2021. május 15. szombat
Tanulmányok

OMSZ: 2021. március 5. 10:00

Folyékony víztartalmú felhők negatív hőmérsékleten

A légköri folyamatok egyik fontos összetevője a víz halmazállapot változásával kapcsolatos felhőképződés. A felhőképződést meghatározó ún. felhőfizikai folyamatok eredményeként gyakran találhatóak a magasban túlhűlt vízcseppek akár -20, -30 fok alatti hőmérsékleteken, illetve szilárd halmazállapotú csapadékkal találkozhatunk nyáron, 30 fokos felszíni hőmérsékleten egy-egy jégeső során. A számítógépes előrejelzési modellek segítségével lehetőség van a víz fázisátalakulásait, és a különböző ütközési folyamatok követésére, olyan gyakorlati problémák miatt is, mint a repülőgépeken előforduló jegesedés vagy a jégesők kialakulásának előrejelzésére. Az alábbiakban az Országos Meteorológia Szolgálatnál is alkalmazott WRF (Weather Research and Forecasting model) modell által leírt időjárási helyzeten keresztül mutatunk be egy olyan téli időjárási esetet, amikor a magasban a hideg ellenére is hosszabb időszakon át folyékony víz volt a felhőkben.

Horváth Ákos, Geresdi István, Kurcsics Máté


A felhőben a víz mindhárom halmazállapotában (vízgőz, folyékony, szilárd) előfordul, azonban pontosabb leírást alkalmazva a vízcseppeknek és jégrészecskéknek – méretük és alakjuk alapján – további típusait különböztethetjük meg. A WRF modellben is alkalmazott ún. Thompson-féle mikrofizikai sémában a gáz halmazállapotú vízgőz (Qv) mellett még öt felhő- és csapadékelemet különböztetünk meg: a folyékony felhővíz (Qc), és esővíz (Qr), valamint a szilárd jégkristály (Qi), hó (Qs) és hódara/jégeső (Qg). A felhővíz az apró méretű cseppeket jelenti, amelyek a felhőben, illetve a ködben találhatóak és csak nagyon lassan hullnak ki a légkörből, szemben az esőcseppekkel, amelyek akár több nagyságrenddel nagyobbak és hamar kiesnek. A szemünkkel látott felhőkben sokszor csak felhővíz van, olyankor nem is esik belőlük az eső. A szilárd halmazállapotú felhőelemek közül a jégkristályok főként a magas szintű fátyolfelhőkben, cirruszokban találhatóak, míg a hó a téli leggyakoribb talajra is lejutó szilárd csapadékforma. A hódara/jégeső (graupel) a zivatarfelhőkre jellemző csapadékelem, ez felelős a jégesőkért is. Az egyes típusok egymásba is alakulnak például a kondenzáció vagy olvadás során (1. ábra).

A vizsgált esetben 2021. február 3-án, egy ciklon előoldalán az alacsonyabb szinteken (850 hPa) meleg levegő áramlott be a Kárpát-medencébe és az Alpok előterében egy teknő képződött (2. ábra). A 700 hPa-os nyomásszintet határozott nyugatias áramlás jellemezte, a teknő előoldalán található magasabb nedvességtartalmú légtömeg pedig az áramlással együtt helyeződött kelet felé (3. ábra). Ez a nyugatias áramlás az Alpokban hullámmozgásokat indított el, jellegzetes hullámfelhők képződtek. A hullámzás hatására feláramlások is kialakultak, melyek a magasban fújó viharos nyugati széllel együtt lehetőséget biztosítottak a nedvesebb levegő magasabb szintekre jutására és a felhőképződésre.

A felhőelemek alakulását egy nyugat keleti irányú vertikális metszet időbeli sorozatán keresztül követhetjük, ahol a felhőelemek mellett a vertikális sebesség, a vízgőz tartalom (specifikus nedvesség) és a relatív nedvesség is ábrázolásra került (4. ábra).

Az első időlépésben, 12 órakor (11 UTC) fel- és leáramlások keltette hullámmozgások indultak meg az Alpokban, ami a magasban fújó viharos nyugati széllel együtt nedvességet szállított a magasabb szintekre, így még csak alacsony koncentrációban, de folyékony halmazállapotú felhőcseppek képződtek a -20 fok körüli hőmérsékleten, a felhő nyugati részén (4a. ábra). Az ábrán piros nyilakkal jelölt sávban a felhő mozgásával együtt a nedvesség utánpótlását biztosító nedves szállítószalag is áthelyeződött kelet felé, ami a specifikus nedvesség és a relatív páratartalom mezejében egyaránt kirajzolódik.

13 órára (12 UTC) már nagyobb koncentrációban volt jelen a felhővíz, és a túlhűlt vízcseppek és a jégkristályok gyakori ütközése (zúzmarásodás) miatt jelentősen megnőtt a hó keverési aránya is. A felhővízcseppek és a hó keverési arányának nagyságrendje összemérhető volt, a jégrészecskék koncentrációja egy nagyságrenddel kisebb maradt (4b. ábra).

Ezt követően 14 órától (13 UTC), ahogy a felhő távolodott az Alpoktól, csökkent a felhővíz keverési aránya, de továbbra is jelen volt számottevő mennyiségben, mivel a hegységtől induló nedvesség-utánpótlás még nem szűnt meg. Az Alpok felett eközben az intenzív feláramlások hatására megindult a gomolyfelhő-képződés is, amelyre az alacsony szinten megjelenő felhővíz jelenléte utal (4c. ábra).

15 órára (14 UTC) már csak kevés nedvességet kapott a felhőrendszer (4d. ábra), 16 órára (15 UTC) pedig teljesen megszűnt nedvesség vertikális transzportja. Így a vízcseppek folyamatos képződése és növekedése megszűnt, és koncentrációja a jégkristályokkal való ütközések következtében nullára csökkent (4e. ábra).

Az adott napon a felhővíz és a hó állapotok szemmel láthatóan jól elkülöníthetőek voltak (5. ábra).

A bemutatott eset jól mutatja, hogy felhőkben még abban az esetben is, amikor a hőmérséklet jóval 0 Celsius fok alatt van, a folyékony halmazállapotú vízcseppecskék (felhővíz) viszonylag nagy mennyiségben jelen vannak a felhőkben. Ezeknek a kis vízcseppeknek a mennyiségét két folyamat határozza meg. A vízgőztranszport növeli, a jégkristályokkal (felhőjég) és a hópelyhekkel (hó) való ütközés pedig csökkenti a mennyiségüket (4b-4c. és 5. ábra). Ezen kis vízcseppek, csak nagyon alacsony hőmérsékleten (körülbelül -35 Celsius fok) fagynak meg, így ebben az esetben ez a folyamat nem játszott szerepet.

A túlhűlt felhővíz ugyanakkor komoly veszélyt jelent a repülésre is, mivel a repülőgép szárnyára, illetve a helikopter forgószárnyára (rotor) csapódva jegesedést okoz. A fejlett felhőfizikájú modellek így nemcsak a légköri folyamatok pontosabb előrejelzését, de repülés biztonságát is szolgálják azáltal, hogy képesek előrejelezni azokat a régiókat, ahol nagy mennyiségben fordulnak elő túlhűlt vízcseppek.

 1. ábra

1. ábra
Felhő- és csapadékelemek és egymásba való átalakulásaik a WRF modell Thompson felhőfizikai sémájában
(Qv: vízgőz, Qi: jég, Qs:hó, Qg: graupel, Qc: felhővíz, Qr: esővíz)

 2. ábra

2. ábra
A 850 hPa-os nyomási szint (kb. 1,5 km-es magasság) hőmérséklete, geopotenciális magassága és szélsebessége
2021. február 3-án 11 órakor (10 UTC)

3. ábra

3. ábra
A 700 hPa-os nyomási szint (kb. 3 km-es magasság) relatív nedvessége, geopotenciális magassága és szélsebessége
2021. február 3-án 11 órakor (10 UTC)

4a. ábra

 4a. ábra
A WRF modell által számított az Alpoktól a Balatonig húzódó vertikális metszet 2021. február 3-án 12 órakor (11 UTC)
 felső metszet: felhőzet (piros terület - felhővíz (Qc), kék terület - jég (Qi), lila vonal - hó (Qs))
 középső metszet: vertikális sebessége (cm/s) és vízgőz (specifikus nedvesség) (g/kg)
 alsó metszet: relatív nedvesség

 4b. ábra

4b. ábra
A WRF modell által számított az Alpoktól a Balatonig húzódó vertikális metszet 2021. február 3-án 13 órakor (12 UTC)
 felső metszet: felhőzet (piros terület - felhővíz (Qc), kék terület - jég (Qi), lila vonal - hó (Qs))
 középső metszet: vertikális sebessége (cm/s) és vízgőz (specifikus nedvesség) (g/kg)
 alsó metszet: relatív nedvesség

 4c. ábra

4c. ábra
A WRF modell által számított az Alpoktól a Balatonig húzódó vertikális metszet 2021. február 3-án 14 órakor (13 UTC)
 felső metszet: felhőzet (piros terület - felhővíz (Qc), kék terület - jég (Qi), lila vonal - hó (Qs))
 középső metszet: vertikális sebessége (cm/s) és vízgőz (specifikus nedvesség) (g/kg)
 alsó metszet: relatív nedvesség

 4d. ábra

4d. ábra
A WRF modell által számított az Alpoktól a Balatonig húzódó vertikális metszet 2021. február 3-án 15 órakor (14 UTC)
 felső metszet: felhőzet (piros terület - felhővíz (Qc), kék terület - jég (Qi), lila vonal - hó (Qs))
 középső metszet: vertikális sebessége (cm/s) és vízgőz (specifikus nedvesség) (g/kg)
 alsó metszet: relatív nedvesség

 4e. ábra

4e. ábra
A WRF modell által számított az Alpoktól a Balatonig húzódó vertikális metszet 2021. február 3-án 16 órakor (15 UTC)
 felső metszet: felhőzet (piros terület - felhővíz (Qc), kék terület - jég (Qi), lila vonal - hó (Qs))
 középső metszet: vertikális sebessége (cm/s) és vízgőz (specifikus nedvesség) (g/kg)
 alsó metszet: relatív nedvesség

 5. ábra

5. ábra
Égkép Siófokon 2021. február 3-án 16:45-kor;
megfigyelhető a felhőből kihulló uszály szerű hó


 

 

Tanulmányok