De tornadische supercel (deel 2)

Na het eerste deel van het tweeluik over de tornadische supercel volgt nu het tweede deel waar we dieper ingaan op de RFD of "Rear flank downdraft". We bekijken ook een nieuw concept nl. de DRC of anders gezegd de "Descending Reflectivity Core". Ook komt de hook-echo aan bod en vergelijken we de theorie a.d.h.v. radarbeelden van 20 mei 2013: de Moore-Oklahoma casus.

Hier alvast de link naar het eerste deel van deze tweedelige bespreking. De tornadische supercel (deel 1). Het is sterk aan te raden het eerste deel te doorlopen aangezien deze blog-entry voortbouwt op wat we in het eerste deel hebben besproken. We zullen er direct terug invliegen.

In het onderzoek door Markowski et al (2002) is dit composiet-diagram ontwikkeld die de algemene eigenschappen van de RFD illustreert, gekoppeld aan noemenswaardige tornadoproducenten. Dit wordt dan vergeleken met deze die zwakke tornado's hebben geproduceerd incl tornado's met een korte levensduur.

De bovenste 2 afbeeldingen zijn de noemenswaardige tornado's waarmee we doelen op tornado-event sterker dan EF2 of EF0 tot EF1-tornado's die langer dan 5 minuten actief waren. De onderste 2 in het 4-delig diagram waren deze verantwoordelijk voor zwakke kortdurende tornado's.

De dikke stippellijn is de hook-echo en de pijlen zijn de stroomlijnen.

De 2 onderste afbeeldingen illustreren wat er gebeurt als er geen tornado vormt of enkel een zwakke kortdurende "event" brengt terwijl de 2 bovenste situaties een situatie tonen waarbij er een klein verschil is in theta-e langs het RFD gustfront in samenspraak met grote CAPE en kleine CIN. Dan worden veelal sterke langdurige tornado's geproduceerd.

Wanneer de RFD outflow gedomineerd is door een groter theta-e verschil en lage tot géén CAPE of grote CIN is er vaak geen tornadogenesis of wordt er enkel een zwakke kortdurende tornado geanticipeerd.

Merk op dat deze processen kunnen voorkomen in samenspraak met de RFDIS (Rear flank downdraft internal surge). Deze RFDIS bespreken we iets verder in de bespreking, maar het bestaan van deze feature moduleert de evolutie van een tornado zowel op een positieve als een negatieve manier. Ofwel wordt de tornado verder onderhouden, ofwel wordt die beëindigt. (Lee et al in 2012 & Marquis et al, 2012)

Hier ziet u een illustratie die de ontwikkeling van vorticiteit in de up- en downdraft aantoont. Het is reeds lang bekend dat de oorsprong van de verticale vorticiteit in de mid-level mesocycloon te vinden is in de kanteling (tilting) van horizontale vortexlijnen in de verticale zin die gemoduleerd wordt door de uitrekking van de updraft (stretching). We hebben dit in deel 1 ook behandeld.

Toch... De neerwaartse tilting van vortexlijnen in de RFD die als resultaat  een low-level mesocycloon brengt is pas een recent begrip (Markowski et al in 2008).

Het mechanisme resulteert in significante vorticiteit vlak bij de grond en de low-level mesocycloon. Als er geen barocliniciteit aanwezig is (en turbulentie negeren) zijn de vortexlijnen als het ware "vast". Maar als de vortexlijnen door het low-level vorticitymaximum trekken langs het RFD gustfront, nemen de vortexlijnen een soort "U"-vorm aan i.p.v. een boog.

Hierdoor krijg je een koppel roterende vortices rond het downdraftmaximum. Op regelmatige basis vinden we dit ook rond de hookecho. Wanneer we een superpositie hebben van dit gegeven samen met de barocliene vorticiteit die door de RFD wordt gegenereerd is tornadogenesis een veelvoorkomend resultaat.

De bovenstaande afbeelding illustreert dit passend waar we een aangepaste illustratie zien van het model opgesteld door Markowski et al in 2012.

Komend schema van een hook-echo vat recente en fascinerende bevindingen van Lee et al in 2012 samen in een soort "model". Terwijl ze verschillende tornado's hebben onderzocht met een mobiel mesonet vat onderstaand schema samen wat er gedocumenteerd werd nabij een grote EF-4 tornado in de regio van Bowdle (South Dakota). In de grotere RFD vonden zij soms een aparte interne stoot in de RFD en wordt dinsdien de RFDIS genoemd (Rear Flank Downdraft Internal Surge).

Van deze features wordt gedacht dat ze soms bijdragen tot tornadogenesis, het onderhoud van de tornado en zelfs het uitdoven. Dit omwille van het thermodynamisch en kinematisch karakter van de RFDIS. "Rear flank downdraft internal surges" onderheven aan sterke kinematica in een quasi neutrale buoyante omgeving die convergeren met een omgeving met sterk buoyante eigenschappen voor de RFD uit zijn bevorderlijk voor de ontwikkeling en versterking van een tornado.

Terug hetzelfde lied: de convergentie leidt tot de vorming van een gradiënt. Langs het gradiënt krijgen we barocliene vorticiteit en dus terug een extra bron om de low-level vorticiteit te "tilten" en te "stretchen".

Eveneens werden er RFDIS-gebeurtenissen vastgesteld met zwakke kinematica en koudere thermodynamische eigenschappen. Deze hinderden de vorming van een tornado en had als resultaat dat bestaande tornado's uitdoofden. Uit de Bowdle (South Dakota) studie zien we een schema over de tip van de hook-echo achter het RFD Gustfront (RFDGF) in de fase waar de tornado aan intensiteit toenam.

De versterking van de Bowdle tornado representeert mogelijk een optimale situatie die enkele eigenschappen combineert.

1, RFD thermodynamica met net genoeg negatief drijfvermogen voor de ontwikkeling van barocliene vorticiteit. In dit geval werd de barocliniciteit geleverd door de RFDIS. 2, Een TCCZ of Tornado Cyclone Convergence Zone (aangeduid door de gestippelde zone), waarbij de verantwoordelijke RFDIS met de tornadische vortex interacteert. 3, Neutraal buoyant & sterk buoyante lucht die convergeren aan de linkerflank van de tornado.

dr Ted Fujitga heeft in 1978 met ongeëvenaard detail de relatie proberen aan te duiden tussen tornado's en downbursts in zijn schadeonderzoek van de Springfield (Illinois) casus op 6 augustus 1977. Op zijn kaart stonden 18 tornado's afgebeeld, 10 downbursts en 17 microbursts. Kennelijk vormden 8 van de 18 tornado's zich aan de linkerzijde van deze microbursts.

In de nabijheid van andere tornado's zijn er geen downbursts gevonden. Dr Ted Fujita documenteerde gelijkaardige relaties bij andere tornado-cases. Het is daarom hoogst waarschijnlijk dat deze microbursts & downbursts die gedocumenteerd werden door dr Fujita elk een RFDIS voorstelt.

Bekijk op het einde van deel 1 nog eens de afbeelding waar de tornado aan de linkerkant te vinden is van de RFD dry slot. Het is volgens de meest recente onderzoeken (Bowdle tornado case door Lee et al 2012) deze feature die door dr Ted Fujita destijds werd gedocumenteerd.

Vandaar dat het van groot belang is om deze regio's tijdens schadeonderzoeken te kunnen identificeren en correct aan te duiden als een mogelijke RFDIS en een aanleiding kunnen zijn om aan de linkerkant van zulk een schadespoor naar tornado-bewijs te zoeken.

Zoals eerder is komend schema een illustratie van de evolutie van features op buienschaal over de RFD van een supercel tijdens de volwassen fase van de tornado (t1 tot t2) en het tijdstip van tornado-sterfte ten tijde van t3.

Figuur (a) is een conceptioneel model van een supercel die geen secundaire RFD & RFDGF (rear flank downdraft gust front) heeft, analoog aan het Lewon & Doswell model van in 1979. t2 Representeert een tijdstip nèt voor een sterke duik in tornado-intensiteit. Figuur (b) & (c) bezitten wel een secundaire RFD.

Bovenstaan schema refereert naar het onderzoek door Marquis et al in 2012 en is een vertaling van het gebruikte schema.

Een T duidt de locatie van de tornado aan en de X de locatie van de tornado-sterfte ten tijde van t3. Zwarte lijnen indiceren de aanwezigheid van een gustfront-boundary. De grijze kleurvelden indiceren verschillende magnitudes van low-level divergentie geassociëerd met de RFD en de grijze contouren zijn de radar-reflectiviteit.

Fijne stippellijnen indiceren dat de feature verder gaat dan het getoonde gebied. Lange stippellijnen indiceren onzerkerheid over de locatie van de feature. in (c) blijft de tornado-feature actief in de band van low-level convergentie in het outflow-gebied (mogelijks een secundair RFDGF), wat suggereert dat het onderhoud van een tornado ver van de primaire boundary kan aanhouden

De Almena casus heeft de beste vergelijking met het Lemon & Doswell model van in 1979.

Onthoud dat in de Crowell / Orleans casus de tornado actief en onderhouden bleef in een band van low-level convergentie in de outflow-zone en niet langs een RFDIS. Op zijn beurt suggereert dit dat het onderhoud van een tornado ver voor de boundary uit kan gebeuren die de outflow en de omgeving van elkaar scheidt.

De DRC of "Descending reflectivity core" is een dalende regio van neerslag richting het oppervlak die bij sommige supercels voorkomt als onderdeel of in de nabijheid van de hookecho. Wanneer de DRC ontwikket vinden we vaak een vorticiteits-couplet rond de hookecho. Alhoewel onderzoeken leken aan te tonen dat er een grote implicatie is voor low-level tornado-genesis ondersteunden andere studies deze observatie niet. Tornado-genesis vond plaats op locaties mèt of zonder deze feature.

In het onderzoek van Markowski et al (2012) werd de DRC in de Vortex2, Goshen County (Wyoming) Casus als lichte invloed toegekend in de modulatie van de mesocycloon & luchtstromen er rond, meerbepaald als invloed voor de occlusie van de low-level mesocycloon.

Toch, het Vortex 2 onderzoek faalde erin een echt duidelijke invloed te linken aan de DRC. Hier dient in de toekomst meer onderzoek naar te gebeuren.

We hebben doorheen het artikel de verschillende modulaties besproken die zowel positief als negatief van invloed kunnen zijn op de vorming van de low-level mesocycloon. Een belangrijk punt dat het Vortex-2 onderzoek heeft bijgebracht is dat bij sommige cases (vb de Goshen county casus) amper een kwart van de kinematische eigenschappen in de buienomgeving verantwoordelijk was voor de vorming van de tornado.

Maar liefst 3 kwart werd intern in de bui opgewekt. Dan stelt men terecht de vraag of het forecasten van tornado's ooit überhaupt wel mogelijk is aangezien men enkel een forecast kan maken van 1/4 van de situatie.

Het Vortex-2 onderzoek bracht ook aan het licht dat de vorticiteit gegenereerd door de omgeving essentiëel is voor de vorming van de mid-level mesocycloon (de supercel zelf dus), maar dat de low-levels een ander verhaal is. Vortex-2 leert ons dat de vorticiteit die door de bui zelf wordt ontwikkeld de dominante factor is in de circulatie van de low-level mesocycloon en tornado.

We blijven dus nog met veel vragen zitten...

Moet de FFD dan toch gezien worden als de dominante factor bij de creatie van de low-level mesocycloon? Misschien is zelfs het onderscheid tussen de RFD en de FFD niet langer vruchtvol. Veelal bestaat er zelfs geen echt duidelijk onderscheid tussen een RFD en FFD want een denkbare situatie is bij een Squall line waar supercels in de lijn aanwezig zijn.

De rollen van de RFD en FFD moeten nog beter worden bestudeerd want de onderzoekers in Vortex-2 voelden dat ze de mogelijkheid niet mochten uitsluiten dat de zachtere gestage FFD-neerslag zwaardere implicaties heeft.

De ontwikkeling van een klein verticaal vorticiteitscomponent is belangrijk bij een accumulatie aan stroomsgewijze vorticiteit van verschillende bronnen die dan door de behandelde stretching & tilting intenser en verticaler worden.

Van waar precies komt deze RFD? Er is nog geen éénduidig antwoord wat de RFD luchtstroom precies is. We hebben in deel 1 de manier verklaard hoe de RFD zich gedraagt en wat diens eigenschappen zijn. De "hoe" van de RFD is in de wetenschap geen geheim meer. De "Wat?" en "Waarom?" blijven tot op heden nog steeds onverklaard, waardoor het onmogelijk is te forecasten of een RFD tot de mogelijkheden zal behoren of niet.

Aangezien tornado's en de RFD sterk met elkaar zijn verbonden is dit een ferme misser in de evolutie van het tornado-forecasten.

Ook nog onbekend terrein is de reden waarom een tornado uitdooft. De vermelde onderzoeken stelden dat de uitdoof-fase van de tornado gelinkt kan zijn met een RFD die is opgemaakt uit te zware lucht (relatief aan de inflow) die zich rond de tornado wikkelt en daardoor een poel met zware lucht rond de tornado groeit. Hierdoor krijgt de tornado geen toevoer (updraft) meer en wordt die afgesneden.

Dit is echter niet het volledige verhaal en is trouwens niet niet altijd zo.

We hebben gezegd dat een tornado kan onderhouden worden tot ver voor de RFD boundary uit. Wanneer de superpositie tussen de tornado, de low-level mesocycloon en de mid-level cycloon verzwakt wordt de tornado ook zwakker en lost die op.

Wanneer deze situatie zich voordoet door vb. een RFD of RFDIS en de tornado in de bestaande superpositie verplaatst wordt het leven van de tornado volledig in handen gelegd van hoe lang de RFD en RFDIS aanwezig blijft om de tornado draaiende te houden.

Ik vermoed dat de dood van de tornado te maken heeft met het feit dat er steeds minder en mindere bronnen aanwezig zijn en dat de manier hoe een tornado uitdooft sterk afhankelijk is van wèlke bron aan verticale vorticiteit er precies afhaakt. Het eindstadium is mooi te zien in de afbeelding van C.Doswell, 2009.

Bekijk ook hoe die clear slot van de RFD intrusie héél diep de bui is binnen getrokken, wat erop duidt dat de volledige tornado is afgesneden van inflow. Hierdoor is er veel minder stretching, dus de rotatiesnelheid verzwakt.

Om een voorbeeld te geven van een RFDIS kunnen we kijken naar een radarbeeld van de KTLX radar-site. Het betreft een velocity-image opgemaakt met de ruwe datafiles omtrent de 20 mei 2013 tornado-casus (Moore Oklahoma). 

We kunnen omtrent de tornado enkele zaken vermelden. We zien duidelijk dat de tornado gedomineerd wordt door outflow aan de sterke inwaartse snelheden (richting radar). De tornado is door de RFD outflow is zo intens dat die snelheid wordt omgevouwen naar de andere kant van de kleurenschaal (velocity folding genoemd). Ook opmerkelijk is de omvang van de RFD.

Dit, in tegenstelling tot de inflow die enorm compact is maar ook aan velocity-folding doet. Door de compacte natuur kunnen we met enige duidelijkheid zeggen dat dit de uiterste rand van de tornado-vortex is. Ook zien we de gebogen rand van het RFD-gustfront aan de grens van de in-en uitwaartse snelheden rechts van de tornado. We merken duidelijk dat de RFD een enorme invloed op tornado-onderhoud heeft.

Links van het gustfront zien we een klein maximum aan inwaartse kleuren. Analoog aan de onderzoeken van het Marquis et al onderzoek in 2012 zien we in het velocity-beeld de manifestatie van een RFDIS.

Aan de neerslag zie je de natuur van de RFDIS aan de hand van de ferme notch in de neerslag achteraan. Bemerk zeker de vergelijking met een extratropische cycloon.

We vinden de tornado zoals verwacht aan de interface van de inflow en het RFDGF (gustfront). Ook mogen we niet vergeten dat er een bron aan barocliene vorticiteit is langs de dikke lijn: de barocliniciteit langs het RFD gustfront, de dunne lijn wat de barocliniciteit langs de FFD voorstelt en gemoduleerd wordt door de aankomende RFDIS die te zien is in het velocity-image en de neerslag-notch.

We hebben gezien dat tornado-onderzoek al ver staat in vergelijking met een 10-tal jaar terug. Verder onderzoek is daarentegen nog altijd broodnodig want het forecasten van tornado's is belange nog niet mogelijk. De anticipatie van een RFD is ook nog steeds ver van ons bed.

Hoe sterft een tornado? wat is de precieze oorsprong van de RFD? Kennen we momenteel elke bron van barocliene vorticiteit? Kennen we die de juiste impact toe aan de invloed op tornado-genesis? Allen nog belangrijke onbeantwoorde vragen...

Zoals H. Goldstein ooit heeft gezegd: "Ik denk niet dat het wij ooit in staat zullen zijn om het volledige tornadoverhaal te begrijpen".

De tornadische supercel (deel 1)

In deze tweedelige bespreking behandelen we de processen in een supercel die verantwoordelijk zijn voor de creatie, het onderhoud en het einde van een supercel-tornado.

Doorheen het volledige artikel zullen we enkele belangrijke aspecten behandelen zoals het belang van barocliene vorticiteit langs de FFD (Forward flank downdraft), de boundary-eigenschappen die verticale vorticiteit door stretching & tilting kunnen versterken, de mogelijke bronnen van vorticiteit langs de RFD met de resultante barocliniciteit en behandelen we kort de DRC of de "Descending Reflectivity Core".

De informatie in dit artikel is geen gemakkelijke materie maar ik nodig u uit niet ontmoedigd te zijn daar het de uiterste grenzen van de huidige kennis omtrent de supercel tornado behandelt en berust op bevindingen, vastgesteld tijdens de meest recente onderzoeken waaronder Vortex 2.

Volgens Smith et al. (2012) wordt het overgrote merendeel van de EF2 - EF3 tornado's en alle EF4 - EF5 tornado's door supercels veroorzaakt. De groeiende ontwikkeling in geavanceerde computermodellen, observaties en technologie zoals dual-polarisatie radar liggen steeds meer aan de basis van intensief supercel-onderzoek en hun bijhorende tornado's waardoor gedetailleerde modellen duidelijker en gedetailleerder kunnen benaderd worden zoals het befaamde Vortex-2 onderzoek (Verification of the Origin of Rotation in Tornadoes Experiment).

Vortex 2, een onderzoek uitgevoerd in 2009 - 2010, is de opvolger van Vortex 1 wat uitgevoerd werd in 1995 - 1996.

Voor de vorming van tornado's is er een hoge concentratie aan verticale vorticiteit (vortexlijnen) nodig, ingesloten in de convergerende en stijgende lucht van een convectieve updraft. De lijnen in onderstaande afbeelding met een rotatie-symbool zijn "vortexlijnen" wat een lijn voorstelt waarlangs er vorticiteit gevonden wordt met de vorticiteitsrichting in de richting van de vorticity-vector.

De structuur hieronder (a) toont dat er reeds verticale vorticiteit aanwezig is langs een convergentielijn en dat er een updraft nodig is die deze vorticiteit aansterkt door de aanwezige vortictieit in de verticale zin uit te rekken: "Stretching" genoemd.

Dit type tornado wordt ook wel een landspout genoemd, alhoewel de meest ganbare term een non-supercel tornado is. Ook is dit tornado-type de enige die met een single-cel updraft geassociëerd wordt.

In tegenstelling tot het bovenstaand tornado-type is het tweede type tornado (b) de supercel-tornado en is dan ook deze die in dit artikel wordt behandeld. De supercel-tornado vinden we in omgevingen die meestal weinig verticale vorticiteit bevatten in de pre-storm omgeving. Om low-level verticale vorticiteit te krijgen hebben we hierbij als hulp een downdraft nodig die horizontale vorticiteit in de verticale zin kantelt: "Tilting" genoemd.

Aangezien een updraft geen low-level verticale vorticiteit genereert moet er een downdraft aanwezig zijn om de verticale vorticiteit in de low-levels te genereren.

We noemen deze tornado een mesocyclonale tornado of beter gezegd, een supercel-tornado en het is deze tornado-configuratie die in dit artikel wordt besproken. We zullen zien dat veel supercel tornado's hun vorticiteit te danken hebben aan de beide bronnen (mid-level & low-level vorticiteit) terwijl de respectievelijke inbreng van beide bronnen onevenredig is verdeeld.

Het derde type tornado wordt hier ook niet behandeld maar is de QLCS tornado. Daarvoor verwijs ik u graag door naar een voorgaand artikel op deze blog. Bow Echo's & Mesovortices.

Terwijl de verticale vorticiteit opgewekt door de windschering in de low-level omgeving meestal relatief zwak is, is de vorticiteit die intern in de supercel wordt opgewekt minstens 2x sterker. Deze vorticiteit wordt opgewekt door een waaier aan mogelijkheden, maar wordt gedomineerd door buoyancy-gradiënten (gradiënten van "drijf of zweef-vermogen") en wordt het barocliene effect of beter bekend: de "Barocliniciteit" genoemd.

Bovenstaande 3-D figuur van COMET (een illustratie van een onderzoek uitgevoerd door Klemp in 1987) toont een classic-supercel in het volwassen stadium. De blauwe vortexlijnen aan het oppervlak representeren de vorticiteit die richting de stijgstroom van de onweersbui buigt en bevindt zich in de barocliene zone van de FFD, de "Forward Flank Downdraft". 

Het diagram is gebaseerd op simulaties in de mid-jaren 80 en is een indicatie van de barocliene generatie van horizontale vorticiteit: de voornoemde en befaamde "Barocliniciteit".

Eénmaal vorticiteit in de updraft wordt getrokken wordt het verticaal uitgerokken (gestretched) en wordt de low-level rotatie aangespannen. Dit proces is een belangrijke bijdrage aan de low-level rotatie van de onweersbui en in vroegere onderzoeken (waaronder Klemp in 1987) werd gesuggereerd dat dit de rechtstreekse oorzaak van tornado-genesis was.

Meer recent onderzoek daarentegen laat uitblijken dat de vorticiteit die door dit proces werd gegenereerd (nl. de barocliene zone langs het FFD-gustfront) meestal onvoldoende is voor de ontwikkeling van een tornado. In vochtige low-level situaties is het mogelijk dat er geen echt duidelijke FFD aanwezig is dus is er in bepaalde omstandigheden ook geen significante FFD-barocliniciteit die deze bijdrage kan leveren.

Nu wordt aangenomen dat de stretching verantwoordelijk voor een supercel-tornado te vinden is in de RFD of de "Rear Flank Downdraft" en dat die RFD een neerwaartse kanteling (tilting) van de horizontale vorticiteit teweeg brengt. 

In uitzonderlijke gevallen wanneer de low-level vorticiteit op grote schaal aanwezig is of de Deep Layer Shear (DLS) héél sterk is, vb. 50m/s windschering in de 0 - 10km laag, is de barocliniciteit langs de FFD mogelijks toch genoeg om tornado-genesis te promoten maar zoals gezegd komt dit weinig voor.

De bevindingen van Vortex 1 zijn een indicatie dat een thermisch gradiënt door vb. een convectieve-outflowboundary en andere grenslagen op mesoschaal met een gradiënt in temperatuur ook barocliene vorticiteit kan genereren die lokaal de stroomsgewijze vorticiteit (low level vorticiteit in dezelfde vorticiteitsrichting & as-oriëntatie als de barocliene vorticiteit) versterkt, waardoor op zijn beurt ook de storm relatieve heliciteit of SRH wordt versterkt. Dit gegeven wordt hieronder weergegeven als afbeelding, gebaseerd op het onderzoek van Gilmore in 2002.
             

Ook al is de barocliniciteit langs de FFD niet genoeg om tornadogenesis te starten is de toevoeging van de barocliniciteit langs zulk een boundary mogelijks wèl voldoende. Het localiseren en detecteren van zulke boundary is dus van groot belang in de anticipatie op supercel-tornado's.

Het is belangrijk te onthouden dat de barocliene vorticiteit langs om het even welke boundary enige tijd aanwezig kan blijven nadat het thermische gradiënt daarvoor verantwoordelijk al lang verdwenen of afgezwakt is. Ook zijn de barocliene vorticiteit-zones die met restanten van boundaries gepaard gaan op regelmatige basis vrijwel onmogelijk op mesoschaal te detecteren.

Net daarom is het belangrijk deze features via radar, meerbepaald op de laagste scan-hoek (base reflectivity/velocity) en/of satelliet te benaderen.

Onderstaand conceptioneel model gebaseerd op onderzoek door Markowski et al, 1998 toont de versterking van de low-level horizontale vorticiteit door de barocliniciteit gegenereerd langs de schaduw van een supercel-aambeeld. De hoeveelheid horizontale vorticiteit die daardoor wordt gegenereerd is een functie van de barocliniciteit en de verblijftijd van de luchtdeeltjes in deze barocliene zone.

De verblijftijd is een functie van zowel de storm-relatieve inflowsterkte & de hoek op de barocliniciteits-as. Horizontale vorticiteit zal grotendeels stroomsgewijs (streamwise) zijn als de hoek tussen de storm-relatieve inflow en de schaduw zo klein mogelijk is (0° = optimaal).

In de 3 cases die werden behandeld in dit onderzoek was de maximale verblijftijd van de luchtdeeltjes in deze zone rond de 2 uur. Hun onderzoek van hodogrammen in de regio van deze barocliene zones toonden aan dat er een sterke correlatie moet zijn tussen de storm motion vector (blauwe pijl) en een lijn die de kop (pijltje) van de 1000 - 500mb gemiddelde wind (1000 - 500mb mean windshearvector) verbindt met de kop van de windvector aan de EL (Equilibrium level).

m.a.w. dient er een gelijkenis te zijn met de orientatie van de schaduw van het aambeeld en de trekrichting van de bui. Aangezien deze barocliniciteit extra windschering opwekt en de stormrelatieve heliciteit (SRH) van deze windschering afhankelijk is heeft de barocliniciteit langs de schaduw van het aambeeld implicaties voor de evolutie van de mesocycloon.

De bronnen van stroomsgewijze vorticiteit (streamwise vorticity) in supercels zijn dus èrg belangrijk om te begrijpen. Atkins et al. presenteerde in 1999 een casus die dat concept aantoonde a.d.h.v. een low-level buienstructuur op 500m hoog van een boundary-simulatie en de bron voor de low-level mesocycloon die aangeduid is in de gele vierhoek... Dit in een tijdspanne van 1 uur.

Luchtdeeltjes van achter de boundary en in de FFD regio ontwikkelden een stroomsgewijze horizontale vorticiteit (streamwise vorticity) die na tilting & stretching (kanteling en uitrekking) door de updraft van de bui de vorming van de low-level mesocycloon bevorderen.

In het diagram (a), stelt het grijs kleurveld de mixing ratio van de neerslag voor met een waarde groter dan 0,1 g/kg. De grijze contouren zijn de mixing ratio's vanaf 1 g/kg. De dunne zwarte lijnen zijn de theta-e contouren (equivalente potentiële temperatuur in °K) en de dikke zwarte lijnen zijn de contouren van gelijke verticale vorticiteit waarbij de contouren starten bij een waarde van 0,01 met een contour-interval van 0,02. Het vector-veld is de horizontale vorticiteit.

In het tweede diagram (b), zien we de positieve en negatieve verticale snelheden a.d.h.v. respectievelijk het grijs kleurveld en de dikke stippellijnen. Het interval van het kleurenveld en de contouren zijn beide 2 m/s. De contour & kleur-intervallen zijn 2 m/s en de dunne volle lijnen zijn de locaties van de 3-D traject-locaties.

De pijltjes stellen de 3 hoofdzakelijke trajecten en dus verschillende bronnen van vorticiteit voor. Blauw is de FFD-regio, paars is achter de boundary en het rood is de inflow-regio.

De nummers aan de zwarte puntjes zijn de hoogte van het luchtdeeltje (AGL: Above Ground Level) en de dikke volle lijnen zijn verticale vorticiteit. Merk op dat een bestaande boundary een belangrijke toevoeging aan barocliene vorticiteit van luchtdeeltjes in de low-levels is.

Raar genoeg toonde het onderzoek van Vortex 2 een ander resultaat voor hetzelfde fenomeen.

De bevindingen van Vortex 2 in een onderzoek van Markowski et al in 2012 toonde aan dat de barocliene vorticiteit die werd gegenereerd onder de 750m hoog eerder kruisgewijs was (cross-wise) want de vectoren wijzen niet langs maar dwars door het thermisch gradiënt. Dit was sterk in tegenstrijd met voorgaande numerische simulaties. 

Het onderzoeksteam sloot niet uit dat dit kwam door de invloed van de grond op vlak van frictie en drag-force maar ook boven de 750m werd dit fenomeen gevonden, hoogtes waar frictie & drag een minder "probleem" worden.

Het doel van onderstaand supercel-schema is nog steeds bestemd om u te informeren over de huidig bestaande kennis van de supercel. Alhoewel het geïntroduceerd werd in 1979 door Lemon & Doswell is het vandaag de dag nog steeds toepasbaar en accuraat.

Hiermee vergeleken ziet u hieronder dezelfde structuur terug maar dan in perspectief. De details zullen we verder behandelen. Van 1 t.e.m. 3 ziet u het verloop van de eerste tornado cyclus tot de volwassen fase. Nummer 4 toont de generatie van een nieuwe updraft die mogelijks ruimte geeft tot een nieuwe cyclus terwijl de oude updraft wordt afgesneden.

We zien de verschillende verticale luchtstromen zoals de updraft en de verschillende downdraft-regio's zoals de FFD, en de RFD. Dit gespiegeld aan de low-level flow, de 4km en de 9km flow. We zien dus de volledige supercel structuur, de tornado en relevante boudaries (RFD & FFD gustfront).

De tornado vormt zich op het tijdstip van nummer 2 en bevindt zich in het volwassen stadium ten tijde van nummer 3. De tornado is gedoofd ten tijde van nummer 4, maar er ontstaat een nieuwe updraft waardoor de cycli terug kunnen doorlopen worden.

De RFD of Rear Flank Downdraft is te begrijpen als een zone van neerdalende lucht waarbij luchtdeeltjes de RFD ingaan, hun horizontaal momentum grotendeels behouden en tijdens hun daling naast de updraft zogezegd langs de updraft heen schieten en als het ware gedeflecteerd worden, waarmee hierdoor de oriëntatie en natuur van het RFD gustfront duidelijk wordt.

Langs deze updraft en RFD- interface bestaat er een belangrijke mixing en dus een sterke toevoeging aan verticale vorticiteit. En nog belangrijker stroomsgewijs is met de vorticiteits-as en vorticiteitsrichting in dezelfde zin.

Het is dit mechanisme die de befaamde wallcloud zijn rotatie geeft die een duidelijke uiting is van een vormende low-level mesocycloon.

Opgelet!
Alhoewel in dit model de RFD zijn origine vindt op een hoogte van 9 km hoog (zie nummer 1) is dit ten tijde van vandaag nog steeds onzeker dus de èchte oorsprong van de RFD is op het moment van schrijven in meteorologische onderzoeken nog een openstaand vraagstuk.

Aangezien er zoals we hebben ontdekt een sterk verband bestaat tussen de RFD en het ontstaan van een low-level mesocycloon en zo ook een mogelijke tornado is deze onzekerheid een belangrijk ontbrekend deel in de puzzel in het onderzoek naar het hoe, waarom en wanneer van het tornado- verhaal.

We komen in elk geval al enorm dicht bij de "hoe"...

Merk zeker op dat de mesocycloon ook gezien kan worden als een verdeelde structuur waarbij we in de onderste 50 tot 66% van de buiendiepte dezelfde eigenschappen kunnen vinden als bij een extratropische cycloon.

3 Dingen te onthouden...
Op het top-down zicht van de supercel in het Lemon - Doswell model zien we als link met een extratropische cycloon duidelijk iets wat lijkt op een "Warme sector" met iets wat lijkt op een RFD als "Dry intrusion" met bijhorend RFD gustfront waardoor er een koufront achtige boundary wordt gegenereerd met de flanking line erlangs.

De RFD is uniek aan de supercel en is cruciaal voor de vorming van een low-level mesocycloon en tornado.

De FFD bevinden we in èlke onweersbui, supercel, single of multicel.

Daar de RFD een component langs de updraft heeft omdat hij langs de updraft wordt gedeflecteerd ondervindt het systeem een soort occlusie (denk aan de extratropische cycloon). Het is die occlusie die u kunt zien in nummer 4 van het diagrampaneel, waardoor de nieuwe cycli eventueel opnieuw doornomen kunnen worden.

In essentie zien we in deze evolutie de cyclische natuur van de supercel, in samenspraak met de motor achter de tornado, de sterke gelijkenis met de extratropische cycloon met een vormende occlusie alsook de eventuele "Collapse phase" van een supercel.

Onthoud wel dat de gelijkenis met een extratropische cycloon misschien wel sterk is maar daarom niet berust op dezelfde processen. Dynamisch gezien zijn deze 2 totaal verschillend en de gelijkenis is enkel te zien in de onderste helft van de volledige buiendiepte.

Dit schema en foto linken de stormstructuur aan het visuele en de locatie van de tornado gebruik makend van het ijzersterke lemon & Doswell concept in 1979.

De volle lijnen en de frontale symbolen zijn respectievelijk de neerslag en het ensemble aan gustfronts. De updraft zie je als UD, naast de RFD. Iets verder vinden we de FFD inclusief de low-level stroomlijnen. De tornado is de T met de cirkel er rond. Duidelijk zien we ook de hoefijzervorm van de neerslagvrije basis of de "rain free base" die naar voor gedrukt wordt door de RFD en zo zijn vorm krijgt. Door deze convergentie krijgen we een updraft maximum en wordt de stretching gemaximaliseerd. 

Het behoud van de hoeksnelheid zorgt ervoor dat bij de samentrekking van de rotatie de vorticiteit evenredig wordt versterkt.

De tornado zien we verder in de diepte net naast de UD/RFD interface die daarvoor verantwoordelijk is.

In het volgende deel gaan we de opmaak van de RFD verder beschrijven waardoor we tot de grenzen gaan van het huidig onderzoek in het tornado-gebeuren, behandelen we de "DRC" van de supercel en spiegelen wat we gezien hebben aan het fenomeen van de hook-echo. 

Verder reflecteren we dit aan radarbeelden van 20 mei 2013 (de Moore-Oklahoma casus) en lichten we een sluier op van het toekomstig onderzoek door gerichte vragen te stellen en de bijhorende motieven te ontplooien.

QLCS Mesovortex-event 27 juli 2013

Als addendum op het artikel over Bow-Echo's & Mesovortices volgt in deze bespreking een hands-on voorbeeld van zo een mogelijke event boven de Benelux, meerbepaald over België.

Op 27 juli 2013 zijn er 2 onweerscomplexen over de Benelux getrokken met een hoge bliksemintensiteit en veel neerslag op korte tijd waarbij het tweede MCS over een relatief breed traject windschade heeft veroorzaakt. Aan de rand van het QLCS gustfront van het tweede systeem, dewelke u zodra zult opmerken, hebben wij deze dag een enorm smalle strook gedocumenteerd waarbij de schade veel sterker en gefocust was.

In dit artikel behandelen we dat tweede complex en bespreken we de QLCS-eigenschappen gebruik makend van de radarbeelden beschikbaar gesteld door Meteox en Belgontrol en linken we deze aan de GFS reanalysis data dewelke ons werd geleverd door NCEP/NOAA (National Center for Environmental Prediction/National Oceanographic & Atmospheric Administration).

We beginnen met een synoptische situatie.

We zien boven West-Europa een klassieke noodweer-setup waarbij de features van de "Spaanse Pluim" zich onmiskenbaar aanmelden. We zien een diepe trog met een grote amplitude ten westen van Europa waarbij de 250mb Jet zich langs de trogbasis richting het noorden krult en zo langs de Benelux trekt. 

Ook zien we de golvende natuur van de 500mb geopotentiële hoogte-contouren waardoor verscheidene shortwave-impulsen te zien zijn.

We volgen de top-down methode, dus gaan we lager in de atmosfeer kijken richting de mid-levels waar de Spaanse-pluim features zich verder manifesteren waarbij de warme luchtmassa, te zien in het 700mb Theta-E veld, zich duidelijk via Spanje richting het noorden heeft verplaatst.

Steeds dieper kijkend richting het oppervlak zien we aan de hand van het gradiënt in de relatieve vochtigheidsgraad op 2m eigenschappen van een dryline dewelke als focus dient voor de convectie die zich op bovenstaande afbeelding manifesteert langs het sterkste theta-E gradiënt.

De 10m windvectoren tonen ook passend aan dat deze droge en vochtige lucht naar elkaar toe worden gedrukt met frontogenesis als resultaat, waarlangs de convectie werd getriggerd. Ook tonen de 10m windvectoren een surface-low boven het noorden van Frankrijk dewelke richting het NO trekt en daarmee ook deze boundaries met zich mee sleurt.

Terwijl de forcing verantwoordelijk voor de convectie gestaag richting de Benelux advecteert heeft er zich gedurende de dag een sterk onstabiele luchtmassa opgebouwd, waarbij waarden van 2500 tot 3000 J/kg te vinden zijn langs de Belgisch-Franse grens.

Alles lijkt in plaats te zijn om een gestuctureerde onweersituatie te ondersteunen, getuige de convectie die reeds vroeg op de dag is ontstaan in het westen tot noordwesten van Frankrijk. Het was enkel een kwestie van tijd vooraleer de Benelux terug aan de beurt kwam.

We zien de 950-500mb shearvectoren nagenoeg parallel met het CAPE-gradiënt lopen dus weten we dat de convectie zich naar alle waarschijnlijkheid zou ontplooien met een lineair karakter.

De sounding in de volgende afbeelding toont het sterk-veerende windprofiel met sterke windschering zich in de onderste helft van de troposfeer bevindt, ruwweg tussen het oppervlak en 6km hoog en spreekt over de regio nèt iets voor de boundary (dryline-achtige feature) die we bekeken hebben.

Zulk profiel ondersteunt zonder meer supercels aangezien de windschering en de CAPE meer dan voldoende zijn. En zo was het ook in de realiteit want dat precieze tijdstip zaten wij achter een supercel aan die zichzelf richting de Benelux advecteerde en liep iets voor het QLCS uit.

De volgende afbeelding illustreert dit passend, waarbij de lange inflowtail parallel met de baan hangt en richting de enorme corkscrew updraft trekt.

Deze cel hebben wij dan met onze groep gevolgd tot in België waar ze net voor de Belgisch-Franse grens in de lijn werd geïntegreerd en haar supercel-eigenschappen aan een snel tempo kon verliezen.

Maar dat wil niet zeggen dat alle gevaar daardoor is geweken...

We hebben in het artikel "Bow-Echo's & Mesovortices" het systeem uitgelegd hoe een QLCS of Quasi Linear Convective System de sterkste schade verwezenlijkt a.d.h.v. onderzoeken door oa. Atkins in 2005, Atkins & S.T. Laurent in 2009 die voorgaat op onderzoeken door niemand minder dan Fujita en Trapp & Weisman,...

Via conceptionele modellen hebben wij aangetoond dat er naast elke uitstulping langs het QLCS gustfront mesovortices ontstaan die de schade kunnen lokaliseren en/of de parent-cel zijn van een QLCS tornado die zich aan de voorzijde van een QLCS gustfront manifesteert.

Nu zullen wij de laatste theorieën van Atkins 2005 & Atkins-S.T. Laurent 2009 aan de praktijk toepassen en bekijken wij de radarbeelden boven België éénmaal de supercel al enige tijd is geïntegreerd, haar eigenschappen (vermoedelijk) heeft verloren en nu onderdeel van het QLCS is geworden.

Bovenstaand radarbeeld toont ons de golvende natuur van het QLCS en illustreert de sterke buiging van de buienlijn, gemoduleerd door de intense RIJ (Rear inflow jet). Deze RIJ intrusie ligt aan de basis van de uitstulping die aan de voorkant van de reflectiviteit te zien is, en genereert een sterke inflownotch. De creatie van een mesovortex hoort dus zeker tot de mogelijkheden... Sterker zelfs: we kunnen zeggen dat de creatie van een mesovortex een waarschijnlijkheid is.

Het onderzoek van Atkins & S.T. Laurent leert ons dat er langs de sterkste RIJ intrusie en de sterkste uitstulping mesovortices worden gecreëerd die zich aan de rand van het gustfront manifesteren.

De onderstaande afbeelding illustreert dit gegeven waarbij we iets later in het CAPPI beeld duidelijk een dipool zien ter hoogte van 0,5km. Ook zien we dat deze couplet zich langs de rand van de RIJ geïnduceerde downburst bevindt, waardoor de waarschijnlijkheid van een mesovortex omhoog wordt gekrikt.

Als we de Azimuth tot aan de rood-blauwe dipool trekken kunnen we duidelijk de inbound & de outbound-wind van elkaar scheiden waardoor de natuur van de dipool duidelijk wordt. De oriëntatie van de dipool staat duidelijk loodrecht op de azimuth-angle dus weten we dat dit geen lokale downburst is maar overduidelijk rotatie is waarbij de rechterkant sterke inbound wind voorstelt (richting de radar) en de linkerkant overduidelijk outbounds (weg van de radar).

De locatie van de dipool t.o.v. het gustfront dewelke zich toont door de band met inbounds die naar het blauw aanleunen (hogere inboundsnelheden) lijken een voorbeeld te zijn van een cyclonale mesovortex  die langs de rand van het QLCS gustfront gegenereerd werd.

Ook zien we dat de rotatie veel minder sterk is op 1km hoogte wat de onderstaande afbeelding mooi aantoont. Het betreft hetzelfde CAPPI product: de radiale snelheid, maar dan vastgepind op 1km hoog.

We zien een duidelijke vermindering in de dipool structuur. In die mate dat we moeilijker van een dipool kunnen spreken wat de veronderstelling opwekt dat de rotatie enkel in de lage niveaus terug kan gevonden worden.

Dit is terug een feature die door het Atkins onderzoek werd naar voor gebracht. Een sterke vermindering in rotatiesnelheid hoe hoger in de atmosfeer. 

Als we de rotatiesnelheden vergelijken met de tornadische vortices die in het Atkins onderzoek werden vastgesteld kunnen we concluderen dat de snelheden van 11 tot 12 m/s ruimschoots werden behaald. De dipool toont ons overduidelijk inbounds tot 30 m/s met outbounds die 20 tot 25 m/s halen.

De couplet met de inbounds en outbounds zijn zo sterk dat de gedachte van een tornado-event niet ver uit te zoeken is. Zeker als we de schade bekijken.

Toen het Gustfront ons begon te naderen hebben wij vlug dekking gezocht want met de neerslagintensiteit, de hevige wind en de rondvliegende takken mochten we gewoon niet meer verder gaan. Het werd ronduit te gevaarlijk.

Na afloop vonden we onderweg naar de autosnelweg gestaag meer en meer sporen van schade terug, waaronder het gros afgeknapte takken & stukken van bomen.

Eénmaal op de autosnelweg werd het duidelijk dat de omvang van het schadegebied relatief groot was. Over het volledig traject van de autosnelweg vonden we takken met verscheidene diameter gaande van een centimeter tot veel dikkere exemplaren en belandden in beide rijrichtingen op de rijbanen.

Eén plek daarentegen trok unaniem onze aandacht en situeert zich rond een brug. Langs de volledige rechterflank van de autosnelweg stond een rij bomen waarvan takken en blaren op de autosnelweg zijn beland maar 1 héél smalle strook van die bomen had veel sterkere schade waarbij de vraag omhoog kwam gedreven of hier niets meer aan de hand was.

Terwijl de algemene schade uit afgeknapte takken bestond zien we in bovenstaande afbeelding dat over een heel smal spoor de schade veel sterker was en dat enkel deze bomen volledig afgeknapt/gestript waren... wat impliceert dat er plaatselijk veel sterkere windsnelheden waren. Ook vonden we iets schuin aan de overkant van de autosnelweg hetzelfde fenomeen terug.

De schaal waarop deze sterkere windschade zich manifesteerde was zo smal dat (met het onderzoek van Atkins 2005 & 2009 in het achterhoofd) het idee naar boven kwam dat dit mogelijks een QLCS mesovortex event was en dit mogelijks tornadoschade is dewelke met de eventuele mesovortex gepaard ging.

Dus vonden wij het nodig deze foto's te nemen om achteraf een onderzoek te doen naar de mogelijke oorzaak van de schade en de manifestatie van dit smal schadespoor.

Daarbij hebben wij de nodige instanties gecontacteerd met de vraag of het mogelijk was ons enige radarinformatie te voorzien om deze event te documenteren en na te gaan of hier daadwerkelijk een mesovortex, zoniet een tornado is gepasseerd.

We hebben getracht om ten zuiden van de autosnelweg te gaan onderzoeken hoe de schade daar was maar een omgewaaide boom belette ons dit te doen door de baan te blokkeren zodat we ons schade-onderzoek niet verder konden zetten.

Enkele onzekerheden die wij niet kunnen natrekken zijn de daadwerkelijke diepte waarin deze rotatie te vinden was aangezien wij van Belgocontrol enkel 2 hoogtes hebben ontvangen (0,5km & 1km). Ook weten wij daardoor niet of de supercel die wij hebben gevolgd daadwerkelijk al haar eigenschappen heeft verloren. In principe zouden wij de mid-levels op rotatie moeten nakijken om na te gaan of daar rotatie te vinden is alhoewel de ongedefiniëerde couplet op het 1 km CAPPI beeld ons meer in onze huidige denkpiste stuurt.

Is die rotatie toch in de mid-levels te vinden groeit de mogelijkheid sterk dat er nog steeds supercellulaire buien in dit QLCS aanwezig waren wat een bom onder de RIJ/mesovortex hypothese legt. Deze mogelijkheid is niet te ontkennen daar we alvast hebben opgemerkt dat er meer dan 1 supercel tekeer ging voor het QLCS zijn lineaire vorm boven de Benelux aan nam. Eén daarvan is deze hierboven met de blauwe tint (verantwoordelijk voor de kurkentrekker-updraft die eerder in dit artikel werd vermeld). 

Een 2e exemplaar die wij deze dag hebben opgemerkt vind je hieronder.

Een RHI dwarsdoorsnede dwars door de neerslagzone (door de boogfeature) lijkt de beste optie om de hypothese in dit artikel te bevestigen.

Vandaar dat we duidelijk moeten stellen dat deze denkpiste gebaseerd is op enkele veronderstellingen omdat wij jammer genoeg niet over alle data beschikken om ècht zeker te zijn van deze stelling.

Hoe dan ook lijken de velocitybeelden in combinatie met de besproken schade deze denkpiste te bevestigen (tornadische mesovortex).

De aanvraag om de ruwe data te mogen inkijken met onze interne tools werd ons jammer genoeg geweigerd.

Met dank aan de gezamenlijke samenwerking van de collega's tijdens deze fysiek en mentaal afmattende 3-daagste trip.