Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko

Katedra za meteorologijo

Seminar

ANALIZA ZAVETRNIH CIKLONOV

Povzetek

Za analizo alpskih zavetrnih ciklonov, ki nastajajo najpogosteje v Genovskem zalivu in

južnem delu Alp, smo uporabili podatke re-analiz ERA-40 iz Evropskega centra za srednje-

območno vremensko napoved (ECMWF) za obdobje od 1996 do 2000. Teh meritev je 7308

in so bila opravljena vsakih 6 ur začenši januarja 1996 ob 00 UTC. Z analizo bomo ugotovili

najpogostejše lokacije rojevanja zavetrnih ciklonov, najpogostejši letni čas oziroma mesece

nastanka in njihove poti.

Rezultati kažejo, da je ciklogeneza v zavetrju Alp najbolj aktivna spomladi in pozimi.

Največji upad aktivnosti pa zasledimo v poznem poletju.

Jože Baša Mentor: doc. dr Mark Žagar Ljubljana, november, 2007

2

Kazalo

1. Uvod...............................................................................................................................3 2. Ciklon.............................................................................................................................3 3. Zavetrna ciklogeneza ......................................................................................................4

3.1. Opis procesa nastanka ciklona.................................................................................5 4. Analiza in rezultati..........................................................................................................8

4.1. Lokacije nastajanja..................................................................................................8 4.2. Termini nastajanja...................................................................................................9 4.3. Življenjska doba zavetrnega ciklona......................................................................11 4.4. Obdobje kratkih in dolgih ciklonov .......................................................................12 4.5. Poti zavetrnih ciklonov..........................................................................................13

5. Zaključek......................................................................................................................14 6. Literatura ......................................................................................................................15

3

1. Uvod Zavetrna ciklogeneza je pojav, ki še ni dodobra preučen. Pred pol stoletja so začeli posvečati

pozornost območjem z veliko frekvenčnostjo ciklogeneze, ki ne slovijo po stalnem nizkem

tlaku. V Evropi je tako izrazito območje v Genovskem zalivu in na južnem delu francoskih

Alp. K razumevanju tega pojava je v preteklosti naredil velik korak Eady (1949) s svojim

modelom barokline nestabilnosti. Čeprav je ta model dobil takojšnje sprejetje s strani

raziskovalcev, se je leta pozneje izkazal za zelo omejenega. Problem je bil v tem, da se

ciklogeneza redko razvije iz nemotenega stanja, kakor je to predpostavljal sam model (Smith,

1984).

Prvi namig k temu, da mogoče igrajo pomembno vlogo gorovja so bile statistične analize

Petterssena (1956), Reitana (1974), Radinoviča (1965), Chung (1976) in drugih. Ti so

pokazali veliko frekvenčnost tako imenovanih umetnih/zavetrnih - od realnih ne-odstopajočih

- ciklonov prav v zavetrju teh gorovij (Smith, 1984).

Danes lahko v osnovi rečemo, da poznamo teoretično ozadje ciklogeneze. Ta se ne potrjuje

samo v Alpah, ampak tudi v zavetrjih Andov in Skalnega gorovja. Za podrobnejšo analizo

alpskih zavetrnih ciklonov smo vzeli podatke re-analiz evropskega centra ECMWF (ERA-40)

za Evropo in se omejili na obdobje od 1996 do 2000. Za statistični opis uporabimo polja

geopotenciala na 850 mbar. V tem polju najlepše vidimo rojstvo in gibanje ciklonov. Analiza

bo obsegala 7308 terminov, vsakih 6 ur (00 UTC, 06 UTC, 12 UTC in 18 UTC).

2. Ciklon

Cikloni v zmernih zemljepisnih širinah so omejena, praviloma okrogla območja nizkega

zračnega pritiska. Za njih je značilno, da imajo za razliko od anticiklonov dobro določeno

območje toplega in hladnega zraka. Lahko so tudi majhni. Na velikost vplivata le krivinski

radij in gradient pritiska. Na severni polobli se vrtijo v pozitivno smer (Rakovec in Vrhovec,

2000).

Nastanek tipičnega ciklona lahko razložimo tudi z valovanjem splošnega zahodnega vetra.

Vzhodno od maksimuma Rossbyjevega vala pride do konvergence (stekanja) zraka v višinah,

4

zato se dvigne pritisk pri tleh in nastane

anticiklon. Pred minimumom (na vzhodni

strani) Rossbyjevega vala pride v višinah

do divergence (raztekanja zraka), kar

povzroči padec pritiska pri tleh in

nastanek območja nizkega zračnega

pritiska (ciklon) (Rakovec in Vrhovec,

2000).

Na območju Evrope lahko najdemo tri

območja, kjer se generirajo srednje

pasovni cikloni in anticikloni. Sibirski in

azorski maksimum in islandski minimum.

Statistično gledano se pa nad Evropo

pojavi več ciklonov kot jih generirajo ta

območja. S skoraj šestdeset pojavitvami

letno prispevajo precejšen delež tako

imenovani alpski zavetrni cikloni.

Slika 1: Islandski ciklon (4. september 2003)

3. Zavetrna ciklogeneza

Ta fenomen je znan že dolgo, so se pa komaj nedavno začeli pojavljati konceptualni in

teoretični modeli o formacijskem procesu zavetrne ciklogeneze. Največji prispevek k

razumevanju tega pojava in spodbuda k nadaljnjem raziskovanju je bil sigurno alpski

eksperiment ALPEX, ki se je odvijal leta 1982. Z njim so hoteli podrobneje razumeti gibanje

zračnih mas preko in okrog gorskih verig, rojstvo ciklonov v teh območjih ter lokalne gorske

vetrove. Postavili so 34 dodatnih meteoroloških postaj za merjenje tlaka in hitrosti vetra. Na

določenih predelih gorskih verigah so postavili 60 zelo natančnih mikrobarografov. Z

ženevskega letališča je vzletavalo 17 letal, ki so zbirali podatke po naprej določenih poteh.

5

Merjenja so bila opravljena tudi na morju. Nikoli poprej niso bila izvedena tako obsežna in

zgoščena opazovanja nad gorskim območjem. Na ta način so zbrali zelo kakovostno

mednarodno razpoložljive podatke (Newson, 1987).

3.1. Opis procesa nastanka ciklona Za nastanek zavetrnega ciklona morajo biti vzpostavljene primerne razmere v ozračju. Te se

lahko vzpostavijo, če se s severa giba proti Alpam hladen polarni zrak in vsebuje v višjem

delu plasti nizko tlačno korito. Alpe del zraka blokirajo, del pa začne ubirati pot okrog,

najpogosteje v smeri zahoda. V času blokiranja, ki traja od 6 do 12 ur, se zrak s koritom iz

zgornje plasti že premakne čez Alpe. Tako se zračna masa pretrga. Ker zraku, ki preide Alpe

naenkrat zmanjka dotekajoči hladen zrak v spodnje plasti in namesto tega tja doteka topel

zrak, se v zavetrju Alp pojavi nizek tlak. Ob nastali perturbaciji mase zraka se perturbira tudi

polje vetra, ki je z maso zraka v ravnovesju preko kvazi-geostrofske zveze. V zavetrju se zato

začne zrak dvigovati, kar povzroči raztezanje zraka v spodnji plasti in posledično vrtenje le-

tega (3.1). Čim bolj so okoliški pogoji optimalni, se pravi čim močnejša je baroklinost, tem

hitreje se poglobi ciklon (Tafferner, 1996).

Na življenje in moč ciklona seveda vpliva veliko dejavnikov, kot so smer hladnega zraka proti

Alpam, vertikalna globina zgornje-pasovnega korita in vrtinčna moč znotraj tega, moč

advekcije, dotok vlage z Sredozemskega morja in stanje mase na jugu Alp (Tafferner, 1996).

Pomembno vlogo pri zavetrni ciklogenezi ima ohranitev potencialne vrtinčnosti.

( )( )P f g constpθ

∂θ≡ ζ + − =

∂ 3.1

Definirana je z minusom, da zadosti pozitivni vrednosti na severni polobli. Po tej diagnostični

formuli se potencialna vrtinčnost ohranja v adiabatnem toku brez trenja in prav tako v nekem

smislu predstavlja absolutno vrtinčnost (Holton, 1992).

Pomembno dodatno vlogo pri nastanku zavetrnega ciklona ima baroklina nestabilnost. Ta

efekt je še posebej močan če se perturbacija potencialne vrtinčnosti v višjih plasteh advektira

v območje, kjer je v spodnjih plasteh že prisoten gradient temperaturnega polja. To lahko

6

privede do indukcije vrtinčnosti v spodnji plasti, povzroči spreminjanje temperaturnega

gradienta in posledično hitrejšo rast in spuščanje perturbacije k tlom (slika 2).

Slika 2: Shematski prikaz ciklogeneze ob

prihodu perturbacije potencialne vrtinčnosti

v zgornji plasti nad baroklino območje

(Holton, 1992).

Pri nastanku zavetrnih ciklonov pa igra pomembno vlogo tudi Froudovo število 2

22

uFr

c≡ ,

kjer sta u in 2 ( )c hHδ

δ 1

ρ=

ρ povprečna hitrost toka gibanja in hitrost valov v modelu plitve

vode. Perturbaciji hitrosti toka in hitrosti valov plitve vode pa:

2 2

2 2

( / )'

(1 / )mh u c

hu c

= −−

2 2

' ( )1 /

mh uu

H u c=

− 3.2

Če imamo model z oviro (gorovje) in prosto površino na zgornji strani, razlikujemo tri

primere. Če je Fr<1 govorimo o pod-kritičnem primeru. V tem primeru je hitrost valov plitve

vode večja od hitrosti toka in sta motnji polja višine in vetra izven faze. Motnja vmesne

ploskve na neki višini je negativna in motnja hitrosti je pozitivna, kot je prikazano na sliki 3a.

7

Slika 3: Trije primeri toka preko gorske ovire v primeru barotropne tekočine z prosto zgornjo površino. a) Fr<1. b) Fr>1. c) Fr=1. (Holton, 1992)

V primeru, da je Fr>1 pravimo, da

je tok superkritičen. V

superkritičnem primeru je spodnji

tok večji od hitrosti valov v plitvi

vodi. V tem primeru se tekočina

debeli in upočasnjuje (slika 3b). Če

je pa Fr~1 pa perturbacije več niso

majhne in se linearni rezultati

zlomijo, kar lahko razberemo iz

enačb perturbacije 3.2.

Nelinearno rešitev za Fr=1 vidimo

na sliki 3c. Spodnji tok bo postal

superkritičen in se bo ob spuščanju

za oviro pospeševal dokler se ne

vzpostavijo subkritični pogoji v

obliki turbulentnega hidravličnega

skoka. V tem primeru se lahko v

zavetrju razvijejo zelo močni

vetrovi, saj se ob prečkanju toka

tekočine cel čas potencialna

energija spreminja v kinetično.

Kljub temu, da primer razlagamo v

hidravličnem modelu plitve vode,

so numerični rezultati simulacij

pokazali, da hidravlični model

podaja razmeroma konceptualen

model za primarne procese, ki se

pojavijo zavetrni vetrovni strženu

(Holton, 1992).

4. Analiza in rezultati

Za določitev območij nastanka in poti je bilo potrebno analizirati 7308 podatkov, ki se

raztezajo od 1996 do 2000. Iz podatkov je potrebno izluščiti lokacije in termine nastanka ter

poti gibanja. Z ustreznim, ampak zelo komplicirani programom je to mogoče izvesti

samodejno. A se zaradi upoštevanja številnih pogojev zadeva drastično zakomplicira. Težavo

rešimo z grafičnim programom napisanim v JavaScript in ActiveX programskem jeziku. Z

njim je mogoče na v Matlabu vnaprej generiranih slikah s kliki pregledno in korektno izbirati

prave ciklone ter shranjevati njihove podatke v podatkovno datoteko. Zaradi najboljše

preglednosti je koristno analizirati polje geopotenciala na 850mbar. Dobljene podatke se nato

da lepo analizirati in grafično predstaviti v Matlabu. Izmerili smo 260 zavetrnih ciklonov. Od

teh 65% izgine že po enem dnevu.

4.1. Lokacije nastajanja

Slika 3: Lokacije nastajanja zavetrnih ciklonov v obdobju 1996-2000

Na sliki 3 je razvidno, da najpogosteje nastajajo zavetrni cikloni prav na jugu francoskih Alp

oziroma severno od Genovskega zaliva. Drugo najbolj pogosto območje pa se nahaja nad

severnim Jadranskim morjem. Kot je razvidno, se vsi cikloni generirajo predvsem v zavetrju

Alp. Cikloni, katerih rojstvo je locirano izven območja Alp pa so sekundarni odgovori na

perturbacijo nastalo ob prehodu Alp.

9

4.2. Termini nastajanja

Graf 1: Povprečno mesečno število zavetrnih ciklonov v obdobju od 1996 do 2000

Iz zgornje grafa povprečnega števila ciklonov na mesec lahko domnevamo, da se

frekvenčnost zavetrne ciklogeneze poveča pozimi in spomladi, poleti in jeseni pa zmanjša tudi

za polovico.

Iz levega grafa še ne moremo

sklepati o povprečni rasti ciklonov,

kljub velikemu skoku v četrtem letu

(1999). Petletno analizirano obdobje

je enostavno prekratko za tako

prognoze. Mogoče pa lahko

razberemo kaj več z variacijo

razporeditve teh ciklonov znotraj

leta.

Graf 2: Število ciklonov za posamezno leto v obdobju 1996-2000

10

Graf 3: Seti grafov, ki prikazujejo število mesečnih ciklonov v posameznih letih. Iz zgornjega seta grafov je tudi na letni ravni potrjena prejšnje domneva, da se večina

ciklonov rodi spomladi in pozimi. Največje skoke v smislu povečane aktivnosti ciklogeneze

vidimo v mesecu novembru in decembru ali tudi aprilu. Največje minimume pa v poznih

poletnih ali jesenskih mesecih.

Ob iskanju morebitnih variacij ali premikov smo še vedno omejeni na preveč prekratko

obdobje. Iz trenutne slike pa lahko povemo, da za razliko od zelo kontrastne letne slike v

prvih dveh letih, postaja razporeditev rojstva ciklonov v ostalih letih bolj enakomerna čez celo

leto. Preden se lotimo diskusije morebitnih vzrokov za tako sliko, si je potrebno pogledati

daljše obdobje analiz in predvsem upoštevati, koliko od teh nastalih ciklonov se dejansko

razvije v ciklone z življenjsko dobo daljšo od dveh dni.

11

4.3. Življenjska doba zavetrnega ciklona

Graf 4: Življenjska doba zavetrnih ciklonov za celotno analizirano obdobje

Več kot 65% nastalih ciklonov traja največ en dan. Skoraj polovica enodnevnih ciklonov pa

živi do samo 6 ur. Manj kot 17% je pa tistih, ki dejansko živijo več kot dva dni in se imajo

tudi možnost razvijate ter črpati vlago in s tem energijo iz Sredozemskega morja.

12

4.4. Obdobje kratkih in dolgih ciklonov Glede na zelo zanimivo zgornjo ugotovitev, da več kot 65% nastalih ciklonov ne traja več kot

en dan, bi bilo zanimivo videti v katerem mesecu nastajajo taki cikloni. Ciklone razvrstimo v

dve skupini, in sicer na tiste, ki trajajo manj kot dva dni in tiste ki trajajo več kot dva dni.

Graf 5: Meseci nastajanja ciklonov, ki živijo MANJ kot 2 dni

Graf 6: Meseci nastajanja ciklonov, ki živijo VEČ kot 2 dni

Iz dobljene slike ne moramo jasno sklepati, da nastajajo določeni cikloni samo v določenih

mesecih. Je pa nekaj zelo jasno razvidno; tako imenovani kratki cikloni so bolj enakomerno

razporejeni po celem letu (razen povečane aktivnosti v mesecu aprilu in novembru), medtem

ko pa se pri dolgih ciklonih jasno vidi, da je njihova aktivnost največja spomladi in v začetku

zime. Slednji tako kljub svoji manj-številnosti zelo prispevajo k končni letni sliki (Graf 1).

13

4.5. Poti zavetrnih ciklonov

Slika 4: Poti ciklonov

Večino nastalih ciklonov sinoptični tokovi usmerjajo proti jugovzhodu. Veriga Apeninov pa

očitno predstavlja za ciklone oviro. Saj se jih veliko premika ob zahodu apeninskega

polotoka, večina pa ob vzhodu oziroma na vzhodnem robu Jadranskega morja. Od tam se

širijo proti jugu in nenazadnje lahko zavijejo tudi proti severu proti Rusiji.

Pomembno vlogo Apeninov pri gibanju ciklonov lahko vidimo npr. v Brzovič (1998). S

simulacijo hidrostatičnega modela ALADIN so simulirali primer nastanka zavetrnega ciklona

z rojstvom dvojnega ciklona. Ob odstranitvi Apeninske verige iz modela pa do dvojnega

ciklona ni prišlo (Brzović, 1998).

14

00 UTC 12 UTC 24 UTC

Slika 5: Prikazuje 24 urni niz razvoja dvojnega ciklona nad Apeninskim polotokom in ponovno združenje Z zgornje slike je lepo razviden poseben primer razvoja zavetrnega ciklona, ki se nad Apenini

raztrga v dva ciklona. Ta se sprva kot samostojna ciklona gibata proti jugu. Prvi v Tirenskem

in drugi v Jadranskem morju, kjer je slednji primarni. Na koncu gorske verige Apeninov v

Jonskem morju se zopet združita. Taki pojavi dvojnih ciklonov nad Apenini niso prav pogosti.

Pojavi se jih približno 4 do 6 krat na leto in od teh je le polovica zavetrnega izvora. So pa po

rezultatih analiz lahko z razvojem močnih vetrov zelo nevarni (Brzović, 1998).

5. Zaključek Analiza kaže, da je največja frekvenčnost zavetrne ciklogeneze na območju – širokem

približno 200 km - severno od Genovskega zaliva. V povprečju se največ ciklonov razvije

pozimi in spomladi. Manjši upad, pa zasledimo poleti in jeseni. Med vsemi nastalimi

zavetrnimi cikloni je potrebno posvečati posebno pozornost ugotovitvi, da med njimi več kot

65 % ciklonov umre po enem dnevu in po dobljeni statistiki le 17 % tistih, ki živijo dlje kot en

dan in se imajo zato tudi možnost razvijati naprej. Pri analizi poti gibanja nastalih ciklonov

ugotovimo, da igrajo pomembno vlogo okoliška gorovja. V mislih imamo predvsem Apenine,

ki ciklone usmerijo na zahodno ali vzhodno stran, v posebnih primerih jih pa lahko razdelijo

na dvojne ciklone. Ti lahko potujejo naprej kot samostojni cikloni ali se pa ponovno združijo.

Za klimatološke študije je analizirano obdobje sigurno prekratko, je pa sama analiza zelo

močna podlaga k razumevanju nastanka in nadaljnjega širjenja zavetrnih ciklonov.

15

6. Literatura Brzović, Nedjeljka, 1998: Factors affecting the Adriatic cyclone and associated windstorms, Contrib. Atmos. Phys., 72, 51-65

Egger J., 1988, Alpine Lee Cyclogenesis: Verification of Theories, Meteorologisches Institut der Universität München, 2187-2203

Holton, James R., 1992, An Introduction to Dynamic Meteorology, Third Edition, Department of Atmospheric Sciences, published by Academic Press Limited, 97-102, 228-230

Newson, Roger, 1987: The ALPEX experiment; an international study programme on Alpine meteorology - 1982 Alpine Experiment, UNESCO Courier Rakovec, Jože in Vrhovec, Tomaž, 2000: Osnove meteorologije – za naravoslovce in tehnike, 2. popravljena izdaja, 202-225

Smith, Ronald B., 1986: Further Development of a Theory of Lee Cyclogenesis, Journal of the Atmospheric science, 43, 1582-1602

Smith, Ronald B., 1984: A Theory of Lee Cyclogenesis, Journal of the Atmospheric science, 41, 1159-1168

Smith, Ronald B., 1979: Some Aspects of the Quasi-Geostrophic Flow over Mountains, Department of Geology and Geophysics, 2385-2393

Tafferner, Arnold, 1996: Alpine Lee Cyclogenesis, Meteorological Institute, University of Munich

ECMWF: www.ecmwf.int