Az Észak-Amerika keleti partjára lecsapó „Jónás” nevű hóvihar elemzése számítógépes modellek segítségével

Simon André, Pátkai Zsolt, Horváth Ákos, Nagy Attila

A legtöbb havat – kivéve a magasabb hegységeket 1000 méteres magasság felett –  Marylandben regisztrálták, itt 104 cm hullott két nap alatt. Az USA meteorológiai szolgálata (National Weather Service) a hóvihar által érintett államokban több mint 60 mérőállomáson regisztrált 50 cm-t meghaladó hóvastagságot. Ezek közül néhány jellemző adat látható az alábbi táblázatban.

 
1. táblázat: Néhány kiválasztott mérőállomás hóréteg adata
Az adatok forrása: NOAA National Centers For Environmental Information

A táblázatból látható, hogy a legsűrűbben lakott részeket, úgymint a szövetségi fővárost és New York környékét is igen vastag hóréteg fedte be. Több mint 13.000 repülőjáratot töröltek a havazás miatt, és legalább negyedmillió ember maradt áramellátás nélkül.

A hóvihar mellett a viharos északkeleti szél is problémát okozott a tengerparti részeken, mivel a szél által felkorbácsolta hullámokhoz a szokásosnál magasabb dagály is párosult. A tenger elöntötte a part mentén fekvő városok egy részét, és a hullámverés Delaware-től egészen Massachusetts-ig erőteljes parti eróziót okozott.

A vihar kialakulása

Az intenzív havazást és viharos szelet egy nagyskálájú és gyorsan fejlődő ciklon okozta. A ciklon fejlődését az ECMWF globális számítógépes modell analíziseinek és előrejelzéseinek segítségével jól meg lehetett határozni. A folyamat azzal a sekély ciklonnal kezdődött, ami január 20-án Kanada délnyugati része fölött jött létre, és a Kordillerák keleti oldala mentén helyeződött át délkelet felé (1. ábra).

1. ábra:
Az ECMWF modell 2016. 01. 20. 12 UTC-s analízise.
Az ábrán a 850 hPa nyomásszint magassága (folytonos vonalak, m), hőmérséklete (színezett területek, °C) és szele (nyilak, m/s) látható.
Az “A” betű az alacsony, az “M” betű a magas nyomást jelzi.
A vastag nyilazott vonal mutatja a ciklon haladási irányát, a kialakulásának kezdeti fázisában.

Az előrejelzők és a kutatók a ciklonok keletkezését gyakran speciális paraméterek segítségével vizsgálják, melyek az áramlás mentén, általános körülmények között nem változnak (vagy csak nagyon keveset). Ilyen paraméter a potenciális örvényesség (angolul Potential Vorticity, PV), mely segítségével jól lehet ábrázolni a magaslégköri változásokat, hideg levegő betöréseket. Zonális (nyugatról kelet felé történő) áramlás esetén a PV észak felé növekszik és a magas értékei a nagyon stabil, hideg levegőtömegek felett találhatóak (már a sztratoszférában).  Ha a magaslégköri áramlásban hullámok keletkeznek, a PV eloszlásában is hullámok, anomáliák jönnek létre és a magasabb PV-értékű mezők elnyúlnak dél felé, sőt néha le is szakadhatnak az eredeti alapáramlástól. Hasonló anomáliákat a hóvihart megelőző napokban az Egyesült Államok felett is lehetett találni (2. ábra). A PV mező eloszlása azt mutatta, hogy a Sziklás-hegység felett, a magasabb levegőrétegekben alacsonynyomású teknő jött létre és hideg levegő betörés kezdődött meg, amely egészen a szubtrópusi övezetig elért.

2. ábra
Az ECMWF modellből számított 300 hPa nyomásszinti (9 km körüli magasság) potenciális örvényesség mező analízise
(színezett területek, PVU egységben). A magaslégköri anomáliát “PV” felirat jelzi, a nyíl az áthelyeződési irányát.
A PV anomália egybeesik a 300 hPa nyomásszint magasságának (folytonos vonalak, m) a teknőjével.
Az ellipszis jelzi az első ábrán bemutatott alacsonynyomás helyzetét.

Légkörfizikával foglalkozó folyóiratokban sok cikk és tanulmány jelent meg arról, hogy hasonló változások befolyásolják a ciklonok intenzitását, élettartalmát és áthelyeződési irányát. A talaj közelében képződő ciklonok követik a magassági anomáliák áthelyeződését, terjedését és ezek hatására tovább mélyülhetnek. Ilyen összefüggés tételezhető fel az 1. ábrán kijelölt alacsony légnyomás és a tőle nyugatra lévő PV anomália között is. Bár a ciklon továbbra is viszonylag sekély maradt, január 21-én már a Mexikói-öböl nyugati részére helyeződött át.

Ennek környezetében két egymástól nagyon eltérő tulajdonságú levegőtömeg találkozott. Délkelet felől trópusi eredetű, nagyon meleg és igen nedves levegő áramlott a térségbe (3. ábra). Ebben a légtömegben a harmatpont elérte a 20 fokot és a levegőben található vízgőz parciális nyomásértéke a 18–20 hPa-t (18.8hPa felett a levegő fülledtnek számít, ez nálunk többnyire csak nyáron fordul elő, akkor sem gyakran). Ezzel egy időben észak felől 15–20 fokkal hidegebb levegő is érkezett. A két levegőtömeg határán erős összeáramlási zóna alakult ki, amelynek környezetében erős feláramlások, intenzív eső és heves zivatarok keletkeztek. Ez viszont kedvező feltételt nyújtott ahhoz, hogy a légnyomás süllyedjen.

3. ábra
Az ECMWF +6 órás előrejelzése 2016. 01. 21. 18 UTC időpontra vonatkozóan.
Az ábrán látható az 1000 hPa szinti (talajhoz közeli) vízgőznyomás (kékes színek, hPa) és a tengerszinti légnyomás
(folytonos vonalak, hPa) eloszlása. A „H“ betű a hideg, az „M/N“ felirat a meleg és nedves levegőtömegeket jelzik és a nyilak ezek
terjedési irányát mutatják. A szaggatott vonal a 10 m-es magasságban mért szélsebesség (m/s) összeáramlási vonalát jelzi.

Időközben a magaslégköri PV anomália is tovább erősödött, és kelet felé vonult (4. ábra). Az anomália előoldalán erős szélnyírást lehetett tapasztalni, mivel a magasban, körülbelül 9–10 km-rel a tengerszint felett, itt húzódott a futóáramlás tengelye (5. ábra) ahol esetünkben 55–65 m/s (200–235 km/h) szélsebesség is előfordult. Az egyes meteorológiai állapothatározóknak ilyen együttállása különösen kedvez annak, hogy a ciklon nagyon gyorsan, hirtelenül tudjon kimélyülni, ugyanis a PV anomália peremén erős feláramlások keletkeznek, melyek a ciklont szó szerint „bepörgetik” (6. ábra). Ez ahhoz a jelenséghez hasonlítható, amikor a műkorcsolyázók a kezeik összehúzásával begyorsítják a forgásukat.

4. ábra
A 300 hPa PV anomália helyzete 2016. 01. 22-én, 18 UTC-kor (+6 órás előrejelzés).
Az A-B vonal a 6. ábrán mutatott vertikális keresztmetszet irányát jelzi. A talajnál a ciklon az anomália előoldalán található (piros ellipszis).

5. ábra
A 300 hPa nyomási szint magassága (vonal, m), szele (nyilak, m/s) és szélsebessége (színek, m/s).
A narancssárga, piros színezés a hullámzó futóáramlást („FA”) emeli ki, ahol a legerősebb szél elérte a 65 m/s sebességet (235 km/h).

6. ábra
A PV mező (színek, PVU), szélsebesség (vonalak, m/s) és szél (nyilak, m/s) vertikális keresztmetszete.
A nyilak jelzik, hol alakulhat ki erős feláramlás, illetve leáramlás, aminek következtében erősödhet a ciklon,
illetve anticiklon forgása. Általában ilyen folyamat vezet a mérsékeltövi ciklonok gyors mélyüléséhez
(az angol szakirodalomban a jelenséget „bombogenesis”-nek is nevezik).

A PV anomália és a futóáramlás együttes hatására a ciklon irányt változtatott, először Florida irányába haladt tovább, majd január 22-én északkelet felé fordult az USA keleti partját követve (7. ábra). Ebben a fázisban is még mindig nagyon meleg és nedves levegő áramlott a Karib-tenger térségéből a ciklon középpontja felé (8. ábra). Ezt a levegőtömeget a ciklon áramlása a kontinens felé irányította, ahol az alsó rétegekben még mindig ott volt a nagyon hideg levegő (9. és 10. ábra). Így a csapadék hó formában hullott le és az erős feláramlások miatt a hó hullása igen intenzív volt, amelyet jól mutat, hogy hózivatarok is létrejöttek. A légnyomás egészen 990 hPa alá csökkent a ciklonban, amelynek nyugati és északi oldalán nagy légnyomás-különbség alakult ki, ez pedig viharos szelet hozott létre. Következményként az erős havazás mellett erős hófúvás, és az óceán partjánál nagy hullámverés volt tapasztalható.

7. ábra
 2016. 01. 22-én a ciklon gyorsan mélyült és északkelet felé kezdett vonulni, az USA keleti partvonalát követve.

 
8. ábra
2016. 01. 23-án a ciklon középpontja felé még mindig nagyon meleg és nedves levegő áramlott a Karib-tenger térsége felől.
A folytonos vonalak a tengerszinti légnyomást jelzik, a nyilak a felszínközeli szelet, a vastag nyilazott vonal pedig
a meleg és nedves légáramlás tengelyét.

9. ábra
A ciklon középpontja 2016. 01. 23-án az USA keleti partja mentén fekvő nagy városokhoz (pl. New York, „NY”) közeledett.
Az AB vonal jelzi a 10. ábrán bemutatott vertikális keresztmetszetet (hozzávetőlegesen a meleg és nedves levegő beáramlása mentén).
A szaggatott vonalak az úgynevezett specifikus nedvesség (g/kg) eloszlását mutatják.
A ciklon környezetében 25–30 fokos különbségek alakultak ki a 2 m-es hőmérsékletben (színezett területek, °C).

10. ábra
A hőmérséklet (színezett területek, °C), specifikus nedvesség (g/kg) és szél (nyilak, m/s) vertikális
keresztmetszete (ÉNY-DK irányban). A nyíl mutatja a melegebb és nedvesebb levegő áramlását délkelet felől.
Az alacsonyabb szinteken a kontinens felett maradt a hideg levegőtömeg, felette hőmérsékleti inverzió keletkezett.

Az előrejelzések beválása

Több nappal az esemény előtt már látszott, hogy szélsőséges időjárási helyzet várható az USA keleti partjainál. Így például az ECMWF január 19. 00 UTC-kor indított modellszámítása már akkor előrejelezte a ciklon pusztítását, amikor az még nem is jött létre. A középtávú modellfutások azonban délebbre helyezték a nagy csapadékot (11. ábra) és csak mérsékelt havazást jeleztek előre New York környékére.

11. ábra
Az ECMWF modell +84 órás előrejelzése szilárd halmazállapotú (hó) csapadékra 2016. 01. 24. 00 UTC-re vonatkozóan
(színezett területek, mm). Az ábra az USA keleti partvidékét mutatja (a nagy tavaktól délkelet felé).
A vonalak a tengerszinti nyomást (hPa), a nyilak a 10 m-es magasságra előrejelzett szelet (m/s) ábrázolják.

Az OMSZ-ban tesztjelleggel készítettünk egy rövidtávú (48 órára szóló) és finomfelbontású (2,5 km rácsponti távolság) futást a WRF mezoskálájú modell segítségével. Ennek a modellnek az előrejelzése sokkal részletesebb csapadékmezőt produkált, ahol a frissen hullott hó mennyisége és a hóvastagság (12. és 13. ábra) közelít az észlelt adatokhoz. A finom felbontásnak és a légköri folyamatok pontosabb parametrizációjának köszönhetően az előrejelzett ciklon mélyebb lett és a csapadékzóna észak felé is jobban kiterjedt. Így New York környékére már 36 mm csapadékot jelzett előre, bár ez még mindig alulmaradt a valósághoz képest. A NOAA („National Oceanic and Atmospheric Administration”, tehát az Egyesült Államok országos óceáni és légköri hivatala) honlapján megjelent hóanalízis (14. ábra) azt mutatja, hogy nagy területen hullott 50 cm-t és néhol 1 m-t meghaladó hó, ahogy ezt a WRF modell sikeresen előrejelezte. A WRF modellt más beállításokkal is futtattuk, így tesztelve az érzékenységét a felhőzet és csapadék parametrizációjára. Ezek a kísérletek is hasonló végeredménnyel jártak, csupán a csapadék területi eloszlásában tapasztaltunk kisebb eltéréseket.

12. ábra
Az OMSZ-nál alkalmazott WRF modell tesztjellegű, +36 órára összegzett szilárd halmazállapotú (hó) csapadék előrejelzése
(színezett területek, mm).

13. ábra
A WRF modell +36 órás hóréteg vastagságának előrejelzése 2016. 01. 24. 00 UTC-re vonatkozóan (színezett területek, cm-ben).

 
14. ábra
Az NOAA hóvastagság (cm) analízise 2016. 01. 24. 00 UTC-re vonatkozóan.
Forrás: www.nohrsc.noaa.gov/interactive/html/map

Előfordulhatnak hasonló hóviharok Magyarország térségében?

A feljebb bemutatott légkördinamikai folyamatok, melyek az amerikai hóviharhoz vezettek, olykor Európa térségében is megfigyelhetőek. Gyorsan kialakuló mély ciklonok, úgynevezett „viharciklonok” néha nagy pusztítást okoznak Európában, elég csak az 1999. évi „karácsonyi” ciklonokat és a 2004. évi Tátrai vihart említeni. Az Atlanti-óceán felől közeledő ciklonok elég nagy távolságokról tudják „beszívni” a nagyon meleg és nedves, trópusi övezetből származó levegőt, ami lényegesen befolyásolja a vihar és a csapadék intenzitását (15. ábra). A „Jónás” ciklonnál az volt a jellemző, hogy nagyon hosszú idő alatt a partvidék mentén mozgott, ahová szinte akadálytalanul jutott el a trópusi eredetű levegő, emiatt nagy és tartós hőmérsékleti, illetve nedvességi különbségek tudtak kialakulni. Ez a közép-európai térségben ritkábban fordul elő, mégis vannak példák nagyon eltérő levegőtömegek találkozására. Ilyen volt például a 2014. december 1-én pusztító ónos eső, ekkor hazánk középső területein néhol rövid idő alatt 30–40 mm ónos eső hullott.

15. ábra
Az ECMWF 2016. 01. 26. 00 UTC-s analízise Európa, észak Afrika és Atlanti óceán térségére vonatkozóan.
Az ábrán látható a vízgőznyomás (kékes színek, hPa) és a tengerszinti légnyomás (vonalak, hPa) eloszlása.
A nyíl jelzi a trópusi eredetű meleg és nedves levegő áramlását az Atlanti óceán felett haladó ciklon felé.

A Kárpát-medence térségében nagy mennyiségű csapadékot az úgynevezett mediterrán ciklonok okoznak. Extrém esetben az ilyen ciklon mozgása lelassulhat és néhány napos nagyon intenzív csapadékot produkálhat. Magyarországon mostanában inkább a tavaszi időszakban volt erre példa, mint ahogy a 2010. évben pusztító Zsófia ciklonnál tapasztalhattuk. A korábbi években kialakult jelentős hófúvások (pl. a 2013 januári és márciusi esetek) szintén mediterrán ciklonokkal függtek össze. Ezek a légörvények azonban gyakran tőlünk délebbre, a Balkán-félsziget fölött vonulnak, és ott okoznak szélsőséges havazást és hófúvást. Erre a közelmúltban volt is példa, ugyanis 2016. január 17-én és 18-án Bulgáriában és Romániában több helyen hullott le hirtelen 40–50 cm hó.

A hasonló helyzetek korai felismeréséhez és előrejelzéséhez elengedhetetlenek a korszerű globális és regionális numerikus modellek, a nagy teljesítményű szuperszámítógépek, a sűrű és precíz észlelési hálózat. Az előrejelzett időjárási helyzet súlyosságát azonban csak úgy lehet megállapítani, ha értjük is azokat a folyamatokat, melyek által a ciklonok és a heves csapadék keletkeznek. A legjobb numerikus modellek által készített számítások is jelentősen eltérhetnek a valóságtól. A számítások korrigálása és a veszélyjelzés pontosítása a csúcstechnika ellenére is nagy kihívás, amihez az előrejelzőknek sok tapasztalatra és a légkörfizika ismereteire van szükségük.

Felhasznált források:

• www.usatoday.com
• www.nytimes.com
• earthobservatory.nasa.gov
• www.ncdc.noaa.gov
• www.nohrsc.noaa.gov
• www.sott.net