Jak możemy pomóc w weryfikacji prognoz turbulencji CAT?

W Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej, profesor Jan Parfiniewicz opracował model matematyczny prognozowania turbulencji CAT (Clear Air Turbulence). W efekcie na stronie awiacja.imgw.pl, piloci otrzymują mapy z zaznaczonymi obszarami możliwości występowania turbulencji. Model, uwzględnia masę statku powietrznego, jak i wysokość w której statystycznie wykonywanych jest najwięcej operacji lotnictwa ogólnego. O omówienie, dość złożongo zagadnienia poprosiliśmy panów: Jana Parfiniewicza i Grzegorza Bojanka z IMGW. Wywiad wsparł Operacyjny Szef Meteorologicznej Osłony Lotnictwa Cywilnego, Jerzy Czaprowski.

Profesor Jan Parfiniewicz
Urodzony w Warszawie w 1946 roku. Absolwent Politechniki Warszawskiej, Instytutu Hydro-Meteorologicznego w Petersburgu i Uniwersytetu Warszawskiego (wydział Matematyka). Autor wielu publikacji naukowych w tym między innymi dotyczących ruchów mas powietrza i prognozowania burz. Twórca i współtwórca dziesiątków modeli matematycznych. Doradzca Państwowej Komisji Badania Wypdków Lotniczych. Wielokrotnie nagradzany wyróżnieniami Państwowymi. Od 1969 aktywny uczestnik seminarium środowiskowego Zakładu Fizyki Atmosfery na Uniwersytecie Warszawskim.

Grzegorz Bojanek
Od zawsze fascynowały mnie samoloty na niebie oraz pogoda, tak więc związałem życie z meteorologią. Na studiach geograficznych poruszyłem tematykę wpływu warunków meteorologicznych na lot samolotu. Na studiach magisterskich sięgnąłem wyżej, bo aż po tropopauzę, badając charakterystykę występowania prądów strumieniowych nad obszarem Polski.
Obecnie jestem młodszym synoptykiem lotniczym w Centralnym Biurze Prognoz Lotniczych, Meteorologicznym Biurze Nadzoru w Warszawie, gdzie każdego dnia i nocy z całą załogą dokładamy wszelkich starań, aby zapewnić doskonałą jakość osłony meteorologicznej lotnictwa.
Ale nie samą meteorologią żyje człowiek... Po pracy jeżdżę na rowerze, zgłębiam tajniki języka szwedzkiego oraz kultury i historii Szwecji, a także interesuję się morzem oraz okrętami parowymi przełomu XIX i XX wieku.

Paweł Korzec: Co to jest CAT (Clear Air Turbulence) czyli turbulencja w „czystym” powietrzu. Proszę wyjaśnić to zjawisko, jakby tłumaczył Pan dziecku.
Grzegorz Bojanek: Zanim przejdziemy do CAT, musimy poruszyć temat turbulencji w ogóle. Turbulencja jest to każdy przepływ powietrza który jest zakłócony, zarówno przez przeszkody na które to powietrze napotyka, jak i przez inne masy powietrza zmieniające ich kierunek oraz prędkość.

Żeby to lepiej zrozumieć, wyobraźmy to sobie na przykładzie rzeki. Duże, szerokie rzeki z płaskim dnem płyną spokojnie, widać na powierzchni wody pojedyncze wiry, lecz woda generalnie jest spokojna i nie ma w niej turbulencji. A teraz wyobraźmy sobie wodę w potoku górskim, która płynie szybko, nad kamienistym dnem, a więc z przeszkodami. Kamienie, zakręty potoku, spadki wysokości, powodują zaburzenia w przepływie wody w tej rzeczce. Woda kotłuje się, faluje, pieni, szumi… Widać jak szybko zmieniają się jej kierunki przepływu i prędkość, co właśnie, za pomocą tych przeszkód w rzece tworzy turbulencję w wodzie. Patrząc na taki potok, widząc kotłującą się pienistą wodę, widzimy turbulencję w tej wodzie, słysząc jej szum, słyszymy w rzeczywistości turbulencję.

A teraz wyobraźmy sobie to samo zjawisko, tylko nie w wodzie, ale w powietrzu. Powietrze różni się od wody tym, że jest niewidoczne, ale zachowuje się tak samo jak wspomniana woda w spokojnej rzece i pienistym potoku. Masy powietrza, gdy przepływają powoli, nie generują dużych zawirowań, a więc nie występuje w nich odczuwalna turbulencja. Jednakże przy dużych prędkościach mas powietrza, ich przepływaniu nad przeszkodami terenu (góry, budynki, lasy), nagłych zmianach kierunku mas powietrza i prędkości, powietrze zachowuje się tak jak wzburzona woda w potoku, lecz z tą różnicą, że nie możemy tego zobaczyć. Powietrze kotłuje się, powstają zawirowania, mamy do czynienia z częstymi zmianami prędkości i kierunku wiatru, a więc turbulencją.

W większości przypadków turbulencję możemy zobaczyć, ponieważ w obecności turbulencji mamy w powietrzu chmury. Chmury barwią powietrze, przez co możemy dokładnie zobaczyć co się dzieje w tym powietrzu. Widzimy wtedy fale, wiry, pęczniejące „kalafiory” chmur, smugi, rozmywane chmury, kłaczki, pasma. Wszystko to świadczy o turbulencji i intensywnym mieszaniu i zawirowaniach, tak jak ta piana w wodzie w potoku.

Ale zdarza się również, że powietrze zawiera zbyt mało wilgoci, żeby mogły tworzyć się chmury. Wówczas te same zjawiska turbulencji występują w powietrzu, lecz poprzez brak chmur, a więc brak tego barwnika w powietrzu nie możemy zobaczyć co się w tym powietrzu dzieje. A powietrze nadal wykazuje wszystkie cechy, jak opisano powyżej, a więc występują w nim wiry, fale lecz my nie możemy tego zobaczyć. I to jest właśnie CAT, czyli turbulencja bezchmurnego nieba. Powstaje, gdy w atmosferze wilgoci jest tak mało, że nie tworzą się chmury. Zjawiska turbulencji występują, ale my nie możemy ich zobaczyć, bo nie mamy „barwnika” atmosfery w postaci chmur.

PK: A teraz poproszę tą samą definicję z punktu widzenia eksperta
GB: CAT jest to skrót od angielskiego określenia „Clear Air Turbulence”, czyli „turbulencja bezchmurnego nieba”. Są to chaotyczne ruchy powietrza (a więc ruch turbulentny cząsteczek), które wywołują gwałtowne i nieregularne zmiany kierunku i prędkości wiatru. Dodatkowo, w odróżnieniu od turbulencji chmurowej, która jest widoczna, CAT odbywa się w powietrzu suchym, gdzie nie powstają widoczne produkty kondensacji pary wodnej, wobec czego turbulencja CAT jest niewidoczna. CAT powstaje zarówno przy poziomym przemieszczaniu się porcji powietrza, jak i przy ruchach pionowych, zwłaszcza tych powodowanych przez konwekcję.

Najczęściej CAT występuje w górnej troposferze i powodowany jest głównie dynamiką atmosfery, przy gwałtownych zmianach kierunku wiatru i jego prędkości, lub przyrostu prędkości, jak np.

blisko tropopauzy,
w pobliżu i w obszarze jet stream,
w osiach górnych zatok i górnych klinów, fal stojących,
dookoła chmury Cumulonimbus.

CAT występuje również na niższych poziomach, termicznie, poprzez równowagę chwiejną, lecz poniżej poziomu kondensacji pary wodnej (nie tworzą się chmury), a także dynamicznie poprzez przepływ mas powietrza przez góry i tworzenie fal górskich, w pobliżu wierzchołków chmur Cumulus, na granicach inwersji, gdzie również występuje uskok wiatru.

Podsumowując: turbulencja to przepływ chaotyczny.

PK: Clear Air Turbulence, są trudne do wykrycia. W dużym uproszczeniu wynika to z faktu, że wykorzystywany dzisiaj sygnał radarowy nie ma się od czego odbić.
GB: Tak, to prawda. Obecne możliwości radarowe pozwalają na obserwacje ruchów mas powietrza i turbulencji, pod warunkiem, że powietrze zawiera cząstki wody w stanie ciekłym (jak mżawkę, deszcz itp.) oraz stałym (jak np. grad, śnieg itp.) czyli tzw. hydrometeory, lub cząstki piasku o odpowiedniej wielkości (litometeory). Od tych cząstek odbijają się fale wysyłane przez radar, co pozwala na określenie gęstości cząstek w powietrzu oraz prędkości ich przemieszczania razem z ruchami powietrza.
Od razu widoczne jest, iż CAT jest praktycznie niemożliwa do wykrycia, gdyż jak sama nazwa zjawiska wskazuje, jest to turbulencja w powietrzu nie zawierającym żadnych cząstek, od których mogłyby się odbić fale radarowe, dlatego przy jej prognozowaniu i ocenie musimy opierać się na własnej wiedzy synoptycznej, szczególnie wiadomościach, gdzie obszary turbulencji mogą występować i jakie warunki są potrzebne do powstania i rozwoju stref turbulencji.

PK: Po jednej z katastrof lotniczych w Polsce został Pan poproszony o próbę zdefiniowania warunków meteorologicznych w zadanym miejscu i czasie. Wyniki badań sprowokowały Pana do przedefiniowania warunków wstępnych, aby określić turbulencję dla lekkich statków powietrznych. Wyniki zaskoczyły Pana, dlaczego?
Jan Parfiniewicz: Uzmysłowiłem sobie, że oddziaływanie turbulencji na statki powietrzne zależy od wielkości samego samolotu ( a w zasadzie od jego masy, która określa jego inercję). Do tej pory jakby samo przez się rozumieliśmy, że chodzi o statki rejsowe dużej masy. Tymczasem, ta sama intensywność ruchu chaotycznego będzie zupełnie inaczej oddziaływać na duży komunikacyjny i na mały samolot.

GB: Małe samoloty w znacznie większym stopniu odczuwają skutki turbulencji. Podczas, gdy duży samolot rejsowy odczuwa słabą do umiarkowanej turbulencji, dla małego samolotu jest to turbulencja umiarkowana, niejednokrotnie silna. Umiarkowana turbulencja może znacznie utrudniać lot, poprzez wytrącanie samolotu z toru lotu, rzucanie oraz uskoki wiatru. Silna turbulencja natomiast uniemożliwia normalny lot, a także stanowi zagrożenie dla konstrukcji lekkiego statku powietrznego.

PK: Zatem co zrobić, gdy już lekki statek powietrzny znajdzie się w obszarze turbulencji?
GB: Należy przede wszystkim kierować się we właściwą stronę, tak aby jak najszybciej opuścić obszar turbulencyjnych prądów powietrza. Dodatkowo należy zmniejszyć prędkość (mając na uwadze prędkośc minimalną samolotu), gdyż przeciążenia oddziałujące na lekki statek powietrzny w locie są tym większe, im większa jest prędkość tego statku powietrznego względem prądów powietrznych wywołujących turbulencję.

PK: No i pytanie najważniejsze: Jak możemy przewidzieć miejsce występowania turbulencji? A jak turbulencji CAT?
JP: Mamy model który prognozuje nam 3D pola wiatru, temperatury i zachmurzenia (czyt. Wodności). Na podstawie liczb Ri i Re, które definiują (są bezwymiarową miarą) turbulencję możemy wyznaczyć obszary (3D domeny) intensywności ruchu chaotycznego o określonej mierze (skali). Przez porównanie z zachmurzeniem możemy określić czy to CAT czy nie.

GB: No właśnie. Turbulencję, przy obecnych hydrometeorach, a więc w wilgotnym powietrzu charakteryzującym się zachmurzeniem, opadami możemy przewidzieć na podstawie znajomości warunków w jakich powstaje turbulencja, a także obserwować jej rozwój i przemieszczanie na podstawie bieżących pomiarów radarowych, co znacznie ułatwia i wspomaga prognozy turbulencji.

Aby przewidzieć miejsce występowania turbulencji, należy znać specyficzne warunki jej powstawania. Ze względu na sposób powstawania, turbulencję dzielimy na:

termiczną,
dynamiczną.

Turbulencja termiczna to ta, która powstaje w wyniku różnic nagrzewania podłoża i występowania równowagi chwiejnej atmosfery, przez co powstają prądy konwekcyjne. Samolot przelatując przez strefę takiej turbulencji, doświadcza raz prądów wznoszących, raz opadających przez co poddawany jest turbulencji. Turbulencję termiczną w wilgotnym powietrzu łatwo jest przewidzieć, gdyż analizowane są wtedy:

właściwości terenu (jeziora, pola, lasy),
masy powietrza, ich stopnień chwiejności,
powstają chmury kłębiaste będące świadectwem tej turbulencji.

Turbulencja dynamiczna natomiast powstaje podczas przepływu mas powietrza nad nierównomierną rzeźbą terenu przez co powietrze nabiera ruchu turbulentnego, a także przez gwałtowne zmiany kierunku i prędkości wiatru (szczególnie przez znaczne przyrosty tej prędkości). Decydującymi czynnikami ma tutaj rzeźba terenu, prędkość wiatru oraz zmiany jego kierunku.

Turbulencji dynamicznej można spodziewać się:
Przy powierzchni ziemi, na zmiennym profilu terenu, gdzie występują znaczne wartości prędkości wiatru i wiatr jest wprowadzany w ruch turbulentny przez tarcie o podłoże, budynki, wyniosłości terenu. W górach, gdzie przy prostopadłym kierunku wiatru do pasma górskiego, występują zafalowania w atmosferze, daleko sięgające poza pasmo górskie, objawem turbulencji na takich zafalowaniach jest:

występowanie chmur Altocumulus lenticularis, na zboczach górskich, świadczących o falowym, turbulentnym przepływie mas powietrza,
rotory, tworzące się na stokach zawietrznych, przy których występują charakterystyczne chmur Cumulus roto rus, świadczące o groźnej turbulencji.

Zmiana kierunku wiatru lub przyrost prędkości wiatru wraz z wysokością w troposferze również generuje turbulencję dynamiczną, charakterystycznym objawem obecności takiej turbulencji jest występowanie chmur Altocumulus na średnim poziomie w troposferze oraz charakterystyczne rozwiewanie oraz skłębianie chmur Cirrus w górnej troposferze.

Zjawisko turbulencji CAT może wystąpić przy wszystkich powyżej wymienionych charakterystykach turbulencji. Jednakże ta turbulencja występuje przy bezchmurnym niebie i w suchej masie powietrza. Jest możliwe jej zaprognozowanie, lecz obserwowanie tej turbulencji oraz jej rozwoju i przemieszczania jest stosunkowo trudne ze względu na brak chmur oraz hydrometeorów. Jednakże można ją prognozować, znając podstawowe reguły:

przy powierzchni ziemi, należy przeanalizować, czy istnieją warunki do powstania turbulencji termicznej bez chmur. Występuje ona na zmiennych, pod względem akumulacji ciepła miejscach w terenie, a także przy obecności równowagi chwiejnej. Taka turbulencja nie występuje zazwyczaj do znacznych wysokości i nie objawia się w postaci chmur, gdyż występuje w suchym powietrzu, poniżej poziomu kondensacji.
występowanie bezchmurnej turbulencji dynamicznej przy powierzchni ziemi można prognozować analizując zmienność szorstkości podłoża oraz prędkość wiatru.
w obszarach górskich należy analizować prognozowaną prędkość wiatru oraz jego kierunek względem pasma górskiego (im bardziej prostopadły kierunek tym większa szansa na turbulencję w wyniku zafalowania fenowego). Świadectwem zafalowania będzie znacznie wyższa notowana temperatura tuż przy podnóżu gór, niż na obszarze otaczającym, świadcząca o występowaniu dobrze rozwiniętego zjawiska fenowego. Wówczas można się spodziewać zafalowań mas powietrza oraz rotorów. Dodatkowym czynnikiem wskazującym na występowanie rotorów na stoku zawietrznym, będzie analizowanie odczytów kierunku wiatru pod zboczami, gdzie występuje wiatr katabatyczny. Jeśli wiatr, w pewnej odległości od zboczy górskich, wieje w stronę pasma górskiego, podczas, gdy występuje zjawisko fenowe, świadczy to o występowaniu rotorów będących obszarem turbulencji.

Zjawisko turbulencji CAT występuje również w obszarze środkowej i górnej troposfery. Oto kilka charakterystycznych miejsc w jakich możemy się jej spodziewać:

w pobliżu tropopauzy będącej granicą troposfery, występują niejednokrotnie dość duże przyrosty prędkości wiatru, nie jest to istotne dla małego lotnictwa, ze względu na znaczną wysokość.
w obszarze lub w pobliżu Jet Stream, niejednokrotnie nie ma chmur, a więc turbulencja nie jest możliwa do zauważenia. Bardzo przydatne do prognozowania występowania tej turbulencji jest analiza górnego pola barycznego, prognozowanie występowania prądów strumieniowych. W obserwacjach natomiast i dalszych prognozach, szczególnie przydatne są pionowe sondaże atmosfery oraz satelitarny kanał spektralny pary wodnej, obrazujący różnice w wilgotności mas powietrza nawet przy braku zachmurzenia i wyraźnie odznaczający strefy występowania prądów strumieniowych i turbulencji z nimi związanych. Taka turbulencja z reguły nie dotyczy małych statków powietrznych, jednakże czasami występują niskotroposferyczne prądy strumieniowe z silną turbulencją, szczególnie niebezpieczną dla małego lotnictwa.
w przypadku występowania chmur Cumulonimbus, dookoła nich w miejscach, gdzie nie ma chmur również występuje turbulencja CAT. Należy mieć na uwadze, iż turbulencja ta zawsze występuje w bezchmurnym niebie w zasięgu od 5km do 15km od chmury.
w osiach dobrze wyrażonych górnych zatok i czasami górnych klinów występuje nagła zmiana kierunku i niekiedy prędkości wiatru, co generuje turbulencję.

PK: Na ile sprawdzają się prognozy dotyczące turbulencji CAT? Jeśli to możliwe, proszę podać procentową wartość.
JP: To pytanie jest o tyle kłopotliwe, że definicja sprawdzalności będzie tu zależała od przyłożonej miary, czyli wyskalowania, a to jak wykazałem jest względne i zależy od inercji własnej statku powietrznego (ten sam wariograf umieszczony na dreamlinerze i małym samolocie wykaże nam różne wskazania). Jak wspomniałem, skalowanie naszego fizyko-statystycznego podejścia było nacelowane na duże statki powietrzne (jako charakterystyczną wielkość skalującą przyjęto tu oddziaływanie porywów wiatru rzędu 30 m/s (na wysokości naziemnej stacji meteo - 10m)).

Z kolei wyznaczanie (dopasowywanie) odpowiednich progów: słabe, umiarkowane, groźne - odbywało się dwojako (a w zasadzie odbywa się - bo jest to proces ciągły). Raz jako badanie odpowiednich statystyk, tj rozkładu bezwymiarowej miary Re i Ri, oraz przez dopasowanie tych progów tak, aby były zgodne z codziennym oglądem synoptycznym. Ponadto sprawdzalność ta będzie zależała od wysokości - im wyżej tym lepiej. Najgorsze wyniki prognozy do 18h w odniesieniu do dużych statków rejsowych będą silnie skorelowane z prognozą wiatru przyziemnego dużej siły i przekraczają 85% dla modelu COSMO_7km.

PK: Czy technologia wykrywania niebezpiecznych zjawisk w powietrzu różni się od tej wykorzystywanej jeszcze 10 lat temu?
JP: Myślę, że nadal jako podstawowe narzędzie odniesienia pozostają wariografy statków rejsowych przekazywane w depeszach AMDAR. Wiadomo mi, że trwają prace nad urządzeniami do zdalnej teledetekcji umieszczanymi na burtach samolotów.

GB: Myślę, że tak. Przede wszystkim należy uciec się tutaj do rozwoju modeli numerycznych i mocy obliczeniowej komputerów. Modele numeryczne prognozy wiatru na poziomach od dziesięciu lat są poprawiane, udoskonalane. Mamy coraz więcej danych pomiarowych wchodzących w skład obliczeń modeli. Dodatkowo, coraz bardziej skomplikowane modele pracują na komputerach o coraz większych możliwościach obliczeniowych. Zostały także udoskonalone radary meteorologiczne (Doppler, podwójna polaryzacja), a także odczyty wyników pomiarów radarowych. Możliwości satelitarne również się zwiększają. Wykorzystywanych jest coraz więcej kombinacji kanałów spektralnych, zwłaszcza jeśli chodzi o kanał spektralny pary wodnej, obrazujący strefy turbulencji CAT związanej z jet stream.

PK: Pytanie do Pana Profesora Parfiniewicza. Jest Pan prelegentem na prestiżowych konferencjach meteorologicznych. Jakie zmiany w technologii wykrywania turbulencji powinny zostać wprowadzone w najbliższej przyszłości?
JP: Cóż, niestety nie uważam się za znawcę i bywalca konferencji (staram się, ale konferencje i podróże są po prostu drogie). Raczej wsłuchuję się w praktyczny odzew odbiorców produktów, które zaprojektowałem. Na pewno zagęszczenie sieci pomiarowych (profiler’ów teledetekcyjnych) popchnie sprawę do przodu.

PK. Zatem jak, jako piloci możemy pomóc IMGW w weryfikacji Pana modelu matematycznego?
JP: Być w kontakcie i „celować na zielone” - tzn. żeby było OK. IMGW udostępnia na stronie Awiacja.imgw.pl prognozy CAT. Zwracamy się do Was pilotów o weryfikację naszych metod prognozowania turbulencji czystego nieba.

PK: Dziękuję za rozmowę!