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.
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.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten