Z powodu zmiany klimatu burz na świecie będzie coraz więcej. A co z Polską?

1 rok temu

– W Polsce możemy spodziewać się stopniowo wzrastającej liczby burz – również tych, które mogą generować trąby powietrzne oraz opady gradu. Jednak te zmiany zachodzą relatywnie powoli – mówią polscy naukowcy badający tego typu zjawiska. Dr Mateusz Taszarek i dr Natalia Pilguj tłumaczą Szymonowi Bujalskiemu, jak bada się burze i zmiany w ich występowaniu pod wpływem globalnego ocieplenia.

Szymon Bujalski: Czy zmiana klimatu napędza więcej bolesnych w skutkach burz?

Dr Mateusz Taszarek: Na podstawie obecnych wyników z projekcji klimatycznych i reanaliz (połączenie numerycznych modeli pogody z historycznymi danymi obserwacyjnymi) możemy powiedzieć, iż wraz z efektami zmian klimatu, czyli wzrastającą temperaturą i wilgotnością powietrza, burz w ujęciu globalnym będzie więcej. Natomiast nie możemy jeszcze wiarygodnie określić, jak zmieni się intensywność tych zjawisk w skali regionalnej. Czynnikiem, który w sposób fundamentalny wpływa na intensywność burzy, jest uskok wiatru (zmiana prędkości i kierunku wiatru w pionie), a ten w dużym stopniu zależy od siły i stopnia meandrowania prądu strumieniowego w środkowej i górnej troposferze.

troposfera – najniższa warstwa atmosfery, sięgająca od powierzchni Ziemi do ok. 10 km (w tropikach wyżej, w wysokich szerokościach geograficznych niżej).

konwekcja – pionowe ruchy płynu (np. powietrza). Zwyczajowo w naukach atmosferycznych określenie to oznacza ruchy do góry.

uskok wiatru (ang. wind shear) – zmiana prędkości wiatru (jej wartości lub kierunku) pomiędzy kolejnymi warstwami powietrza. Siny uskok oznacza, iż różnice w prędkości pomiędzy kolejnymi warstwami powietrza są duże.

prąd strumieniowy – strefa wiatrów o dużej prędkości w środkowej lub górnej troposferze, związana z występowaniem frontu polarnego. Więcej na ten przeczytasz w naszym artykule Fale na froncie

Jednoznaczna odpowiedź na to pytanie jest więc trudna, ponieważ burza burzy jest nierówna. Na przykład w szerokościach umiarkowanych, w Stanach Zjednoczonych w kwietniu i maju, burze rozwijające się w środowisku silnych uskoków wiatru (tzw. superkomórki – burze z rotującym prądem wstępującym) generują ekstremalne zjawiska jak opady dużego gradu oraz tornada, doprowadzając przy tym do ogromnych strat materialnych i ofiar śmiertelnych. Z drugiej strony w strefie tropikalnej mamy codziennie burze, które są związane z cyklem dobowym konwekcji – i one tych tornad czy opadów gradu już nie generują, gdyż tworzą się w środowisku bardzo słabych uskoków wiatru.

Słabnący prąd strumieniowy w szerokościach umiarkowanych może więc doprowadzić do sytuacji, iż burze będą miały paradoksalnie mniejszy potencjał do generowania zjawisk ekstremalnych.

Skupiając się jednak wyłącznie na pomiarach w skali globalnej, to po ich uśrednieniu widzimy, iż – jako efekt ocieplania się klimatu – rośnie ilość energii potencjalnej dostępnej konwekcyjnie, czyli tzw. CAPE (ang. convective available potential energy), a uśredniony w skali globalnej uskok wiatru w strefach umiarkowanych spada. W skali regionalnej te zmiany mogą jednak mieć odmienny charakter, dlatego do każdego rejonu świata należy podchodzić indywidualnie. Na przykład w jednym rejonie wzrost CAPE i uskoku wiatru doprowadzi zarówno do wzrostu liczby burz i ich intensywności, a w innym regionie wzrost CAPE i spadek uskoku doprowadzi tylko do wzrostu ich liczby.

CAPE (ang. convective available potential energy) – energia potencjalna dostępna konwekcyjnie, wskaźnik mówiący, na ile warunki atmosferyczne (profil temperatury i wilgotności) sprzyjają pionowym ruchom powietrza. Im wyższe wartości CAPE, tym silniejsza konwekcja.

Warto również dodać, iż w ujęciu klimatologicznym największe wartości CAPE występują w strefie międzyzwrotnikowej, a uskoku wiatru w strefie umiarkowanej. Jak długo silny uskok wiatru jest dostępny, potrzebne są tylko niewielkie ilości CAPE do powstania ekstremalnie silnych burz. Z tego powodu najsilniejsze burze na naszej planecie obserwuje się w strefach umiarkowanych.

Burze w Polsce

Powiedzmy trochę więcej o naszym regionie, o Polsce. Czego możemy się spodziewać?

M.T.: Dane z sondaży atmosferycznych, z reanaliz meteorologicznych czy z projekcji klimatu wskazują, iż w kolejnych dekadach w Polsce będzie wzrastać zarówno temperatura, jak i zawartość wilgoci w warstwie granicznej atmosfery. Oznacza to, iż wspomniana energia atmosferyczna (wskaźnik CAPE), będzie dostępna w coraz większym stopniu, a to spowoduje, iż burze też będą występowały częściej.

Jednocześnie prąd strumieniowy, który występuje nad Polską podczas incydentów burzowych, według szacunków będzie słabszy – ale na tyle nieznacznie, iż w zasadzie nie powinno to powodować spadku intensywności tych zjawisk.

Na podstawie danych, z którymi pracowałem i na podstawie wyników badań, z którymi się zapoznałem, zakładałbym więc, iż w Polsce możemy spodziewać się stopniowo wzrastającej liczby burz – również tych, które mogą generować trąby powietrzne oraz opady gradu. Jednak te zmiany zachodzą relatywnie powoli, w tempie około 2-6 dodatkowych dni burzowych na dekadę.

Czy burze będą powodować coraz większe straty materialne?

M.T.: Badam zjawiska konwekcyjne od 12-13 lat i im dłużej siedzę w tym temacie, tym bardziej uświadamiam sobie, iż wiarygodne określanie tego typu rzeczy nie jest takie proste. Sam nie potrafię tego zrobić, ponieważ jest mnóstwo czynników, które na to wpływają, chociażby ekspansja urbanistyczna.

Mogę natomiast powiedzieć, iż większa liczba burz w przyszłości przyczyni się do częstszego występowania lokalnych powodzi błyskawicznych, ponieważ w wyniku zmian klimatu w atmosferze wzrastać będzie zawartość wody, która będzie uwalniana w postaci bardziej obfitych opadów nawalnych. Natomiast jeżeli chodzi o opady gradu czy tornada, to jest to sprawa bardziej złożona ponieważ te zjawiska zależą od czynników co do których nie mamy pewności jak się będą zmieniać w przyszłości.

Gdy z Natalią prowadziliśmy badania dotyczące trąb powietrznych w Polsce i przeglądaliśmy historyczne zapiski, znajdywaliśmy bardzo dużo informacji o silnych trąbach powietrznych z XVIII czy XIX w. Jestem również współautorem publikacji naukowej dotyczącej tego zagadnienia (Taszarek i Gromadzki, 2017). Co prawda w tamtych czasach nie nazywano tego trąbami powietrznymi, ale opisy nie pozostawiały żadnych złudzeń. Relacjonowano np., iż ciemny, cylindrowy wir powietrza uniósł w powietrze zwierzęta, które wraz z odłamkami zostały rozrzucone na dużej przestrzeni.

A więc nie jest tak, iż trąby powietrzne w Polsce i Europie z ostatnich lat to coś, co się nagle pojawiło. Powiedziałbym nawet, iż liczba raportów dotyczących trąb powietrznych nie jest w tej chwili większa niż w latach 30 XX w., a przecież dziś mamy media społecznościowe czy też aparaty w telefonach komórkowych. Nie dysponujemy wieloma raportami zjawisk niebezpiecznych z okresu komunizmu z wiadomych względów i być może brak tego typu informacji przyzwyczaił ludzi żyjących w tamtych latach do utopijnej rzeczywistości, w której tornada były zarezerwowane tylko dla „złych” kapitalistycznych Stanów Zjednoczonych. w tej chwili jednak wiemy, iż w Polsce każdego roku występuje od kilku do kilkunastu trąb powietrznych.

Dr Natalia Pilguj: Choć bardzo trudno jest nam określić, czy straty materialne będą rosnąć, to myślę, iż tak czy inaczej powinniśmy poświęcić sporo uwagi rozwojowi systemów ostrzegania. Dobrym przykładem jest system, który w tej chwili funkcjonuje w Stanach Zjednoczonych. Ktoś może pomyśleć, iż nic dziwnego, skoro takie zjawiska występują tam o wiele częściej. Jednak obszar Wielkich Równin zamieszkuje średnio mniej niż 10 os/km2, podczas gdy w Europie – a szczególnie w Europie Środkowej – gęstość zaludnienia jest zdecydowanie większa. Wystarczy, iż wystąpi jedna rozległa linia szkwału bądź dobrze rozwinięta superkomórka burzowa, a w gęsto zaludnionym obszarze Europy straty materialne będą bardzo duże. To pokazuje, iż mimo mniejszej częstości gwałtownych burz w Europie, powinniśmy nad takim systemem ostrzegania pracować.

A pracujemy?

N.P.: Pewne kroki w Polsce już podjęto, ale myślę, iż najlepiej byłoby taki system rozwijać w skali np. całej Europy, a nie poszczególnych krajów. Jak wiadomo, zjawiska pogodowe nie respektują granic administracyjnych, a skoordynowanie działań i wymiana informacji pomogłaby lepiej oceniać potencjalne zagrożenia – przykładowo, gdy burza zostanie zainicjowana kilkaset kilometrów od granicy kraju, w którego kierunku się przemieszcza. Bazując na naszym doświadczeniu, myślę iż śmiało można powiedzieć, iż dzięki wyliczeniom modeli i danym obserwacyjnym możemy wskazywać na możliwe zagrożenia związane z ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi w czasie rzeczywistym. Jednak aby system działał sprawnie, konieczne jest skoordynowanie pracy wielu jednostek, które są zaangażowane w jego funkcjonowanie.

W pogodni za burzami

Wspomnieliście o Polskich Łowcach Burz. Z tego co mi wiadomo, macie coś z nimi wspólnego…

M.T.: Polscy Łowcy Burz to organizacja działająca w ramach stowarzyszenia Skywarn Polska. Założono je w 2008 r., ja jestem w nim od 2014. Celem stowarzyszenia jest m.in. promowanie wiedzy związanej z ekstremalnymi zjawiskami atmosferycznymi, wykonywanie prognoz oraz wydawanie ostrzeżeń. W ostatnich latach wielu członków stowarzyszenia prowadzi badania nad charakterem klimatologicznym zjawisk burzowych w Polsce.

Najważniejszą rolą stowarzyszenia jest jednak zbieranie raportów ekstremalnych zjawisk atmosferycznych z obszaru Polski. To właśnie oni zbierają raporty dotyczące opadów gradu, nawalnych opadów deszczu, trąb powietrznych oraz silnych porywów wiatru. Ich działalności od 2008 r. zawdzięczamy w tej chwili ponad 50 000 raportów, które są w bazie danych ESWD. Dlatego chciałbym w tym miejscu serdecznie podziękować za ogromną pracę wykonywaną w stowarzyszeniu w szczególności przez Igora Laskowskiego oraz Artura Surowieckiego, ale również wszystkich osób zaangażowanych w raportowanie zjawisk do bazy ESWD. Te dane są niesłychanie ważne w naszej pracy, bo są najważniejsze dla prowadzenia badań nad warunkami atmosferycznymi rozwoju gwałtownych burz i tworzenia modeli.

Jeździliście za burzami?

N.P.: Tak, zdarzało się zarówno w Polsce, jak i w Stanach. Dwa lata temu dołączyłam do Mateusza, żeby prowadzić badania w jednostce NOAA National Severe Storms Laboratory, która znajduje się w Oklahomie. Wiosną tych zjawisk jest tam zdecydowanie najwięcej, więc mieliśmy okazję obserwować burze w „alei tornad”.

Jak to jest, gdy widzi się to na żywo, a nie w modelu?

N.P.: Spektakularnie. Wymiar tych zjawisk w Stanach jest naprawdę potężny, a to powoduje, iż budzi się poczucie bardzo dużego respektu do natury. Osobiście życzę sobie obserwować takie zjawiska w obszarach niezabudowanych, kiedy wiem, iż nie stanowią zagrożenia dla ludzi i mienia. To też interesujące doświadczenie z punktu prowadzonych przez nas badań. Ciekawie jest obserwować cykl życia superkomórki burzowej na żywo, przyglądać się cechom chmury. To coś zupełnie innego niż analiza schematów w publikacjach naukowych czy uruchomienie symulacji. Obserwacje terenowe powszechnie prowadzi się w Stanach Zjednoczonych, gdzie każdego roku organizowane są kampanie pomiarowe, w których biorą udział wiodące instytucje badawcze.

M.T.: Powiedziałbym, iż razem z Natalią jesteśmy bardziej entuzjastami i naukowcami niż łowcami burz, ale na pewno możliwość zobaczenia superkomórki burzowej na żywo jest bardzo wartościowa. Model numeryczny prognozuje i wyświetla nam na ekranie pewne liczby. jeżeli jednak nie zobaczy się na własne oczy, co się kryje za tymi liczbami, to nie do końca potrafi się odpowiednio interpretować wyniki symulacji modeli numerycznych. Obserwacje w terenie mają więc bezpośrednie przełożenie na naszą pracę przed komputerem i pomagają usprawniać badania.

W USA miałem okazję zobaczyć dziewięć tornad, począwszy od tych najsłabszych do najpotężniejszego z prędkością wiatru przekraczającą 350 km/h, co odpowiada najwyższej skali EF5. Na początku miałem do tego bardzo entuzjastyczne podejście, chciałem jak najbliżej podjechać, porobić zdjęcia, być blisko tego zjawiska. Dwa razy znalazłem się jednak w bardzo niekomfortowym położeniu. Po tych wydarzeniach nabrałem dystansu i uświadomiłem sobie, iż to nie są żarty. Ludzie od tych burz giną. Kiedyś nie bałem się tych zjawisk, ale im więcej z nimi pracuję, tym bardziej respektuje superkomórki burzowe i zagrożenia z nimi związane. Wjeżdżanie samochodem w rdzeń burzy nie jest dla mnie, ale obserwować i robić zdjęcia wciąż lubię. Tylko z odpowiedniej odległości.

Modelowanie numeryczne w badaniach burz

Wróćmy do waszej pracy. Korzystacie w niej z tzw. mezoskalowych modeli numerycznych. Brzmi skomplikowanie.

Jeśli modelowanie numeryczne to nie Twoja bajka, przeskocz od razu do tematu wykrywania i przewidywania zjawisk burzowych lub wpływu globalnego ocieplenia na te zjawiska.

N.P.: Modele numeryczne, z których korzystamy, to programy komputerowe uwzględniające równania ruchu atmosfery. Dzięki nim jesteśmy w stanie rekonstruować pogodę z przeszłości oraz wskazywać, jakich warunków pogodowych możemy się spodziewać w kolejnych dniach, miesiącach, a choćby dekadach.

Wspomniane pojęcie mezoskali dotyczy zjawisk atmosferycznych o skali poziomej od kilku do kilkuset kilometrów, w tym burz, linii szkwałów, frontów atmosferycznych. W naszych badaniach ograniczamy się najczęściej do zjawisk o skali poziomej z zakresu od 2 km do 20 km, a szerokość oczka siatki modelu wynosi od 1 km do 4 km.

Modele pracujące dla takich rozdzielczości pozwalają na bezpośrednie symulowanie konwekcji (ang. convection-allowing). Odtworzenie chmur burzowych czy frontów nie wymaga w nich żadnych uproszczeń matematycznych (tzw. parametryzacji). Pozwalają też dość szczegółowo uwzględniać rzeźbę terenu, dzięki czemu są odtwarzane lokalne zjawiska, które potrafią mieć czasem najważniejsze znaczenie w procesie inicjacji (zapoczątkowywania) konwekcji.

Obliczenia przeprowadzamy zwykle dla regionu lub kontynentu, ponieważ wykonywanie obliczeń o dużej rozdzielczości dla obszaru całego świata wymagałoby bardzo dużych zasobów obliczeniowych.

Jeśli potrzebujesz więcej informacji o tym, czym jest siatka modelu lub parametryzacja, zajrzyj do naszego artykułu Wirtualny klimat.

I czego możemy się z takich modeli dowiedzieć?

N.P.: W jednej z naszych prac opublikowanych w czasopiśmie naukowym Geophysical Research Letters, analizowaliśmy na przykład najsilniejsze incydenty trąb powietrznych w Europie (Pilguj i in., 2022). Model mezoskalowy wskazał, iż warunki atmosferyczne (takie jak profil wiatru w dolnej troposferze) sprzyjały ich wystąpieniu bardziej, niż wskazywały analizy z użyciem modeli o mniejszej rozdzielczości.

Modele mezoskalowe pozwalają nam także na symulowanie samej chmury burzowej. Wskazanie, w jakim miejscu zostanie zainicjowana komórka burzowa i jaka będzie jej dalsza trasa, jest szczególnie istotne z punktu prognozowania, ponieważ jesteśmy w stanie określić obszar, który może być narażony na skutki występowania gwałtownych burz. O tym, czy symulowana chmura będzie posiadać potencjał do generowania groźnych zjawisk decyduje charakter burzy. Przykładowo, linie szkwału będą najczęściej związane z silnymi porywami wiatru na dużym obszarze, podczas gdy superkomórki burzowe mogą generować opady dużego gradu i trąby powietrzne. Wyniki modelowania mogą nam więc pomóc określić, który scenariusz jest bardziej prawdopodobny, aby lepiej ostrzegać przed potencjalnym zagrożeniem.

Jak wygląda praca z takimi modelami? Czego jeszcze możecie się z nich dowiedzieć?

N.P.: Praca z modelami jest dość wymagająca pod kątem umiejętności programowania i obsługi superkomputerów. Samo uruchomienie modelu i wykonanie symulacji to jedno, druga część pracy – znacznie bardziej wymagająca i bardzo interesująca – to przetworzenie wyników. Korzystając z zaawansowanych technik 3D jesteśmy w stanie wskazywać na cechy chmury, na przykład czy posiada ona rotujący prąd wstępujący, czyli mezocyklon. Możemy wskazywać również na to, co się dzieje w otoczeniu samej chmury burzowej, co jest istotne z punktu badania warunków, w jakich rozwijają się trąby powietrzne.

W pracy operacyjnej modeli numerycznych nie mamy jednak czasu, żeby wykonywać tak zaawansowane i szczegółowe wizualizacje. W takiej sytuacji stosujemy wskaźniki, które pozwalają nam otrzymać pewną informację na temat cechy chmury, ale stosunkowo małym kosztem obliczeniowym. Przykładem może być wskaźnik wirowości prądu wstępującego (ang. updraft helicity), który wskazuje na obecność mezocyklonu w superkomórkach burzowych. Wskaźnik został zaprojektowany w Stanach Zjednoczonych i jest tam powszechnie wykorzystywany przez synoptyków do prognozowania burz o potencjale do generowania gradu i trąb powietrznych. Wskaźników konwekcyjnych wykorzystywanych w prognozowaniu jest oczywiście znacznie więcej. Dotyczą one niestabilności atmosfery, uskoków wiatru, jego skrętności i wielu innych.

Jak tę wiedzę można wykorzystać w praktyce?

N.P.: Wiemy, iż mechanizm powstawania i rozwoju zjawisk burzowych jest niezwykle skomplikowany. Modele numeryczne pomagają nam te zjawiska poznawać i lepiej rozumieć. Mają też powszechne zastosowanie w prognozowaniu operacyjnym, gdzie są praktycznie jednym z podstawowych narzędzi. Należy jednak liczyć się z tym, iż pracujemy z modelem, którego wyniki są zawsze obarczone pewnym błędem. W związku z tym analiza wyników wyliczeń modeli powinna obejmować ich weryfikację oraz przeanalizowanie dostępnych danych obserwacyjnych. W momencie, gdy będziemy usprawniać nasze symulacje, system prognozowania i ostrzegania operacyjnego będzie również bardziej wiarygodny.

Skąd wiemy, iż zjawisko burzowe wystąpiło i jak przebiegało?

Wróćmy do modelowania zjawisk burzowych i ich intensywności w makroskali.

M.T.: Burza to zjawisko, które może występować na małym lub dużym obszarze, może mieć małą lub dużą intensywność. Przez to bardzo ciężko jest kwantyfikować i badać zjawiska konwekcyjne. Przed erą satelitarną i rozwojem systemu detekcji wyładowań atmosferycznych mogliśmy na podstawie danych ze stacji meteorologicznych ocenić jedynie, czy wystąpił dzień z burzą, czy nie. Ale to bardzo nieprecyzyjne podejście do tematu. Bo czy ważniejsze jest, iż w jednym mieście było 20 dni z burzą z pojedynczymi wyładowaniami atmosferycznymi, czy iż w innym było 5 dni z burzą, ale z setkami wyładowań atmosferycznych i zniszczeniami w wyniku gradobić i trąb powietrznych?

Żeby badać tego typu rzeczy, musimy więc mieć dostęp do sieci detekcji wyładowań atmosferycznych, do dopplerowskich danych radarowych i do raportów zjawisk niebezpiecznych, jak opady gradu, silne porywy wiatru czy też trąby powietrzne. Cały problem polega na tym, iż te informacje są w Europie systematycznie zbierane mniej więcej od roku 2010. W Polsce dzięki działalności stowarzyszenia Skywarn Polska – Polscy Łowcy Burz mamy jedną z najlepszych baz danych w Europie, o ile chodzi o raportowanie niebezpiecznych zjawisk burzowych, ale to wciąż relatywnie krótki okres.

W Stanach Zjednoczonych okres kolekcjonowania raportów burzowych jest dłuższy ale cechuje go duża niejednorodność czasowa. 20-30 lat temu ludzie nie mieli tak powszechnego dostępu do telefonów komórkowych, internetu oraz mediów społecznościowych, a raportowanie ograniczało się zwykle tylko do silniejszych incydentów burzowych. Gdy gdzieś w obszarze słabo zaludnionym wystąpiło krótkotrwałe tornado, a farmer był na polu, to nie mógł zrobić zdjęcia i wrzucić do mediów społecznościowych tak jak odbywa się to dzisiaj. Dlatego duża liczba tego typu informacji nie docierała do osób, które zarządzały bazami danych raportów burzowych.

Teraz mamy o wiele więcej raportów gradu czy tornad niż w latach 80. czy 90. Dzięki tego typu informacjom możemy przy użyciu numerycznych symulacji, reanaliz czy też pomiarów radiosondażowych cofnąć się do tego dnia i zobaczyć, jak wyglądał pionowy profil atmosfery (temperatury, ciśnienia, wilgotności oraz prędkości i kierunku wiatru), zanim chmura burzowa powstała. To samo dotyczy Europy, gdzie możemy analizować historyczne incydenty burzowe choćby z lat 50. XX w.

Jak przewidzieć, co będzie z burzami w przyszłości?

M.T.: w tej chwili w europejskiej bazie danych ESWD (European Severe Weather Database) mamy dostęp do ponad 270 000 takich raportów od roku 2010. jeżeli wiemy, iż przykładowo 5000 z nich wygenerowało grad o średnicy powyżej 5 cm, to możemy porównać takie burze z tymi, które nie wygenerowały zjawisk niebezpiecznych oraz z dniami, kiedy w ogóle nie powstała burza.

W dużym uproszczeniu tego typu dane pozwalają nam opracowywać algorytmy, których celem jest identyfikowanie warunków atmosferycznych sprzyjających powstawaniu określonych zjawisk burzowych, np. gradu lub tornad. Następnie stosujemy te algorytmy w projekcjach klimatu na okres kolejnych 70 lat albo reanaliz za okres ostatnich 70 lat i obliczamy, jak często te specyficzne warunki w tym czasie występowały. Dzięki temu możemy modelować te zjawiska i obliczać trendy. Przy czym słowo modelowanie jest tutaj kluczem.

Ponieważ?

M.T.: Zjawiska konwekcyjne są niezwykle lokalne. Tornada czy opady gradu o średnicy 10 cm to zjawiska, które często występują na przestrzeni kilkuset metrów. Używając projekcji klimatycznych i reanaliz, wykorzystujemy modele, które mają oczko siatki znacznie większe niż te kilkaset metrów – w przypadku reanaliz wynosi ono średnio 30 km, a w projekcji klimatu jeszcze więcej. Tak jak wspomniała Natalia, takie modele nie są więc w stanie bezpośrednio dokonać symulacji powstania chmury burzowej. W takim przypadku musimy stosować pewne uproszczenia i oszacowywać prawdopodobieństwo wystąpienia burzy przy określonej konfiguracji parametrów fizycznych atmosfery.

Na przykład możemy założyć, iż burza prawdopodobnie rozwinie się, o ile o danej godzinie CAPE wynosi ponad 150 J/kg, a model symuluje opad konwekcyjny o intensywności ponad 0,1 mm/h. Tego typu założenia są jednak skuteczne w, powiedzmy, 60-70% przypadków. Oznacza to, iż jeżeli wykonamy 100 prognoz, to mniej więcej w 60-70% powstanie taka burza, jakiej rzeczywiście oczekujemy na bazie tych założeń. To stanowi problem, bo wprowadza niepewność do wyników związanych z trendami klimatologicznymi. I to jest jeden sposób analizowania tych zjawisk.

A kolejny?

Drugi sposób zakłada analizowanie zmian poszczególnych elementów atmosfery odpowiedzialnych za powstawanie burz. Jest to metoda rozpropagowana przez Amerykanów w latach 90. do prognozowania operacyjnego burz (ang. ingredient-based forecasting). Uwzględnia się w niej cztery podstawowe składniki powstawania silnych burz: (1) odpowiednią wilgotność bezwzględną w atmosferze, (2) niestabilność termodynamiczną atmosfery, (3) czynnik atmosferyczny, który doprowadzi do inicjacji konwekcji, oraz (4) odpowiedni uskok wiatru, czyli silny przepływ powietrza w środkowej i dolnej troposferze. Przy użyciu projekcji klimatu oraz reanaliz badacze zjawisk burzowych sprawdzają, jak zmieniają się te poszczególne elementy na przestrzeni dekad.

Jak globalne ocieplenie zmienia warunki dla powstawania burz?

M.T.: Obecny stan wiedzy pozwala nam z duża dozą pewności stwierdzić, iż składniki nr 1 (wilgotność bewzględna) oraz 2 (niestabilność termodynamiczna) stają się coraz bardziej sprzyjające dla rozwoju burz w wyniku postępujących zmian klimatu. Uskok wiatru (składnik nr 4), który będzie się osłabiał w ujęciu globalnym, może doprowadzić do tego, iż intensywność burz będzie generalnie spadać.

Istnieje również duża niepewność dotycząca elementu nr 3 (inicjacja konwekcji). Obniżająca się w wyniku zmian klimatu wilgotność względna i inne czynniki mogą powodować, iż proces rozwoju burz będzie mniej efektywny, a czasami choćby całkowicie niemożliwy. Przykładowo, przewiduje się, iż na obszarze południowego Teksasu burz w wyniku zmiany klimatu będzie mniej.

Dobra wiadomość.

M.T.: Niekoniecznie, bo jednocześnie te same zjawiska mogą nasilać intensywność burz. Inicjacja konwekcji może przesuwać się na późne godziny wieczorne, kiedy uskok wiatru jest zwykle silniejszy oraz promować lepszą organizację burz, czyli tzw. superkomórki, które generują grad i tornada.

Ostatni element metody składnikowej (4) to pionowy uskok wiatru, który związany jest z prądami strumieniowymi. Tak jak wspomniałem wcześniej, zmiany w tym parametrze nie sprzyjają wzrostowi intensywności burz. Prąd strumieniowy generalnie słabnie w szerokościach umiarkowanych, ponieważ zmniejsza się różnica temperatur pomiędzy szerokościami zwrotnikowymi a biegunami.

Jeżeli zmiany we wszystkich wspomnianych składnikach połączymy więc razem, w ujęciu globalnym wychodzi następująca konkluzja: burz będzie prawdopodobnie więcej, ale jest już duża niepewność dotycząca tego, jak zmieni się ich intensywność. Z różnych powodów w określonych regionach świata może dojść do wzmocnienia intensywności burz, a w innych do osłabienia. Na pewno nie możemy stwierdzić uniwersalnie, iż liczba ekstremalnych zjawisk konwekcyjnych będzie wszędzie wzrastała.

Burza burzy nie równa

Wychodzi na to, iż dużo mamy tych niepewności…

M.T.: To dodam, iż pozostało jeden aspekt, który wprowadza dodatkową niepewność modelowania burz. Istnieją różnego rodzaju struktury burz, tzw. tryby konwekcji (ang. convective-mode). W bardzo prostej klasyfikacji możemy wymienić: (1) burze izolowane (jedna komórka burzowa i na około niej nic innego nie ma, generuje niebezpieczne zjawiska tylko lokalnie), (2) wielokomórkowe klastry burzowe (bardzo dużo, ale słabo zorganizowanych komórek burzowych obok siebie, które rywalizują ze sobą o ciepłe i wilgotne powietrze) oraz (3) dobrze zorganizowane linie szkwału (gdy konwekcja organizuje się w linię, generując bardzo silne porywy wiatru na znacznym obszarze).

Obecnie bardzo ciężko określić przy pomocy reanaliz oraz projekcji klimatu, jakich struktur burz możemy się spodziewać w danej konfiguracji parametrów fizycznych atmosfery. choćby w prognozowaniu operacyjnym na okres powyżej 24 godzin czołowi synoptycy w Stanach Zjednoczonych do dziś mają z tym ogromny problem. Często można określić z dużym prawdopodobieństwem, iż burza powstanie w danym miejscu, ale jest znaczna niepewność w zakresie spodziewanego trybu konwekcji.

Tego typu informacja ma jednak fundamentalne znaczenie dla prognozowania spodziewanych zjawisk. Izolowane superkomórki z gradem i tornadami mogą generować ogromne zniszczenia tylko w skali lokalnej na przestrzeni kilkunastu kilometrów, a rozległe linie szkwału będą generować silne porywy wiatru na obszarze setek, a choćby i tysięcy kilometrów z nikłymi szansami na tornada i grad. Klastry wielokomórkowe mają natomiast potencjał do tworzenia powodzi błyskawicznych (ang. flash flood).

Oznacza to, iż choćby jeżeli na potrzeby naszego modelowania klimatologicznego stworzymy super algorytm, który będzie identyfikować możliwość wystąpienia burzy na podstawie mezoskalowych warunków atmosferycznych, to nigdy nie będziemy mieli pewności, co się z tą burzą stanie i jakie zjawiska wyprodukuje, kiedy finalnie już powstanie. Jednocześnie tego typu informacji nie jesteśmy w stanie wyciągnąć ani z reanaliz, ani z projekcji klimatu. To ogromny problem, który rzutuje na niepewność uzyskiwanych wyników badań przy użyciu reanaliz i projekcji klimatu.

Czy prognozowanie niebezpiecznych zjawisk można udoskonalić?

M.T.: Natalia w swej pracy schodzi do tak dużej rozdzielczości modelu, iż jest w stanie bezpośrednio dokonać symulacji chmury burzowej i może pokazać, jak będzie ona wyglądała: czy to będzie linia szkwału, czy słabo zorganizowany klaster, czy superkomórka z tornadem. Dlatego przyszłością meteorologii i badań konwekcyjnych jest powszechne stosowanie modeli o wysokiej rozdzielczości.

Do tego potrzebne są jednak ogromne zasoby i moce obliczeniowe w ramach superkomputerów, które na szczęście z każdym rokiem wzrastają i stają się coraz bardziej dostępne. Dzięki temu z Natalią możemy w tej chwili wykonywać obliczenia i prowadzić badania, które 10-15 lat temu w zasadzie w Polsce były niemożliwe. Ta dziedzina bardzo dynamicznie się rozwija i pozwala uzyskiwać coraz to bardziej dokładne symulacje. przez cały czas trzeba jednak pamiętać, iż to jedynie symulacja i jest ona obarczona pewnym błędem, niepewnością.

Czy to oznacza, iż będziemy prognozować burze z większą skutecznością?

M.T.: Tak, jednym z efektów badań moich i Natalii oraz naszych kolegów jest ulepszanie prognozowania burz. Skuteczne prognozowanie zjawisk konwekcyjnych to jednak ciężki temat. Miałem okazję obserwować, jak się to robi zarówno w Europie oraz Stanach Zjednoczonych i proszę mi wierzyć – choćby osoba, która siedzi w tym 25 lat, prognozuje dzień w dzień oraz dysponuje najlepszymi produktami prognostycznymi, nigdy nie będzie miała absolutnej pewności co do spodziewanych zjawisk i morfologii konwekcji.

Synoptyk wydaje prognozę obszarową na podstawie prawdopodobieństwa, które nigdy nie wynosi 100%. Niepewność prognozy dotyczy obszaru, godziny wystąpienia oraz spodziewanych zjawisk, więc szansa, iż coś pójdzie nie tak, jest spora. Czasami w „wielkie dni”, kiedy spodziewane są liczne tornada, burze gwałtownie formują linie szkwału i nie tworzą tornad, a w inne „marginalne” dni tworzą się potężne superkomórki w miejscu, gdzie nie były spodziewane. W większości przypadków synoptycy wykonują jednak dobrą robotę, ale jest to praca bardzo stresująca.

Wydaje mi się też, iż społeczeństwu przydałaby się dodatkowa edukacja, by ludzie odpowiednio interpretowali prognozy burzowe i rozumieli naturę tych zjawisk. Może być tak, iż w ramach obszaru nakreślonego przez synoptyka jako strefa zagrożenia pojawią się trzy superkomórki i tornada, a 40 km dalej – wciąż w ramach tego samego obszaru zagrożenia – nie spadnie choćby kropla deszczu. Osoba tam mieszkająca powie, iż prognoza była nieudana, bo u niej nic nie powstało. Ale taka prognoza nie oznacza przecież, iż burza z tornadami ma się pojawić na całym obszarze, tylko, iż jest możliwa na jego fragmencie. W skrócie: to, iż burzy nie było u ciebie, nie znaczy, iż to prognoza była zła, ponieważ burza mogła być kilka kilometrów dalej. Burze to zjawiska niezwykle lokalne, a prognozując je stosujemy prawdopodobieństwa obszarowe.

Rozmawiał Szymon Bujalski

dr Mateusz Taszarek – adiunkt w Zakładzie Meteorologii i Klimatologii na Wydziale Nauk Geograficznych i Geologicznych Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, naukowiec wizytujący NOAA National Severe Storms Laboratory, członek European Severe Storms Laboratory i Skywarn Polska, laureat nagrody European Meteorological Society dla młodych naukowców za całokształt osiągnięć naukowych nad badaniem zjawisk burzowych na obszarze Europy oraz Stanów Zjednoczonych i ich związku z ocieplającym się klimatem.

dr Natalia Pilguj – adiunkt w Zakładzie Klimatologii i Ochrony Atmosfery w Instytucie Geografii i Rozwoju Regionalnego na Uniwersytecie Wrocławskim. Specjalistka modelowania numerycznego zjawisk konwekcyjnych w atmosferze.

Idź do oryginalnego materiału