Szkwał - Polski Serwis Naukowy

Szkwał – nagły wzrost prędkości wiatru o co najmniej 8 m/s od prędkości początkowej powyżej 10 m/s. Może osiągać do 9 stopni w skali Beauforta. Szkwał trwa krótko, do kilku minut i może nieść ze sobą śnieg lub deszcz. Powstaje zazwyczaj tam, gdzie stykają się dwie masy powietrza o dużej różnicy temperatur. Bardzo często to zjawisko związane jest z chmurą cumulonimbus. Ostrzeżeniem przed możliwym szkwałem jest obecność na przedzie chmury burzowej tak zwanego wału szkwałowego. Szkwały mogą być związane z nawałnicą (ang. downburst)

Wiatr – poziomy lub prawie poziomy ruch powietrza względem powierzchni ziemi. Wiatry są wywołane przez różnicę temperatur oraz różnice w ukształtowaniu powierzchni. Termin wiatr jest używany w meteorologii prawie wyłącznie na określenie horyzontalnej składowej wiatru. Istnieje jednak składowa pionowa wiatru i wtedy jest tak nazywana. Wiatr może wiać z obszarów wyższego ciśnienia do obszarów niższego ciśnienia, ale w średnich szerokościach geograficznych, ze względu na siłę Coriolisa, wiatr wieje zazwyczaj równolegle do linii takiego samego ciśnienia (wiatr geostroficzny). Wiatr jest jednym ze składników pogody, w tym celu podaje się prędkość wiatru (w m/s lub km/h) i kierunek, z którego wieje. Należy zachować uwagę przy używaniu terminologii kierunku wiatru: meteorolodzy pod nazwą wiatry zachodnie rozumieją wiatr wiejący z zachodu, podczas gdy "zachodni prąd oceaniczny" to prąd płynący na zachód (czyli różnica o 180 stopni w definicji kierunku).
Chmury – obserwowane w atmosferze, skupiska kondensatów pary wodnej (kropli lub kryształków)[1]. Ochładzanie zmniejsza zdolność powietrza do zatrzymywania pary wodnej. Ochładzanie do temperatury punktu rosy powoduje nasycenie pary wodnej (saturację), dalsze ochładzanie wywołuje przesycenie i kondensację. Kondensacja i parowanie (w przypadku chmur wodnych) oraz depozycja i sublimacja (w przypadku chmur lodowych) zachodzą w atmosferze na chmurowych lub lodowych jądrach (zarodkach) nukleacji.

Linie szkwałowe, jeden z mechanizmów powstawiania szkwałów mają specjalne oznaczenie na mapach synoptycnzych pogody.

Oznaczenie frontów na mapach synoptycznych z uwzględnieniem linii szkwałowych. (1) zimny front front; (2) ciepły front, (3) stacjonarny front; (4) okluzja; (5) zatoka niżowa na powierzchni; (6) linia szkwałowa; (7) linia szkwałowa sucha; (8) zaburzenie tropikalne

Prędkość szkwału

Schemat zależny od niejednorodności podłoża

W modelach numerycznych pogody prognozowane są pewne średnie warunki meteorologiczne a prędkości maksymalnego wiatru (szkwału) wyznacza się na podstawie uproszczonych parameteryzacji często na podstawie bardzo uproszczonych założeń. Dla przykładu, zakłada się, że nad wodą szkwały mają prędkość około 1.3 średniej prędkości wiatru z ostatniej godziny lub około 2.3 tej prędkości nad dużymi miastami. Innymi słowy zakłada się, że szkwały zależą od niejednorodności podłoża:

Cumulonimbus (Cb), chmura kłębiasta deszczowa to gęsta chmura rozbudowana pionowo na wysokość kilku lub kilkunastu kilometrów, niekiedy w kształcie wieży, o górnej powierzchni gładkiej, zakończonej kopulasto lub kalafiorowato (Cumulonimbus calvus, Cb cal) (calvus z łac. "łysy"), bądź w postaci bardziej rozbudowanej w piętrze wysokim (Cumulonimbus capillatus, Cb cap), przypominająca olbrzymie kowadło lub grzyb (incus – Cb cap inc). Podstawa chmur tego rodzaju znajduje się na wysokości 2÷3 km, natomiast górny ich pułap w strefie międzyzwrotnikowej może przekraczać 20 km. Są to chmury najbardziej rozbudowane w kierunku pionowym, dlatego zjawiska fizyczne w nich występujące są bardzo gwałtowne. Złożone w dolnej części z kropel wody, a w górnej z kryształków lodu. Chmury tego rodzaju mogą być źródłem gwałtownych opadów deszczu, śniegu lub gradu, którym często towarzyszą wyładowania elektryczne (burze).
Skaterometria atmosfery (ang. scatterometry) to technika teledetekcyjna używana do oceny prędkości i kierunku wiatru na podstawie odbicia promieni mikrofalowych od powierzchni oceanu. Skaterometry mikrofalowe działają na zasadzie aktywnego radaru, wysyłają w kierunku oceanu fale mikrofalowe i odbierają ich odbicie od powierzchni oceanu. Analizując odbicie fal dla różnych kątów padania promieniowania mikrofalowego oblicza się wysokość fali na wodzie, oraz kierunek fal.

$u_{\rm max} = 1.3 u_0$ (nad wodą)

$u_{\rm max} = 2.3 u_0$ (nad dużymi miastami)

Schematyczna reprezentacja wiatru zstępującego w warstwie granicznej powodowana przez turbulencyjną energię kinetyczną (wiry)

Warstwa graniczna (metoda WGE)

Inny schemat polega na założeniu, że cząstki powietrza na powierzchni ziemi schodzą z pewnej wysokości. Ten poglądowy mechanizm jest czasami używany w żeglarstwie regatowym, zwłaszcza na małych akwenach, bo schodzące szkwały zmieniają także kierunek pozwalając na wygranie wyścigu przez wykorzystanie bardzo lokalnych warunków. Bardzo stabilne powietrze pomiędzy wyższą wysokością a powierzchnią ziemi powoduje, że możliwość schodzenia cząstek powierza z wyższych wysokości jest utrudniona, natomiast niestabilne warunki w tej warstwie powodują, że schodzenie szkwałów jest ułatwione. Prędkość szkwałów powinna, w tym przybliżeniu, zależeć od trzech składników: prędkości średniego wiatru, energii turbulencyjnej, oraz stabilności atmosfery.

Chmura szelfowa (ang. shelf cloud) – chmura przypominająca swoim kształtem poziomy klin. Jest ona przytwierdzona do podstawy chmury macierzystej (zazwyczaj burzowej). Tego typu chmura występuje najczęściej na granicy burzowych frontów atmosferycznych . Tworzy się także w niektórych komórkach opadowych oraz w superkomórkach zawsze na przedniej krawędzi burzy. W rejonie jej występowania zazwyczaj pojawiają się silne opady i porywisty wiatr.
Biały szkwał – nagły i porywisty wiatr, wg Słownika Meteorologicznego Amerykańskiego Towarzystwa Meteorologicznego nazwa "biały szkwał" (ang. "white squall") jest związana z faktem, że chmury burzowe normalnie obserwowane na niebie przed przyjściem silnego wiatru nie są obserwowane w wypadku białego szkwału. Szkwał przychodzi z jasnego nieba i jest dla obserwatora nagły. Jedyną zapowiedzią nad wodą są krople zawieszone w powietrzu i załamujące się fale widoczne jako biaława zawiesina.

$\frac{1}{z_p} \int_{0}^{z_p} E(z) dz \ge g \int_{0}^{z_p} \frac{\Delta \theta_v(z)}{\theta_v(z)} dz$

gdzie $z_p$ jest wysokością nad powierzchnią Ziemi z której spada cząstka na powierzchnię Ziemi, g jest przespieszeniem ziemskim, $\theta_v(z)$ jest wirtualną temperaturą potencjalną, a $\Delta \theta_v(z)$ jest zmianą temparatury wirtualnej. Lewa strona równania reprezentuje energię kinetyczną ruchów turbulencyjnych w warstwie przyziemnej a prawa strona reprezentuje wyporność warstwy przyziemnej. Energia ruchów turbulencyjnych zależy od zmiany wiatru z wysokością w atmosferze (uskok, ścięcie wiatru), od temperatury, od transportu i dysypacji energii turbulencyjnej. Nie wszystkie cząstki powietrza spełniają powyższy warunek. Maksimum wiatru w szkwale można otrzymac ze wzoru

Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF) – międzynarodowa organizacja zajmująca się prognozą pogody. W 2006 roku prognoza pogody z ECMWF miała najlepszą sprawdzalność w stosunku do innych modeli numerycznych na świecie i wyprzedzała sprawdzalność prognozy z modelu amerykańskiego - GFS o około jeden dzień. ECMWF prognozuje pogodę od sierpnia 1979 roku.
Energia potencjalna dostępna konwekcyjnie (ang. convective available potential energy, w skrócie CAPE) w meteorologii opisuje ilość energii potencjalnej elementu masy atmosfery uzyskanej podczas pionowego ruchu w atmosferze. Jednostką CAPE jest dżul na kilogram powietrza (J/kg). Dodatnie wartości pokazują na niestabilność konwekcyjną, powstawanie silnych prądów wznoszących w atmosferze co prowadzi do występowania burz.

$u_{\rm max} = \max \sqrt{u^2(z_p) + v^2(z_p)}$

dla tych wszystkicj $z_p$ w warstwie granicznej, które spełniają warunek,że ich energia kinetyczna przewyższa siłę wyporu. Okazuje się, że w tym założeniu efekt niejednorodności podłoża jest niewielki i rozważane są tylko cząstki powietrza spadające z różnych wysokości w warstwie granicznej. Jest to zgodne z tym, że energia kinetyczna ruchów turbulencyjnych powyżej warstwy granicznej, w tzw. atmosferze swobodnej, jest mała.

Grad – opad atmosferyczny w postaci bryłek lodu (nazywanych gradzinami lub gradowinami) o średnicy od 5 mm do 50 mm. Opad gradu następuje zwykle w ciepłej porze roku z mocno rozbudowanych chmur typu cumulonimbus i bywa połączony z silnym opadem deszczu. Obfity grad ze szczególnie dużymi gradowinami, tzw. gradobicie, może spowodować znaczące straty, w szczególności w rolnictwie i może trwać nawet kilka godzin.

Schematyczna reprezentacja komórki burzowej, lini szkwałów i linia frontu. Niebieskie strzałki pokazuja na prądy zstępujące, czerwone strzałki pokazują prądy wstępujące

Szkwały konwekcyjne i linie szkwałowe

Szkwały konwekcyjne (burze) związane są z opadającymi wiatrami, tzw. prądami zstepujacymi. Te prawie pionowe ruch powietrza są na powierzchni Ziemi odczuwalne jako gwałtowne porywy wiatru. Istnieją dwa rodzaje czasowych i przestrzennych prądów zstępujących: mikro i makro. Mikro prądy zstępujące mają skalę około 4 km i trwają pomiędzy 2-5 minut. Makro prądy zstępujące trwają dłużej od 5 do 20 minut i mają rozmiar 4-20km. Prądy wstępujące i zstępujące istnieją często razem. Prąd wstępujący, który zapoczątkowuje burzę pobiera energię ze strumieni ciepła - zarówno ze skraplającej się pary wodnej jak i strumienia ciepła od powierzchni Ziemi. Prąd ten jest wynoszony wysoko (ok. 10km) w atmosferze i czasami tworzy kowadło cumulonimbusa. Skraplająca się woda spada w średnich wysokościach nad Ziemią (około 5km) w postaci deszczu i zapoczątkowuje prąd zstępujący. Krople wody moga wtedy parować a spadające kryształy topić się, te procesy oziębiają spadające powierze. Skala przestrzenna prądów zstępujących zależy od wielkości prądów wstępujących.

Szkwały komórek burzowych występują często na liniach szkwałowych (ang. gust front) i związane są z prądami opadajacymi (ang. downdraught). Rysunek przedstawia schematycznie linię szkwałową i linię zimnego frontu, pokazane są też dwa różne prądy zstępujące. Zielonym i czerwonym kolorem zaznaczone są prądy wstępujące. Niebieskim kolorem zaznaczone są prądy zstępujące - tzw. przedni i tylny prąd zstępujący. Czasami, ale nie zawsze w tego typu systemach burzowych pojawia się tornado.

Ocenę prędkości szkwału z komórek burzowych można dokonac na podstawie następujacego równania

$w_{\rm max}^2= - 2 g \int_{0}^{z_p} \frac{\Delta \theta_v(z)}{\theta_v(z)} dz + 2 g \int_{0}^{z_p} Ldz + w^2(z_p)$

gdzie pierwszy człon po lewej stronie odpowiada energii potencjalnej, którą można zamienić na energię kinetyczną (NAPE), drugi człon opisuje w jaki sposób krople wody spadając przyśpieszają powietrze poprzez tarcie, a trzeci człon opisuje prędkość pionowa na poziomie z którego spada cząstka. Istnieje kilka empirycznych przybliżeń upraszczających powyższe równanie. Indeks CAPE oraz NAPE można ocenić z sondaży atmosferycznych. W tym przybliżeniu nie uwzględnia się energii kinetycznej w warstwie przyziemnej, bo energia związana z prądem zstępującym w komórce burzowej jest znacznie większa.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)