Hogyan fejlődik egy ciklon: “Friederike” vihar elemzése

Simon André, Darányi Mariann

A viharos szél sebessége síkvidéken elérte a 140 km/h sebességet, a hegyekben még ennél erősebb szelet is mértek (1. táblázat).

 1. táblázat
A 2018. január 18-án mért legerősebb széllökések néhány németországi, egyesült királysági, holland és
belgiumi meteorológiai állomáson, melyek a Friederike viharciklonhoz köthetők.

A ciklon közepében a tengerszinti légnyomás 25 hPa-t csökkent 24 óra alatt, ami már gyors fejlődésnek számít. A ciklon felhőzetét és a tengerszinti légnyomás eloszlását az 1. ábra mutatja be.

1. ábra
METEOSAT légtömeg kompozit műholdkép, ECMWF modell által előrejelzett tengerszinti légnyomás (hPa) és
meteorológiai állomások észlelései (nyomás, nyomástendencia, szél) 2018. január 18-án, 06:00 UTC-kor.
Az „A” betű az alacsony, az „M” a magas nyomást jelzi.

Bár a ciklon mélyülése nagyrészt a Brit-szigetek felett történt, az eredetét onnan nagyon messze kell keresni. Már 2018. január 15-én a Florida partjaitól keletre egy mély, alacsonynyomású teknő alakult ki (2. ábra). Az Egyesült Államok keleti részén akkor még mindig nagyon hideg volt az időjárás a tavalyi év végi extrém hideg levegő betörése és nagy havazás miatt. Az ellenkező irányból, az óceán felett délről sokkal melegebb és nedvesebb levegő áramlott, emiatt az USA keleti partjainál jelentős hőmérsékleti különbség (több mint 20 fok 500 km-en) alakult ki. Ilyen környezetben, amit meteorológiában baroklin zónának neveznek, általában gyakran erős feláramlás alakul ki, melyeket még tovább erősít a tengervíz feletti párolgás és a vízgőz kicsapódása közben felszabadult látens hő. Ez vezetett ahhoz, hogy a teknőből önálló ciklon vált ki (3. ábra).

2. ábra
ECMWF 925 hPa hőmérséklet (színes árnyalatok), geopotenciális magasság (vonalak) és szél (nyilak) a
2018. január 15. 00:00 UTC-s analízisben. A nagy nyíl a Friederike ciklon kiindulási helyét mutatja,
ahol egy északra kinyúló alacsonynyomású teknő helyezkedett el, a Florida félszigettől keletre.

 3. ábra
Ugyanaz, mint a 2. ábrán, de már a következő napi (2018. 01. 16.) 00:00 UTC-s analízisből.
Ezen a képen már egy önálló ciklont lehetett látni, ami északkelet felé haladt.

Az Atlanti-óceán északi térségének időjárását már hosszabb ideig egy nagyméretű ciklon alakította, míg a szubtrópusi övezetben magas nyomás volt a jellemző. A légnyomás ilyen fennállásában az Észak-Atlanti óceán felett általában erős a nyugati irányú, magassági szél (futóáramlás, angolul jet-stream) (4. ábra), amit az utasszállító repülőgépek gyakran kihasználnak arra, hogy csökkentsék a repülési időt és az üzemanyag fogyasztást. Ebben az esetben rendkívül erős futóáramlásról beszélhetünk, hiszen a szélsebesség a futóáramlás tengelyében többfelé meghaladta a 300 km/h-t, és az egyik Boeing 787 utasszállító, rekord idővel, 5 óra 13 perc alatt, a földszinthez viszonyítva átlagos 1067 km/h sebességgel repült New Yorkból Londonba. A futóáramlás az általunk tanulmányozott ciklon további pályáját és fejlődését is jelentősen befolyásolta.

 4. ábra
ECMWF 300 hPa szélsebessége (színes árnyalatok) és áramlási vonalak a 2018. 01. 16. 00:00 UTC-s analízisben.
A nagy nyíl mutat a poláris futóáramlás (angolul „polar jet”) legerősebb szakaszára, ami
az Atlanti óceánon át Európába vezetett.

 5. ábra
METEOSAT műhold infravörös tartományú felvétele, ECMWF által előrejelzett 500 hPa szinti Q-vektor (nyilak),
Q-vektor divergencia (színes vonalak) és 925 hPa geopotenciális magasság, 2018. 01. 17. 06:00 UTC-re vonatkozóan.
A Q-vektor összeáramlása (piros vonalakkal jelölt régiók) frontogenezisre és feláramlásra utal,
míg a Q-vektor szétáramlása (kék színű vonalak) a leáramló levegőt és a front gyengülését (frontolízist) jelzi.
Annak ellenére, hogy a ciklon ebben a fázisban sekély volt, a környezetében feláramlás és hideg-tetejű felhők képződtek
(nagy nyíllal jelölve). A hidegfront mögötti leáramlás pedig a felhőzet szétesését okozhatta (kisebb nyíl).

A ciklon nyugati irányba kezdett vonulni, és bár a talajnál viszonylag sekély volt, a magasabb légköri rétegekben olyan cirkuláció volt kimutatható, ami segítette a ciklon fennmaradását. Ezeket a folyamatokat az előrejelzők többféle légkördinamikai paraméterek segítségével elemzik. Ezek egyike a Q-vektor mező, amivel a frontok, vagy ciklonok fejlődését lehet követni (5. ábra). A vektor azokat a kényszerhatásokat írja le, melyek frontok környezetében vertikális áramlásokhoz és felhőképződéshez vagy feloszláshoz vezetnek. A paraméter képlete viszonylag bonyolult, a geopotenciális mező elrendezésétől és a hőmérséklet térbeli különbségétől függ, az érdeklődők itt találhatják meg a leírását. A melegebb levegőtömegbe mutató Q-vektor esetén ebben a tömegben a levegő feláramlik, a hidegebb légtömegben viszont leáramlik. Ez tovább tartja fenn a magas hőmérsékleti különbségeket, és ellensúlyozza a súrlódás- és turbulens átvitel hatását, ami gyengíti a frontokat és a ciklont.

A műholdképeken a ciklon a gyenge stádiumban is követhető volt. A gyakorlott előrejelzők a felhőzet struktúrájából is felismerik az egyes folyamatokat és légkördinamikai jellemzőket. A ciklon hidegfrontja előtt gyakran hosszú és széles felhősávként jelenik meg a „meleg nedves szállítószalag” (a továbbiakban csak rövidebben meleg szállítószalagnak nevezzük), amiben a környezethez képest melegebb és nedvesebb levegő áramlik. Ez a jelenség a modell paramétereiben is, például az ekvivalens potenciális hőmérsékletben (röviden ThetaE) megmutatkozik. Alacsony- és középszinteken a meleg szállítószalagban magas ThetaE értékeket lehet megfigyelni (6. ábra).

6. ábra
METEOSAT műhold vízgőz tartományban mért hőmérséklete, ECMWF 700 hPa ekvivalens potenciális hőmérséklete
(ThetaE, szaggatott színes vonalak) és szele (nyilak) a 2018. 01. 17. 12 UTC-s analízis alapján.
A nagy nyíl a meleg nedves szállítószalag felé mutat, amiben magas ThetaE értékek találhatók.

 7. ábra
Az általunk vizsgált ciklonban megjelenő áramlások és szállítószalagok idealizált sémája.
A mérsékelt övi ciklonok között kisebb-nagyobb eltérések találhatók ettől az ábrától.
A szállítószalagok elhelyezkedése, kiterjedése és magassága a ciklon fejlődése során is változhat.

Hasonlóképpen, a műholdképek és modellkimenetek segítségével, össze lehet állítani a ciklon áramlási rendszerének egyszerűsített sémáját, az ún. konceptuális modelljét (7. ábra). A ciklon melegfrontja előtt található vastag felhőzet képezi a ciklon „fejét”. Alatta, alacsony szinteken, „hideg szállítószalag” található, ami északnyugat felé mutat. A hidegfront mögött – közép- és magas szinteken – az erős leáramlások következtében kiszárad a levegő, ami a vízgőzképeken sötét sávként jelenik meg. Ez a szárazabb levegő főleg a ciklon érett stádiumában, gyakran egészen a központjáig terjed. A ciklon áramlási rendszere meghatározza a felhőzet alakulását, frontok jellegét és az ezzel kapcsolatos időjárást is, emiatt a konceptuális modelleket nem csupán műholdképek elemzésére használjuk, ezek előrejelzési szempontból is fontosak.

Január 17-én, a délutáni órákban, a ciklon megközelítette a Brit-szigeteket, és közelebb került a futóáramlás kilépő zónájához (8. ábra). A finomfelbontású műholdképen (Meteosat High Resolution Visible, HRV) látható, hogy a ciklon fejében vastagabb felhők (valószínűleg zivatarfelhők) voltak beágyazva, melyek teteje fokozatosan hűlt. Ez is jele volt annak, hogy a ciklon környezetében erősödnek a feláramlások.

8. ábra
METEOSAT finomfelbontású kompozitképe (látható+infravörös tartomány) 2018. 01. 17. 13:40 UTC-kor,
ECMWF által előrejelzett 300 hPa szélsebesség (szaggatott vonalak) és szél (nyilak), 15:00 UTC-re vonatkozóan.
A nagy nyíl mutatja a magassági futóáramlás tengelyét (lila szaggatott vonalakkal körbezárva), ahol
a szélsebesség meghaladta a 270 km/h-t. A sárga árnyalatú felhők teteje alacsony-vagy középszinten van,
míg a kék árnyalatú felhőzet teteje magasszinteken található.

A következő órákban a numerikus modellek előrejelzései mutatták, hogy a magasabb (9-10 km) levegőrétegekben egy hullám fog létrejönni. A hullám a potenciális örvényesség (angolul Potential Vorticity, PV) paraméterben jól kirajzolódott (9. ábra). Ezt a paramétert gyakran használják a meteorológiában, mivel információt nyújt a levegőtömegben lévő szél forgásáról (örvényességről) és a légköri stabilitásról, melyek egyaránt fontosak a ciklon fejlődése szempontjából. Mivel ez az áramlás közben alig változik (konzervatív), a levegőtömegek mozgásai a PV térképeken jobban felismerhetők, mint a hagyományos meteorológiai paraméterek mezőiben (pl. a hőmérsékletnél). A PV segítségével könnyen leolvasható a troposzféra határának (tropopauzának) magassága, mivel a magasabb PV értékek általában a sztratoszférában találhatók. A hideg, sarkvidéki levegőtömegben a tropopauza magassága az átlagos viszonyokhoz képest alacsonyabb (5-6 km), míg a meleg levegőtömegben télen is elérheti a 10-12 km-t. Így a PV vertikális metszeteken is jól látható a hullám, az alsó részét (völgyét) pozitív, a felső részét (tetejét) negatív PV anomáliának tekintik (10. ábra). A pozitív PV anomália előoldalán feláramlások képződnek, ezek gyakran kiváltják a talajszinti ciklonok vagy alacsonynyomású teknők gyors kimélyülését.

9. ábra
Az ECMWF modell által előrejelzett 300 hPa potenciális örvényesség (PV, színes árnyalatok), szél (nyilak) és
925 hPa geopotenciális magassága 2018. 01. 18. 06:00 UTC-re vonatkozóan.
A lila színezés a sztratoszférában található magasértékű PV-t jelzi, a troposzférikus PV alacsony (világos színekben).
A vizsgált ciklon körül egy magassági hullám kezd alakulni, amiben a magas PV-tartalmú légtömeg dél felé halad
(pozitív PV anomália, PV+), az alacsonyabb PV-tartalmú meleg légtömeg észak felé terjed (negatív PV anomália, PV-).
Az A-B vonal a következő ábrán megjelenő vertikális keresztmetszet irányát mutatja.

10. ábra
Vertikális keresztmetszet az ECMWF által előrejelzett potenciális örvényesség (PV, színes árnyalatok),
potenciális hőmérséklet (szürke vonalak) és vertikális sebesség (sárga és piros vonalak – feláramlás,
kék vonalak leáramlás) mezőkből, 2018. 01. 18. 06:00 UTC-re vonatkozóan.
A ciklon központja a metszet közepén található. A pozitív PV anomáliában süllyed a tropopauza határa
(sötétebb, vastagabb vonallal jelölve), míg a negatív anomáliában emelkedik.
A pozitív anomália előoldalán, alacsony és középszinteken erős feláramlások jöttek létre (nagy nyíllal jelölve).
Az alacsonyabb szinteken keletkezett magasabb értékű PV nem adiabatikus folyamatokra utal
(például látens hő felszabadulására).

A ciklon mélyedését ahhoz az ismert fizikai jelenséghez lehet hasonlítani, mikor a műkorcsolyázó a piruettben összehúzza a kezeit, és ettől a forgása begyorsul. A ciklonnál viszont a levegő fölfelé gyorsulása és a levegőoszlop nyújtása okozza, hogy az áramlás megerősödik és a levegőtömeg gyorsabban fog forogni (11. ábra). A fent leírt állapotot, ahol a magassági és a talajszinti hullám kölcsönhatásba lép és egymást gerjeszti, baroklin instabilitásnak nevezik, a viharciklonokat nagyrészt ez hozza létre.

11. ábra
A ciklon gyors mélyülésének sémája.
A kép baloldali részén, a talajnál, egy kezdeti, sekély alacsonynyomású teknő látható, míg tőle nyugatra,
a magasabb szinteken, hullám képződik, ami a PV mezőben és a tropopauza magasságában egyaránt felfedezhető.
A kép jobboldali részén a talajszinti alacsony és a magassági, pozitív PV anomália közelednek egymáshoz.
Ennek hatására a középszinten erősödnek a feláramlások, az alacsony feletti levegőoszlop megnyúlik és
gyorsabban kezd forogni, süllyed a légnyomás. Ez a folyamat gyakran visszahat a
magassági hullámra is, mélyítve azt. A futóáramlás és a szélnyírás is fontos szerepet játszik.
A gyorsan fejlődő ciklonok környezetében többnyire erős magassági szelet és nagy szélnyírást találunk.

A ciklonok fejlődését a numerikus modellek többsége jól előre tudja jelezni, de amint a fentebbi elemzésben láttuk, a viharciklonok létrejöttéhez több feltétel szükséges: a futóáramlás, magassági PV anomália és a talajszinti ciklon megfelelő térbeli elhelyezkedése és találkozásuknak időzítése. Így kisebb hiányosságokon, eltéréseken – például egy-két tengerentúli mérés kimaradásán –, vagy a turbulenciával kapcsolatos folyamatok pontatlanabb leírásán is múlhat a ciklon számítógépes előrejelzése. Emiatt a meteorológusok több, úgynevezett ensemble futásra alapozzák ilyen esetben az előrejelzéseket, mivel ezek figyelembe veszik a hiba lehetőségét a kezdeti feltételekben. A Friederike ciklon esetében már korábban lehetett látni, hogy nagy eséllyel szokatlanul erős, vagy extrém széllökésekre kell számítani Nyugat-Európa jelentős területén (12. ábra).

12. ábra
Fent: Az ECMWF modell ensemble futásaiból előállított, széllökésre vonatkozó, „extrémeket előrejelző index”
(Extreme Forecast Index, EFI). A produktum azt mutatja, hogy az ensemble tagok milyen
százaléka jelzi a modell éghajlatban szereplő szélmaximum vagy szélminimum túllépését az adott napra (2018. 01. 18.).
A piros árnyalatok a szélmaximum feletti, szürke árnyalatok a szélminimum alatti lökéseket mutatják.
A viharral ténylegesen sújtott régiókra (Egyesült Királyság, Hollandia, Németország) az
ensemble tagok több mint 80% jelezte a különlegesen szeles időjárás lehetőségét.
Lent: Az ESWD (Európai szélsőséges időjárás adatbázis) honlapján megjelent viharos időjárás jelentései január 18-ra.

Az előrejelzők és kutatók már régóta igyekeznek megismerni azokat a folyamatokat, melyek a mérsékelt övi ciklonok gyors mélyülését okozzák. A korábban említett módszereket (Q-vektor, PV-diagnosztika) a XX. század 70-es, 80-as éveiben dolgozták ki. Ezek gyakorlati elterjedése a műholdmeteorológiának is köszönhető, például a vízgőzképek használatának, illetve különböző hullámhosszban mért adatokból származó kompozit képek bevezetésének. Azonban sokáig rejtélyes maradt, mi okozhatja a ciklonban a legerősebb szeleket, melyek viszonylag szűk (maximum 50 km széles) sávokban nagy pusztítást végezhetnek. Ilyen sávokat például Anglia déli partjain, 1987. október 16-án egy rendkívül intenzív viharciklon alkalmával figyeltek meg. A legerősebb széllökés akkor elérte a 190 km/h-t. Erre a jelenségre 2004-ben egy angol tudós, Keith Browning adott egy lehetséges magyarázatot. A ciklon hideg szállítószalagjának legvégéből, 3-4 km magasságból egy erős, kis-skálájú leáramlás indul el, és magával „szállítja” a magasabb rétegek momentumát. A műholdképeken ez a régió ott található, ahol a ciklon fejéhez tartozó vessző alakú felhőzet a ciklon belsejébe kanyarodik, és találkozik a száraz, beáramló levegővel (13. ábra). Browning a jelenséget „fullánknak” (angolul „sting-jet”) nevezte el. Ezt az elképzelést a finomfelbontású numerikus modellek kimenetei, például az 1987-es ciklon rekonstrukciós szimulációja is alátámasztják.

13. ábra
A fenti séma ábrázolja a „fullánk” jellegű áramlás elhelyezkedését a viharciklonban.
A „fullánk” a ciklon belsejébe kanyarodott felhőzet (szürke árnyalatok) legvégén alakulhat ki.
Néha kisméretű, kampó alakú felhőzet is rámutathat erre a jelenségre, de a szárazabb
levegő beáramlása miatt gyakran eloszlanak ezen a területen a felhők.
A „fullánk” kialakulásához vezető folyamatokra a hideg szállítószalag végén megjelenő
gomolyos jellegű felhősávok is utalhatnak.

A „fullánk” hasonló lehet a zivataroknál megjelenő légzuhatagokhoz, de ezekhez képest nagyobb méretű és alapvetően nem-konvektív eredetű. Nem függőleges, hanem ferde (több tíz kilométer hosszú) pályákon ereszkedik le a levegő, emiatt „lesikló áramlás”-nak is nevezhetnénk. Lehetséges, hogy ez a Friederike viharciklonban is megjelent. Erre például utalhatnak egyes nagyon erős széllökések Németországban, melyeket a hideg szállítószalag környékén mértek (14. ábra). Ezen kívül a műholdas képeken felfedezhetők olyan felhősávok, melyek hasonlítanak a korábbi „fullánk” helyzetekben megfigyelt alakzatokra. Ezt a feltételezést azonban csak további elemzéssel, finomfelbontású modellek segítségével lehetne bizonyítani.

 14. ábra
METEOSAT finomfelbontású kompozitképe (látható+infravörös tartomány) 2018. 01. 18. 12:55 UTC-kor
és néhány, ugyan azon a napon mért széllökésmaximum (számok km/h-ban).
A képen jól látható az okklúziós fronthoz tartozó felhőzet végén megjelenő sávok és gomolyos felhők
Németország felett, valamivel északabbra azoktól az állomásoktól, ahol a legerősebb széllökéseket mérték.
A nyíl arra a régióra mutat, ahol a konceptuális modellek alapján feltételezhető a „fullánk” típusú áramlás létrejötte.

Az már azonban jelenleg is nyilvánvaló, hogy a rendkívül erős széllökéseket sok esetben más folyamatok hozták létre, mivel a 100-120 km/h-t meghaladó értékek széles sávban, gyakran távol a feltételezett „fullánk” régiótól is megjelentek. A ciklon központjától délre, a hidegebb, labilis levegőben alacsony (300-700 m a felszín felett) szintekre is kiterjedt az erős magassági szél. Ilyen körülmények között különleges dinamikus kényszerhatások nélkül is, csupán turbulencia által is létrejöhettek a károkat okozó szélrohamok.

Továbbá figyelemre méltó, hogy több esetben a legerősebb (140 km/h feletti) széllökéseket magas tornyok tetején vagy hegyi állomásokon mérték. A hegyi környezetben emiatt lokális áramlásokkal, hegyi hullámok hatásával is számítani kell. A külföldön megjelent publikációk alapján csak a viharciklonok egyharmadánál jelenhet meg a „fullánk” jellegű áramlás, az sem okoz minden esetben szélerősödést a talajon. Meglehetősen ritka jelenségről van szó, ami mély ciklonok környezetében kereshető, és Magyarország feletti előfordulásának kicsi a valószínűsége. Ennek ellenére a múltban már előfordult, hogy a ciklonok nálunk is különösen erős széllökéseket okoztak, bár viszonylag kis területen. Példaként megemlíthető a 2010. május 15-18. közötti Zsófia-nevű vihar. Akkor a legerőseb szél a Bakonyban elérte a 150 km/h-t, Balatonfüreden 133 km/h-t mértek, mely értékek hasonlóak a Friederike viharnál, sík vidéken megjelent legerősebb lökésekhez.

A helyzet elemzését a jelen cikk szerzői az Eumetrain Weather Briefing nemzetközi internetes megbeszélésen is előadták, 2018. január 18-án. A Weather Briefing célja az előrejelzők továbbképzése, különös tekintettel a műholdképek elemzésére és aktuális időjárási helyzetek tanulmányozására. Ebben a tevekénységben az OMSZ dolgozói évek óta aktívan részt vesznek, hallgatóként és előadóként egyaránt.