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.