Om verder te gaan waar we gebleven zijn pikken we de draad terug op bij de lineaire natuur van het forceringsmechanisme. Indien de forcing lineair is (zoals vb een front) is de lineaire natuur van een multicel een rechtstreekse weerspiegeling van de oriëntatie van de boundary waarlangs de multicel zich vormt.
Zoals altijd is de oriëntatie van de windscheringsvector erg belangrijk, maar diens implicatie wordt door velen jammer genoeg sterk onderkend.
Wanneer de 850 - 500mb windscheringsvector parallel staat op de lineaire forcing vinden we als resultaat dat de buien naar elkaar langs die lineaire natuur beginnen uitbreiden. We noemen dit "upscale growth". De wind op hoge hoogte waait dan de neerslag van de cellen downshear waardoor na een bepaald tijdsinterval de lineaire vorm begint te ontwikkelen.
We zien direct dat hierdoor de aparte coldpools ook beginnen te verbreden richting hun buren. Na verloop van tijd vinden we dan veelal een volle lijn en vinden we 1 gemeenschappelijke coldpool.
De grijze pijl is de 850-500mb windshearvector, de groene vlekken zijn de dimensies van het neerslaggebied en de stippellijn is het gustfront. Aangezien de cellen in het beginstadium discreet en geïsoleerd zijn vinden we hun gustfront ook enkel rond de cellen zelf. Na het tijdsinterval "delta-t" zien we het gustfront analoog aan cel-evolutie ook breder worden parallel met de lineaire forcing en na langere tijd (2delta-t) zien we de gemeenschappelijke coldpool die resulteert in 1 gustfront.
Een volwaardige shelfcloud-structuur vinden we daarom voornamelijk in het laatste stadium en wordt gevormd wanneer de cellen een grotere graad van interactie beginnen aangaan en het gezamenlijk gustfront wordt gevormd (middelste afbeelding).
De situatie is anders wanneer de 850-500mb windshearvector onder een hoek op de lineaire forcing staat.
In deze situatie zien we ook dat de cellen groter en breder worden maar nu zien we dat dit niet gebeurt parallel in de richting van de lineaire forcing maar onder (min of meer) dezelfde hoek die de 850-500mb windshearvector op de lineaire forcing heeft.
Hieroor kunnen we gerust (en terecht) de vraag stellen of dit nog kan geklasseerd woden als multicel, daar we ten tijde van "2delta-t" geen gemeenschappelijk gustfront/coldpool zien. Na verloop van tijd zien we toch dat de outflowboundaries van nabije cellen beginnen te interacteren met noorder of zuiderburen dus zien we toch op één of ander manier een inter-coldpool mixing.
Hoe autonomer de cellen en hoe meer ruimte zij hebben om te ademen (bij wijze van spreken) hoe meer kans dat de cel zich kan ontwikkelen tot supercel.
Onthoud dat we hierbij nog niet hebben gekeken naar de beweging van de lineaire forcing, want deze is even belangrijk dan de orientatie van de windschering op de forceringslijn. Sterker zelfs: de beweging van de lineaire boundary is een sterke modulator voor de creatie van supercels.
Als we terug denken aan de laatste blog-entry over het hoogram hebben we gezegd dat het de storm motion is die "beslist" of de bui genoeg heliciteit kan verkrijgen om een mesocycloon te ontwikkelen (supercel worden).
Wanner we dus een geforceerde storm motion hebben in een richting waarbij de storm-relatieve wind gunstig is en ons genoeg heliciteit oplevert voor de vorming van een mesocycloon vinden we mogelijks supercels in de lijn.
De beweging van de boundary waarlangs de convectie gebeurt is hierin de sterkste factor. Indien buien gebonden zijn aan een boundary en die boundary zelf verplaatst zich zal de celbeweging (relatief aan de grond: vb chaser of weerstation) ook een aangepaste trekrichting hebben en het is die veranderlijke beweging die verantwoordelijk kan zijn voor de vorming van supercels.
De afbeeldingen hierboven tonen een situatie waarin een boundary in een rechte lijn is. De term "lineair" spreekt niet over de rechte vorm van de lijn, maar eerder over hoe "vloeiend" de lijn is. Een curvende boundary is dus mogelijks ook gerust lineair, zolang de lijn niet onderbroken en vloeiend blijft.
Op bovenstaande afbeelding zien we dit goed. We zien de surface observations met grondrelatieve flow richting het noorden en de boundary beweegt analoog aan het eerdere diagram richting het ZO. Hierdoor vinden we een aangepaste (geforceerde) afwijkende beweging van de buien en zijn die supercels.
De curve van de boundary heeft ook dezelfde implicaties zoals hierboven beschreven bij de rechte case. Vinden we een sterk curvende boundary met overal min of meer hetzelfde windprofiel vinden we de lineaire natuur op de plaats in de curve waar de shearvector parallel op die boundary staat en vinden we de eerder discrete buien op de locatie waar de shearvectoren onder een hoek op die boundary staan.
Wat buienmode betreft zijn bovenstaande zaken de belangrijkste driver achter de precieze organisatie die multicels omvatten.
Bow echo's bestaan in alle oriëntaties en we vinden zowel kleine exemplaren op de kleinere mesoschalen als grotere. Het bestaan van een bow-echo is een rechtstreeks resultaat van de "descending rear inflow" in het model van Houze en zijn daardoor een indicator van de aanwezigheid van hevige wind aan het oppervlak: géén "kans op", maar de aanwezigheid vàn!
Terwijl een bow-echo op grote schaal nog steeds een lineaire vorm heeft vinden we ook de LEWP regelmatig terug of het "Line Echo Wave Pattern" en is in wezen een aaneenschakeling van verschillende kleinere bow-echo structuren. Door de golvende natuur van dit patroon spreken we niet zo zeer meer over een lineaire strutuur maar wordt de term QLCS gebruikt: een Quasi Linear Convective System.
(meer informatie over de bow echo met de verwijzingen naar het onderzoek van Atkins 2005-2009 vinden we hier in een eerder artikel).
De RIJ die verantwoordelijk is voor de bow-echo is een gegeven wat eerder door dr Fujita is gedocumenteerd, dewelke we reeds hebben aangehaald in eerdere artikels. Het conceptioneel model door dr Fujita opgesteld (1978!) is de dag van vandaag nog steeds accuraat en toepasbaar.
We beginnen de bow echo met een neerslaggebied onder een ietwat lineaire vorm, waarna de RIJ-downburst begint op te zetten (we zitten nu reeds in stadium B) waardoor de bui verder begint door te buigen in stadium C en verder "uitbuigt" in D & E. We zien aan de uiteinden van de boog 2 gebieden van rotatie en deze vortices noemen we "line end" of "bookend" vortices.
De creatie van deze line-end vortices zijn analoog aan de manier hoe de mesovortices gevormd worden aan de voorzijde van het QLCS (bow echo) gustfront.
Volgens onderzoek door Weisman & Davis (1998) vinden we dezelfde 2 mogelijkheden, namelijk de neerwaartse of opwaartse tilting van horizontale vorticiteit, waarbij de opwaartse case (rechts) volgens het onderzoek de meest waarschijnlijke is.
Naargelang de grootte en duur van het buiensysteem is het mogelijk dat er een andere speler zich moeit met de evolutie van buiensystemen, namelijk de coriolis-"kracht" of de rotatie van de aarde. (kracht staat tussen aanhalingstekens omdat het eigenlijk geen kracht is maar een versnelling).
De rotatie van de aarde heeft een cruciale rol bij de atmosferische circulatie. We weten dat "wind" wordt opgewekt van hoge naar lage druk-gebieden, die op hun beurt worden opgewekt door temperatuursverschillen. De circulatie van de atmosferische flow hebben we te danken aan de impact die de coriolis-"kracht" op die luchtstromen heeft.
Indien buiensystemen een sterke omvang en een lange levensduur hebben zijn zij op termijn ook gevoelig aan de acceleraties die door de coriolis "kracht" worden opgewekt. Het coriolis-effect zoals dit genoemd wordt is sterk afhankelijk van de latitude. Met andere woorden: hoe hoger de latitude (in het noordelijk halfrond: hoe dichter bij de noordpool), des te sterker het coriolis-effect.
In onderstaande afbeelding zien we een bepaald punt op het oppervlak. Dat punt is net zoals de windvector onder te verdelen in 2 componenten: U & V. Het is het locale "V-component" van het punt in kwestie dat de sterkte van het coriolis-effect aangeeft.
Aangezien er aan het uiteinde van een bow-echo bookend-vortices verschijnen heeft het coriolis-effect implicaties op hun evolutie. Waar de bookend-vortex in dezelfde richting spint als de coriolis-"spin" vinden we een versterking van de bookend vortex. Bookend-vortices die niet in de richting van de coriolis-"spin" roteren ondervinden op termijn een afzwakking van hun rotatie.
Kortdurende bow echo's hebben hier minder last van omdat de coriolis-versnelling (alhoewel aanwezig) traag op gang komt vandaar dat de coriolis enkel impact heeft op langdurige systemen. Op termijn vinden we dan een asymmetrische opmaak van de bow-echo omdat de noordelijke bookend de sterkste is, vandaar ook de comma-vorm in D & E van het bow-echo model van dr Fujita.
Buiensystemen laten na afloop soms een MCV achter: een mesoscale convective vortex. Wanneer een buiensysteem veel lantente warmte heeft geproduceerd (condensatie - sterke wolken heeft gevormd) vinden we veelal een poel warmere lucht boven de coldpool.
Door het verticaal "buyoancy gradiënt" wordt de statische stabiliteit onder de warmte-anomalie verhoogd en krijgen we daardoor PV (potentiële vorticiteit).
\[PV = \left( {\frac{{\zeta + f}}{\rho }} \right)\frac{{\partial \theta }}{{\partial z}}\]
In essentie tellen we hier de relatieve vorticiteit "zeta" bij het coriolis effect "f" op en krijgen we de absolute vorticiteit. De absolute vorticiteit met een bepaalde densiteit "rho" wordt dan vermenigvuldigd met de statische stabiliteit (d-theta/dz). Uit de formule zien we dat de PV verhoogd wordt wanneer de statische stabiliteit wordt verhoogd (d-theta/dz term) alsook wanneer de densiteit van de lucht afneemt of de corioliskracht verhoogt. ("rho" & "f"). MCV's hebben dus net als de asymmetrie van de bow echo meer kans om te bestaan en vinden hun langste levensduur in de hogere latitudes.
Voor meer informatie over het MCV verwijs ik jullie graag naar de onderzoeken van Raymong & Jiang, meerbepaald hun artikel van 15 december 1990.
De systemen die we tot dusver hebben beschreven zijn coldpool-dominant maar er zijn ook grote multicels die niet coldpool dominant zijn. We denken aan de "elevated multicel". Een elevated multicel (en andere hoogte-convectieve gebeurtenissen) impliceert dat de updraft - of liever het parcel-traject - een bron heeft boven het oppervlak waarbij de lucht bij de grond mogelijks zelfs conditioneel stabiel is.
.jpg)
Aangezien de inflow van deze buien zich boven de coldpool bevindt is de coldpool in zo een situatie niet dominant maar kijken we naar andere mogelijkheden die hoogte-convectie ondersteunen. We denken vooral aan mid-level frontogenesis, gelocaliseerde warmte-advectie, zwaartekrachtsgolven & differentiële vorticiteitsadvectie (PVA of PdVA wordt het het laatste april-artikel behandeld).
Deze systemen produceren downdrafts maar de outflow kan geen convectie vanaf de grond produceren omdat de condities bij de grond stabiel zijn.
Een MCS kan ook evolueren naar een MCC of een Mesoscale convective complex. We spreken van een MCC wanneer een MCS een groot, cirkelachtig wolkenschild vormt (geobserveerd door satelliet als CTT of cloudtop temperatures) die een bepaalde dimensie heeft met een specifieke cloudtop temperatuur-verhouding.
Om geclassificeerd te worden als MCC moet er een CTT van max -32°c te vinden zijn over een gebied van 100000 km² of groter, waarbij we een gebied hebben ter grootte van 50000 km² met CTT's van -52°c. Het 6.5µm kanaal is hierbij een goede indicator alsook de 10.7µm daar we bij deze gemakkelijk de CTT kunnen vinden.
Opgelet! in het eerste deel heb ik het MCC onder "non-lineair" geplaatst in het schema, maar het kan gerust zijn er onder het cirkelvormig aambeeld een lineaire convectieve gebeurtenis plaatsvindt.
Belangrijk om weten is dat er geen 1 model is om multicel systemen aan te duiden. Er is altijd behoorlijke overlapping tussen de verschillende manieren hoe een bepaalde situatie kan evolueren. Ook zijn lokale invloeden van groot belang zoals o.a. de aanwezigheid van obstructies voor de low level flow (grote bomen, grote gebouwen) en orografie.
Ook vinden we een grote overlap tussen windprofielen voor Bow-echo's & supercels. Hier staat de buienbeweging nog steeds centraal waarbij een optimale buienbeweging de maximale heliciteit oplevert en streamwise vorticity de hoogte in schiet.
Een duimregel die veel wordt toegepast is hoe de windschering zelf is "opgesteld". Eénzelfde DLS waarde kan op verschillende manieren tot stand komen. Vinden we de sterkste windschering in de onderste niveaus pakweg 0 - 3km zijn bowecho's veelal het resultaat. Vinden we daarentegen dezelfde DLS maar de windschering verdeeld over de volledige 0-6km zijn supercels eerder aan de beurt omdat die situatie bevorderlijk is voor de mid-level mesocycloon (3 - 6 km hoog).
We weten maar al te goed dat een zware buienlijn veelal gepaard gaat met bliksemactiviteit. Hoe sterker het systeem, hoe meer bliksemactiviteit. Met de "sterkte" doelen we op 2 dingen: de efficiëntie waarmee nieuwe cellen tot ontwikkeling kunnen komen door de coldpool-shear interactie en de thermodynamische eigenschappen. Hoe sterker die 2 eigenschappen aanwezig zijn hoe hoger de bliksemactiviteit in een multicel zal oplopen.
Dit schema in acht houdend kunnen we afleiden waar we welk type CG-bliksem kunnen vinden in het MCS. In de convectieve kern verwachten we hoofdzakelijk negatieve CG's en een hoge flashrate. Waarom die hoge flashrate? Wel die vinden we omdat we in die kern de meeste graupel vinden die verantwoordelijk is voor de splitsing van de lading ("charge separation").
De positieve lading aan de cloudtop & overshooting top vinden we omdat de positief geladen deeltjes naar boven worden getrokken (ze zijn lichter) en zo lateraal langs het aambeeld uitspreiden. Dit hebben we te danken aan de updraftsnelheid (>= 10 m/s) waarmee de convectieve regio van een MCS veelal te maken heeft.
In de stratiforme neerslag vinden we zulke sterke convectie niet. De verticale beweging daar, is amper een halve m/s. De lading in de stratiforme neerslag vinden we door de advectie van lading uit de convectieve regio ("seeder-feeder" mechanisme) met de positieve lading in de cloudtop die zich zoals gezegd lateraal uitspreidt.
Momenteel is het in nog niet geweten waar de omcirkelde negatieve lading in de stratiforme neerslag vandaan komt maar observaties hebben aangetoond dat die daar daadwerkelijk is. Men vermoedt dat die belangrijk is voor de IC bliksem, maar onderzoek dient dit nog uit te maken.
De positieve CG's in het stratiforme gebied vinden hun weg door een stepleader die zich richting de omcirkelde negatieve lading begeeft en zo gemakkelijker de weg naar de grond vindt. Ook is de flashrate in het stratiforme neerslaggebied veel zwakker. De reden daartoe vinden we in het feit dat de grootste graupeldensiteit in de convectieve regio te vinden is, en het is die "graupel" - zie het als zachte hagel - die verantwoordelijk is voor de splitsing van de lading.
We hebben daarnet die "stratiforme neerslag" vermeld. Wat is die eigenlijk en welke vormen kunnen die aannemen?
We onderscheiden 3 types stratiforme neerslagtypes namelijk het TS, LS en PS type. Het bovenste type: LS of "Leading stratiform" wordt gekarateriseerd door sterke systeem-relatieve flow van achter naar voor in de hogere niveaus, waardoor het aambeeld vooruit gesmeerd wordt en een "leidend stratiform gebied" genereert. Deze configuratie creëert een minder sterke coldpool waardoor dit systeem niet coldpool-dominant is.
Het tweede voorbeeld (in het midden) is de PS of "parallel stratiform" en vinden we wanneer de upper level systeem-relatieve flow parallel met diens oriëntatie ligt. Dit systeem genereert duidelijk een sterke coldpool aangezien elk neerslaggebied overlapt met de andere cellen, wat ook de reden is waarom een systeem deze configuratie niet lang kan houden.
De TS-situatie, "Trailing stratiform" is de meest voorkomende waarbij we de gekarakteriseerde achterwaartse tilt zien door de coldpool-dominantie. Relatief aan het systeem vinden we de sterkste wind nu onderaan als inflow (mede door het vooruitrushen van de coldpool en zo de nieuwe celgeneratie).
Merk op dat zoals gezegd in het eerste deel: de configuratie gemakkelijk kan veranderen bij de vorming van een coldpool. De reis van de voorwaartse tilt tot de erecte updrafts naar de achterwaartse helling gaat soms ook gepaard met een reis doorheen de stratiforme neerslagtypes van LS naar PS naar TS. De reis van PS naar TS is de meest voorkomende, aangezien bij de PS een nakende coldpool-dominantie een grote waarschijnlijkheid is.
Alhoewel verder onderzoek nodig is om bliksemintensiteit, wind-events en andere verschijnselen op een juiste manier te voorspellen en te anticiperen zien we dat de kennis van multicel systemen beslist behoorlijk groot is.
We kijken al uit naar wat de toekomstige onderzoeken ons brengen.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten