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".