Záporesőtől jégesőig – A zivatarfelhőkben lejátszódó mikrofizikai folyamatok

Horváth Ákos, Geresdi István, Kurcsics Máté

A rétegfelhőkben lejátszódó folyamatokhoz képest (lásd az előző tanulmányt) a zivatarban kialakuló heves fel- és láramlások során a felhőelemekből rendkívül gyorsan alakulnak ki csapadékelemek. Ezek a heves folyamatok felelősek a zivatarral járó heves csapadékért és jégesőkért, és közvetten a villámlásért.

Felhőelemek alakulása zivatarban

A vízgőz kondenzálódásával alakulnak ki a kisméretű felhőcseppek. A kondenzáció sebességét növeli, ha minél több apró, vízben jól oldódó szilárd részecske van a levegőben, amelyek mint kondenzációs magok elősegítik a vízgőz kicsapódását. A talajközeli szinteken összeáramló és feláramló levegőben a nagy feláramlási sebesség miatt időegység alatt jóval több vízgőz áramlik be, mint bármely más típusú felhő kialakulása esetén, így a kondenzáció mértéke is nagyobb. Ehhez hozzáadódik a felhőben lévő erőteljes feláramlás és az emelkedő levegő hűlése, ami tovább gyorsítja a vízgőz kicsapódását a már kialakult felhőcseppekre, az égen láthatóvá válnak az első gomolyfelhő pamacsok (cumulus humilisek). A felhőcseppek méretének növekedésével a gomolyfelhő feláramlási csatornájában a kondenzáció mellett egy másik kölcsönhatás is belép: az ütközés. Az ütközéssel egyre több és nagyobb méretű esőcsepp jön létre. Az esőcseppek, mivel az esési sebességük meghaladja az 5 m/s-ot – a felhőcseppekkel ellentétben- már ki tudnak hullani a gomolyfelhőből, megindulhat a záporeső. A záporeső megindulása legtöbbször már a tornyos gomolyfelhő (cumulus congestus) állapotban történik, és az időjárási radar képeken is ekkor jelenik meg először a felhő képe.

Ahogy a felhő egyre magasabbra tör a már negatív hőmérsékletű légkörben, megjelenik a szilárd halmazállapot is, megkezdődik a felhőjég (szabályos, hatszögletű szimmetriájú jégkristályok)kialakulása. Egy zivatarfelhőben azonban nem csak a jégkristályok jelentik a szilárd halmazállapotot. A jégkristályok fagypont alá hűlt vízcseppekkel ütköznek, ezáltal hókristályok, hópelyhek képződnek. Ezt a folyamatot zúzmarásodásnak nevezzük. A zúzmarásodás a hókristályok kialakulásával nem ér véget, ezek egymással és újabb túlhűlt vízcseppekkel ütköznek a gomolyfelhő intenzív feláramlásban. Ezáltal egy újabb szilárd részecske típus, hódara (graupel) képződik, ami akár több cm-es átmérőjűvé is megnőhet, és jégesőként hullhat ki a felhőből. A jégkristályok és a hódara részecskék ütközése során elektromos töltésszétválasztódás indul meg, amely a villámok kialakulásához vezet. A nagymennyiségű csapadékelem kihullása intenzív csapadékkal jár, ami a leáramlás dominánssá válását eredményezi a feláramlással szemben. A csapadékhullást követően a magasabb légrétegekben azonban még hosszan megmaradhat a jellemzően felhőjégből, hóból és graupelből álló felhőzet.

Az alábbiakban egy zivatar életciklusa alatt lezajló felhőfizikai folyamatok kerülnek bemutatásra az Országos Meteorológiai Szolgálatnál is alkalmazott WRF modell (Weather Research and Forecasting) számításai alapján. A WRF modellben több mint tíz, különböző mikrofizikai séma közül választhatunk. Az alábbiakban bemutatásra kerülő eredményeket a Thompson-féle mikrofizikai sémát használva kaptuk. Ebben a sémában a vízgőz mellett az említett kétféle felhőelemet, a felhővíz és felhő jég, és háromféle csapadékelemet eső, jég, hó és graupel különböztetünk meg. A modell számítások során 1,6 km-es horizontális rácstávolságot és 61 vertikális szintet alkalmaztunk.

A vizsgált nap 2020. június 8., amikor egy hosszan elnyúló hullámzó frontrendszer előoldalán mérsékelt délnyugati széllel meleg, nedves levegő áramlott a Földközi-tenger térségéből az ország keleti felébe. Erősen labilis volt a légkör, ideálisak voltak a feltételek zivatarok kialakulásához, az országban több helyről érkeztek jégesőről jelentések. Ugyanakkor a nagytérségű hatások közvetlenül nem hatottak a zivatarok kialakulására (sem frontális emelés, sem jet stream nem volt).

A WRF modell több zivatarcella kialakulást jelezte előre a Dunától keletre 2020. június 8-án, jól követve a valóságban is lezajlott folyamatokat. A modell cellái az 1,6 km-es térbeli felbontásnak köszönhetően jól elkülöníthetők egymástól. Az alábbiakban egy kiválasztott cella életciklusának négy jellegzetes stádiumában vizsgáljuk a zivatar felhőfizikai alkotóelemeit és a dinamikai állapotát.

Zivatar kialakulását megelőző időjárási helyzet

Június 8-án 11 órától (9 UTC) a modell felszakadozó középszintű felhőzete alatt megjelent egy gomolyfelhő, melyben egyre nőtt a folyékony felhővíz koncentrációja, és kis mennyiségben már esőcseppek is képződtek a felhőben (1. ábra). Ekkor szilárd halmazállapotú felhőelem még nem volt jelen. A gomolyfelhőhöz kapcsolódóan kialakult egy még gyenge, 4 km-es magasságig terjedő feláramlási csatorna, mellette pedig egy kompenzáló leáramlás (2. ábra). Ekkor a modell radarreflektivitási értéket még nem társított a felhőhöz a vizsgált metszet mentén (3. ábra). Az összeáramlás, amin a gomolyfelhő kialakult, jól látható mind a horizontális, mind a vertikális szélmezőben. A konvergencia előtt déli, mögötte délnyugati szél fújt. Függőleges irányban kb. 1,5 km-ig, a felhőalapig terjedt az összeáramlás.

1. ábra
A vizsgált zivatarfelhő kontúrja, valamint felhőfizikai alkotóelemei (felhővíz, eső, hódara, hó, felhő jég)
a WRF modellben 2020. június 8-án 11:15-kor (9:15 UTC);
a vízszintes vonalak az izotermák, a számok az adott felhőelem maximális koncentrációját jelentik (mg/kg)

2. ábra
Bal oldali ábra: vertikális sebesség (cm/s);
a kékes színezés jelöli a leáramlást, a sárgás színezés a feláramlást, a számok a maximális értékeket jelentik
Jobb oldali ábra: vertikális szélprofil, alatta a zivatarfelhő kontúrja;
a WRF modell futtatásából, 2020. június 8-án 11:15-kor (9:15 UTC

3. ábra
A maximális radarreflektivitás (bal oldali ábra) és a 980 hPa-os nyomási szint ekvivalens potenciális hőmérséklete (színezés)
és szélmezeje (jobb oldali ábra) a WRF modell futtatásából, 2020. június 8-án 11:15-kor (9:15 UTC);
az ábrákon a vonalak a vizsgált metszetet jelöli

Fejlődési fázis

A következő percekben a felhő gyors fejlődésnek indult vertikális irányban, öt percenként több mint 1 km-t emelkedett a felhőtető, és jelentősen megnőtt a felhővíz tömegkoncentrációja (4. ábra). A felhővíz tömegkoncentrációjának növekedést a nagy feláramlási sebesség következtében kialakult nagy vízgőz fluxus eredményezte. Az esőcseppek növekedését két folyamattal magyarázhatjuk. A 0 Celsius fokos izoterma felett az esőcseppek tömegkoncentrációja a felhőcseppek egymás közötti, valamint az esőcseppek és a felhőcseppek közötti ütközések következtében növekedtek. A 0 Celsius fokos izoterma alatt az esőcseppek a hódara részecskék olvadása következtében alakultak ki. 11:40-re (9:40 UTC) már nagyobb koncentrációban alakultak ki esőcseppek, amelyek egy része már elérte a felszínt is, de nagyobb mennyiség még nem hullott ki a felhőből. Erre az időlépcsőre a három szilárd típus is megjelent. A jégrészecskék többféle módon is kialakulhattak: -40 fokos hőmérséklet alatt, a felhő felső részén a kisebb vízcseppek spontán megfagynak, míg -40 és -5 fok közötti tartományban jégkristályok képződnek a vízgőznek szilárd halmazállapotú részecskére történő lecsapódásával, majd ezt követően a lecsapódott víz gyorsfagyásával (ezt hívjuk kondenzációs fagyással). A túlhűlt esőcseppek fagyását a vízcseppek és a jégéhez hasonló kristály szerkezetű aeroszol részecskék közötti ütközések indukálják. Miután pedig a jég már kialakult, azonnal megindulhat a zúzmarásodás folyamata is, így a hó és a hódara (graupel) mennyisége gyorsan növekszik.  

Szembetűnő a 4. ábrán, hogy a graupel koncentrációja lényegesen nagyobb, mint a hóé, vagy a felhőjégé. Ennek az az oka, hogy az intenzív zúzmarásodás miatt a felhőjégből gyorsan alakulnak ki hó részecskék, a hó részecskékből pedig hódara részecskék. A 10 km-es magasságban megfigyelhető hó részecskék a jégkristályok ütközése következtében alakultak ki.

4. ábra
A vizsgált zivatarfelhő kontúrja, illetve felhőfizikai alkotóelemei (felhővíz, eső, graupel, hó, jég)
a WRF modellben 2020. június 8-án 11:40-kor (9:40 UTC);
a vízszintes vonalak az izotermák, a számok az adott felhőelem maximális koncentrációját jelentik (mg/kg)

11:40-re (9:40 UTC) a feláramlási csatorna is jelentősen erősödött, elérte a 10 km-es magasságot úgy, hogy 7 km-ig 6-8 m/s-os vertikális sebességek alakultak ki (5. ábra). Közben a feláramlás mellett a magasabb szinteken gyenge leáramlások alakultak ki, de a felszín közelében egyértelműen a feláramlás dominált. A horizontális szélmezőben látható, hogy 3 km-es magasságig a zivatarfelhő elején déli irányba fordult a szél, itt a felhő szívta be maga elől a nedvességet. Radarjel is megjelent a cellához 35-40 dBz-s maximális reflektivitási értékekkel, az ekvivalens potenciális hőmérséklet mezejében pedig már egy nagyon kismértékű lehűlés is megfigyelhető a hódara részecskék olvadása és az esőcseppek párolgása miatt (6. ábra). Ezen stádiumában tehát már egy majdnem kifejlett tornyos gomolyfelhőt látunk 10 km-es magasságig terjedő feláramlási csatornával, amiből esik az eső, a felhő belsejében pedig egyre intenzívebbé válik a zúzmarásodás.

5. ábra
Bal oldali ábra: vertikális sebesség (cm/s);
a kékes színezés jelöli a leáramlást, a sárgás színezés a feláramlást, a számok a maximális értékeket jelentik
Jobb oldali ábra: vertikális szélprofil, alatta a zivatarfelhő kontúrja; a WRF modell futtatásából, 2020. június 8-án 11:40-kor (9:40 UTC)

 
6. ábra
Számított radarreflektivitás (bal oldali ábra) és a 980 hPa-os nyomási szint ekvivalens potenciális hőmérséklete (színezés) és
szélmezeje, illetve a 35 dBz feletti maximális radarreflektivitású területek (vastag fekete vonalak)
(jobb oldali ábra) a WRF modell futtatásából, 2020. június 8-án 11:40-kor (9:40 UTC);
az ábrákon a vonalak a vizsgált metszetet jelölik

 
Kifejlett fázis

A gyorsan növekvő cella 12 órára (10 UTC) elérte legfejlettebb állapotát, kialakult egy 14 km magas zivatarfelhő, melyben mind az 5 felhőelem magas koncentrációban jelen volt (7. ábra). A felhővíz még nagyobb magasságba jutott, a feláramlási csatornában egészen a 8-9 km-es magasságig, -40 fokig terjedt. Ekkor vált legintenzívebbé a csapadékhullás is, a fejlődő fázissal ellentétben az esőcseppek koncentrációja már a felszínen volt a legnagyobb. Mivel a feláramlás igen nagy magasságba eljuttatta a vízgőzt, a jégrészecskék koncentrációja is jelentősen megnőtt, amiben a jég darabszámának növekedése mellett az is meghatározó, hogy megindult a jégrészecskék depozíciós növekedése, azaz a kialakult jégre azonnal lecsapódott a vízgőz. A nagy magasságokban lévő jégrészecskék növekedésében a depozíció a legjelentősebb folyamat. A felhőben jelenlévő nagy mennyiségű túlhűlt víz és felhőjég miatt a hó és a graupel mennyisége is jelentősen növekedett. A felhő egész negatív hőmérsékletű tartományában megjelent a hó, legnagyobb koncentrációban a feláramlási csatorna 10 km-es magasságában. Egyetlen csapadékelemként a graupel a felhő teljes vertikumában jelen volt. A kisebb méretű hódarát ugyanis a feláramlás egészen a zivatar üllőjéig eljuttatta, míg a nagyméretűre nőtt jegek kihullottak a felhőből, a modellben hulló csapadékként kialakult az eső mellett a jégeső is. A zivatarfelhő legfejlettebb stádiumában tehát mind az öt, a modellben a felhőket alkotó elem jelen volt, egymással összemérhető nagyságrendben.

Ahhoz, hogy a felhő ilyen nagy magasságba fejlődjön, a feláramlási csatorna még magasabbra törésére volt szükség. A modell számítások szerint 12 órára (10 UTC) 3 és 14 km között heves feláramlás alakult ki, melyben a legnagyobb vertikális sebesség megközelítette a 19 m/s-ot úgy, hogy több km-en át 10 m/s feletti volt a feláramlás sebessége (8. ábra). Gyengébb kompenzáló leáramlások kialakultak a magasban is, a leghatározottabb leáramlás azonban a csapadékhullás helyén jelent meg, 5 m/s-os maximális leáramlási sebességgel. A zivatar előoldalán még továbbra is feláramlás volt megfigyelhető az intenzív csapadék előtt, a leáramló hideg levegő még nem vágta el teljesen a felhőbe beáramló nedvesség utánpótlását. A vertikális metszeten két határozott divergens zóna figyelhető meg. Az egyik a leáramlás területén a felszínen (kifutószél), a másik a magasban, a feláramlás felső részén, ahol a troposzféra tetejének ütközve szétterül a levegő és felgyorsul az áramlás.

A zivatar maximális reflektivitása ekkorra meghaladta az 50 dBz-t és az ekvivalens potenciális hőmérséklet mezejében is markánsan megjelent a lezúduló hideg levegő hatása (9. ábra).

 
7. ábra
A vizsgált zivatarfelhő kontúrja, illetve felhőfizikai alkotóelemei (felhővíz, eső, graupel, hó, jég)
a WRF modellben 2020. június 8-án 12-kor (10 UTC);
a vízszintes vonalak az izotermák, a számok az adott felhőelem maximális koncentrációját jelentik (mg/kg)

 
8. ábra
Bal oldali ábra: vertikális sebesség (cm/s);
a kékes színezés jelöli a leáramlást, a sárgás színezés a feláramlást, a számok a maximális értékeket jelentik.
Jobb oldali ábra: vertikális szélprofil, alatta a zivatarfelhő kontúrja;
a WRF modell futtatásából, 2020. június 8-án 12-kor (10 UTC)

 
9. ábra
A maximális radarreflektivitás (bal oldali ábra) és a 980 hPa-os nyomási szint ekvivalens potenciális hőmérséklete (színezés)
és szélmezeje, illetve a 35 dBz feletti maximális radarreflektivitású területek (vastag fekete vonalak) (jobb oldali ábra)
a WRF modell futtatásából, 2020. június 8-án 12-kor (10 UTC);
az ábrákon a vonalak a vizsgált metszetet jelölik

A 10. ábrán az összes alkotóelem együttes ábrázolásával elemezhető a felhő szerkezete. A 9–12 km-es magasságban, a troposzféra tetején szétterül, üllősödik a felhő, a zivatarüllőt hó, felhőjég és graupel alkotja. Az ábrán 10 km felett már nincs több izoterma, a hőmérséklet a minimumát 12 km-en éri el. Megfigyelhető, hogy pontosan itt terül szét a felhő. Az igen heves feláramlás miatt azonban még 14 km-ig, így már a sztratoszférába is felér a felhő túlnyúló csúcsa. 3-9 km között az összes alkotóelem megtalálható, 3 km alatt már döntően felhővíz alkotja a felhőt, amiből intenzíven hull a csapadék: felhőszakadás és jégeső alakult ki.

10. ábra
A zivatarfelhő a legfejlettebb stádiumában, 2020. június 8-án 12 órakor (10 UTC);
a felhőelemenként színezve, az adott elem maximális koncentrációinak (mg/kg) feltüntetésével

 A feláramlási csatornában a vízgőz kondenzálódásával és a további fázisátalakulások következtében látens hő szabadult fel, így emelkedett a hőmérséklet. Adott magasságban a feláramlásban közel 2 fokkal magasabb a hőmérséklet, mint az azon kívüli területen (11. ábra).

 
11. ábra
Vertikális sebesség (színezés, kékes szín: leáramlás, sárgás szín: feláramlás) és hőmérséklet (fekete vonalak)
a zivatarfelhőben a WRF modellben 2020. június 8-án 12-kor (10 UTC), a 6-9 km-es felszín feletti magasságban

12 órakor (10 UTC) már a kifutószél is megfigyelhető a 9. ábrán. A WRF modell által számított 13–14 m/s-os szél nem tekinthető széllökésnek, inkább a 10 perces átlagszélhez van közelebb. (Ehhez az értékhez tartozó széllökés legalább 25 m/s fölötti érték.) A 3,5 km magas leáramlási zóna alján divergencia alakult ki, minden irányba fújt a szél. A 12. ábrán látható, hogy az alapáramlással hogyan befolyásolja a kifutó szél nagyságát. Míg az alapáramlással megegyező irányban alakult ki a nagyobb kifutószél, addig a cella mozgásirányával ellentétesen kisebb volt kifutószél nagysága. A kifutószél az alsó 100-400 méteres magasságra korlátozódott.

 
12. ábra
Zivataros kifutószél 2020. június 8-án 12-kor (10 UTC) a WRF modell futtatása alapján;
a felszín feletti 3,5 km-es rétegben minden rácspontra megjelenítve láthatjuk a szélzászlókat, a színezett vonalak a szélsebességet,
a színezés a vertikális sebességet jelenti (kékes színek: leáramlás, sárgás színek: feláramlás)

 
Leépülő fázis

A felhőben a legfejlettebb állapot elérését követően fokozatosan csökkenni kezdett az egyes felhő- és csapadékelemek koncentrációja. Megszűnt a jégeső, jelentősen gyengült az eső intenzitása is. Leghamarabb a folyékony felhővíz tűnt el szinte teljesen a felhőből, ugyanis a nedvesség-utánpótlás megszűnésével esőcseppekké alakulva kihullott, vagy megfagyott (13. ábra). 12:50-re (10:50 UTC) döntően hópelyhekből állt a magasabb szinteken egyre inkább szétterülő felhő. A felhővíz koncentrációjának csökkenése jelentősen lecsökkentette a zúzmarásodás sebességét, így fokozatosan csökkent a hódara részecskék koncentrációja.  A hó és felhőjég részecskék kis esési sebességük miatt még a felhő leépülő állapotában is viszonylag nagy koncentrációban megmaradtak a felhőben.  A feláramlási csatorna ekkorra teljesen megszűnt, csak gyenge, a leáramlásnál gyengébb feláramlások maradtak (14. ábra). A határozott divergens területek is megszűntek, de a cella mozgásirányában a kifutószél továbbra is fújt, azonban gyengébben a korábbinál. A zivatar üllője szétterült, a cella maradványának közelében pedig több újabb zivatar kezdett kialakulni, egy a vizsgált cellához egészen közel is (15. ábra). A zivatar okozta lehűlés más zivatarok hűtő hatásával összeadódva továbbra is jól kirajzolódik.

 
13. ábra
A vizsgált zivatarfelhő kontúrja, illetve felhőfizikai alkotóelemei (felhővíz, eső, graupel, hó, jég)
a WRF modellben 2020. június 8-án 12:50-kor (10:50 UTC);
a vízszintes vonalak az izotermák, a számok az adott felhőelem maximális koncentrációját jelentik (mg/kg)

 
14. ábra
Bal oldali ábra: vertikális sebesség (cm/s);
a kékes színezés jelöli a leáramlást, a sárgás színezés a feláramlást, a számok a maximális értékeket jelentik
Jobb oldali ábra: vertikális szélprofil, alatta a zivatarfelhő kontúrja;
a WRF modell futtatásából, 2020. június 8-án 12:50-kor (10:50 UTC)

 
15. ábra
A maximális radarreflektivitás (bal oldali ábra) és a 980 hPa-os nyomási szint ekvivalens potenciális hőmérséklete (színezés)
és szélmezeje, illetve a 35 dBz feletti maximális radarreflektivitású területek (vastag fekete vonalak)
(jobb oldali ábra) a WRF modell futtatásából, 2020. június 8-án 12:50-kor (10:50 UTC);
az ábrákon a vonalak a vizsgált metszetet jelölik

Összefoglalásul elmondható, hogy a modell alapján egy gyorsan felépülő zivatarcellában hosszabb-rövidebb ideig valamennyi felhőelem megjelent. A különböző halmazállapot változások során felszabaduló (kondenzáció, depozíció, fagyás) és elnyelt hő (olvadás, párolgás) jelentős hatással van a felhők dinamikájára, így a mikrofizikai folyamatok pontos modellezése elengedhetetlen a mezoskálájú modellek esetében.

A felhőelemek időbeli változása

Horizontális és vertikális szélviszonyok felhőben