Geneza i fizjonomia trąb lądowych i wodnych

Niniejszym prezentujemy temat genezy i fizjonomii trąb powietrznych, których występowanie w naszym kraju nie jest jeszcze powszechne, ale warto zapoznać się ze specyfiką tego typu zjawisk. Dla pilotów może to być cenna dodatkowa wiedza z zakresu meteorologii. Tekst pochodzi z portalu lowcyburz.pl

Dotychczas w naszym kraju pojawiło się kilka przypadków lejków kondensacyjnych. Dwa z nich sięgnęły nawet powierzchni, stało się to na szczęście nad wodą. Jeden przypadek miał miejsce między Dziwnowem, a Pobierowem, a drugi w okolicach Ustki w pierwszy weekend września 2015 r., co zaobserwowali członkowie stowarzyszenia Polscy Łowcy Burz. Były to trąby wodne, jednak nie związane z mezocyklonem (ang. mesocyclone), czyli rotującym prądem wstępującym będącym niezbędnym elementem superkomórki burzowej. Co roku notuje się od kilku do kilkunastu tego typu trąb – najczęściej pojawiają się nad wodą, jednak zdarzają się również trąby lądowe. Jak wyglądają i w jaki sposób powstają, o tym w poniższym artykule.

Tak jak była mowa na początku wpisu, wśród trąb nie związanych z mezocyklonem można wyróżnić trąby lądowe i trąby wodne, które zostaną opisane w niniejszym artykule. Natomiast poza nimi oraz typowymi tornadami superkomórkowymi (dla przypomnienia – trąba i tornado to jest to samo zjawisko), istnieją również trąby szkwałowe, a więc powstające na linii szkwału, związane z obecnością tzw. „mezowiru” (ang. mesovortex). Zdarza się jednak, że w linię szkwału wbudowana jest superkomórka burzowa z mezocyklonem, która może wygenerować tornado. W tym roku w Polsce wystąpił prawdopodobnie jeden przypadek tornada szkwałowego w Zawałach (woj. kujawsko-pomorskie) – w dniu 19 lipca 2015 r.


Trąba wodna obserwowana pomiędzy miejscowościami Pobierowo i Dziwnów w woj. zachodniopomorskim (fot. Karolina Hybza)

W pierwszej kolejności przedstawione zostaną informacje dotyczące trąb lądowych, które generalnie są znacznie słabsze niż trąby powietrzne związane z mezocyklonem, ale za to znacznie trudniejsze do prognozowania. Zwykle osiągają prędkość wiatru określaną na EF0 czy EF1 na podstawie zniszczeń, chociaż zdarzały się również przypadki znacznie silniejszych trąb lądowych osiągających siłę EF2 lub EF3 według ulepszonej skali Fujity. Generalnie tworzą się u podstawy chmury o rozbudowie pionowej (może to być zarówno Cumulonimbus capitallus jak i Cumulus congestus). Rotująca kolumna powietrza często nie jest widoczna w całości od podstawy chmury do powierzchni ziemi.

Wtedy np. u podstawy widoczny jest nieduży lej kondensacyjny, pod którym na powierzchni ziemi można zauważyć tuman kurzu/pyłu obracający się wokół własnej osi. Czasem zdarza się jednak, że nawet lej kondensacyjny jest niewidoczny (jak w przypadku obok). Trąby lądowe przemieszczają się zwykle dość wolno (lub są stacjonarne) i są zjawiskami względnie krótkotrwałymi – najczęściej trwają od 5 do 15 minut, rzadziej do 25 minut, ale podobnie jak trąby mezocyklonalne, mogą także wyrządzić znaczące szkody.


Zdjęcie trąby lądowej, która wystąpiła w zachodnim Kansas w 2008 r. (fot. Jim Reed)

Trąby lądowe powstają zwykle w początkowej lub we wczesno-dojrzałej fazie trwania komórek konwekcyjnych, kiedy to przeważa silny prąd wstępujący umożliwiający ich rozwój. Zanim to się stanie, w przyziemnej warstwie troposfery muszą zaistnieć obszary wirowej cyrkulacji powietrza. Prąd wstępujący umożliwia ich rozciągnięcie i przechylenie w kierunku pionowym. Dlatego też rozwojowi trąb lądowych sprzyja obecność stref konwergencji wiatru, a więc wiejącego ze zbieżnych kierunków na stosunkowo niewielkim obszarze. Mogą zatem rozwinąć się np. na quasi-stacjonarnych frontach chłodnych, gdzie przed jego strefą wiatr może wiać np. z kierunków południowych, a za nim już z zachodnich.

Niezbędny jest także wysoki pionowy gradient temperatury (najczęściej 8-10°C/km) pomiędzy powierzchnią ziemi, a dolną (0-3 km) warstwą troposfery, wynikający z nagrzania się warstwy granicznej w ciągu dnia. Przyczynia się to również (wraz z wystarczającą przyziemną wilgotnością powietrza) do powstania  konwekcyjnej energii potencjalnej dostępnej (CAPE) bez udziału (lub z minimalnym) energii hamującej rozwój konwekcji (CIN). Zatem im większa chwiejność termodynamiczna w dolnych 3 km troposfery, tym lepiej. Dzięki temu, uniesiona cząstka powietrza, może nabrać znacznego przyspieszenia, a to wiąże się z wystąpieniem silnego prądu wstępującego „zasilającego” powstające chmury o budowie pionowej.


Przykład warunków sprzyjających rozwojowi trąb powietrznych nie związanych z mezocyklonem. Czarnym okręgiem zaznaczono miejsce pokrycia się frontu atmosferycznego o zbieżnych kierunkach wiatru przed i za frontem, obszaru znacznego nagrzania warstwy granicznej w wyniku dziennego nasłonecznienia oraz obszaru wystąpienia chwiejności termodynamicznej większej niż 40 J/kg w warstwie 0-3 km nad powierzchnią ziemi. Źródło: [1].

Ponadto przyjmuje się, że poziom kondesacji (LCL) faworyzujący rozwój „landspoutów” wynosi ok. 1,5-2 km, a więc jest znacznie wyższy niż w przypadku trąb mezocyklonalnych [1]. Wysokie wartości parametrów kinematycznych, takie jak uskoki wiatru (DLS 0-6 km i LLS 0-1 km) czy uskok kierunkowy i prędkościowy wiatru (SRH), które typowo faworyzują powstanie burz superkomórkowych z potencjałem do wytworzenia tornada, są niepożądane [2].


Powyżej przedstawiono mechanizm powstawania trąb nie związanych z mezocyklonem (Wakimoto i Wilson (1989). Strefę konwergencji oznaczono linię przerywaną. Strzałki określają kierunek ruchu powietrza. Natomiast literami A-D oznaczono tzw. mizocyklony – obszary rotacji wynoszące od 40 metrów do 4 kilometrów. Źródło: [3], [4].

Można zatem powiedzieć, że połączenie silnej przyziemnej konwergencji wiatru z chwiejnością termodynamiczną w dolnej części troposfery, znacznie zwiększa szanse powstania trąby lądowej lub przynajmniej zalążka w postaci leja kondensacyjnego. Często powstaje on w obrębie komórki konwekcyjnej najbardziej wysuniętej na południe w linii rozwijających się Cumulusów / Cumulonimbusów. Zdarza się, że w obrębie strefy konwergencji może powstać nawet kilka trąb powietrznych / lejków kondesacyjnych, w tym samym czasie lub w różnym, w zależności od istniejących warunków.

W Polsce „landspouty” nie należą do częstych zjawisk, znacznie częściej raportowane są leje kondensacyjne nad lądem, które ostatecznie nie dotknęły ziemi. Efektowny przypadek trąby lądowej miał miejsce 13 sierpnia 2011 r. w okolicy Kruszwicy w woj. kujawsko-pomorskim. Pojawił się wtedy częściowo widoczny wir powietrza wraz z przyziemną „chmurą” pyłu i kurzu, natomiast sama podstawa chmur była mocno skręcona, jednak nie był obecny typowy lej kondensacyjny. Inne przypadki tego rodzaju trąb powietrznych odnotowano m.in. w Kazimierzy Wielkiej (16.07.2012), Sulechowie (11.06.2012), Kłobucku (05.06.2012), Tyszowicach (24.06.2011), Sępopolu (07.05.2010), Elblągu (09.07.2009) i Poznaniu (30.06.2009).


Powyżej z kolei przedstawiony został przykład radiosondażu ze Stanów Zjednoczonych, zawierający wizualizację danych modelu numerycznego RUC z dnia 03 lipca 2002 r. Zwrócono na niej uwagę na fakt występowania bardzo stromego przyziemnego gradientu temperatury (przekraczającego nawet 10°C/km). Całkowita konwekcyjna energia potencjalnie dostępna przekracza 2400 J/kg, występuje tutaj również marginalna ilość energii hamującej konwekcję (CIN = -16 J/kg). Poziom kondensacji chmur wynosi niecałe 2 km nad powierzchnią ziemi. Należy dodać, że sondaż został wykonany w miejscu gdzie dodatkowo przebiegała (w kierunku NE-SW) strefa konwergencji. Takie warunki spowodowały, że na tej strefie konwergencji powstała nie jedna, ale kilka trąb powietrznych nie związanych z mezocyklonem. W warunkach polskich tego typu warunki są trudne do osiągnięcia, jednak nie są niemożliwe. Źródło: [1]

Praktycznie każdy z wymienionych przypadków wiązał się z adwekcją chłodniejszego powietrza, co sprzyjało zwiększeniu pionowego gradientu temperatury i powstania pewnej ilości energii chwiejności termodynamicznej. Działo się to zwykle w towarzystwie zatoki lub układu niskiego ciśnienia, z którym wiązało się wystąpienie stref konwergencji wiatru. Warunki meteorologiczne które występowały w tych dniach, możliwe są do sprawdzenia m.in. pod tym linkiem.

Trąby wodne są z kolei pewnymi odpowiednikami trąb lądowych nad powierzchnią wody. W porównaniu do trąb lądowych są częściej obserwowanymi zjawiskami, częściej spotykane są również „rodziny” trąb wodnych, kiedy to w jednym czasie występuje ich kilka jednocześnie. Okazjonalnie trąby wodne „wchodzą” na ląd, stając się w tym momencie trąbami lądowymi. Zwykle nie osiągają zbyt dużej prędkości wiatru (ok. 100-150 km/h). Najczęściej obserwowany jest lej kondensacyjny widoczny u podstawy chmury oraz rotacja na powierzchni wody, lub też „cała” trąba w postaci widocznej, rotującej kolumny powietrza od podstawy chmury do powierzchni wody. Trąby wodne mogą powstać zarówno z Cumulonimbusa jak i z rozwijającego się Cumulusa congestusa. Zwykle trwają od 5 do 10 minut, a przeciętnie osiągają średnicę ok. 50 metrów. Zdarzały się jednak przypadki, w których trąba wodna trwała nawet 60 minut.


Trąba lądowa z okolic Kruszwicy, która wystąpiła 13 sierpnia 2011 r. (fot. Patrycja K.)

Trąby wodne powstają generalnie od wiosny do jesieni (bardzo rzadko w sezonie zimowym). Mechanizm powstawania jest podobny do trąb lądowych, jednak spory wpływ na jej utworzenie ma obecność nad większym zbiornikiem wodnym. Duże zbiorniki (morza, większe jeziora) charakteryzują się wysoką bezwładnością cieplną (wolniej przyjmują ciepło z atmosfery jak i również wolniej je oddają). Stąd też szczególnie późnym latem i wczesną jesienią, w wyniku napływu chłodnych mas powietrza pochodzenia arktycznego lub polarnomorskiego, pojawia się bardzo duży pionowy gradient temperatury pomiędzy nagrzaną powierzchnią wody, a powierzchnią graniczną troposfery (0-3 km).

Sprzyja to powstaniu silnych prądów wstępujących, które często przy pojawieniu się czynników wspomagających (np. konwergencja wiatru wywołana przejściem zatoki niskiego ciśnienia) mogą spowodować pojawienie się lejków kondensacyjnych oraz trąb wodnych. Sprzyja im także spływ chłodniejszego powietrza z prądów zstępujących dojrzałych komórek konwekcyjnych, co ułatwia wypieranie cieplejszego powietrza i rozwój nowych komórek, a jednocześnie ułatwia przechylenie wirowej cyrkulacji powietrza do pionu.


Zdjęcie trąby wodnej, która powstała pod podstawą rozwijającego się Cumulusa congestusa nad Zalewem Szczecińskim w dniu 15 czerwca 2014 r.

Do przewidywania trąb wodnych wykorzystywany jest m.in. nomogram SWI (Szilagyi Waterspout Index), oparty na bazie danych zaobserwowanych trąb wodnych nad Wielkimi Jeziorami w USA oraz towarzyszących im warunków meteorologicznych. Wykorzystane zostały w nim dwa parametry, które charakteryzują się największą korelacją z przypadkami wystąpienia „waterspoutów” [5]:

•    Różnica temperatury powietrza między warstwą graniczną (powierzchnią wody), a poziomem geopotencjalnym 850 hPa.
•    Różnica wysokości pomiędzy poziomem równowagi (EL), a poziomem kondensacji chmur (LCL).

Dodatkowo uwzględniono, że prędkość wiatru na poziomie geopotencjalnym 850 hPa nie może przekraczać ok. 20 m/s. Należy jednak dodać, że trąby wodne były już także obserwowane w warunkach występowania sporego dolnego uskoku wiatru.


               Zdjęcie trąby wodnej, wykonane późną jesienią 2012 r. niedaleko miasta Recco we Włoszech

Jak można zauważyć na poniższym nomogramie, trąby wodne najbardziej są prawdopodobne, gdy różnica temperatury pomiędzy warstwą graniczną, a poziomem geopotencjalnym 850 hPa wynosi 15-20°C, natomiast chmura o rozbudowie pionowej posiada rozciągłość od ok. 1,5 km (ok. 5000 ft) do ok. 9 km (30000 ft) [5].

Wartości SWI wahają się od -10 do +10, przy czym SWI większe lub równe od 0 oznacza, że istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia trąb wodnych. Im większe wartości nomogramu SWI, tym generalnie szansa jest większa. Na nomogramie naniesiono również typ trąb wodnych, jakie są możliwe do zaobserwowania, w tym „zimowe”, z chmury typowo burzowej, lub z chmury powstałej w wyniku oddziaływania bryzy lądowej [5].


Zdjęcie trąby wodnej, która wystąpiła 6 września 2015 r. kilkanaście kilometrów od wybrzeża w okolicach Ustki (fot. Grzegorz Zawiślak – PŁB)

Należy dodać, że generalnie poziom kondensacji chmur nad zbiornikami wodnymi w przypadku trąb wodnych jest niższy niż w przypadku trąb lądowych, ze względu na większą wilgotność powietrza występującą nad wodą.

Przyjmuje się, że trąby wodne występują najczęściej przed południem i późnym popołudniem. Jednak wg badań dokonanych dla niektórych mórz i zbiorników wodnych w Europie i Wielkich Jezior w Ameryce Północnej [6], trąby nad Morzem Bałtyckim pojawiają się częściej przed południem i tuż po południu (10-12 UTC). Nieco później występuje okres szczytowy dla trąb wodnych na Morzu Egejskim i Jońskim (12-14 UTC), natomiast jeszcze później na Wielkich Jeziorach (14-16 UTC). Należy jednak dodać, że spora część trąb na Morzu Egejskim i Jońskim występuje również przed południem (06-08 UTC).


Trąby wodne nad polskim morzem są dość częstym zjawiskiem, szczególnie późnym latem, kiedy to nad dość nagrzaną powierzchnię napływa znacznie chłodniejsze powietrze, co powoduje zaostrzenie pionowego gradientu temperatury powietrza. Nie tak dawny przypadek z okolic Ustki jest tego przykładem, przy czym należy dodać, że znaczny wpływ miał ośrodek niskiego ciśnienia który przechodził w tym czasie nad Bałtykiem. Opierając się na Europejskiej Bazie Danych dotyczącej Gwałtownych Zjawisk Atmosferycznych, był to jeden z dwóch tegorocznych udokumentowanych przypadków wystąpienia trąby wodnej (można domniemywać, że pojawiło się ich więcej, jednak na tą chwilę nie ma żadnych innych opublikowanych i znalezionych materiałów).


Zdjęcie trąby wodnej z okolic Dźwirzyna w woj. zachodniopomorskim z dnia 21 sierpnia 2013 r. (fot. Natalia Adynowska)

W zeszłym roku wystąpiło 12 udokumentowanych trąb wodnych, w 2013 r. 4 trąby, w 2012 r. 5 trąb, w 2011 r. 2 trąby (więcej informacji można zaleźć w bazie ESWD). Należy dodać, że niejednokrotnie pojawiały się sytuacje, w których wystąpiła więcej niż jedna trąba w tym samym czasie. Takim przykładem jest Darłówko z 10 sierpnia 2012 r., kiedy pojawiły się aż 4 trąby wodne.


Grafika obrazująca rozkład procentowy przypadków wystąpienia trąb wodnych na wybranych zbiornikach. Źródło: [6]

Źródła:
[1] Davies J. M., Ingredients supporting non-mesocyclone „landspout” tornado events.
[2] Caruso, J. M., Davies J. M, Tornadoes in non-mesocyclone environments with pre-exisitng vertical vorticity along convergence boundaries, NWA Electronic Journal of Operational Meteorology, Wichita (KS), 2005.
[3] http://glossary.ametsoc.org/wiki/Misocyclone.
[4] Hintz D. L. i in., Examination of an apparent landspout in the eastern Black Hills of western South Dakota, National Weather Service Office, Rapid City (SD), 1995.
[5] Szilagyi W., A waterspout forecasting technique, 5th European Conference on Severe Storms, Landshut, 2009.
[6] Sioutas M., Szilagyi W., Keul A., Waterspout outbreaks over areas of Europe and North America. Environment and predictability, Atmospheric Research 123 (2013), 167-179 s.