Squall line tornadoes zijn sluipend, gevaarlijk en moeilijk te voorspellen.

Meteoroloog Thea Sandmael keek toe terwijl de storm dichterbij kwam. Het was dichtbij genoeg voor haar om een roterende koepel van wolken te zien opkomen uit de donkere onderbuik ervan - de versnelling van een tornado. Tegen de tijd dat de draaiende massa op 10 minuten afstand was, hadden Sandmael en haar collega's hun radarapparatuur uitgeschakeld en hun post geëvacueerd.

"Gewoon doorgaan," adviseerde ze haar collega achter het stuur, die terecht gericht was op het manoeuvreren van hun SUV over de afgelegen weg in Alabama. Daarachter reed nog een collega in een vrachtwagen met hun omvangrijke radarapparatuur. Het evacueren was een goede beslissing, zo reflecteert ze: "We zaten aan de westkant van de weg, en de tornado raakte precies op onze locatie."

Dit was niet zomaar een dag van het achtervolgen van tornado's voor Sandmael, van het Cooperative Institute for Severe and High-Impact Weather Research and Operations, ofwel CIWRO, in Norman, Oklahoma. Op deze dag waren zij en haar team op jacht naar iets ongewoons: een geniepige soort tornado genaamd een squall line tornado.

De meeste tornado's vormen zich in geïsoleerde stormen genaamd supercells. Deze tornado's zijn de meest voorkomende, meest destructieve en meest bestudeerde klasse van tornado's. Squall line tornado's daarentegen ontwikkelen zich langs de voorkant van lange rijen stormen die bekend staan als quasi-lineaire convectieve systemen, soms ook wel QLCSs genoemd, of squall lines. Over het algemeen zijn ze minder intens dan supercell tornado's, zegt atmosfeerwetenschapper Karen Kosiba van de University of Illinois Urbana-Champaign. Maar, zegt ze, "dat betekent niet dat ze niet gevaarlijk zijn."

Squall line tornado's hebben de neiging om te verrassen. Ze zijn vluchtig en ontwijken vaak detectie, ze vormen zich en sterven in de intermezzo's tussen de scans van de meeste radarsystemen. Ze zijn ook moeilijk te anticiperen, ze manifesteren zich plotseling langs rijen van stormen die honderden kilometers lang kunnen zijn. En in vergelijking met supercell tornado's komen squall line tornado's vaker voor in het koele seizoen en in de donkere uren van de nacht, wanneer tornado's minder verwacht worden.

Bovendien komen squall line tornado's onevenredig vaker voor in het zuidoosten van de Verenigde Staten, een regio die bijzonder kwetsbaar is voor tornado's. In de afgelopen 70 jaar is het centrum van tornado-activiteit van het land - zowel supercell als squall line - verschoven van de Great Plains naar het Zuidoosten. De regio heeft niet alleen een dichtere bevolking dan de Great Plains, maar bevat ook een hogere concentratie van gemakkelijk op te tillen mobiele en geprefabriceerde woningen.

In het nieuwe tornado-hartland van het land hoeft een squall line twister niet van grote intensiteit te zijn om een ernstig risico te vormen. Met het oog op het belang om dat risico te verminderen, bundelden Sandmael, Kosiba en tientallen andere onderzoekers hun krachten voor de Propagation, Evolution and Rotation in Linear Storms - ofwel PERiLS - veldcampagne. Gedurende de late winter- en lenteseizoenen van 2022 en 2023, ontplooiden teams zich over het Zuidoosten en legden een ongekende schat aan gegevens vast.

Hun werk heeft al onthuld dat squall line tornado's mogelijk vaker voorkomen en gevaarlijker zijn dan eerder werd gedacht. Gelukkig hebben de onderzoekers ook aanwijzingen ontdekt die kunnen helpen om deze tornado's iets minder verrassend te maken.

Om een tornado te laten ontstaan zijn bepaalde atmosferische ingrediënten nodig: een bron van rotatie, een opheffingsmechanisme om de luchtstijging te triggeren en iets om de stijging gaande te houden.

Begin bijvoorbeeld met een naderende koufront dat van onderaf duwt om de lucht ervoor omhoog te brengen. Dit triggert de vorming van een stijgende luchtstroom. Om te blijven bestaan, heeft die stijgende luchtstroom lucht nodig bij de grond die enige opwaartse kracht bezit, of wat meteorologen instabiliteit noemen. En het geheime ingrediënt dat ervoor zorgt dat alles gaat draaien? Dat is verticale windschering, of een verandering in windsnelheid met toenemende hoogte. Denk aan een rechtopstaand schoepenrad; wanneer hogere winden sneller bewegen en harder duwen op de bovenste schoepen, begint het rad te draaien.

Recente waarnemingen suggereren dat deze ingrediënten op verschillende manieren kunnen mengen om tornado's te produceren in squall lines, zegt NOAA atmosfeerwetenschapper Anthony Lyza, werkzaam bij CIWRO. Neem instabiliteit, die vaak gemeten wordt als convectieve beschikbare potentiële energie, of CAPE. CAPE wordt soms beschreven als de hoeveelheid brandstof die beschikbaar is voor een groeiende storm.

Volgens NOAA zijn CAPE-waarden van 1.000 joules per kilogram meestal hoog genoeg om sterke stormen aan te drijven. Maar "veel van deze [squall lines] komen eigenlijk voor in een omgeving met lage CAPE, hoge [wind] schering," zegt atmosfeerwetenschapper Alexandra Anderson-Frey van de University of Washington in Seattle.

Bijvoorbeeld, in maart 2022 maten onderzoekers van PERiLS een CAPE van slechts ongeveer 500 joules per kilogram in een squall line over Mississippi en Alabama die tientallen tornado's veroorzaakte. En Lyza zegt dat hij squall line tornado's heeft gezien die ondersteund werden door CAPE-waarden van slechts 100 joules per kilogram. Deze lage CAPE-instellingen laten zien dat omgevingen die in staat zijn om squall line tornado's te vormen, onderbelicht zijn in het onderzoek, zegt Anderson-Frey. Tegelijkertijd heeft nieuwe technologie meer squall line tornado's aan het licht gebracht. In tegenstelling tot oudere Doppler-radartechnologie die alleen in de horizontale dimensie scant, scannen nieuwere dual-polarisatieradarinstrumenten zowel in de verticale als horizontale dimensies. In het afgelopen decennium heeft de verspreiding van de nieuwere technologie het aantal detecties van squall line tornado's verhoogd, zegt Lyza.

Dit alles om te zeggen dat squall line tornado's waarschijnlijk vaker voorkomen dan onderzoekers eerder dachten. Misschien is het dan ook iets minder verrassend dat ze misschien gevaarlijker zijn dan eerder werd gedacht.

Op een rustige middag in maart 2022 verscheen Lyza op een landelijke boerderij in Noxubee County, Miss. Een squall line tornado had de dag ervoor door het gebied geraasd en Lyza was aangekomen om te helpen bij het beoordelen van de schade voor PERiLS.

Iets aan het tafereel kwam vreemd op hem over. De operationele radar had niet aangegeven dat de tornado bijzonder heftig was geweest. Maar Lyza had aanzienlijke schade aan een huis op het terrein waargenomen.

"Een groot deel van de dakvloer was weggeblazen, en een hele buitenmuur was uit het huis geblazen," zegt Lyza. In de buurt lagen de resten van een machineberging die was ontworteld en uiteengereten. De berging was verankerd aan de grond met 5 meter lange betonnen pilaren, herinnert Lyza zich.

"We waren behoorlijk geschokt," zegt hij. "We zijn niet per se naar Noxubee County gegaan in de veronderstelling dat we sterke tornado-schade zouden vinden daar."

De uitgebreide schade was niet het enige verrassing: "We merkten dat de tornado het terrein was binnengekomen vanuit het zuidwesten," zegt Lyza. Maar een spoor van beschadigde bomen leek te suggereren dat de wervelwind vervolgens abrupt naar het oosten boog enkele honderden meters voordat het weer naar het noordoosten zwaaide.

Het is niet ongebruikelijk voor een tornado om van richting te veranderen, maar bij hoge snelheden worden hun bochten breed, net als auto's op een snelweg. Deze tornado was met ongeveer 100 kilometer per uur vooruit gegaan, en toch leek zijn pad scherp te buigen.

Gelukkig was er een mobiel radarvoertuig ingezet slechts vier kilometer ten zuiden. Zijn stralen hadden de raadselachtige dans van de wervelwind vastgelegd, samen met bewijs dat zijn vreemde pad was gevormd door meerdere vortices: tornado's in een tornado.

"Het is de eerste die ik ken - waarvan iemand hier in de buurt kent - wat betreft een [squall line] tornado," zegt Lyza.

Deze subvortices verschenen en verdwenen zo snel, hun evolutie was moeilijk te volgen via de intermitterende radar scans. Maar "binnen een enkele scan, denk ik dat ik hoogstens vier tegelijkertijd kon identificeren," zegt Lyza. "Deze individuele vortices waren eigenlijk verantwoordelijk voor de meeste schade, en de hoofdtornado zelf was vrij zwak."

Onderzoekers hebben waargenomen dat squall line tornado's de neiging hebben om breder te zijn dan supercel tornado's; misschien komt dat doordat er veel subvortices in zitten, speculeert Lyza. Squall line tornado's blijken ook minder effectief te zijn dan soortgelijk intense supercel winden bij het omhoog werpen van puin in de lucht. Dat zou kunnen komen doordat deze subvortices zo kortstondig zijn dat "ze niet per se de kans krijgen om puin zo hoog op te tillen," zegt Lyza.

Deze subvortices "verhogen waarschijnlijk de maximale intensiteit van de tornado," zegt windingenieur Frank Lombardo van de University of Illinois Urbana-Champaign, die de schade op de locatie met Lyza beoordeelde. De windsnelheden in een subvortex kunnen samengaan met de windsnelheden van de ouderlijke tornado, legt hij uit.

Het is moeilijk te zeggen of subvortices gebruikelijk zijn bij squall line tornado's op basis van een enkel geval. Maar als dat zo is, "moeten we misschien onze tornado-risicoberekeningen herzien," voegt Lombardo toe. "We hebben hun intensiteit mogelijk totaal onderschat."

De ontdekking dat squall line tornado's mogelijk vaker en intenser zijn dan eerder gedacht, maakt het voorspellen ervan nog urgenter. Gelukkig hebben atmosferische wetenschapper Todd Murphy van PERiLS van de University of Louisiana in Monroe en zijn collega's misschien enkele broodnodige aanwijzingen gevonden.

Decennialang hebben onderzoekers waargenomen dat sommige squall lines naar voren uitpuilen terwijl ze over het landschap trokken, waardoor ze de vorm kregen van een boog van een boogschutter, en dat tornado's soms ontstaan op de top van deze bogen. Later ontdekten onderzoekers dat deze tornado's geassocieerd zijn met ondiepe, kleinschalige windvortices. De experts noemden ze mesovortices.

We kunnen squall lines goed voorspellen - over het algemeen met meer nauwkeurigheid dan we andere soorten onweersbuien kunnen voorspellen, zegt atmosfeerwetenschapper Patrick Skinner van CIWRO. Maar het voorspellen van de ingebedde mesovortices is erg moeilijk, zegt hij. Bovendien vormen alleen sommige mesovortices tornado's, en onderzoekers weten niet waarom dat het geval is.

Tijdens de recente PERiLS-veldcampagne gebruikten Murphy en zijn team Light Detection and Ranging, of lidar, instrumenten om de atmosfeer te monitoren enkele uren voor de komst van een squall line. Deze instrumenten scanden de lucht met dunne laserstralen, die reflecteerden op aerosolen die dienden als windtracers.

"In het overgrote deel van onze gevallen lieten de lidargegevens vrij abrupte veranderingen zien in het windprofiel ongeveer 90 minuten voordat de squall line op de locatie aankwam," zegt Murphy. Op verschillende niveaus in de onderste atmosfeer nam het verticale windschering toe, wat meer rotatie in de squall line veroorzaakte, legt hij uit.

En het was niet alleen de windschering die drastisch veranderde; alle PERiLS-sleutelelementen voor tornado-vorming "kunnen heel snel veranderen binnen een uur of twee voor de komst van een squall line," zegt Murphy.

Met behulp van gegevens verzameld tijdens PERiLS, samen met 10 jaar aan radarwaarnemingen verzameld door de National Weather Service, onderzochten Murphy en zijn collega's hoe de atmosfeer veranderde voor mesovortices in squall lines. Meer specifiek analyseerden ze windsnelheden op verschillende lagen van de atmosfeer voor mesovortices die tornado's vormden en die dat niet deden.

Voorafgaand aan tornadische mesovortices leek er iets meer windschering te zijn, zegt Murphy. Belangrijker nog, er was meer rotatie en deze handtekening was sterker voor squall lines die minstens vijf windhozen produceerden.

De gegevens suggereren dat bepaalde windsferen zich mogelijk voorbereiden op tornadische mesovortices, zegt Murphy. Mesovortices vormen zich binnen updrafts, die voortdurend binnen de gehele lengte van een squall line ontstaan en oplossen. Wanneer een updraft en lucht die rond de grond circuleert, zich op één lijn bevinden en worden uitgelijnd, kan de updraft de circulatie omhoog strekken, waardoor deze sneller gaat draaien.

"We noemen het het ijsschaatseffect," zegt Murphy, verwijzend naar het beroemde voorbeeld van een schaatser die sneller ronddraait wanneer beide armen dicht bij het lichaam worden gehouden. "Als je die rotatie uitrekt," zegt hij, "veroorzaakt dit dat de straal kleiner wordt, maar de rotatie sterker wordt."

Als meteorologen de omstandigheden 60 tot 90 minuten voor een squall line monitoren en het windprofiel deze handtekening begint te vertonen, kunnen ze overwegen waarschuwingen uit te geven, zegt Murphy.

"Zodra het is goedgekeurd," zegt hij, "[dit signaal] lijkt een duidelijke operationele handtekening te zijn die het Weather Service waarschijnlijk kan gebruiken."

Veel van de gegevens verzameld tijdens PERiLS worden nog steeds geanalyseerd en er kunnen in de komende jaren meer bruikbare bevindingen naar voren komen. Skinner werkt aan NOAA's Warn-on-Forecast, een project om de leadtijd van voorspellingen voor tornado's en ander zwaar weer te vergroten. Hij analyseert de PERiLS-gegevens om te bepalen hoeveel resolutie huidige weerssimulaties nodig hebben om mesovortices in squall lines nauwkeurig weer te geven.

Het zal aanzienlijke verbeteringen in onze weersimulaties vergen om tornadische mesovortices zo goed te kunnen voorspellen als we supercell tornado's kunnen voorspellen, zegt Murphy. Maar uiteindelijk, zegt hij, "denk ik dat we er zullen komen."