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.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten