Co je potřeba ke vzniku bow echa?
Kdo se v letošní bouřkové sezóně trochu zabýval děním na obloze, nemohl si nevšimnout termínu bow echo. Ostatně v noci na dnešek zasáhlo i východní polovinu Čech. Toto označení je převzato z angličtiny. V češtině bychom mohli použít termín obloukové echo, ale v kruzích meteorologů, kteří se specializují na bouřky, se využívá výlučně anglického termínu. Jedná se o tvar radarového odrazu, který připomíná napnutý luk, nebo jakési vyboulení bouřkového systému směrem vpřed, jako například na Obr. 1. Toto uspořádání konvektivní bouře vzniká na lineárně orientovaných bouřkových systémech (squall line). V článku uvedeme podrobné a odbornější vysvětlení vzniku bow echa a zmíníme také, jaké nebezpečné jevy může s sebou přinášet.
Obr. 1 Bow echo nad východem Čech a jeho charakteristiké prohnutí, zdroj: chmi.cz
Bow echo bývá spojeno se squall line (SQL), což je druh mezosynoptického konvektivního systému, který tvoří víceméně lineárně uspořádané konvektivní bouře. Tato linie bouřek bývá dlouhá 100 km a více. Dopředné vyboulení bouřkové linie vzniká v důsledku urychlení postupu dané části bouře kvůli působení RIJ (rear inflow jet, v češtině zadní vtok) nebo kvůli downburstům. Na čele bow echa se vyskytuje silný nárazovitý vítr, ojediněle se mohou vyskytnout i tornáda. Při rychle postupujícím a dlouho trvajícím bow echu dochází k vzniku větrných bouří, které označujeme jako derecha.
Obr. 2 Koncepční model vývoje bow echa. Černé tečky znázorňují polohu downburstů (DB), barvy indikují intenzitu radarové odrazivosti, zdroj: MARKOWSKI a RICHARDSON, 2010
Jak jsme uvedli již v předchozím odstavci, pro bouře typu bow echo je velmi důležitý zadní vtok (RIJ) do konvektivního systému. Pojďme si říct, jak tento RIJ vzniká. V přední části konvektivního systému, většinou SQL, se vyskytují silné výstupné proudy (updrafty), které při svém vzestupu kondenzují, čímž dochází k uvolňování latentního tepla. Předpokládáme, že vzduch v upraftu, aby vůbec mohl stoupat, je teplejší než vzduch okolní, a pokud se ještě vlivem uvolnění latentního tepla ohřeje, jeho vzestup se ve středních úrovních (zhruba ve výškách 3-6 km) zrychlí. Také se v těchto výškách formují downdrafty (sestupné proudy). Čili na základě těchto dvou aspektů dochází ke vzniku relativního podtlaku ve středních úrovních v přední části bouřkového systému (mid-level low pressure area). Tento podtlak vyvolává proudění ze zadní části bouřkového systému směrem vpřed v jeho středních úrovních (RIJ). Zadní vtok při svém postupu do sebe vtahuje i sušší vzduch z oblasti za bouřkovým systémem. Víme, že sušší vzduch podporuje výpar a při výparu se spotřebovává latentní teplo, což vede k ochlazení vzduchu (chladnější vzduch má vyšší hustotu) a zvýšení intenzity downdraftů. Dále silný RIJ urychluje střední části bouřkového systému, čímž dává za vnik bow echu.
Obr. 3 Koncepční model squall line a připojenou stratiformní částí vyobrazený ve vertikálním řezu. Jednotlivé barvy znázorňují intenzitu radarové odrazivosti. Minima a maxima tlaku vzduchu znázorňují písmena L (low) a H (high). Bright band indikuje zvýšenou intenzitu radarové odrazivosti v důsledku tání ledových částic, zdroj: MARKOWSKI a RICHARDSON, 2010
Díky působení RIJ vznikají na okrajových částech bouřkového systému dvě maxima vorticity. Na severní polokouli, pokud systém postupuje od západu na východ, se na severní straně obvykle formuje cyklonální vorticita a na jižní straně anticyklonální vorticita (Obr. 2). Tyto víry se v anglické literatuře označují jako bookend vorticies. Ve většině případů je severní vír výraznější na severní polokouli v důsledku působení Coriolisovy síly. Může však existovat i symetrický bouřkový systém s dobře zřetelnými oběma víry. Častěji se ovšem formuje do asymetrické podoby s vyvinutějším vírem na severní straně. Z maxima vorticity na severním okraji díky působení Coriolisovy síly a latentnímu ohřevu ve středních úrovních bouřkového systému se může zformovat mezosynoptický konvektivní vír (MCV), ale detailněji o něm pojednáme v jiném článku.
Můžeme tvrdit, že čím výraznější je mid-level low pressure area, tím intenzivnější bude RIJ a dojde tak snáze ke vzniku bow echa. Výraznost mid-level low pressure area se odvíjí od intenzity updraftů a downdraftů. Síla updraftů se v těchto bouřkových systémech výrazně odvíjí od hodnot CAPE (a angl. convective available potential energy), což je dostupná potenciální energie pro konvektivní stoupavé proudy, tedy updrafty. Jak napovídá Obr. 4, čím vyšší je rozdíl teplot mezi adiabaticky stoupající vzduchovou částicí a okolním vzduchem, tím vyšší jsou hodnoty CAPE, a tedy tím jsou intenzivnější updrafty. Na obrázku 4a můžeme vidět výrazný rozdíl mezi teplotou adiabaticky vystupující částice (růžová křivka) a okolním vzduchem (černá křivka), což poukazuje na vyšší hodnoty CAPE (to je v podstatě obsah plochy mezi těmito křivkami) a výraznější mid-level low pressure area (L), která povede ke vzniku silnějšího RIJ (černá šipka). Naopak obrázek 4b ukazuje situaci s nižšími hodnotami CAPE, a tedy slabším updraftem, který generuje slabší podtlak ve středních úrovních přední části bouřkového systému (L), což dává za vznik jen slabšímu RIJ (černá šipka).
Obr. 4 Ukázka, jak nakloněný updraft indukuje RIJ (rear inflow jet) v (a) prostředí s vysokými hodnotami CAPE a (b) s nízkými hodnotami CAPE, zdroj: MARKOWSKI a RICHARDSON, 2010
Dopředné vyklenutí bow echa především v jeho centrální části podporují také downbursty, které představují extrémně silné konvektivní sestupné proudy. Může se tedy jednat o lokální zesílení downdraftu. Jak naznačuje Obr. 3, RIJ zasahuje i do oblasti downdraftů a dochází tak přenosu hybnosti z RIJ, nebo RIJ v některých případech sesedne až k zemi. To pak vede k dalšímu zesílení rychlosti větru při zemi na přední straně bouřkového systému na větším území, zejména však v ose bow echa. Zmíněné downbursty jsou vázány zejména na vnořené konvektivní cely do bouřkového systému a mohou pak na povrchu způsobovat katastrofální škody.
Zmínili jsme, že pro vznik bow echa jsou důležité vyšší hodnoty CAPE (často přesahující v letní sezóně i 2-3 kJ/kg). Další důležitou komponentu je pak výrazný střih větru, který ve většině případů přesahuje 25 m/s ve vrstvě 0-6 km. Za takto výrazného střihu větru dochází k dobré organizaci bouří, kdy updraft a downdraft jsou od sebe oddělené a studený vzduch vytékající z bouře neodstřihne updraft, který pro bouři představuje zdroj energie a vlhkosti. Jako pro každou bouři, tak i při vzniku bow echa je důležitá iniciace, kterou může představovat zóna konvergence (sbíhavého proudění) před pomalu postupujícími zvlněnými studenými frontami v letním období nebo ji představuje samotná studená fronta.
Obr. 1 Bow echo nad východem Čech a jeho charakteristiké prohnutí, zdroj: chmi.cz
Bow echo bývá spojeno se squall line (SQL), což je druh mezosynoptického konvektivního systému, který tvoří víceméně lineárně uspořádané konvektivní bouře. Tato linie bouřek bývá dlouhá 100 km a více. Dopředné vyboulení bouřkové linie vzniká v důsledku urychlení postupu dané části bouře kvůli působení RIJ (rear inflow jet, v češtině zadní vtok) nebo kvůli downburstům. Na čele bow echa se vyskytuje silný nárazovitý vítr, ojediněle se mohou vyskytnout i tornáda. Při rychle postupujícím a dlouho trvajícím bow echu dochází k vzniku větrných bouří, které označujeme jako derecha.
Obr. 2 Koncepční model vývoje bow echa. Černé tečky znázorňují polohu downburstů (DB), barvy indikují intenzitu radarové odrazivosti, zdroj: MARKOWSKI a RICHARDSON, 2010
Jak jsme uvedli již v předchozím odstavci, pro bouře typu bow echo je velmi důležitý zadní vtok (RIJ) do konvektivního systému. Pojďme si říct, jak tento RIJ vzniká. V přední části konvektivního systému, většinou SQL, se vyskytují silné výstupné proudy (updrafty), které při svém vzestupu kondenzují, čímž dochází k uvolňování latentního tepla. Předpokládáme, že vzduch v upraftu, aby vůbec mohl stoupat, je teplejší než vzduch okolní, a pokud se ještě vlivem uvolnění latentního tepla ohřeje, jeho vzestup se ve středních úrovních (zhruba ve výškách 3-6 km) zrychlí. Také se v těchto výškách formují downdrafty (sestupné proudy). Čili na základě těchto dvou aspektů dochází ke vzniku relativního podtlaku ve středních úrovních v přední části bouřkového systému (mid-level low pressure area). Tento podtlak vyvolává proudění ze zadní části bouřkového systému směrem vpřed v jeho středních úrovních (RIJ). Zadní vtok při svém postupu do sebe vtahuje i sušší vzduch z oblasti za bouřkovým systémem. Víme, že sušší vzduch podporuje výpar a při výparu se spotřebovává latentní teplo, což vede k ochlazení vzduchu (chladnější vzduch má vyšší hustotu) a zvýšení intenzity downdraftů. Dále silný RIJ urychluje střední části bouřkového systému, čímž dává za vnik bow echu.
Obr. 3 Koncepční model squall line a připojenou stratiformní částí vyobrazený ve vertikálním řezu. Jednotlivé barvy znázorňují intenzitu radarové odrazivosti. Minima a maxima tlaku vzduchu znázorňují písmena L (low) a H (high). Bright band indikuje zvýšenou intenzitu radarové odrazivosti v důsledku tání ledových částic, zdroj: MARKOWSKI a RICHARDSON, 2010
Díky působení RIJ vznikají na okrajových částech bouřkového systému dvě maxima vorticity. Na severní polokouli, pokud systém postupuje od západu na východ, se na severní straně obvykle formuje cyklonální vorticita a na jižní straně anticyklonální vorticita (Obr. 2). Tyto víry se v anglické literatuře označují jako bookend vorticies. Ve většině případů je severní vír výraznější na severní polokouli v důsledku působení Coriolisovy síly. Může však existovat i symetrický bouřkový systém s dobře zřetelnými oběma víry. Častěji se ovšem formuje do asymetrické podoby s vyvinutějším vírem na severní straně. Z maxima vorticity na severním okraji díky působení Coriolisovy síly a latentnímu ohřevu ve středních úrovních bouřkového systému se může zformovat mezosynoptický konvektivní vír (MCV), ale detailněji o něm pojednáme v jiném článku.
Můžeme tvrdit, že čím výraznější je mid-level low pressure area, tím intenzivnější bude RIJ a dojde tak snáze ke vzniku bow echa. Výraznost mid-level low pressure area se odvíjí od intenzity updraftů a downdraftů. Síla updraftů se v těchto bouřkových systémech výrazně odvíjí od hodnot CAPE (a angl. convective available potential energy), což je dostupná potenciální energie pro konvektivní stoupavé proudy, tedy updrafty. Jak napovídá Obr. 4, čím vyšší je rozdíl teplot mezi adiabaticky stoupající vzduchovou částicí a okolním vzduchem, tím vyšší jsou hodnoty CAPE, a tedy tím jsou intenzivnější updrafty. Na obrázku 4a můžeme vidět výrazný rozdíl mezi teplotou adiabaticky vystupující částice (růžová křivka) a okolním vzduchem (černá křivka), což poukazuje na vyšší hodnoty CAPE (to je v podstatě obsah plochy mezi těmito křivkami) a výraznější mid-level low pressure area (L), která povede ke vzniku silnějšího RIJ (černá šipka). Naopak obrázek 4b ukazuje situaci s nižšími hodnotami CAPE, a tedy slabším updraftem, který generuje slabší podtlak ve středních úrovních přední části bouřkového systému (L), což dává za vznik jen slabšímu RIJ (černá šipka).
Obr. 4 Ukázka, jak nakloněný updraft indukuje RIJ (rear inflow jet) v (a) prostředí s vysokými hodnotami CAPE a (b) s nízkými hodnotami CAPE, zdroj: MARKOWSKI a RICHARDSON, 2010
Dopředné vyklenutí bow echa především v jeho centrální části podporují také downbursty, které představují extrémně silné konvektivní sestupné proudy. Může se tedy jednat o lokální zesílení downdraftu. Jak naznačuje Obr. 3, RIJ zasahuje i do oblasti downdraftů a dochází tak přenosu hybnosti z RIJ, nebo RIJ v některých případech sesedne až k zemi. To pak vede k dalšímu zesílení rychlosti větru při zemi na přední straně bouřkového systému na větším území, zejména však v ose bow echa. Zmíněné downbursty jsou vázány zejména na vnořené konvektivní cely do bouřkového systému a mohou pak na povrchu způsobovat katastrofální škody.
Zmínili jsme, že pro vznik bow echa jsou důležité vyšší hodnoty CAPE (často přesahující v letní sezóně i 2-3 kJ/kg). Další důležitou komponentu je pak výrazný střih větru, který ve většině případů přesahuje 25 m/s ve vrstvě 0-6 km. Za takto výrazného střihu větru dochází k dobré organizaci bouří, kdy updraft a downdraft jsou od sebe oddělené a studený vzduch vytékající z bouře neodstřihne updraft, který pro bouři představuje zdroj energie a vlhkosti. Jako pro každou bouři, tak i při vzniku bow echa je důležitá iniciace, kterou může představovat zóna konvergence (sbíhavého proudění) před pomalu postupujícími zvlněnými studenými frontami v letním období nebo ji představuje samotná studená fronta.
