Meteorológiai ismertető a szupercellákról, zivatarokról, zivatarrendszerekről

Szupercellák, zivatarok, zivatarrendszerek – Minden, amit tudni érdemes róluk!

Az időjárás-előrejelzéseket és egyéb médiumokat olvasva vagy hallgatva a nyári félévben többször is találkozhatunk ezekkel a kifejezésekkel.  A bolygónk időjárásában alapvető szerepet és jelentőséget töltenek be a zivatarok.
A zivatarokról általános, hétköznapi ismeretekből is elmondhatjuk, hogy mennydörgéssel és villámlással, komor, sötét fellegekkel párosuló légköri jelenségek, melyeket égiháborúként is emlegettek őseink.


Természetesen elemeire bontva már sokkal összetettebb légkörfizikai tényezőkről, folyamatokról beszélhetünk.
A meteorológiai veszélyjelző szolgálatok kiemelten fontos feladata a személy – és vagyonbiztonságot veszélyeztető, heves vagy szignifikáns konvektív időjárási jelenségek prognosztizálása, idő előtt történő előrejelzése.


A villámlás a zivatarokkal járó, potenciális veszélyforrás az élőlényekre tekintve, ezért ma már az Országos Meteorológiai Szolgálat külön figyelmeztetésbe, riasztásba foglalja a légköri elektromos jelenségek kialakulási lehetőségét.  A villámok létrejöttének, keletkezésének kutatása már a történelem kezdetére nyúlik vissza, azonban az emberiség eleinte az Istenekhez köthető egyfajta haragként, lesújtásként értelmezte. Ebben áttörés a XVIII. században történt, mikor Benjamin Franklin (a villámhárító feltalálója) kísérletei megválaszolásra vezettek és rájöttek, hogy a villám valójában egy légköri elektromos kisülés, mely fény- és hangjelenséggel párosul.


A villámok,a felhőkben szétválasztott elektrosztatikus töltések gócainak hirtelen kisülései. A felhő alja zömében negatív töltésű, míg a teteje pozitív. Ha már annyi töltés halmozódott fel, hogy a potenciálkülönbség a föld és a felhő, vagy felhő és felhő között meghalad egy kritikus értéket, elektromos kisülés formájában töltéskiegyenlítődés zajlik le. A villámok 70-80%-a felhőn belüli, vagy a felhők közötti úgynevezett felhővillám.


Amikor a negatív töltések felgyülemlenek a felhők aljában, a semleges földből leszorítják a negatív töltéseket, a föld felszínén a pozitív töltések lesznek többségben. Így a felszín vonzza a felhők aljában összegyűlt negatív ionokat. Amikor a két ellentétes töltésű terület összekapcsolódik, egy nagy vezetőképességű csatorna nyílik meg a töltések számára, amelyek ezen keresztül áramolhatnak a földre, amit villámcsatornának nevezünk. A létrejövő légelektromos jelenséget nevezzük villámlásnak.

A sebesen áramló elektronok fényjelenséget okoznak, és akkora hőt termelnek, hogy a levegő felmelegszik, több, mint 1000 °C -ra. Ez hirtelen, robbanásszerű kitágulást okoz, ezt halljuk mennydörgésként, a levegő a hangsebesség feletti sebességgel tágul ki, és egyfajta lökéshullámot hoz létre a tömörített levegőmolekulákból, ami hangsebességgel terjed tovább. Léteznek olyan felhők is, amelyekben alul nem negatív, hanem pozitív töltés gyülemlik fel, ilyenkor pozitív ionok mennek a felszín felé. Ezeket pozitív polaritású villámoknak nevezzük.


A villám vajon miért a magányosan álló fába csap bele egy külterületen? A lényege, hogy minél közelebb van a felhő alja és az objektum egymáshoz, annál élesebb lesz közöttük a feszültség. Ezáltal megnő a kisülés valószínűsége. Közeli villámcsapások előtt zizegő hangot hallhatunk, ami a villámcsatorna kialakulását jelezheti, ilyenkor pedig érdemes minél előbb fedezékbe húzódni ha még van időnk.

Zivatarfelhő sematikus ábrája
Ábra: repulnijo.hu

A továbbiakban ismerkedjünk meg a  hőmérséklet és a levegő nedvességtartalmának az összefüggésével, hogy megértsük magát a felhők képződését.
Tehát, minél hidegebb a levegő, annál kevesebb nedvességnek kell benne lennie, hogy ez a nedvesség, víz kicsapódjon és a levegőben köd, felhő és csapadék keletkezzen. Vagyis ha hűtjük a levegőt az által elérkezhetünk egy olyan hőmérsékleti pontra ahol ez a kicsapódás megtörténik. Ezt a hőmérsékletet amelyen ez a kicsapódás megtörténik úgy nevezzük, hogy harmatpont.
A harmatpont az a hőmérséklet ahol az adott levegőben már kicsapódik a nedvesség- és a tényleges hőmérséklet közti különbség százalékban kifejezett értéke a relatív nedvesség.


A hőmérséklet a légkörben felfelé haladva a magassággal csökken. Ha száraz a levegő akkor 1 °C / 100 méter, ha telített a levegő akkor 0.6 °C/100 méter.
Ha ennél a hőmérsékletnél erőteljesebb a hőmérséklet csökkenése, vagyis fent hidegebb a levegő mint az alacsonyabb szinteken, ez esetben a légköri rétegződés labilissá válik, benne pedig függőleges áramlások jönnek létre, melyek felhő – és csapadékképző tényezők.

A víz körforgása
Forrás: Sulinet.hu

A folytatásban a zivatarok kialakulásával foglalkozunk, milyen úton-módon jöhetnek létre, melyek azok a légköri helyzetek, melyek kellő táptalajt biztosítanak a kialakulásukhoz és mik azok a zivatarrendszerek, amik már a mezoskálájú folyamatokat jelentik.

Zivatarról akkor beszélünk egy adott területen, ha mennydörgés  hallható. Fontos megjegyezni, hogy ez független az esetlegesen észlelt csapadéktevékenységtől.  Amennyiben nem jár csapadékkal az észlelt zivatar, akkor száraz zivatarról, ha pedig együtt jár vele akkor záporral vagy jégesővel, jégdarával, hópelyhekkel társuló csapadék hullással kísért zivatarokról beszélhetünk.
Éjjel a horizonton vagy akár az égbolt nagyobb felületét megvilágítva is láthatjuk távoli zivatarok villámlásait, azonban ha mennydörgéssel ez nem jár, akkor az észlelési ponton nem alakult ki még valódi zivatar.

A zivatarok kialakulása: leginkább a nyári félévben találkozhatunk velük, hiszen a meteorológiai feltételek ekkor a legkedvezőbbek, noha a téli félévben is előfordulnak.
Három alapvető légkörfizikai hatás együttes jelenlétére van szükség. Ezek közül egyik fő szempont az instabil légrétegződés amiről már a felhők keletkezése kapcsán is szó esett, illetve minden szintre kiterjedő nedvesség, és az emelő hatás.
A légköri labilitás mérésére és prognosztizálására több paramétert is használunk, melyek közül fontos a CAPE (Conventive available potential energy, magyarán konvektív hasznosítható potenciális energia) Lifted-index és a Thompson-index. Előbbi az emelési indexnek felel meg, az utóbbi már a nedvességprofil viszonyait is megadja.

Ismerkedjünk meg a nyáron gyakran kialakuló konvekcióval, a konvektív feláramlással.
Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy nyáron egy szép, napos reggelre ébredünk, gyorsan emelkedik a hőmérséklet,  a napsütés hatására elkezd melegedni a talajfelszín, mely egyrészt formájánál, másrészt minőségénél fogva nem egyenletesen melegszik. Ott ahol jobban melegszik létre jön a feláramlás és ha elég erőteljes eléri a kondenzációs szintet (~1500-2000 méter ) majd gomolyfelhők képződnek. 

Amennyiben a légköri paraméterek, (labilitás, nedvesség) kedvező értékeket mutatnak, az esetben a felhők vertikálisan tovább híznak, fejlődnek, és elérve az üllősödési szintet zivatar alakulhat ki.
Ha a légkörfizikai feltételek kedvezőtlenek, például nem áll rendelkezésre elég labilitás vagy nedvesség, akkor a gomolyfelhők nem fejlődnek tovább. Ilyenkor találkozhatunk a nyári félévben lapos vagy közepesen fejlett szép idő gomolyokkal az égen, melyekből számottevő csapadék nem alakul ki.

A másik jelenség ami elősegíti a zivatarok kialakulását az nem más, mint az orográfia, szaknyelven szólva orografikus-emelés.
Ilyenkor akadály áll a horizontális áramlás előtt, például egy hegyvonulat és a hegybe ütközve emelkedésre kényszerül, így az emelőoldalán képződik felhő és ott alakul ki belőle a csapadék.  Nyáron gyakori és nem véletlen, hogy az első zivatargócok a hegységek környezetében jönnek létre, idehaza például az  Északi-középhegység, a Mecsek, a Bakony melyek biztosíthatják a zivatarképződést, de hazánkban kevésbé érvényesül az alacsonyabb tengerszint feletti magasság következtében ez a hatás. Az ilyen módon képződő zivatarok fő veszélyforrása a felhőszakadás, villámárvizek kialakulása lehet, hiszen veszteglő, lassan mozgó cellákként lelik életciklusukat.

Légköri frontokkal, (általában hidegfrontokkal) összefüggésben nem csak nyáron, de télen is kialakulhatnak zivatarok. Bár a télen előfordulók kevésbé hevesek, azonban ha enyhe, mediterrán levegő tölti ki az adott területet és a fronttal együtt sarkvidéki eredetű hidegbetörés érkezik, akkor a légkör egyensúlyi állapota labilissá válik a téli félévben is, ilyenkor pedig kedvezőek a feltételek a zivatarok, szélső esetben hózivatarok megjelenéséhez.

Az orografikus emelés sematikus ábrázolása
Orografikus emelés
Frontális hózivatar
Frontális hózivatar Budapest felett 2013.12.06. 14 UTC-kor;
a magassági hidegbeáramlás és az igen erős magassági szél kedvezett a zivatarok kialakulásához

A zivatarok között megkülönböztetünk mono, azaz egycellás, multicellás és szupercellás zivatarokat.

Az első fajta tehát az úgynevezett egycellás zivatar.  
Ezek rövid, zömmel 1 órás élettartammal rendelkező zivatargócok. Karakterisztikus horizontális méretük 6-14 km körüli. Kialakulásuk  a Nap besugárzása által keltett konvekcióval kapcsolatos, amiről fentebb szó is esett a felhőképződés kapcsán.  Gyenge áramlás és erős szélnyírástól (a magassággal gyorsan változó erősségű és/vagy irányú légáramlás) mentes környezetben képződnek, ilyenkor a szélnyírás mértéke nem éri el a 10 m/s-ot a 0 és a 6 kilométeres szinten. Ennek a zivatarnak a kifutószele nem elég nagy ahhoz, hogy újabb cellák keletkezését tudja beindítani.

Életciklusa 3 szakaszra osztható fel:  Először megkezdődik a gomolyképződés,és intenzív a feláramlás. Az érett fázisban elektromosan aktívvá válik a felhő, és a kezdődő csapadéktevékenység hatására megindul a leáramlás, amely kifutószelet hoz létre. Ez megakadályozza,a további meleg levegő beáramlást a cellába. A lehulló csapadék területe – főként a párolgás miatt –a környezeténél alacsonyabb hőmérséklettel rendelkezik, így hűtő hatásának köszönhetően megindul a leáramlás, ami a felszínen szétterülve megakadályozza a további meleg levegő beáramlását a cellába. Ezzel létrejön a végső ciklus, amikor gyengül a csapadék-és a zivatartevékenység, majd a tartós leáramlás hatására a felhőzet feloszlik és a zivatargóc elhal.

Egy zivatarfelhő életciklusa
Forrás: weatherforecast
Egycellás (monocellás) zivatar
Egycellás zivatar

A multicellás zivatarok esetén a zivatarfelhő több, fejlődő, érett és leépülő stádiumban levő gócból épül fel. Kialakulásában fontos szempont a szélnyírás dinamikai hatása, melynek értéke multicellás zivatarok esetén meghaladja a 10 m/s-ot de nem éri el a 15–20 m/s-ot a 0-6 kilométeres réteg között. Ennél nagyobb szélnyírás már széttépi a cellákat, azonban a 15-20 m/s-ot elérő érték a szupercellák létrejöttében igen fontos tényező, de erről majd a későbbiekben szót is ejtünk.


A multicellás zivatartömböt 3–4 különálló gócra lehet felbontani, amelyben az áramlási irány alapján hátul találhatók a leépülő fázisban levőek, középen az érett, a rendszer „elején” pedig a fejlődő állapotúak. Az egymás mellett található cellák gerjesztik egymást, ugyanis a régi cella gyengül a leáramlás következtében kialakuló kifutószél front (gust front)miatt, de ez emelkedésre kényszeríti az előtte tartózkodó levegőt, ezzel újabb cellák születését biztosítja.

A multicellás zivatarok –az egycellás zivatarokkal ellentétben nem csak légtömegen belül, hanem légtömegek között is kialakulhatnak, így gyakran kapcsolódnak frontokhoz. Az egyes cellák fennállási ideje körülbelül megegyezik az egycellás zivataroknál említett időtartammal, ellenben a kialakult képződmény akár órákon keresztül is életképes maradhat, komoly jégverést, szélvihart, villámárvizeket produkálva.

Multicellás zivatar
Ábra: meted.ucar.edu
Multicellás zivatar
Multicellás zivatar
Forrás: Tunderstorm Pohotography

A szupercellák nagy légköri labilitás és erőteljes  (legalább 15-20 m/s) szélnyírással támogatott környezetben jöhetnek létre. Kellően nagy instabil rétegződés hatására olyan intenzív feláramlások jöhetnek létre, melyek a horizontális tengelyű örvényeket, képesek lesznek vertikális tengelyű örvényekké alakítani. A szupercellák csoportjába tartoznak a forgó feláramlással rendelkező zivatarok, melyek szignifikáns időjárási események hordozói. Ezek lehetnek a nagy méretű jégszemek, felhőszakadás és légzuhatagok, orkán erejű széllökésekkel párosulva.


A szupercellás zivatarokhoz kapcsolódva jelenik meg az úgynevezett mezociklon, ami jellemzően néhány kilométer széles, vertikális tengelyű örvény. Ismertető jelei az íves, kerekded felhőformák.
Az ábrán bemutatott mezociklon közepében –ahol a legintenzívebb a cirkuláció –található az okklúziós pont (1), ahol a nedves levegő beáramlása (2) az elő-(3) és hátoldali (4) leáramlásokból kialakuló kifutófrontok közötti, kis területre tevődik. A mezociklon felett található a csapadékmentes beáramlási terület (5), amihez hozzátartozik a felette elhelyezkedő, örvénylő mozgást végző úgynevezett feláramlási oszlop (6).

Ebben a toronyban annyira erős feláramlások alakulhatnak ki, amelyek képesek felülemelkedni a zivatarfelhő üllőjén, vagyis így alakul ki a szupercella egyik kiemelkedően fontos jellegzetessége, a túlnyúló csúcs(7). Szintén a fő felhőtoronyhoz kapcsolódóan megfigyelhető egy jól elnyúló felhősáv, úgynevezett beáramlási sáv (8),amely biztosítani tudja a rendszer nedvesség-utánpótlását. A csapadékos területekről a központ irányába történő nedves levegő áramlása a mezociklon középpontjában létrehozza a falfelhőt (9). Intenzív örvénylés esetében ennek a falfelhőnek a közelében,  az okklúziós pontban alakulhatnak ki a tornádók.

Szupercella
Ábra: meted.ucar.edu

Több órán keresztül is létezhetnek, így messzire eljuthatnak adott térben és időben. Ha útközben jelentős mértékben csökken a nedvesség vagy a labilitás, az esetben legyengülnek és erejük vesztik.
Megkülönböztetünk kis csapadékú, azaz LP (low precipitation) nagy csapadékú, azaz HP (high precipitation) és CL avagy klasszikus szupercellákat.
Az LP szupercellák esetén a csapadék az előoldali leáramlásban hullik, a hátoldalin nincs érdemi csapadéktevékenység. Látványos karakterisztikával rendelkeznek, de viszonylag gyenge radarreflektivitás jellemzi őket és hiányozhat a kampós küllem. Tornádók kialakulása kevésbé jellemző LP szupercellák esetében.


Ezzel szemben a HP szupercellák hátoldali régiójában nagy mennyiségű csapadék hullik, heves leáramlásokkal kapcsolódnak, így szignifikáns események hordozói.  Párosulhatnak orkán erejű széllel, pusztító jégveréssel, de a tornádók előfordulása még sem ezen szupercellák körében mérvadó, ennek egyik fő magyarázata lehet a rendkívül heves hátoldali leáramlás. A radarfelvételeken babra emlékeztető formát ölthetnek.
A klasszikus szupercellákban a csapadék súlypontja az előoldali leáramlásban mutatkozik meg, a hátoldalon kisebb mennyiségekkel. A radarképen jellegzetes kampós-echó mintázatot észlelhetünk, ami a klasszikus szupercellák egyik legjellegzetesebb ismertető jele. Leginkább tornádóveszélyes fajtája a szupercellás zivataroknak.

LP szupercella
LP szupercella- Fotó: Sütő Máté
HP szupercella
HP szupercella- Fotó: Patik István
CL szupercella, tornádó kíséretében
CL szupercella tornádó kíséretében- Fotó- Pinterest

A továbbiakban a zivatarrendszerekről lesz szó, amiben a makro- és közöttes léptékű mozgási rendszerekben felépülő mezoskálájú mozgásokat mutatjuk be. A mezoléptékű időjárási rendszerek nagy része a légkör hidrosztatikai egyensúlyának felborulásával függnek össze, ami azt jelenti, hogy a vertikálisan (függőlegesen) mozgó részecske, melegebb mint a környezete. A légkör stabil állapota mind addig fennáll, amíg azt valamilyen indító impulzus fel nem borítja. Az egyensúly felborulásából adódó vertikális mozgást konvekciónak nevezzük, amiről már jó pár sorral fentebb részletesen szó esett.
A mezoléptékű/mezoskálájú rendszerek többnyire konvektív folyamatokkal társulnak vagy egyenesen azok következményei.

Az MKR (mezoléptékű konvektív rendszer)-ek eltérő szerkezeti karakterisztikával rendelkeznek, így ezen belül is különbséget kell tenni a vonalas (VMKR, squall-line/instabilitási vonal) és a cirkuláris (CMKR) szerkezetű képződmények között.
Még inkább ritkább példa, mikor mezoléptékű konvektív komplexumok (MKK) alakulnak ki idehaza, és a mostani eset igen közel állt az MKK jellemzőihez még akkor is, ha a Maddox által felállított kritériumoknak nem is tett eleget minden téren.

VMKR (Vonalba Rendeződött Konvektív Rendszer) instabilitási vonal a nyugati határnál
VMKR,instabilitási vonal a nyugati határnál
CMKR
CMKR Magyarország felett

Nézzük részletesen mikor is beszélünk MKK-ről és mik a kialakulási feltételei: A vizsgálati eredmények azt mutatták, hogy ezen rendszerek gyakran egy rövid hullámú teknő keletebbre helyeződésével, vagy hideg légörvények (cut-off ciklonok) előoldalán alakulnak ki, és kialakulásuk kezdeti fázisában a radarképen izolált (elkülönült) zivatarfelhőt (cumulonimbust) láthatunk. Az infravörös műholdfelvételen körkörös vagy elliptikus felhőpajzs jelenik meg, melynek excentricitása (kör alaktól való eltérése legfeljebb 0.7)


Az első zivatargócok ott alakulnak ki, ahol a mezoléptékű konvergencia (összeáramlás) illetve emelés megvalósul. Mindennek oka az alacsonyabb szinteken bekövetkező melegadvekció.
Fontos tényező képződésükben az erőteljes alacsony szintű vertikális szélnyírás ( a szélnyírás a légáram sebességének és irányának változása a tér egy kitüntetett iránya mentén) és a nagy CAPE (convective available potential energy ~ konvektív hasznosítható potenciális energia) A fejlődési időtartamuk bizony 7 órát is igénybe vehet, miközben a cellák külső határait -32 fokos izoterma zárja körül, területük meghaladja a 100000 km2-t, és belső területük, amit minimum -52 fokos izoterma határol, eléri az 50000 km2-t.


Az MKK-nak legalább 6 órán keresztül fenn kell maradnia a Maddox-féle kritériumoknak eleget téve.
Szignifikáns időjárási események hordozói lehetnek, extrém mértékű csapadékösszegekkel, villámárvizekkel, és örvénylő, beágyazott szupercelláikat tornádó, jégverés, orkán erejű szél kísérheti.

MKK (Mezoléptékű Konvektív Konglomerátum) Magyarország felett
MKK Magyarország felett, 2006. június 29-én.
MKK
Forrás: EUMETSAT

Kedvező légkörfizikai, meteorológiai feltételek esetén a zivatarok – a multicellás és a szupercellásak –csoportba rendeződhetnek.



Forrás: OMSZ

Összefoglalót készítette: Pap Áron -meteorológus-
2019.09.19.

Ha további érdekes anyagokat böngészve elmélyedne a meteorológia tudományában:
Felhőatlasz
Makroszinoptikus helyzetek Európában
Miért csúszik a jég, fehér (vagy éppen nem) a hó? Röviden, tömören!