Squall line tornadoes są podstępne, niebezpieczne i trudne do przewidzenia.
Meteorolożka Thea Sandmael obserwowała zbliżający się sztorm. Był na tyle blisko, że mogła zauważyć obracającą się kopułę chmur wyłaniającą się spod jego ciemnego brzucha — przyspieszający tornada. Gdy wirująca masa była już 10 minut drogi, Sandmael i jej koledzy wyłączyli swoje instrumenty radarowe i ewakuowali swoje stanowisko.
„Po prostu jedź dalej” — doradziła swojemu koledze za kierownicą, który odpowiednio skupił się na manewrowaniu swoim SUV-em po odległej drodze w Alabamie. Za nimi jechał inny kolega w ciężarówce przewożącej ich niewygodny sprzęt radarowy. Ewakuacja była dobrą decyzją, zastanawia się: „Siedzieliśmy po zachodniej stronie drogi, a tornado dotknęło ziemi dokładnie w naszym miejscu.”
To nie był zwykły dzień polowania na tornada dla Sandmael, z Instytutu Współpracy na rzecz Badań i Operacji meteorologicznych w Warunkach Ekstremalnych i Wysokiego Oddziaływania, czyli CIWRO, w Norman, Oklahomie. W tym dniu ona i jej załoga polowali na coś nietypowego: chytry rodzaj tornada zwany tornadem liniowym.
Większość tornad powstaje w izolowanych burzach zwanych superkomórkami. Są to najbardziej powszechne, destrukcyjne i najbardziej dobrze zbadane klasy tornad. Tornada liniowe z kolei rozwijają się wzdłuż frontów długich rzędów burz znanych jako quasi-liniowe systemy konwekcyjne, czasem nazywane QLCSs lub liniami squall. Ogólnie rzecz biorąc, są one mniej intensywne niż tornada superkomórkowe, mówi naukowiec atmosferyczny Karen Kosiba z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign. Ale mówi, „to nie oznacza, że nie są one niebezpieczne”.
Tornada liniowe mają tendencję do zaskakiwania. Są ulotne i często unikają wykrycia, tworząc się i ginąc między badaniami większości systemów radarowych. Są również trudne do przewidzenia, pojawiają się nagle wśród rzędów burz o długości nawet setek kilometrów. I w porównaniu z tornadami superkomórkowymi, tornada linii squall występują częściej w chłodnym sezonie i w ciemnych godzinach nocy, gdy tornada są mniej oczekiwane.
Co więcej, tornada linii squall są proporcjonalnie bardziej powszechne na południowym wschodzie Stanów Zjednoczonych, regionie szczególnie podatnym na tornada. W ciągu ostatnich 70 lat centrum aktywności tornadowej w kraju — zarówno superkomórkowych, jak i liniowych — przesunęło się z Wielkich Równin na Południowy Wschód. Region ten nie tylko ma gęściejszą populację niż Wielkie Równiny, ale także zawiera większą koncentrację łatwo przesuwalnych domów mobilnych i prefabrykowanych.
W nowym sercu tornad Stanów Zjednoczonych tornada linii squall nie muszą być wielkiej intensywności, aby stanowiły poważne zagrożenie. Rozpoznając potrzebę zmniejszenia tego ryzyka, Sandmael, Kosiba i dziesiątki innych badaczy połączyli siły w kampanii terenowej Propagation, Evolution and Rotation in Linear Storms — czyli PERiLS. W ciągu później zimy i wiosny w latach 2022 i 2023 zespoły rozmieszczone na Południowym Wschodzie uchwyciły niespotykaną ilość danych.
Ich praca już ujawniła, że tornada linii squall mogą być bardziej powszechne i bardziej niebezpieczne, niż wcześniej sądzono. Na szczęście badacze mogli również odkryć wskazówki, które mogłyby pomóc uczynić te tornada nieco mniej zaskakującymi.
Wywołanie tornada wymaga pewnych składników atmosferycznych: źródła obrotu, mechanizmu podnoszącego, który wywołuje unoszenie powietrza i czynnika, który utrzymuje unoszenie.
Zacznijmy od, powiedzmy, nadciągającego zimnego frontu pchającego od spodu, aby unieść powietrze przed sobą. To wywołuje powstanie prądu wznoszącego. Aby przetrwać, ten prąd wznoszący będzie potrzebował, aby powietrze blisko ziemi posiadało pewną lekkość, lub to, co meteorolodzy nazywają niestabilnością. A sekretny składnik, który sprawia, że wszystko się kręci? To pionowa zmiana prędkości wiatru, czyli zmiana prędkości wiatrów wraz ze wzrostem wysokości. Pomyśl o pionowym kółku pasowym; gdy wyższe wiatry poruszają się szybciej i mocniej naciskają na górne łopatki, koło się obraca.
Ostatnie obserwacje sugerują, że te składniki mogą mieszać się w różny sposób, aby tworzyć tornada w linii squall, mówi naukowiec atmosferyczny NOAA Anthony Lyza, który pracuje w CIWRO. Weźmy niestabilność, która często jest mierzona jako dostępna potencjalna energia konwekcyjna, czyli CAPE. CAPE jest czasem opisywana jako ilość paliwa dostępnego w rozwijającej się burzy.
Według NOAA, wartości CAPE wynoszące 1000 dżuli na kilogram są zazwyczaj wystarczająco wysokie, aby zasilać silne burze. Ale „wiele z tych linii squall faktycznie występuje w środowisku niskiej CAPE, o dużej niestabilności,” mówi naukowiec atmosferyczny Alexandra Anderson-Frey z Uniwersytetu Waszyngtonu w Seattle.
Na przykład w marcu 2022 roku badacze PERiLS zmierzyli CAPE zaledwie około 500 dżuli na kilogram w linii przelotowej nad Missisipi i Alabamą, która wywołała dziesiątki tornad. Lyza mówi, że widział tornada z linii przelotowej wspierane wartościami CAPE nawet tak niskimi jak 100 dżuli na kilogram. Te niskie ustawienia CAPE stanowią przykład środowisk, które były niedostatecznie zbadane pod względem zdolności do powstawania tornad z linii przelotowej, mówi Anderson-Frey. Jednocześnie nowa technologia odkrywa coraz więcej tornad z linii przelotowej. W odróżnieniu od starszej technologii radarowej Dopplera, która skanuje tylko w wymiarze poziomym, nowoczesne urządzenia radarowe o podwójnej polaryzacji skanują zarówno w wymiarze pionowym, jak i poziomym. W ciągu ostatniej dekady rozpowszechnienie nowoczesnej technologii zwiększyło wykrycia tornad z linii przelotowej, mówi Lyza.
Wszystko to oznacza, że tornada z linii przelotowej wydają się być bardziej powszechne, niż wcześniej myśleli badacze. Być może więc nie jest to zbyt zaskakujące, że mogą być bardziej niebezpieczne, niż dotychczas sądzono. W spokojne popołudnie w marcu 2022 roku Lyza pojawił się na wiejskim gospodarstwie w hrabstwie Noxubee w stanie Missisipi. Dzień wcześniej przez okolicę przetoczyło się tornada z linii przelotowej, a Lyza przybył, by pomóc ocenić szkody dla PERiLS. Jakaś rzecz w tej scenie wydała mu się dziwna. Operacyjny radar nie wskazywał, że tornado było szczególnie intensywne. Jednak Lyza zauważył znaczne zniszczenia w domu na posesji. "Część pokrycia dachowego została zerwana, a cała zewnętrzna ściana została zdmuchnięta z domu" - mówi Lyza. W pobliżu leżały pozostałości zrujnowanej szopy, która została wyrwana i rozerwana. Szopa była zakotwiczona w ziemi betonowymi słupami o długości 5 stóp. "Byliśmy dość zszokowani" - mówi. "Niekoniecznie pojechaliśmy do hrabstwa Noxubee z myślą, że znajdziemy tam silne zniszczenia tornadowe".
Obfitość zniszczeń nie była jedynym zaskoczeniem: "Zauważyliśmy, że tornado wkroczyło na posesję od południowego zachodu" - mówi Lyza. Ale szlak uszkodzonych drzew wydawał się sugerować, że trąba powietrzna skręciła potem na wschód na kilkaset jardów, zanim pochyliła się w stronę północnego wschodu. Nie jest nietypowe, że tornado zmienia kierunek, ale przy dużych prędkościach ich skręty stają się szerokie, tak jak samochody na autostradzie. To tornado posuwało się z prędkością około 100 kilometrów na godzinę, a jednak jego ślad wydawał się gwałtownie zagiąć. Na szczęście, mobilna pojazdowa stacja radarowa została rozmieszczona tylko cztery kilometry na południe. Jej wiązki uchwyciły zagadkowy taniec trąby oraz dowody, że jej dziwna ścieżka została ukształtowana przez multiple wiry: tornada w tornado.
"To pierwsze, o którym wiem - o którym ktoś tu wie - pod względem [tornado z linii przelotowej]" - mówi Lyza. Te subwiry pojawiały i znikały tak szybko, że ich ewolucję było trudno śledzić za pomocą intermittent radar scans. Ale "w ciągu jednego skanu udało mi się zidentyfikować najwyżej cztery na raz z pewnością" - mówi Lyza. "Te poszczególne wiry faktycznie były odpowiedzialne za większość zniszczeń, a samo główne tornado było raczej słabe". Badacze zaobserwowali, że tornada z linii przelotowej mają tendencję do bycia szersze niż tornada z superkomór; być może to dlatego, że wiele z nich ma subwiry, spekuluje Lyza. Tornada z linii przelotowej również wydają się być mniej skuteczne niż podobnie intensywne tornada z superkomór w unoszeniu gruzu w powietrze. Może to wynikać z tego, że te subwiry są tak krótkotrwałe, że "nie będą miały możliwości podniesienia gruzu tak wysoko" - mówi Lyza.
Te subwiry "prawdopodobnie zwiększają maksymalną intensywność tornado" - mówi inżynier wiatru Frank Lombardo z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign, który oceniał szkody na miejscu wraz z Lyzą. Prędkości wiatru w subwircie mogą łączyć się z prędkościami wiatru głównego tornado, wyjaśnia. Trudno powiedzieć, czy subwiry są powszechne w tornado z linii przelotowej na podstawie jednego przypadku. Ale jeśli tak jest, "musimy ponownie przeanalizować nasze kalkulacje ryzyka tornada" - dodaje Lombardo. "Możeśmy całkowicie niedoszacować ich intensywności". Odkrycie, że tornada z linii przelotowej mogą być bardziej powszechne i groźniejsze niż wcześniej przypuszczano, nakazuje jeszcze pilniejsze ich przewidywanie. Na szczęście naukowiec atmosferyczny PERiLS Todd Murphy z Uniwersytetu Luizjany w Monroe i jego koledzy mogli znaleźć kilka bardzo potrzebnych wskazówek.
Od dziesięcioleci badacze zauważyli, że niektóre linie przelotowe wklęsłe rozszerzają się, gdy przemierzają krajobraz, tworząc kształt łuku łucznika, a tornado czasami rozwijają się na szczycie tych łuków. Później badacze dowiedzieli się, że te tornada są związane z płytkimi, małoskalowymi wirami wiatru. Eksperci nazwali je mezowirtami.Możemy dobrze przewidzieć linie szkwałów — zazwyczaj z większą dokładnością niż inne rodzaje burz gradowych - mówi naukowiec atmosferyczny Patrick Skinner z CIWRO. Ale przewidywanie zagnieżdżonych mezowerteksów jest bardzo trudne, dodaje.
Co więcej, tylko niektóre mezowerteksy tworzą tornada, a badacze nie wiedzą dlaczego tak się dzieje. Tak więc podczas niedawnej kampanii terenowej PERiLS, Murphy i jego zespół użyli instrumentów Lidar do monitorowania atmosfery w godzinach przed nadejściem linii szkwału. Te instrumenty skanowały niebo cienkimi wiązkami laserowymi, które odbiły się od aerozoli, które działały jako ślady dla wiatru. „W ogromnej większości naszych przypadków, dane z Lidaru pokazały dość nagłe zmiany w profilu wiatru zaczynające się około 90 minut przed dotarciem linii szkwału do danego miejsca” - mówi Murphy. W różnych poziomach niższej atmosfery, pionowy skręt wiatru stawał się większy, co powodowało większą rotację w linii szkwału, wyjaśnia. I nie tylko skręt wiatru zmienił się dramatycznie; wszystkie kluczowe składniki dla tworzenia tornada „mogą zmieniać się naprawdę szybko w ciągu godziny lub dwóch przed nadejściem linii szkwału” - mówi Murphy.
Korzystając z danych zebranych podczas PERiLS, wraz z 10-letnimi danymi radarowymi zebranymi przez Narodową Służbę Meteorologiczną, Murphy i jego koledzy zbadali, jak atmosfera zmieniała się przed mezowerteksami w liniach szkwałowych. Konkretnie, analizowali prędkości wiatru na różnych poziomach atmosfery przed mezowerteksami, które tworzyły tornada, i przed tymi, które tego nie robiły. Przed mezowerteksami tworzącymi tornada, wydawało się być nieco więcej skrętu wiatru, mówi Murphy. Co ważniejsze, była większa rotacja, a ten sygnał był bardziej wyraźny przed liniami szkwałów, które wygenerowały przynajmniej pięć trąb wiatru. Dane sugerują, że pewne struktury wiatrowe mogą się układać przed mezowerteksami tworzącymi tornada, mówi Murphy. Mezowerteksy tworzą się w ramach wznoszenia, które ciągle powstają i rozpraszają się wzdłuż całej długości linii szkwału.
Gdy wznoszenie spotyka się i zostaje wyrównane z powietrzem krążącym blisko ziemi, wznoszenie może rozciągnąć krążenie ku górze, powodując że obraca się szybciej. „Nazywamy to efektem łyżwiarza figurowego” - mówi Murphy, odnosząc się do znanego przykładu łyżwiarza kręcącego się szybciej, gdy oba ramiona są przytulone do ciała. „Jeśli rozciągniesz tę rotację” - dodaje - „powoduje to, że promień staje się mniejszy, ale rotacja się wzmacnia”. Jeśli meteorolodzy monitorują warunki 60-90 minut przed linią szkwału i profil wiatru zaczyna wykazywać ten sygnał, to mogą rozważyć wydanie ostrzeżeń - mówi Murphy. „Jak tylko zostanie to zweryfikowane” - mówi - „ten sygnał wydaje się być jednoznacznym operacyjnym sygnałem, który Niższa Służba Meteorologiczna prawdopodobnie może wykorzystać”. Większość danych zebranych podczas PERiLS jest nadal analizowana, i w kolejnych latach mogą pojawić się bardziej konkretne wyniki.
Skinner pracuje nad projektem NOAA Warn-on-Forecast, mającym na celu zwiększenie czasu wyprzedzenia prognoz dotyczących tornad i innych silnych zjawisk pogodowych. Analizuje dane PERiLS, aby określić, jak dużą rozdzielczość potrzebują obecne symulacje pogodowe, aby dokładnie przedstawić mezowerteksy w liniach szkwałowych. „Potrzebne będą ogromne ulepszenia w naszych symulacjach pogody, abyśmy mogli przewidzieć mezowerteksy tworzące tornada tak dobrze, jak możemy przewidzieć tornada superkomórkowe” - mówi Murphy. Ale w końcu, dodaje, „Myślę, że tam dojdziemy”.
