We ondescheiden daarom onweersbuien in 3 verschillende klasses nl. de single cel, supercel & multicel waarbij een multicel deel uitmaakt van de single (al dan niet super)cel. In deze 2-delige blog-entry hebben we het over de interacties die buien met andere buien kunnen ondervinden, resulterend in de multicel-configuratie en vergelijken we de verschillende multicel-types met elkaar.
De groep multicel bevat verschillende structuren die allen hun eigen patroon en eigenschappen hebben en is daarom een brede term. Onderstaand diagram toont ons hoe multicel-systemen kunnen geclassificeerd worden.
We zien dat kleine multicels kunnen geklasseerd worden in 2 subtypes: dominante coldpool of niet, terwijl grote multicels in een sqall line, MCS of een MCC configuratie zijn. We zullen zien dat elk klasse of type verschillende eigenschappen bevat terwijl de windschering in elk multicel type (groot of klein) een cruciale rol speelt in de organisatie en het onderhoud van multicel systemen.
Ook bekijken we de coldpool-dominantie bij de grote multicels, de 3 subtypes van de lineaire groep en de 2 non-lineaire configuraties, waaronder het reeds vermelde MCC en het MCV.
Het is misschien het aangewezen moment om de term "multicel" zelf te verklaren zodat we weten waarover we praten.
In de meteorologie spreekt men van een multicel wanneer er in een gebied meer dan 1 cel aanwezig is waarbij ze dicht genoeg in elkaars omgeving zijn dat ze elkaar op één of andere manier beïnvloeden. Meestal bevatten ze dezelfde coldpool en neerslag-gebied.
Wanneer er neerslag onder een cumulonimbus onweerswolk wordt geproduceerd koelt de lucht af naar de wetbulbtemperatuur. Die "poel" van koude lucht noemt men de coldpool.
De coldpool speelt in het onderhoud van multicels een belangrijke rol. De sterkte van de coldpool en de bijhorene outflow is afhankelijk van de diepte van de coldpool en diens temperatuursverschil met de omgeving.
De creatie van de coldpool vinden we in de aanwezigheid van verdampingsprocessen, "evaporative cooling" genoemd. Hierbij zien we dat de neerslag verdampt en daardoor warmte uit de omgeving onttrokken wordt en in het verdampingsproces wordt stopt met als resultaat: afkoeling. We danken dit aan de 1e wet van de thermodynamica: "Energie kan nooit gecreëerd of vernietigd worden: enkel omgezet".
De kleinste multicels (meso-gamma schaal) ondervinden een configuratie waarbij we veelal verschillende cellen zien, elk in een eigen stadium van ontwikkeling. Nieuwe cellen worden gevormd voor de oude cellen uitsterven en gebeurt in hun directe omgeving waarbij hun wolken niet meer apart te onderscheiden zijn en de volledige wolkendimensie verschillende neerslagkernen kan bevatten.
Cel A is de oudste cel en bestaat enkel uit outflow (neerslag) terwijl cel B in haar piek zit. Cel C & D zijn de nieuwe cellen in hun updraft-stadium. Dit type multicel is meestal niet groot genoeg om een lineaire configuratie aan te nemen alhoewel ze gerust langs een lineaire boundary kan ontspringen. Aangroei (cel-initiatie) vinden we op een voldoende afstand van de zwakke coldpool.
De zwakke coldpool is meestal onvoldoende om nieuwe cel-initiatie te starten, vandaar dat we bij deze systemen veelal moeten kijken naar externe forcing en instabiliteit om de duur en evolutie te benaderen. We zien de cel-motion naar rechts, maar deze aanvoer kan in elke richting gebeuren. We spreken hier over de niet-dominante coldpool case.
Zoals gezegd kan een klein multicel-systeem toch gedomineerd worden door een sterke coldpool... zeker wanneer de omgeving waarin de multicel zich voordoet bevorderlijk is voor diens creatie. We denken aan het "what comes up, must come down" principe, dus een sterke instabiliteit en een hoog vochtigsaanbod.
Met de trekrichting van de cellen naar links vinden we de nieuwe cel-generatie aan de rechterkant: de voorzijde van de coldpool. De forcering gebeurt al dan niet langs een grens maar diens voorbestaan is nu grotendeels afhankelijk van de efficiëntie waarmee de coldpool nieuwe cel-generatie ontwikkelt. Deze systemen zijn dan ook gekend om nog actief te zijn terwijl de forcing ervoor enige tijd is verdwenen.
Door de voorwaartse translatie van de coldpool vinden we de nieuwste convectie primair op die flank. De zijpanelen van de Belgocontrol radar zijn hiervoor een handige tool omdat zij de stadia van de buien kunnen laten zien, dit zowel in een west-oost als een zuid-noord as.
In grote multicels vinden we veelal verscheidene cellen in een gelijkaardig stadium van ontwikkeling. Een squall line is ofwel een multicel groot genoeg om lineaire vormen te ontwikkelen ofwel een lijn, bestaand uit single of multi/supercels, terwijl een QLCS of "Quasi Lineair Convective System" ergens in diens evolutie een minder of niet-lineaire vorm heeft aangenomen. Een MCS is een multicel (of squall line) met een aangeengesloten neerslag-gebied die in minstens één richting de 100km behaalt.
Veel multicels halen het lengte-criterium niet, maar opereren nog steeds op mesoschaal. Grote multicels móeten daarom niet 100% aan dit criterium voldoen (aldus NOAA). Men spreekt in de meteorologische wereld regelmatig van een "klein MCS", maar we kijken al iets te ver vooruit...
Het is belangrijk te weten hoe een coldpool in staat is om nieuwe celgeneratie te starten vooraleer we verder gaan en de verschillende lineaire types behandelen. Hoe werkt die opstuwing precies?
We moeten terug denken aan windschering en het alom bekende gedachte-experiment uitvoeren...
Plaatsen we een rad (of in dit geval een rol) gaat die door de toename van de windsnelheid met hoogte beginnen roteren en krijgen we vorticiteit langs een horizontale as. Wanneer de horizontale vorticiteit van de omgeving (door de windschering) samenwerkt met de horzontale vorticiteit langs de coldpool en we daardoor een gecombineerde opstuwing vinden kan die genoeg zijn om de nieuwe cellen te genereren.
De RKW-Theorie (genoemd naar Rotunno, Klemp & Weissman, 1988) zegt net dat! "Het liften van luchtddeeltjes tot hun LFC is het meest efficiënt wanneer er een balans is tussen de sterkte van de coldpool-circulatie en de circulatie van de omgeving."
Hieronder zie je de presentatie van dit gegeven in een afbeelding van Markowski.
Aan de linkerkant zien we de 2 vorticiteitsvectoren (coldpool & omgeving) in dezelfde richting draaien en daardoor kunnen we ook geen gezamenlijke opstuwing vinden. Langs de rechterkant daarentegen zien we de verticale circulatie van de coldpool en omgeving samenwerken met hun vorticiteitsvectoren elkaars tegenpool.
Er dient dus een correlatie te zijn tussen de sterkte van de windschering en de coldpool om een optimale situatie te garanderen voor een verder onderhoud van de multicel-configuratie.
Het RKW onderzoek bracht de sterkte van de coldpool-circulatie onder in een term "C" en de sterkte van de windschering in "delta-U". De verhouding daartussen zegt ons het verhaal van de gemaximaliseerde lift.
Bovenstaande afbeelding is een aanpassing van het materiaal op "Meted", waar we een simulatie zien van een interactie tussen de coldpool (koude kleurvulling) en de omgeving. Wanneer de verticale windschering primeert wordt de lucht downshear getrokken vooraleer het de LFC bereikt.
In het tweede paneel zien we de optimale situatie. Hier is de coldpool-circulatie en deze door de windschering in balans. We zien duidelijk dat we diepe lift hebben tot aan de LFC en zo onze nieuwe celgeneratie hebben. Het derde paneel toont ons de situatie wanneer de coldpool-circualatie sterker is dan deze door de shear (of de afwezigheid ervan). De lucht wordt dan over de coldpool getrokken waardoor de LFC mogelijks niet kan bereikt worden.
De RKW-resultaten bieden ook een verklaring waarom de helling van de updrafts in een multicel met tijd kan veranderen. Wanneer de multicel geen coldpool heeft hellen de buien in de richting van de aansterkende wind met hoogte. De precieze helling van de buien vinden we in de ratio tussen de updraft en de verticale windschering. Een zwakke updraft in een te sterk gescheerde omgeving scheurt daardoor de upraft kapot waardoor buienvorming niet lukt.
.png)
Wanneer de coldpool zich ontwikkelt begint de circulatie van de coldpool meer en meer invloed te hebben op de overheersende schering-circulatie. Daardoor komen de updrafts eerder recht te staan. Wanneer de coldpool nog sterker wordt begint het systeem naar achter te tillen, analoog aan de eerder gemelde simulaties omdat de coldpool nu de dominante factor in het spel is geworden.
Omdat de updraft nu boven de coldpool hangt vinden we boven de coldpool dus een verlaging van de luchtdruk. Deze drukval wekt een circulatie op waarbij lucht van achter de bui naar voor wordt gebracht.
In het schema zien we de horizontale vorticiteit die langs de updrafts worden gegenereerd en de vorticiteit langs de coldpool. De vorticiteitsvectoren bovenaan en onderaan versterken die voorwaartse flow nog eens waardoor over enige tijd een RIJ wordt gevormd: de "Rear inflow jet".
Op bovenstaande figuur (van houze et al 1989) zien we dit als de "descending rear inflow", net als de "ascending front to rear flow" die de stijgbeweging in de multicel aanduidt. De natuur van die interface met bijhorende shelfcloud verklaart op zijn beurt dan ook waarom de meeste CG activiteit net achter de passage van de shelf/acrus-structuur te vinden is.
Het is daar langs die interface dat de meest chaotische beweging zich bevindt wat resulteert in een sterkere opwekking van statische elektriciteit met als gevolg het nodige ladingsverschil tussen de bui en de aarde.
Door die "back to front flow" kunnen buienlijnen na verloop van tijd beginnen doorbuigen en bekomen we een bow-echo met als motor die RIJ.
De sterkte van de RIJ is veelal afhankelijk van de sterkte van de instabiliteit. Hoe sterker de updrafts, hoe heviger de "front to rear" flow gaat zijn en hoe dieper de drukval boven de coldpool en hoe sterker de coldpool uiteindelijk kan zijn (onthoud: "what comes up must come down").
Eén van de grote missers in de huidige meteorologie is het forecasten en nowcasten van zo een RIJ. Indien men juiste en tijdige wind-forecasts wenst te pinpointen dient er verder onderzoek te gebeuren want dit is ten tijde van vandaag nog steeds onmogelijk.
Een veelgebruikte methode die wordt gehanteerd in de short-term forecasts is dat er op de radiale snelheidsbeelden gezocht wordt naar een "MARC" signatuur (Mid Altitude Radial Convergence). Er wordt een dwarsdoorsnede gemaakt loodrecht op de multicel-as en daarop wordt gekeken of doorheen de cross-section in een opwaartse richting een soort "muur" wordt gezien.
Een mogelijk voorbeeld daarvan vinden we hier en is een illustratie van een onderzoek door Przybylinski in 1995.
De lineaire vorm die grote multicels frequent aannemen zijn een reflectie van de uitgerekte lift die voorkomt langs een extern forceringsmechanisme zoals een lineaire boundary of een front en wordt gemoduleerd door de coldpools & diens interacties die inwendig tot stand komen.
Een front zorgt voor lineaire forcing, maar indien de DLS windshearvector sterk is en haaks op het front staat (of eender welke boundary) blijven buien eerder autonoom en zien we geen "groei" richting elkaar langs het lineair forceringsmechanisme.
Wanneer de DLS windshearvector parallel staat op de forcerings-as zien we een lineaire configuratie als resultaat, maar deze vormen en hoe die tot stand komen bekijken we in het tweede deel. Voorts zal er dieper worden ingegaan op de neerslag- en ladingsdistributie, bow echo's en hoe de coriolis-force (f) de systemen kan beïnvloeden.
Hopelijk tot dan.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten