2022. október 6. csütörtök
Tanulmányok

OMSZ: 2022. július 22. 12:00

A 2022-es rendkívüli szárazság fizikai-meteorológiai háttere

A forrósággal párosult, hosszú aszályos időszakok mindig is a legnagyobb időjárási fenyegetést jelentették az egész társadalomra nézve. Nem kivétel ez alól a 2022-es rendkívül aszályos, hőhullámokkal járó időszak sem [1], vagy a korábbi évek hőhullámai [2]. A jelenlegi szárazság azonban nem csak Közép-Európát sújtja, de globálisan is megfigyelhető [3]. Jelen tanulmány az aszályos periódus legalapvetőbb fizikai-meteorológiai okait, kialakulásának mechanizmusát mutatja be, három, meghatározó légköri folyamat és azok kölcsönhatásának segítségével.

Horváth Ákos, Breuer Hajnalka

I. A száraz és nedves időszakokat alakító alapvető meteorológiai folyamatok

A rendkívül bonyolult légköri cirkulációban nehéz egyszerű okokat és egyértelmű kapcsolatokat keresni. Az alábbiakban az a három alapvető fizikai-meteorológiai folyamat kerül bemutatásra, amelyek leginkább felelősek a hemiszféra-méretű száraz és nedves időszakok kialakulásáért: a légköri nedvesség alakulása, a légköri cirkuláció és a felszíni (tenger és talaj) párolgása.


1. A légköri nedvesség

A légköri víz, illetve vízgőz rendkívül összetett szerepet játszik az időjárás -és az éghajlat- alakításában. Minél melegebb a levegő, annál több vízgőzt tud felvenni anélkül, hogy telítetté válna. A telítettség szükséges feltétele a vízgőz kondenzációjának, a felhőképződésnek, végső soron a csapadéknak. A levegő maximális vízgőztartalma ráadásul nem lineárisan, hanem hatványozottan függ a hőmérséklettől az úgynevezett Tetens képlet alapján (1. ábra).  Az ábra alapján látható, hogy nyáron, magasabb hőmérsékleten megnövelve a levegő hőmérsékletét például 5 fokkal, a légkör jóval több plusz vízgőzt képes magába szívni anélkül, hogy telítetté válna, mint amikor ugyanez télen történik. Minél magasabb a hőmérséklet, annál több nedvesség kell a kondenzációhoz. Európában az aszály szempontjából ez azt jelenti, hogy a forró szaharai eredetű levegő telítetlenné teszi a légkört, így bár a nedvesség ott van a meleg levegőben, az nem tud kondenzálódni. A felhőtlen égből zavartalanul süt a nap, tovább növelve a felszínközeli levegő hőmérsékletét, a telítetlen levegő pedig gyorsan felszívja a növényzetből, majd a talajból, végül a tavakból is a nedvességet.

A folyamat fordítva is igaz: ha a nagyon meleg, telítettség közeli levegő például 5 fokkal lehűl egy hidegfront hatására, akkor abból nagy mennyiségű vízgőz csapódik ki. A kicsapódás viszont jelentős látens hőfelszabadulással is jár, amely a zivatarok legfőbb fűtőanyaga. Ezzel is magyarázható, hogy forró meleg időszakok sokszor (bár nem szükségszerűen) heves zivatarokkal érnek véget.

A vízgőz a légköri cirkuláció szempontjából egyfajta energiaforgalmat is lebonyolít. A trópusi területeken a légkörbe bepárolgó vízgőz látens hője a nyugati szelek övébe (mérsékelt égöv) jutva a kondenzáció során jelentős hőenergiát ad a mérsékelt övi ciklonoknak [4]. (Látens-hő transzport folyamat.) A nedvesség hiánya viszont gyengítőleg hat a mérsékelt övi ciklonokra nézve, mint később látható, az aszály egyik áttételes tényezőjévé válik.

 1. ábra

1.ábra
A levegő által felvehető maximális nedvesség adott légnyomáson csak a hőmérséklet függvénye,
amelytől hatványozottan függ.
Melegebb légkör jóval több nedvességet képes tárolni anélkül, hogy csapadék képződne.
A kapcsolatot a Tetens-formula írja le.

 
2. A légköri cirkuláció

A légkörben a legtöbb nedvesség a trópusi területeken található. A magas hőmérséklet, a meleg tengervíz és a globális cirkuláció következtében jelenlévő légköri összeáramlás biztosítja a telített, vagy telítettség közeli légtömegek jelenlétét. A trópusi öv áramlási rendszere egy zárt egységet, az ún. Hadley-cellát alkotja [5]. Ezzel szemben a nyugati szelek övének vízháztartása összességében inkább deficites: több csapadék hullik, mint amennyi víz a felszínről a zónában légkörbe párolog. A trópusok és a mérsékelt égöv között elhelyezkedő leszálló áramlású sivatagi öv markánsan elkülöníti a trópusi és a nyugati szelek áramlási rendszerét. A leszálló áramlású övben viszonylag kevés nedvesség jut a légkörbe, főleg az északi féltekén, ahol a terület jelentős részét a száraz Szahara uralja. A tengeri területekről van ugyan párolgás, de a leszálló áramlások (és ennek következtében kialakuló felszín közeli inverziós réteg) nem segíti elő a nedvesség magasabb szintekre jutását. A nyugati szelek öve a hiányzó nedvességet globális skálán tekintve keskeny, a sivatagi övön áthaladó csatornákon keresztül kapja a trópusi övezetekből.

A trópus és a nyugati szelek övét összekapcsoló nedves szállítószalagok gyakran kötődnek az északnak tartó meleg tengeráramlatokhoz, így az Atlanti-óceán esetén a Golf-áramlathoz, a Csendes-óceán esetén a Kuroshio áramlathoz. Különösen aktív ez a folyamat a hurrikán szezonban, amikor a trópusi viharok jelentős mennyiségű nedvességet szállítanak a trópusi vidékekről észak felé (2. ábra).

 2. ábra
2. ábra
A középső troposzféra (700 hPa) szintű nedvesség (specifikus nedvesség) és
az áramlást jelző nyilak kirajzolják a trópusokról a nyugati szelek övébe történő
nedvesség transzportot lebonyolító nedves szállítószalagokat.


Az Atlanti-óceán, illetve Európa térsége különösen érzékeny a fenti nedvesség import szempontjából. Az amerikai Sziklás-hegység észak-déli vonulatai jelentős részben blokkolják a Csendes-óceán felől jövő nedvességet, így a térségben egy stabil nedvesség forrásként csak a Karib-térségből induló, jobbára a Golf-áramlathoz kapcsolódó nedves szállítószalagra lehet számítani. Az ebből a térségből északkeleti irányba induló nedves levegő részben az Atlanti, részben a Csendes-óceán trópusi területeiről származik. Egy másik, időszakosan megjelenő nedves szállítószalag is megfigyelhető, amely Észak-Afrika nyugati partjaihoz sodródó ciklon mélyen délre lenyúló előoldali áramlás rendszeréhez köthető. A nedvesség ilyenkor a Szahara felett áramolva (telítetlen állapotban) jut Dél- illetve Közép Európa fölé, ahol lehűlve telítetté válik és részt vesz a csapadék rendszerek kialakulásában (3. ábra). A Kárpát-medencében a nagy csapadékos helyzetek kialakulása során ez a “transz-szaharai” csatorna legtöbbször kimutatható [6][7][8].

3. ábra
3. ábra
Európai nagy csapadékos helyzet kialakulása során (2021. június 20.)
trópusi nedvesség szállítódik a sivatag felett északi irányban.
A 700 hPa nyomási szinten lévő keverési arány értékek bár magasak voltak, de
nem érték el a telítési szintet.


Az Atlanti-óceán középső, illetve keleti területei felől feljutó nedvesség annak függvénye, hogy a Szahara nyugati oldalától az óceán fölé kinyúló anticiklon mennyire blokkolja a délről-északra tartó szubtrópusi, illetve a nyugati szelek övéből lenyúló ciklonokat.

Ha elegendő nedvesség jut a nyugati szelek övébe, akkor a fentebb leírt látens-hő transzport alapján a ciklontevékenység is erőteljesebb lesz. A délebbre nyúló ciklonok áramlási rendszerében pedig még több nedvesség tud feljutni a zónába, így Európában csapadékosabb lesz az idő.

Kevés nedvesség esetén is kialakulnak ciklonok, de ezek elsősorban az észak-déli hőmérséklet különbségre (a baroklin instabilitásra) épülnek, így azok magasan északon maradnak, helyüket a felhőoszlató hatású ún. Azori-anticiklonok veszik át.


3. A felszín (tenger-szárazföld) szerepe

Földünk felszínének túlnyomó részét tenger borítja. A víz, így a tenger-párolgása nagyban függ a vízfelszín és a levegő hőmérsékletétől, a széltől és a levegő nedvességétől. (A párolgás számszerű becslését a Penman–Monteith módszer írja le [9]). A légkör a legtöbb nedvességet a trópusi óceánoktól veszi fel, így a tengervízfelszín hőmérsékletben jelentkező anomáliák módosítják a párolgás mértékét. A legismertebb és a légkör globális vízforgalmát leginkább befolyásoló jelenségek a Csendes-óceán keleti partjainál jelentkező jól ismert El Nino, illetve La Nina névre keresztelt folyamatok. Mindkét folyamat a tenger és a légkör kölcsönhatásán alapszik. A témakör az El Nino Déli Oszcilláció (ENSO) címszó alatt széles körben kutatott és leírt terület. Az El Nino során az Csendes-óceán keleti  területein pozitív, a La Nina során pedig negatív hőmérsékleti anomália lép fel. A fentiekben említett atlanti-európai térség légnedvessége szempontjából a meleg, többet párologtató El Nino nedvesség adalékot, a hosszan tartó La Nina pedig nedvesség deficitet jelent. Természetesen mindez erősen függ az aktuális cirkulációs helyzettől.

A talajfelszín ugyancsak fontos szerepet tölt be a légköri vízforgalom során. Elsősorban nyáron a párolgó növényzet a talaj mélyebb rétegeiből is vissza tudja küldeni a nedvességet a légkörnek. A helyi záporok zivatarok esetén a felhőbe jutó nedvesség egy része a talajból származik. Az így kialakult zivatarok légköri összeáramlást okoznak, nagyobb távolságokból is összegyűjtik a nedvességet, amely ugyancsak a felhőbe jut és a csapadék visszahullik a talajra. A bőséges talajnedvesség – a vegetációval együtt – egyfajta nedvesség puffer a helyi légköri folyamatok számára, amely megfelelő légköri labilitás esetén pozitív visszacsatolás kiindulója lehet. Erre példa a május végi, június eleji Medárd-időszak, amikor a nedves talaj és a növényi párolgás támogatja a helyi zivatarok kialakulását. Száraz talaj és kiszáradt növényzet esetén fordított a folyamat, a légkör nem kap nedvességtámogatást a talajból, csak jelentősebb mennyiségű „hozott” nedvességet használhat a csapadék kialakításához.


II. Szélsőséges aszályhelyzet kialakulásának meteorológiai háttere

A fentiek felhasználásával lehetőség van a globális méretű és az atlanti-európai térségben kialakuló szárazság magyarázatára.


1. A szárazság globális háttere

A Csendes-óceán keleti partjainál erőteljes La Nina jelenség zajlik [10], amely hatására az óceán keleti partjainál hatalmas területen hűvösebb a tengervíz a szokásosnál (4. ábra). Ez globálisan párolgáshiányt jelent az egyenlítői régióban, emiatt a nyugati szelek övébe is kevesebb nedvesség jut fel.

4. ábra
4. ábra
Globális tengerfelszín hőmérséklet anomália a NOAA (USA Nemzeti Óceáni és Légköri Szolgálata) szerint.
A Csendes-óceán feletti hatalmas kiterjedésű negatív anomáliás területek globális viszonylatban
a párolgás csökkenését okozzák.


Az elmúlt években tapasztalható, hogy a nyugati szelek övében a globális átlagnál jobban emelkedik a hőmérséklet, így több nedvességre van szükség a telítettség eléréséhez, a csapadék kialakulásához. Ehhez jön még a trópusról jövő nedvesség pótlás csökkenése, ami a ciklon aktivitás további gyengülését vonja maga után. Az északabbra húzódó ciklonok helyét megerősödő anticiklonok foglalják el, amelyek még jobban lezárják a nedves szállítószalagok útját.

A kontinensek felett a kevesebb felhőzet miatt nyáron növekszik a hőmérséklet, a forró levegő még inkább telítetlen lesz, erősítve a talaj és növény felszín párolgását. A kiszáradó talaj és növényzet egy idő után egyáltalán nem párolog, így minden napsugárzásból származó energiabevétel a levegő további melegedésére fordítódik, kialakulnak az extrém hőhullámok (1. video).

 


2. Szárazság Európában

2022 nyarának Európa szerte szélsőségesen aszályos időjárása nem egy gyors légköri váltás eredménye volt. Már 2020 szeptemberére ugyancsak erősen aszályos időszak alakult ki Közép-Európában. Ezt az aszályt októberben egy körülbelül egy hetes intenzív csapadékos időszak szüntette meg. A csapadék elsődleges forrása az atlanti térségben északra vonuló hurrikánok által délről felhozott nedvesség volt. Ez a csapadékos periódus biztosította a megfelelő talajnedvességet a következő tavaszra. 2021 év nyarán Dél-Európában rendkívül száraz és forró periódusok voltak, hatalmas erdőtüzekkel. Európa középső és nyugati területeinek nyári csapadék többletét sem a rendszeresen érkező nedves léghullámok biztosították, hanem zömében egy különleges ciklon adta. A fél északi hemiszférán végigvonuló és Európa felett lelassuló légörvény két kontinensről és az óceánról gyűjtötte össze a nedvességet, amely az Európa felett lelassuló légörvényből szélsőséges árvizeket okozva hullott ki [11]. 2021 őszén már elmaradt az előző évhez hasonló trópusi nedvesség import és 2022 már kimondottan száraz talaj állapottal indult [12][13].

2022-es év elején az Észak- és Nyugat-Európa felett elvonuló viharciklonok áramlási rendszere csak erősítette a Közép-Európa fölé is kiterjedő anticiklonokat, amelyek teljesen lezárták a trópusi nedvesség import nyugat-afrikai ágát. A Medárd-időszak csak kevés helyen okozott jelentősebb csapadékot, a száraz talaj nem támogatta a légtömegen belüli gomolyfelhő-képződést. Ezzel szemben gyakoriak voltak az erős vertikális szélnyírás által támogatott szupercellák, amelyek a Dunántúlon helyenként villámárvizeket is okoztak, de nem enyhítették az országos szinten egyre növekvő szárazságot [14]. Dél-Európa és Észak-Afrika levegője a napsugárzás hatására tovább melegedett és még szárazabbá vált.  A Szahara felől megindult a forró levegő beáramlása először Európába déli majd nyugati és középső területei fölé, meghozva Magyarországra a június végi első, majd a július közepi második hőhullámot. A két hőhullám között Közép-Európa az anticiklon keleti peremén helyezkedett el, északnyugatról hűvösebb levegő áramlott a térségbe, azonban ennek nedvességtartalma rendkívül alacsony volt. A keleti területeket leszámítva Európában hőhullámokkal kísért rendkívüli szárazság alakult ki.

A Kárpát-medence helyzete annyiból is különlegesnek tekinthető, hogy a térség a száraz időszakban Európát uraló Azori-anticiklon keleti oldalára került. Ennek köszönhetően hűvösebb, de kiszáradt levegő érkezett északnyugat felől. A szél és a telítetlen, száraz levegő növelte az erőteljes párolgást, ami a növényzet kiszáradásához, majd a tavak vízszintjének erőteljes csökkenéséhez, a kisebb vízfolyások és tavak eltűnéséhez vezetett.


III. Összefoglalás

A 2022-es rendkívüli szárazság nem egy regionális jelenség, hanem globális háttérrel rendelkezik. A nyugati szelek övében a globális átlagnál egyébként is magasabb hőmérsékleten nagyobb az esélye a telítetlen légállapot tartós fennmaradásának, amely egy sor pozitív visszacsatolás kiindulópontja lehet (növekvő napsugárzás, csökkenő ciklon aktivitás, kiszáradó talaj) [15]. A hosszabb ideje fennálló erőteljes csendes-óceáni negatív hőmérséklet anomália csökkenti a trópusok irányából a mérsékelt égövbe tartó nedvesség transzportot, ami ott további nedvesség hiányt okoz, amely olyan cirkulációs változásokat kelt, amelyek tovább kedveznek a kiszáradásnak. A talaj kiszáradása miatt megszűnik annak nedvesség puffer hatása, ami negatívan hat a nyáron meghatározó helyi konvektív csapadék kialakulására.

A melegedő légkörbe a levegő abszolút vízgőztartalma globálisan növekszik azonban csak telítetlen állapotban van jelen. A telítetlen vízgőz viszont egy rendkívül fontos üvegház gáz. Vagyis egy újabb visszacsatolás jelentkezik, amely a globális melegedés irányába mutat.

A nyári félév végén a lehűlő levegőben nagyobb eséllyel indul meg a kondenzáció, és mivel a feldúsult nedvesség miatt ez magasabb hőmérsékleten történik, ezért több látens hőfelszabadulás, intenzívebb csapadékkal járó aktívabb ciklontevékenység várható. A térbeli eloszlás azonban nem egyenletes, például a mediterrán térségben az ősszel kialakuló intenzív ciklonok nem garantálják a Kárpát-medencében a csapadék többletet [16].

A tanulmányban bemutatott légköri mechanizmusok önmagukban nem különlegesek. Együttes hatásuk azonban markánsan befolyásolja a globális légkörzést. Remélhetőleg mindez csak a jelenlegi légköri rezsim egy szélsőséges megnyilvánulása és nem egy gyökeresen eltérő cirkulációs állapotba történő átmenet.


Hivatkozások

[1] www.met.hu/ismeret-tar/erdekessegek_tanulmanyok/index.php?id=3198&hir=Szarazsag_Magyarorszagon_2022-ben_es_a_multban

[2] www.met.hu/ismeret-tar/erdekessegek_tanulmanyok/index.php?id=3196&hir=Hohullamok_Magyarorszagon

[3] www.fao.org/giews/earthobservation/asis/index_2.jsp?lang=en&type=12

[4] T. A. Shawand O. Pauluis, 2012: Tropical and Subtropical Meridional Latent Heat Transports by Disturbances to the Zonal Mean and Their Role in the General Circulation Journal of the Atmospheric Sciences Vol. 69:1872-1889. DOI:10.1175/JAS-D-11-0236.1

[5] groups.seas.harvard.edu/climate/eli/research/equable/hadley

[6] www.met.hu/ismeret-tar/erdekessegek_tanulmanyok/index.php?id=3190&hir=Villam_arvizeket_okozo_idojaras_2022._junius_9-en

[7] www.met.hu/ismeret-tar/erdekessegek_tanulmanyok/index.php?id=3045&hir=Viharzona_Magyarorszag_felett

[8] www.met.hu/ismeret-tar/erdekessegek_tanulmanyok/index.php?id=1249&hir=Sziberiai_es_afrikai_legtomegek_talalkozasa_%E2%80%93_a_2014._december_1-i_onos_esos_helyzet_elemzese

[9] Stull, R. B. 1988: An Introduction to Boundary Layer Meteorology. 666 pp.

[10] psl.noaa.gov/enso/dashboard.lanina

[11] www.met.hu/ismeret-tar/erdekessegek_tanulmanyok/index.php?id=3072&hir=Ciklon_Europa_felett:_a_2021._julius_11-20._kozotti_villamarvizes_idoszak_idojarasi_hattere

[12] www.met.hu/idojaras/agrometeorologia/elemzes/index.php?id=4589&m=2

[13] www.met.hu/eghajlat/magyarorszag_eghajlata/eghajlati_visszatekinto/elmult_honapok_idojarasa

[14] www.met.hu/ismeret-tar/erdekessegek_tanulmanyok/index.php?id=3186&hir=Szupercellak_jegesovel

[15] Miralles, D.G., Teuling, A.J., Van Heerwaarden, C.C. and Vilà-Guerau de Arellano, J., 2014. Mega-heatwave temperatures due to combined soil desiccation and atmospheric heat accumulation. Nature geoscience, 7(5), pp.345-349.

[16] www.met.hu/ismeret-tar/erdekessegek_tanulmanyok/index.php?id=3115&hir=MEDIKAN:_ciklon_hurrikan_jegyekkel_a_Foldkozi-tenger_felett


 

Tanulmányok