen zijn daar we op die manier de plaats kunnen anticiperen waar de meeste schade te vinden is.

Bow echo's zijn ook gekend omwille van hun mogelijkheid om tornado's te brengen. We denken aan onderzoeken door Fujita in 1979, Forbes & Wakimoto in 1983, Wakimoto 1983, Przybylinski 1995, Funk et al. 1999, Atkins et al. 2004 en Atkins et al. 2005 die dit reeds hebben aangetoond.

Al deze onderzoeken hebben 1 gemene deler, namelijk dat de parent-cloud verantwoordelijk voor het brengen van een tornado de gevormde mesovortex is langs het QLCS gustfront. 

In tegenstelling tot de tornado's die een extensie zijn van de mid level rotatie van supercels, is de QLCS tornado zoals die genoemd wordt géén extensie van een mid level-supercel updraft rotatie. Ze zijn in het geheel niet aan supercels te linken, dus ook niet geïnduceerd door een supercel- RFD (Rear flank downdraft), alsook niet hoofdzakelijk verbonden aan een wallcloud, vertoont geen hook-echo en bevindt zich niet waar de typische supercel tornado zich bevindt (ten ZW van een naar rechts afbuigende supercel).

Ook de schade die door de QLCS tornado wordt veroorzaakt verschilt in de EF-schaal sterk van de supercel-tornado's. Onderzoek uitgevoerd door o.a. Przybylinski in 1995, Funk et al. in 1999, Atkins et al. 2004 en 2005 hebben aangetoond dat de typische QLCS- tornado schade brengt gaande van EF-0 tot EF-2 terwijl de supercel tornado's de volledige EF-schaal invullen tot EF-5.

Onderstaande afbeelding toont een onderzoek van een Bow-Echo event, uitgevoerd door Atkins in 2005 die mesovortices succesvol heeft gelinkt aan de progressie van de bow-echo. Dit vertrekkend van de losse cellen tot hun organisatie, boog-stadium en de laatste fase: het uitbuigend proces.

Deze image toont ons dat de zwakste mesovortices (stippellijnen) ontstaan in het prille organisatie-stadium van de bow-echo ontwikkeling, meerbepaald in de locaties waar de cellen beginnen samen te werken en hun gemeenschappelijke coldpool ontwikkelen.

Vanaf de organisatie duidelijk sterker is (bekijk de grijze acthergrond om de neerslag-organisatie te zien) vinden we sterkere mesovortices terug (volle lijnen). Duidelijk is ook dat deze het langst tot stand worden gehouden en ook het het verste traject afleggen. Hun traject waar ze hun maximum aan schade hebben gebracht zijn in het groen.

De generatie van mesovortices is tot op heden onafgewerkt onderzoek, maar er zijn verschillende hypotheses. Het onderzoek dat wel is afgerond zoals Atkins in 2005 en Atkins & S T . Laurent in 2009 toonde sterk aan dat de creatie van mesovortices (zoals aangetoond in vroegere onderzoeken, pre-2005) duidelijk gelinkt was aan de sterkste RIJ- intrusie.

Hun simulaties tonen op duidelijke wijze aan dat de RIJ aan diens basis ligt en dat verschillende mesovortices kunnen samensmelten en een grotere (ev. sterkere) mesovortex creëren, zoals je in de volgende 2 afbeelding kunt zien. De afbeeldingen zijn een detail-weergave van hoe de mesovortex 2235 (zie afbeelding hierboven) is geëvolueerd.

We zien duidelijk de creatie van de sterkste mesovortices waar de sterkste RIJ-intrusie te vinden is (te zien aan de rode pijlen). Ook zien we langs het QLCS gustfront verschillende mesovort-maxes. Na verloop van tijd zien we een merger van verschillende mesovortices tot één groter geheel wat overeen komt met het groene gedeelte langs het traject in de traject-afbeelding.

Ook zien we in deze tijds-reeks mooi de uitstulpingen waarlangs de mesovortices kunnen gevonden worden.

Het onderzoek van Atkins & S T . Laurent in 2009 heeft ook aangetoond hoe deze mesovortices precies worden gegenereerd en hoe die updraft-downdraft interactie tot stand komt.

Er zijn verschillende manieren hoe dit in zijn werk treedt, alsook verschillende configuraties die met mesovortex-genesis gepaard gaan. We vinden couplets zoals hierboven in de afbeelding met een cyclonaal en anticyclonale partner, alsook enkel cyclonale vortices of anticyclonale vortices.

Elke configuratie is eigen aan een apart stadium in de evolutie van de bow-echo of QLCS.

De couplet-case vinden we volgens het Atkins 2009 onderzoek veelal in het beginstadium van de boog-ontwikkeling wanneer de RIJ begint aan te spannen en de buienlijn naar voor drukt.

De couplet zelf kan op 2 manieren ontstaan, maar zijn beide gelinkt aan de intrusie van de RIJ. Langs het gustfront vinden we een rotatie langs een horizontale as en het is deze vorticiteits-as die ofwel naar beneden wordt gedrukt, waardoor de vortex-lijnen i.p.v. horizontaal een locaal verticaal component krijgen

Hierdoor krijgen we een cyclonale mesovortex aan de zuidkant en een anticyclonale aan de noordkant. De rotatie van de aarde (coriolis kracht) versterkt de cyclonale mesovortex en verzwakt de anticyclonale, waarna deze laatste na verloop van tijd verdwijnt.

De andere manier is net het omgekeerde. Hier worden de vortex-lijnen niet naar beneden gedrukt zoals bij de downdraft-dominante case is maar worden de vortexlijnen net omhoog getilt, waardoor we de cyclonale mesovortex nu aan de noordkant vinden en de anticyclonale aan de zuidkant.

De groene rotatiepijlen tonen de mesovortices. De gele stroomlijnen zijn de vortex-lijnen langs het gustfront & inflow. De blauwe neerdalende pijlen zijn een illustratie van de RIJ, en de rode pijlen zijn de updraft/inflow die door de RIJ naar boven wordt gedrukt.

We zien terug een tilting van de vortex-lijnen net zoals in het eerste geval, maar zien dat deze tilting naar boven is, die gekoppeld is aan een lokaal updraft-maximum. Hierdoor is de cyclonale & de anticyclonale vortex van plaats verwisseld i.v.m. de downdraft-dominante case die de vortex lijnen naar beneden buigt en zo de horizontale vorticiteit in de verticale zin kantelt.

Deze mesovortex-paren vinden we veelal terug in het beginstadium van de bow-echo wanneer de RIJ-intrusie nog niet op zijn piek is. Een voorbeeld van een reeks mesovortex-paren vind je in onderstaande afbeelding, waarin de stretching van de vortexlijnen en dus de tilting van de vorticiteit in de verticale zin langs het volledig QLCS gustfront duidelijk is.

De tweede configuratie is deze waarin de RIJ zijn piek behaalt of reeds heeft behaald en creëert enkel cyclonale mesovortices. De RIJ is hier meer lokaal gefocust en valt onder een hoek met de inflow aan de voorkant van de lijn en heb je een uitstulping in het gustfront die ervoor zorgt dat de inflow aan de linkerkant van deze uitstulping wordt gekanaliseerd en krijg je een maximum aan convergence.

Hierdoor heb je een gelokaliseerde opwaartse beweging en dus uitrekking van de ontwikkelende mesovortex en wordt zo de low-level circulatie in de vertiale zin getrokken.

De manier hoe we schadelijke mesovortices verantwoordelijk voor straightline- windschade kunnen onderscheiden van de tornadosche mesovortices wordt in de toekomst verder onderzocht maar de huidige hypothese (Atkins et S T . Laurent in 2009) is dat de doppler beelden dit kunnen aantonen.

Preliminair onderzoek, eerst door Weisman in 2003 en later door Atkins in 2005 - 2009, heeft aangewezen dat tornado-genesis onder de mesovortex-rotatie veelal wordt voorafgegaan door een sterke en snelle verdieping van de meso-vortex rotatie vooraleer de tornado ontwikkelt.

De basis- resultaten van het erg preliminair onderzoek door Atkins in 2005 - 2009 toont aan dat er een mogelijk onderscheid tussen de tornado-producerende mesovortices en de non-tornado producenten te vinden is in de Doppler images.

Het diagram toont de rotatie-snelheid: de radial velocity waarden in m/s voor de schadelijke mesovortices die geen tornado's hebben teweeg gebracht (groene lijn) en deze die wel tornado's hebben geproduceerd (rode lijn).

We zien duidelijk een sterk verschil in rotatiesnelheid in de onderste niveaus terwijl hoe hoger de rotatie te vinden is, hoe vlugger het verschil afneemt. Hieruit kunnen we concluderen dat hoe dieper de rotatie in de mesovortex is hoe minder gedefinieerd het verschil is tussen de producenten en de niet producenten, dus... hoe dieper de rotatie, hoe meer kans op een QLCS-tornado.

Anderzijds, als de diepte van de rotatie laag is zou er een hogere rotatiesnelheid aanwezig moeten zijn om indicatief te zijn aan een tornado.

De precieze rol van de mesovortices (MVC's) in QLCS of mesovortex-tornadogenesis is momenteel nog volledig onbekend. Ook is het momenteel onmogelijk om te zeggen waar en wanneer deze tornado's en schadelijke mesovortices zullen ontstaan.

In de toekomst zal dit onderzoek nieuw en beter licht krijgen door de hoge-resolutie modellering in combinatie met toekomstige high-res mobiele doppler radarsets van mesovortices.

Bow Echo 25 januari 2014

Door toedoen van een afzakkende trog vanuit het NW is er langs de grenslaag aan het oppervlak een buienlijn gevormd waaruit een stevige Bow-Echo is ontstaan (een gebogen buienlijn in boogvorm).

Een buienlijn buigt door als er aan de achterkant van de lijn een Jet situeert die de "Rear inflow jet" wordt genoemd en indien intens genoeg de buienlijn naar voor kan doen doorbuigen.

De GFS reanalysis van 25 januari om 18Z toont ons een strak 700mb windveld (op ongeveer 3km) met een embedded jetstreak waarbij de hoge windsnelheden tot in West Vlaanderen (BE) en Zeeland (NL) te vinden zijn.

De interne airflow van het systeem spant de 700mb windvectoren harder aan zodat de buienlijn in het bow-echo proces naar voor wordt gedrukt en begint door te buien waardoor de "bow echo" zijn vorm krijgt. Eénmaal dit gebeurt beginnen we te spreken van de "Rear inflow jet (RIJ)"

Wanneer deze RIJ de rij met buien tegenkomt wordt die omwille van de aanwezige neerslag naar beneden getransporteerd waardoor er hevige windstoten optreden met de eventuele schade tot gevolg (zoals het geval was bij deze event).

Het zien van een bow-echo op radar is omwille van die reden een indicator van hevige windstoten.

Als we kijken naar de pre-convectieve omgeving zien we voor de trog uit een tong met hogere Theta-E waarden waarbij de wind aan het oppervlak vanuit een zuidelijk component beweegt terwijl de airflow aan het oppervlak links van de trough-base vanuit het WNW tot NW komt.

We zien een textbook-opstelling van een trogpassage waarbij de verschillende luchtmassa's in het systeem goed van elkaar te onderscheiden zijn. De drogere luchtmassa die vanuit het WNW tot NW komt binnengestroomd dient als ingrediënt voor de lift en toont omwille van zijn gradiënt in de Theta-E waarden frontale features.

Ook toont het 500mb contourenveld duidelijk de divergerende airflow door de uiteenlopende stippellijnen vertrekkend van de trog-basis naar rechts. Dit gegeven wordt "upper level divergence" genoemd. Hierdoor zien we op 500mb (ongeveer 5-6 km hoog) lucht die uit de kolom verdwijnt boven de plaats waar de vochtige luchtmassa zich bevindt. De co-locatie van het sterkste theta-E gradiënt en de upper level divergence is de plaats waar de meeste actie zich ontplooit.

Dit omdat upper level divergence door de natuur wordt beantwoord door low level convergence. Waar in een kolom lucht er bovenaan verdwijnt moet er onderaan worden toegevoerd.

Omwille van de sterke advectie van positieve vorticiteit (PVA) werd er extra lift gecreëerd om het systeem te onderhouden ten tijde van aankomst aan de Benelux.

De vorticiteitsadvectie is te zien aan de windvectoren die de translatie van de vorticity-lobes accentueert. In samenspraak met de gunstige ligging van de 700mb, 500 en 250mb Jet die op zijn beurt aan de linker-uitgang ook PVA genereert, zoals duidelijk in het eerste watervapor image in deze bespreking, hebben we de nodige forcing van de buien ontplooid (een volledige bespreking van PVA komt binnenkort als artikel online).

Op radar zien we duidelijk de locatie waar de Rear inflow jet richting het oppervlak raast aan de "Rear inflow notches" (RIN) aan de achterkant van de buienlijn (afbeelding van Belgocontrol).

Een half uur later vinden we het inklappen van de bow-echo tot de comma-head en zien we duidelijk de dominante noordelijke Book-end vortex terwijl de situatie eenmaal boven de Benelux niet meer indicatief was om onweersbuien te ontwikkelen en/of te onderhouden waardoor zoals verwacht het systeem in enorm snel tempo zou afzwakken.

Ook opmerkelijk zijn de lagere cloudtops die met deze bow echo gepaard gingen... Een sterk gevolg van de verwachte afwezigheid van de CAPE aangezien er geen echt hoge verticale wolkengroei kon worden gegenereerd.

De reflectiviteitswaarden (afbeelding Belgocontrol) tonen dit ook heel goed. We zien een max neerslagwaarde rond de 10 mm/uur, dus echt stevige convectie zoals supercels lijken op dat tijdstip uit den boze. Zelfs de onweersactiviteit ging er zoals verwacht aan een spoed-tempo op achteruit waardoor het gevaar snel geweken was.

Om die befaamde neerdalende luchtstroom (RIJ) te illustreren heb ik een verticale doorsnede gemaakt dwars langs de bow echo die in een noord-zuid richting de trogbasis kruist zodat we die kunnen linken aan de oorsprong van de RIN-features op bovenstaande radarbeelden.

Op het watervapor image zien we zoals gewoonlijk bij zulke situaties een sterke darkzone wat duidt op neerdalende lucht die mooi overeenkomt met de locatie van de schade-as Ieper- Moorsele- Rekkem- Kortrijk.

De blauwe lijn toont ons de locatie van de N-Z georiënteerde verticale doorsnede die op de volgende afbeelding de windsnelheid toont over de gehele lijn. We zien dat het midden van de doorsnede-as (cyan lijntje) overeen stemt met de locatie waar het donkerste stuk van de darkzone op watervapor zich situeert.

Als we dit gegeven linken aan de doorsnede zelf en de locaties van de sterkste RIN in acht houden (Ieper- Moorsele- Rekkem- Kortrijk) zien we een sterke correlatie met de plaats waar op de dwarsdoorsnede de hoge windsnelheden richting het oppervlak zakken.

Op het vergroot & verticaal gestretched stukje van de regio rond het midden van de dwarsdoorsnede zien we duidelijk de trechtervorm van hogere windsnelheden hoe dichter bij het aardoppervlak. Daarop zien we de dry intrusion van het systeem (dat als shortwave begon) en de locatie van een mogelijke Rear inflow jet.

Het lijkt een veilige veronderstelling dat er tussen de Dry intrusion (darkzone op watervapor) en de Rear inflow jet bij deze event een verband lijkt te zijn. Mogelijks was de rol van Rear inflow jet door de sterkte van de dry intrusion ingevuld en/of gemoduleerd.

... Wat op zijn beurt dan impliceert dat deze buienlijn (met Line echo wave pattern: meerdere bow-echo features langs éénzelfde buienlijn) niet alleen voortbewoog omwille van zijn eigen gustfront, maar dat de dry intrusion heeft meegeholpen om hoge windsnelheden naar het oppervlak te brengen en zo de buienlijn naar voor te duwen.

Als er zich een tornado zou voorgedaan hebben zou dit in de buurt van de embedded book-end vortices kunnen geweest zijn en als "leading-edge vortex" ontsprongen waardoor we mogen spreken over een QLCS-tornado event daar supercels in een LEWP situatie volgens studies heel zeldzaam zijn. Een doordachte damage survey in combinatie met de doppler beelden kunnen uiteindelijk uitmaken hoe de situatie is gelopen.

Hierdoor kunnen we concluderen dat de windschade vermoedelijk afkomstig is van geconcentreerde valwinden die aan de basis liggen van een gevormde bow-echo (al dan niet met leading edge gustfront-mesovortices) mogelijk gemaakt door een voorwaartse push van een mogelijke dry-intrusion-RIJ interactie waarbij het SEVIRI watervapor beeld in combinatie met de gedetailleerde radarbeelden afkomstig van Belgocontrol gelinkt zijn aan de GFS reanalysis data en zo de basis zijn van deze bespreking.

The big divide

Doorheen de volledige forecastperiode zien we dat Europa in een noord-zuid boundary in 2 delen wordt gesplitst met ten westen van die boundary warme lucht en aan de oostkant de vriestemperaturen.

Die scheiding is te wijten aan de strijd tussen 2 luchtdrukzones. Hoge druk in het oosten, en een complex lagedruksysteem in het westen boven het noordelijk deel van het Atlantisch bassin.

Hierdoor ondervinden we regelmatig een temeratuursflux omdat die locatie van die vrieslijn sterk fluctueert en zich dus van oost naar west en terug begeeft.

De westcirculatie laat het niet afweten waardoor de koude luchtmassa die vanuit het oosten richting West-Europa wordt geduwd onze regio niet volledig kan inpalmen.

Die westcirculatie stuurt op zijn beurt dan storingen richting het Europees vasteland waardoor er regelmatig neerslag zal vallen die langs deze warm-koud boundary natuurlijk de vorm van winterse neerslag aanneemt. Een voorbeeld hiervan ziet u op deze afbeelding die spreekt over 26 januari 2014 (00 UTC)

Aangezien deze grenslaag zich op verschillende tijdstippen verraderlijk dicht bij de Benelux bevindt kan deze winterse neerslag op selecte tijdstippen de Benelux aandoen, zeker 's nachts en 's avonds groeit de kans op winterse neerslag aangezien temperaturen dan richting het vriespunt zakken.

Verwacht wordt dat op termijn de hoge druk in Oost Europa zal afzwakken terwijl de westcirculatie maar niet wil wijken. Tegelijkertijd zien we terug een hoge Theta-E pluim richting Europa trekken die analoog aan het begin van deze maand terug origineert uit de Caraïben

De volgende afbeelding toont dezelfde situatie maar dan vanuit een ander perspectief waaruit duidelijk blijkt van waar deze hoge Theta-E pluim komt.

Ook zien we op bovenstaande afbeelding terug de extreem lage Theta-E waarden over de VS die de vrees voor een tweede extreem koude "deepfreeze" outbreak lijken te bevestigen.

De polar vortex blijkt daar terug "af te breken" waardoor er terug een vorticitylobe richting het zuiden kan afzakken en zo die extreme vrieskou richting Canada en het NO van de VS brengt. Dit in samenspraak met een hoge druk boven het Atlantisch Bassin wordt er terug een "Atmosferische rivier" opgezet die deze hoge Theta-E waarden (warmere luchtmassa) tot bij ons brengt en de koude lucht lijkt te verdrijven.

Al lijkt in Europa het verdrijven van de koude luchtmassa nog ietwat onzeker...

Welkomstbericht

Welkom op de Fastowarn blogspot. Hier komen in de toekomst onze weersverwachtingen, updates, waarschuwingen en weerkaartjes.

Wij hopen in de toekomst jullie via deze manier op de hoogte te houden van noodweersituaties en andere meteorologische informatie.