HungaroMet: 2025. június 3. 11:00
Egy balatoni zivatarfelhő élete – kívülről, belülről
 |
"Zivatarok a Balatonnál" – ismeretterjesztő tanulmánysorozat 3. rész Miután már megismertük a balatoni zivatarok kialakulásának hátterét és különböző típusait (1. rész), illetve bemutattuk azt is, hogy a Balaton és a Bakony milyen hatással vannak a zivatarokra (2. rész), most végig fogjuk követni egy zivatarfelhő fejlődését a Balaton térségében. Bemutatjuk, hogy néz ki a zivatarfelhő, milyen fejlődési szakaszokon megy keresztül és milyen felhőformációk társulnak hozzá. És nem csak azt nézzük meg, ami kívülről látható belőlük, hanem egy, a Siófoki Viharjelző Obszervatórium szuperszámítógépén futtatott meteorológiai modell (WRF), illetve radarmérések segítségével a belsejükbe is bele tudunk nézni – áttekintjük, hogy milyen meteorológiai, felhőfizikai folyamatok játszódnak le egy zivatar életciklusa során. |
Kurcsics Máté, Geresdi István, Horváth Ákos
Egy zivatarfelhő élete
A zivatarok a Balaton leglátványosabb természeti jelenségei közé tartoznak, vagy ahogy Cholnoky Jenő földrajztudós, a Magyar Meteorológiai Társaság egykori elnöke jellemezte őket: a Balaton-vidékének legpompásabb tüneményei. Több látványos felhőformációt bemutattunk már az eddigi részekben az egycellás zivataroktól kezdve egészen a szupercellákig. A balatoni viharjelzésben nem a nagy kiterjedésű, erős zivatarrendszerek vagy a szupercellák jelentik a legnagyobb kihívást a meteorológus számára, ezen esetekben ugyanis általában nincs mit mérlegelni – egyértelmű a másodfokú viharjelzés kiadása. Sokkal érdekesebbek lehetnek a Balaton közelében mozgó egycellás zivatarok, vagy a gyengébb többcellás rendszerek. Ezért ebben a tanulmányban a teljesen átlagos, gyakran előforduló balatoni zivatarokról lesz szó (melyekhez kisebb területen és rövidebb ideig, de ugyanúgy viharos szél, villámlás, felhőszakadás, jégeső is társulhat, mint az erősebb rendszerekhez). Egy ilyen zivatarfelhő fejlődésének pillanatait láthatjuk az 1. ábrán, illetve követhetjük végig az 1. videóban.
1. ábra
Egy a Balaton északi partján kialakult zivatarfelhő életének négy pillanata
a gomolyfelhőktől a szétterülő üllős zivatarfelhőig. Fotók: Horváth Ákos
1. videó: Zivatarfelhő fejlődése a Balaton északi partján 2018. július 28-án
a HungaroMet Zrt. Siófoki Viharjelző Obszervatóriumának felvételén.
Az „Obszervatórium ablaka“ és az időjárási radarmérések
A zivatarokról sok információt megtudhatunk radaros, illetve műholdas mérések segítségével, meteorológiai modellek eredményei alapján pedig arról is információt kapunk, mennyire kedvez az aktuális légköri helyzet a kialakulásuknak. A modellek segítségével betekintést nyerhetünk a zivatarfelhők belső szerkezetébe és a bennük lejátszódó felhőfizikai folyamatokba is (2. ábra). Ami azonban a leggyorsabb, legfontosabb, leghasznosabb információt nyújtja róluk egy viharjelzés elrendeléséhez, az a Siófoki Viharjelző Obszervatórium ablaka. Míg egy érkező hidegfront esetén a tavi viharjelzések kiadása alapvetően mérések alapján történik, addig egy a térségben kipattanó zivatarnál sok esetben csak a zivatarfelhő vizuális megfigyelése alapján biztosítható a villámlás vagy a viharos szél kellő időelőnnyel történő előrejelzése. A zivatarok ugyanis – ahogy majd látni fogjuk – igen gyorsan ki tudnak alakulni és fejlődésük kezdeti stádiumában a radar még nem is észleli őket. Ráadásul minden mérésnek van némi időbeli késése, illetve pontatlansága, ami szintén szükségessé teszi, hogy a gyorsan fejlődő zivatarok esetén a tavi viharjelző meteorológus „szemre“ adja ki a viharjelzést.
A zivatarok fejlődéséről, mozgásáról a vizuális megfigyelés mellett a legtöbb információt radarfelvételek alapján nyerhetjük. A HungaroMet Zrt. öt időjárási radart üzemeltet az ország területén, melyek közül három a Balaton térségére is érdemi információt nyújt: a Kis-Balaton melletti pogányvári radar, a Budapest-pestszentlőrinci radar, illetve a Mecsekben levő hármashegyi radar. Az öt radar együttes felhasználásával ún. kompozit radarképek készülnek, így a mérési hibák többsége kiszűrhető. A radarok mikrohullámú sugárzást bocsátanak ki, és a visszaérkező jel erősségét mérik meg, amit alapvetően három tényező határoz meg: a felhőben levő részecskék mérete, koncentrációja, valamint halmazállapota és alakja. Minél több, illetve minél nagyobb esőcseppek, illetve jégrészecskék vannak a felhő egy adott részén, annál erősebb a visszavert jel, vagy szemléletesebben: annál pirosabb lesz a zivatar a radarképen.
Egy horizontális, kétdimenziós radarkép nem árul el minden információt egy zivatarfelhőről. Nem tudjuk például, hogy éppen milyen fejlettségi stádiumban van a zivatar. Egy ugyanolyan színű piros folt jelenthet egy a magasba törő, erősödő zivatarfelhőt, amiből még nem is kezdődött meg a csapadékhullás, de ugyanígy egy intenzív felhőszakadással kísért, leépülőben levő zivatart is, amely hamarosan meg fog szűnni. Így az előrejelzési gyakorlatban nem két, hanem három dimenziós radaradatok alapján dolgozunk, horizontális és vertikális radarképek együttes felhasználásával.
2. ábra
Egy zivatarfelhő fejlődése a balatoni időjárás előrejelzések alapjául szolgáló WRF modellben, 3 percenkénti lépésekben.
A felső ábrán a szimulált visszavert radarjelek erősségét, a középső ábrán a felhőelemek eloszlását
(pirosas színek: felhőcseppek, zöldes színek: esőcseppek, kékes színek: jégrészecskék),
az alsó ábrán a vertikális áramlásokat (sárgás színek: feláramlás, kékes színek: leáramlás) láthatjuk.
A továbbiakban részletesen bemutatjuk az animáción látható egyes fázisokat.
0. fázis: a zivatar előtt
Egy zivataros tavaszi vagy nyári nap gyakran nyugodt, teljesen felhőmentes idővel veszi kezdetét a Balatonnál. Reggel, kora délelőtt még zavartalan a napsütés, a víz is alig hullámzik. Ha a magasban van némi felhőzet, akkor esetleg már apró felhőtornyokat megfigyelhetünk, amik mutatják a légkörben rejlő energiát, előrejelzik a változást. A délelőtt folyamán aztán elkezdenek megjelenni az égen az eleinte még apró, majd egyre nagyobbra növő gomolyfelhők. Ezek az előző részben bemutatott okokból előbb a Bakony irányában, majd a Balaton körül jelennek meg az égen (3. ábra). Ekkor még nem emelkedik ki egyik gomolyfelhő sem a többi közül, többnyire egységesen próbálkoznak magasabbra törni a felhők. Ilyenkor már néha megfigyelhetünk kisebb záporesőt, de villámlás még nem kíséri a csapadékhullást.
3. ábra
Gomolyfelhők a Balaton északi partján
A felhőket alkotó apró vízrészecskéket fontos megkülönböztetnünk az alapján, hogy elég nagyok-e a felhőből való kihulláshoz. Kezdetben a gomolyfelhőket csak olyan apró felhőcseppek alkotják, amelyek még túl kicsik ahhoz, hogy csapadék formájában kiessenek a felhőből. Aztán a feláramlások hatására a hűlő, és így nedvességgel telítődő levegőből egyre több vízgőz csapódik ki a cseppekre, növelve azok méretét. Emellett egy bizonyos méret felett a cseppek elkezdenek egymással ütközve összeolvadni, ami még tovább növeli a méretüket [1]. A kellően nagyméretű esőcseppek előbb-utóbb elkezdenek kihullani a felhőből – kialakul a záporeső.
Az időjárási radarok alapvetően a tized milliméternél nagyobb vízcseppeket és jégrészecskéket (hópelyhek, jégszemek) tudják detektálni, az apró felhőcseppeket nem (emiatt is nagyon fontosak a vizuális megfigyelések a balatoni viharjelzésben). A záporesőhöz általában gyengébb radarjelek társulnak, a radarmetszeten pedig még viszonylag egységes a cseppek eloszlása (4. ábra). A tanulmányban a WRF modell radarszimulációjáról mutatunk be metszeteket, de a valós radarmérések is hasonló képet adnának. A modelleredményekben megfigyelhető, hogy a fejlődés ezen szakaszában egymáshoz viszonylag közel, több, néhány km magas feláramlási csatorna alakul ki. Ezekben a feláramlási sebesség rendszerint még nem haladja meg a néhány m/s-ot. A feláramlási csatornákban kialakuló vízcseppek a rájuk lecsapódó vízgőz, valamint az egymás közötti ütközések hatására növekednek tovább, és miután meghaladják a néhány tized milliméteres átmérőt, elkezdenek lefele esni. Ezek a vízcseppek okozzák azt a gyenge záport, ami az ilyen gomolyfelhőkből hullik. Az ábrán láthatjuk azt is, hogy a felhők már bőven elérik a negatív hőmérsékleti tartományt, a felhőtető hőmérséklete kb. -20 °C. A felhőben azonban még csak folyékony halmazállapotú felhőcseppek vannak jelen, szilárd jégrészecskék nincsenek. A negatív hőmérsékletű, de ennek ellenére folyékony halmazállapotú vízcseppeket túlhűlt vízcseppeknek nevezzük.
Felmerül a kérdés, hogy miért nem szilárd halmazállapotú a víz ennyire alacsony hőmérsékleten, jégrészecskék helyett miért vízcseppek alkotják a felhőt. A jégképződéshez szinte minden esetben szükség van mikrométeres, vagy még annál is kisebb szilárd részecskékre. Ezeknek a jégképző magként szolgáló részecskéknek a kristályszerkezete pedig meghatározza, hogy hány fokon indul meg rajtuk a jégképződési folyamat. A vízcseppek fagyása nem csak a hőmérséklettől, de a cseppek méretétől is függ. A nagyobb vízcseppek már magasabb, a kisebbek csak alacsonyabb hőmérsékleten fagynak meg.
A vízcseppek fagyása megközelítőleg -5 °C-os hőmérséklet alatt kezdődik meg a felhőkben, nagyobb mennyiségben pedig csak -10 °C alatti hőmérsékleten alakulnak ki jégkristályok. Ezek a jégrészecskék aztán a velük ütköző túlhűlt vízcseppek fagyását is kiválthatják. Míg a néhányszor 0,1 mm átmérőjű vízcseppek a (-5) – (-15) °C-os hőmérsékleti tartományban fagynak meg, addig a 0,01 mm-nél kisebb vízcseppek fagyása csak -35 °C-nál alacsonyabb hőmérsékleten következik be. Még -40 °C-os hőmérsékleten is előfordulnak a felhőkben folyékony vízcseppek, csak ez alá hűlve fagynak meg a legkisebbek is. Az, hogy a víz ilyen alacsony hőmérsékleten is folyékony halmazállapotú lehet, nagyon fontos szerepet játszik a túlhűlt vízcseppekkel ütköző jégrészecskék (például jégszemek) gyors növekedésében [2].
4. ábra
A zivatarok kialakulásának első stádiuma a WRF modellben.
A felső ábrán a szimulált radarjelek erősségét, a középső ábrán a felhőelemek eloszlását
(pirosas színek: felhőcseppek, zöldes színek: esőcseppek, kékes színek: jégrészecskék),
az alsó ábrán a vertikális áramlásokat (sárgás színek: feláramlás, kékes színek: leáramlás) láthatjuk.
1. fázis: a zivatarrá válás
A tanulmánysorozat első részében bemutatott feltételek fennállása esetén a gomolyfelhők közül előbb utóbb lesznek nyertesek, amelyek több energiához jutnak és „gomba módjára“ magasabbra törnek a többieknél (5. ábra). A tetejük kiemelkedik a többi gomolyfelhő közül, és ahogy a felhő teteje egyre nagyobb magasságot - ezzel együtt egyre alacsonyabb hőmérsékletet - ér el, az első villámok is kialakulnak. Ez a gyors változás okozza az egyik legnagyobb nehézséget a balatoni viharjelző munkában, ilyenkor a légkör minden rezdülését követni kell. Ha egy, a Balaton partján levő gomolyfelhő az 5. ábrán látható módon növekedésnek indul, a viharjelzés azonnali kiadására lehet szükség.
5. ábra
A gomolyfelhők közül az egyik magasabbra tör – kialakul a zivatarfelhő
Ahhoz, hogy egy tornyos gomolyfelhő zivatarrá váljon (azaz kialakuljon benne a villámlás), szükség van egy erős, koncentrált feláramlási csatorna létrejöttére. Ebben a csatornában egyre több és egyre nagyobb csapadékelem alakul ki, így egyre erősebb radarjeleket produkál (6. ábra). A felhőben a felhőcseppek és az esőcseppek (záporeső) mellett megjelennek a jégrészecskék is. Ezek jelenléte elengedhetetlen a villámlás kialakulásához, amit majd a tanulmánysorozat következő részében fogunk bemutatni. A Siófoki Viharjelző Obszervatóriumban használatos WRF modell öt részecske típust különböztet meg a felhőkben: kis felhőcseppeket, nagy esőcseppeket, valamint jégkristályokat, hókristályokat és hódarát. Utóbbi három részecske szilárd halmazállapotú, ezeket az alábbiakban összevonva, jégrészecskék néven említjük és ábrázoljuk. A fejlődő zivatarfelhő feláramlási csatornája egyre magasabbra tör, a 6. ábrán már a 8 km-es magasságot közelíti, miközben azt körülvéve ún. kompenzáló leáramlások alakulnak ki. Sokszor ezek a leáramlások teszik igazán látványossá a zivatarfelhőt, ugyanis feloszlatják a körülötte levő összes többi felhőt.
6. ábra
Fejlődő állapotban levő zivatarfelhő a WRF modell szimulációja alapján készített vertikális metszeteken
(radar, felhő- és csapadékelemek, vertikális sebesség) 11:06-kor.
2. fázis: a fejlett zivatarfelhő
Ebben a stádiumban a zivatarfelhő eléri a maximális magasságát, felső részén pedig üllő is képződhet (7. ábra). Egy zivatarfelhő nem nőhet akármilyen magasra. Van egy fizikai korlátja annak, hogy meddig nyúlhat fel a teteje, ez pedig a troposzféra és a sztratoszféra határa. Az időjárási folyamatok térségünkben jellemzően a légkör alsó 10-12 km-es tartományában, a troposzférában játszódnak le, aminek jellemzője, hogy a magassággal felfelé haladva többnyire csökken benne a hőmérséklet. A troposzféra és a sztratoszféra határa (tropopauza) ott van, ahol ez a hőmérséklet-csökkenés véget ér, majd a magassággal növekszik a hőmérséklet. A sztratoszféra alját elérve a felfelé emelkedő levegő nagyon gyorsan hidegebbé válik a környezeténél, ez pedig meggátolja a felhő további növekedését. A zivatar erős feláramlása azonban szállítja tovább a nedvességet a magasba. Így mintha falba ütközne, a sztratoszférát elérő zivatarfelhő oldalirányban kezd el szétterülni, és felveszi jellegzetes üllőszerű alakját (8. ábra). Amikor nagyon heves feláramlások vannak jelen a zivatarfelhőben, akkor a felhő közepén egy apró csúcs (ún. túlnyúló csúcs) 1-2 km-nyire képes behatolni még a sztratoszférába is.
7. ábra
A magasba törő zivatarfelhő már egyértelműen kiemelkedett a környezetéből, a teteje pedig üllőszerűen elkezdett szétterülni.
8. ábra
Üllős zivatarfelhő a Balatonnál 2021. július 9-én.
Egy zivatarfelhőt a villámlás, dörgés mellett a legkönnyebben a magasban szétterülő, üllőszerű felhőzetről lehet felismerni.
Fotó: Szilágyi Eszter
A zivatarfelhő egyre erősödő feláramlása jelentős mennyiségű vízgőzt szállít a felszín közeléből a zivatarfelhőbe. Ennek hatására rövid idő leforgása alatt jelentősen megnő az esőcseppek és a jégrészecskék száma és mérete, és ezzel együtt a visszavert radarjel nagysága (9. ábra). A 12 perccel korábbi állapothoz képest (6. ábra) – a rövid idő ellenére – nagy változáson megy keresztül a zivatarfelhő. A gyorsan növekvő jégrészecskék és az olvadásukból kialakuló esőcseppek miatt az erős radarjeleket (> 45 dBz) visszaverő tartomány a felszíntől kb. 10 km-es magasságig terjed. A zivatarfelhő fejlődésének ezen stádiumában a felhő teljes térfogatában a feláramlás dominál, így a közel 12 km-es magasságig nyúló feláramlási csatorna mentén koncentrálódik a felhőcseppek és jégrészecskék nagy része. A fejlett zivatarfelhőben már a csapadékhullás hatására is kialakul leáramló légmozgás: a felszín közelében, a záporesővel érintett területen. Az idő előrehaladtával egyre növekszik a felszínt elérő csapadék intenzitása és a leáramlás erőssége.
A radarmetszet alapján a felhő felső részén, mintegy 6-8 km-es magasságban nagy koncentrációban találhatók nagy méretű jégrészecskék. Ez egy rendkívül fontos információ a meteorológusok számára. Ugyanis amikor a felhőnek ilyen magas részéről érkeznek vissza a legerősebb radarjelek, az egyértelműen arra utal, hogy egy életerős zivatarfelhőről van szó, amelyben később majd erősödni fognak a leáramlások és nagy széllökéseket okozhat. A balatoni viharjelzés során így gyakran elemzünk ilyen radarmetszeteket, hogy megállapítsuk, fejlődése milyen stádiumában van egy Balaton felé közeledő zivatarfelhő.
A 9. ábrán láthatjuk, hogy a fejlett zivatarfelhőben egyszerre vannak jelen nagyobb mennyiségben a kisméretű felhőcseppek, a nagyobb méretű esőcseppek és a jégrészecskék. Különösen a jégrészecskék mennyisége növekszik meg a korábbi állapothoz képest és ekkor már szinte a felhő teljes vertikumában jelen vannak. A felhő -10 °C-nál alacsonyabb hőmérsékletű tartományában – a fentiekben már említett módon – a kicsapódó vízgőzből képződnek, majd az egymással, illetve a túlhűlt vízcseppekkel történő ütközések által növekednek. Az ütközések hatására a jégrészecskék elektromos töltöttségre is szert tesznek, aminek fontos szerepe van a villámlás kialakulásában. Az egyre nagyobbra növő jégrészecskék aztán elkezdenek kihullani a felhőből. Ez az oka annak, hogy a felhő alacsonyabb, már pozitív hőmérsékletű részén is megjelenik a jég. Nagy részük a talajhoz közeledve elolvad, de a nagyobbak jégesőként (vagy hódara záporként) elérhetik a felszínt.
9. ábra
Fejlett állapotban levő zivatarfelhő a WRF modell szimulációja alapján készített vertikális metszeteken
(radar, felhőelemek, vertikális sebesség) 11:18-kor.
3. fázis: a leépülő zivatarfelhő
A zivatarfelhő további fejlődése során annak üllője egyre jobban szétterül, az erős feláramlásra utaló gomolygó felhőtornyok pedig eltűnnek (10. ábra). Egy többcellás zivatarrendszer esetén a közelben újabb tornyos gomolyfelhők alakulhatnak ki. A zivatarfelhő életciklusának ezen stádiumában érdemi nedvesség utánpótlást már nem kap. Eleinte intenzív csapadékhullás jellemzi, majd fokozatosan csökken a csapadék intenzitása. Azonban ha maga a zivatarfelhő meg is szűnik, az abból megmaradó magas szintű felhőzet még sokáig látható maradhat az égen.
10. ábra
Leépülő zivatarfelhő szétterülő üllővel a Balatonnál.
A leépülő állapotban levő zivatarfelhőben a legerősebb radarjelek már nem a magasban, hanem a felszín közelében mérhetők (11. ábra). Ekkor már ugyanis a nagy csapadékelemek zöme lefelé hullva a felszín közelébe jut, így intenzív záporesőt, akár jégesőt is okozhat. Amikor a radarmetszet alapján az állapítható meg, hogy a közeledő zivatarfelhő már leépülő stádiumban van, nem feltétlenül van szükség a legmagasabb fokú viharjelzés kiadására. Annak ellenére sem, hogy egy horizontális, kétdimenziós radarképen még egy igencsak pirosló foltot látunk közeledni.
A zivatarfelhő fejlődésének végső stádiumában annak egységes feláramlási csatornája jelentősen legyengül, több kisebb részre felszakadva már nem képes kellő nedvességet a magasba juttatni a zivatar fennmaradásához. A leáramlások viszont a csapadék olvadása, illetve párolgása okozta hűtő hatás miatt egyre erősödnek, a felszínen szétterülve pedig hideg szelet okoznak. Ezt nevezzük a zivatarfelhő kifutószelének. Bár a leáramlás az őt generáló zivatarfelhő életének véget vet, a kifutószél újabb feláramlást generálhat, újabb zivatarfelhő kialakulását indíthatja el.
11. ábra
Leépülő állapotban levő zivatarfelhő a WRF modell szimulációja alapján készített vertikális metszeteken
(radar, felhőelemek, vertikális sebesség) 11:33-kor.
Következő rész tartalmából
A zivatarfelhő élettartamának többnyire az utolsó stádiumában, vagy akár már a felhő teljes szétesését követően, mikor laikus szemmel már-már feleslegesnek tűnhet a másodfokú viharjelzés fenntartása a Balatonon, megérkezik a zivatarfelhő szele (12. ábra). A tanulmánysorozat 4. részében részletesen bemutatjuk majd, hogy miért okoznak szelet a zivatarfelhők, illetve mitől függ ennek a szélnek az ereje. A balatoni zivatarok másik legveszélyesebb jelenségének, a villámlásnak a kialakulási folyamatát és különböző formáit is ismertetjük majd a következő részben.
12. ábra
A korábbi ábrákon bemutatott zivatarfelhő szele eléri a Balaton déli partját is,
gyorsan hullámossá korbácsolva a nyugodt víztükröt.
A tanulmány az MTA Fenntartható Fejlődés és Technológiák Nemzeti Program (FFT FTA NP2022-II-8/2022) támogatásával valósult meg.
Hivatkozások:
