Výpočet konvektivní dostupné potenciální energie „CAPE“ a možnosti jejího využití v provozu ČHMÚ.

1. ÚVOD

Každý rok přináší silná konvekce značné škody v podobě lokálních povodní z přívalových srážek, poškození úrody nebo majetku krupobitím a silným větrem, který často působí problémy také v silniční i železniční dopravě a zaměstnává hasičské záchranné sbory. Stále je aktuální otázka, zda je předpovědní meteorologická služba schopna rozlišit den s potenciálním nebezpečím silné konvekce ode dne s běžnými bouřkami bez vážnějších následků, zda je možné vymezit prostor a dobu výskytu nebezpečných jevů a včas na ně vydat výstrahu.

V současné době probíhá vývoj numerických předpovědních modelů (NWP), které se zejména s přechodem na nehydrostatické verze a zvyšováním rozlišení dostávají na prostorový krok, jenž umožňuje explicitní popis větších uspořádaných konvekčních systémů [9]. Tyto nehydrostatické modely se stále vyvíjejí a jsou postupně zaváděny do rutinního provozu meteorologických služeb. Problematické je, a zřejmě dlouho bude, modelování neuspořádané konvekce.

Proto se pro předpověď konvekce s rozličnou úspěšností používá řada indexů instability nebo jejich kombinací verifikovaných často jen na teritoriu země, kde se provozně využívají. Pokud jde o evropské prostředí, byla v roce 1997 zveřejněna švýcarská studie srovnávající různé metody předpovědi konvekce [3]. Tato práce nás inspirovala, neboť se vedle řady indexů používaných tradičně jak v Evropě, tak v USA zabývá i energií CAPE (z anglického Convective Available Potential Energy) citovanou v moderních učebnicích synoptické meteorologie (viz např. [1]) a běžně počítanou ve vyspělých evropských službách [2]. U nás byl výpočet v provozu umožněn programem TEMP-GRAF [10] pod operačním systémem DOS. Přechod na nové operační systémy znamenal pro ČHMU dočasné přerušení provozních výpočtů CAPE. Až po letech byl v rámci grantového výzkumného úkolu GA ČR 205/00/1451 zpracován Ústavem fyziky atmosféry a posléze poskytnut řešitelům úkolu program PREKCALC, počítající kromě jiného několik modifikací energie CAPE. S malým časovým odstupem byla dodavatelskou firmou Swing, a.s. řešena úprava provozního softwaru „GPZT - Grafické a početní zpracování zpráv TEMP“ s cílem obnovit možnost výpočtu energie instability v podmínkách ČHMU. Při odlaďování obou programů a experimentálních výpočtech zveřejňovaných na internetu [15] se prokázala značná citlivost energie CAPE na vstupní teplotní a vlhkostní parametry. Proto v tomto článku vedle popisu výpočtu, statistik a konkrétních ukázek čtenář nalezne i upozornění na nejrůznější úskalí.

Hned v úvodu je třeba zdůraznit, že znalost hodnot CAPE je pro meteorologa rozhodujícího o vydání výstrahy jen jednou ze vstupních informací. Je to způsob, jak zhodnotit energetický potenciál atmosféry, který může ale nemusí být uvolněn. Považujme tuto veličinu za velkoprostorovou charakteristiku prostředí, ve kterém se během dne bude lépe nebo hůře dařit konvekci spuštěné mezoměřítkovými procesy. Kromě teplotního zvrstvení volné atmosféry a spouštěcích mechanizmů se uplatňuje vlhkost vzduchu v nižších hladinách jako zdroj latentního tepla uvolňovaného při vertikálních konvekčních pohybech. CAPE je jedním z prekurzorů kombinujících jak vlhkost v mezní vrstvě, tak teplotní zvrstvení volné atmosféry. Porovnáním různých modifikací CAPE můžeme navíc dojít k několika variantám scénářů vývoje kupovité oblačnosti, které se mohou uplatnit v závislosti na tom, zda je spouštěcím mechanizmem pouze dostatečné ohřátí zemského povrchu nebo například přechod fronty s výraznými vertikálními pohyby.

2. DEFINICE CAPE

CAPE představuje práci vykonanou vztlakovou silou okolní atmosféry na adiabaticky izolovanou vzduchovou částici vystupující z hladiny volné konvekce HVK do hladiny nulového vztlaku HNV. Vzhledem k tomu, že síla vztlaku působící na částici v dané výškové hladině z je úměrná rozdílu teploty částice T(z) a teploty okolí T_e(z), lze CAPE vyjádřit jako

kde g je tíhové zrychlení. CAPE je tedy integrální míra instability vrstvy ohraničené hladinami HVK a HNV. Na termo­dynamickém diagramu je CAPE nad konvekční kondenzační hladinou reprezentována plochou mezi křivkou zvrstvení a nasycenou adiabatou pro tuto vrstvu. CAPE je uváděna v jednotkách J/kg.

Při mírné až silné konvekci nabývá CAPE hodnot 1.000 – 3.000 J/kg, maximální pozorované hodnoty byly zjištěny v USA v rozmezí 5.000 – 7.000 J/kg (viz. např. [1]). Pro evropské prostředí uvádí práce [3] pro dny s kroupami průměrnou hodnotu 660 J/kg.

Hodnoty CAPE jsou značně citlivé na vlhkost vzduchu při zemi. V [1] se uvádí, že vzestup směšovacího poměru o pouhý 1 g/kg může zvýšit hodnotu CAPE o 20 % a odhad maximální vertikální rychlosti až o 10 %.

CAPE je jedním z prostředků, jak stanovit míru instability atmosféry. Na rozdíl od termodynamických indexů počítaných z hodnot teplotních a vlhkostních parametrů ve vybra­ných tlakových hladinách má tu přednost, že uvažuje celý výškový rozsah, ve kterém působí nezáporná vztlaková síla. Existence CAPE je nezbytnou podmínkou pro vývoj konvekce, jejímu uvolnění ovšem musí předcházet spouštěcí mechanizmus - zahřátí na teplotu volné konvekce, vertikální pohyb vyvolaný konvergencí přízemního proudění nebo překonáním orografické překážky, přechod frontálního rozhraní, případně pozvolné velkoprostorové vzestupné pohyby. Pro vývoj déletrvající uspořádané konvekce je nezbytný výrazný vertikální střih větru [1].

2.1 Modifikace výpočtu CAPE

Standardní způsob výpočtu CAPE, vycházející z přízemních hodnot teploty a vlhkosti, nedává především pro noční aerologické výstupy dobré výsledky. Vzhledem k výskytu radiačních inverzí v nočních hodinách jsou hodnoty CAPE nízké nebo nulové a nevypovídají o reálnému energetickém potenciálu atmosféry. Proto bylo navrženo několik způsobů, jak modifikovat výpočet CAPE, aby získané hodnoty poskytovaly dostatečně podloženou informaci o potenciální zásobě konvekční energie v atmosféře. Všechny uvedené přístupy překonávají přízemní inverze buď započtením očekávaného promíchávání vzduchu v mezní vrstvě atmosféry, nebo počítají energii až nad mezní vrstvou. Tyto modifikace byly použity v práci [3] a stejným způsobem jsou vyhodnocovány programem PREKCALC. V současné době jsou počítány následující modifikované hodnoty CAPE:

CAPE_LCL bere v úvahu výskyt nočních inverzí a promíchává vzduchovou vrstvu o vertikální mohutnosti 50 hPa od zemského povrchu. Výpočet CAPE začíná z přízemní teploty odpovídající průměrné potenciální teplotě vrstvy a rosný bod je stanoven z průměrného směšovacího poměru.

CAPE_CCL začíná výpočet v modifikované konvekční kondenzační hladině, která se stanoví jako průsečík křivky zvrstvení a průměrné izogramy ve vrstvě od zemského povrchu do 850 hPa.

CAPE₈₅₀ - výpočet CAPE vychází z hladiny 850 hPa a počítá se z hodnot teploty a směšovacího poměru v této hladině.

2.2 Problémy při výpočtu a jejich řešení

Při sestavování softwaru PREKCALC pro výpočet CAPE a jeho modifikací jsme při praktickém využívání narazili na několik úskalí výpočetního charakteru, které jsme se pokusili řešit přijetím určitých pravidel.

2.2.1    Nadadiabatické gradienty v přízemní vrstvě

U poledních sondážních výstupů se lze poměrně často setkat s výskytem nadadiabatického (superadiabatického) gradientu v tenké vrstvě u zemského povrchu za situací, kdy nedochází k intenzivnímu promíchávání přízemní vrstvy. Vzhledem ke konstrukci výpočetního programu byla zaregistrována kladná energie v této tenké vrstvičce (plocha vymezená nadadiabaticky skloněnou křivkou zvrstvení a suchou adiabatou vycházející z přízemní hodnoty teploty přehřátého povrchu) a výpočet byl předčasně ukončen. Algoritmus programu PREKCALC byl upraven tak, aby se při výskytu superadiabatické vrstvy u země tato ignorovala.

2.2.2    „Plíživá sondáž"

Takto pracovně označujeme situace, kdy křivka zvrstvení a nasycená adiabata probíhají v nižších hladinách v těsné blízkosti, vzájemně se prolínají, střídají se slabé vrstvy s pozitivní a negativní potenciální energií, zatímco v horních vrstvách atmosféry existuje značná zásoba potenciální konvekční energie. Při subjektivní analýze aerologického diagramu bere meteorolog tuto zásobu přirozeně v potaz, zatímco program díky způsobu interpolace nalezne v nižších hladinách první průsečík křivky zvrstvení s adiabatou („první" hladinu nulového vztlaku) a výpočet CAPE zastaví. Tento problém jsme se pokusili vyřešit zavedením fixní vrstvy o tloušťce 500 m, ve které se může energie vrátit do kladných hodnot a výpočet je obnoven. Praktické zkušenosti ukázaly, že vrstva o pevné tloušťce nemusí v některých situacích problém vyřešit. Druhou možností je pracovat přímo s energií - tedy srovnat, zda je při vzestupu nashromážděná CAPE dostatečná, aby „prorazila" jednu nebo více zádržných vrstev.

3. POPIS PROGRAMU GPZT

V létě 2003 byla na pobočce ČHMÚ Plzeň zkušebně uvedena do provozu nová verze programu „Grafické a početní zpracování zpráv Temp - GPZT", zpracovaného původně pro potřeby letecké meteorologie [4]. Cílem úpravy programu bylo poskytnout předpovědní meteorologické službě nástroj pro provozní výpočty CAPE ze skutečných aerologických sondáží i z výstupů modelu ALADIN ve formátu TEMP MOBIL (tzv. pseudotempů). Bylo využito zkušeností získaných při práci s programem PREKCALC a způsoby výpočtů modifikací byly od počátku odlaďování nové verze GPZT koordinovány s Ústavem fyziky atmosféry, aby se minimalizoval rozdíl výsledných hodnot, který zákonitě vznikne použitím odlišných metodik výpočtu křivek a jejich průsečíků (srovnej [4] a [10]).

Program PREKCALC se vyvinul operativně pro získání základních statistik o CAPE z archivních aerologických dat a pro zkoumání dalších prekurzorů konvekce publikovaných v práci [3]. Pro výpočet byly stanoveny omezující podmínky - mimo jiné ukončení výpočtu pod zádržnou vrstvou o vertikální mohutnosti 500 m a více, nejvýše pak v tlakové hladině 150 hPa. Některé případové studie ovšem prokázaly, že zádržná vrstva 500 m může být překonána a že dojde k využití energie CAPE i z atmosféry nad zádržnou vrstvou. V zadání nové verze GPZT bylo tedy jedním z úkolů umožnit volbu vertikální mohutnosti zádržné vrstvy, případně spočítat energii pod zdržnou vrstvou a jako variantu součet všech příspěvků pozitivní energie v podobě „CAPE_max" v celém rozsahu troposféry až do 150 hPa.

Dalším požadavkem byla možnost simulace výstupu vzduchové částice z jiných počátečních hodnot T a T_d, např. zadání očekávané maximální hodnoty teploty a odpolední teploty rosného bodu v oblasti, pro kterou předpovídáme. Je možné zadat i jinou výchozí nadmořskou výšku a „vypustit" vzduchovou částici třeba z horského hřebene. Tyto varianty mohou být prospěšné u případových studií nebo mohou přivést meteorologa k alternativní předpovědi, pokud by se spočtené energie pro různé počáteční podmínky významně lišily.

Program GPZT umožňuje řadu dalších změn vstupních parametrů (viz obr. 1), např. způsob průměrování teploty a vlhkosti při výpočtu modifikací CAPE (výběr počtu uvažovaných hladin pro průměrování, použití směšovacího poměru nebo teploty rosného bodu) nebo variace výpočtu v případě superadiabatického gradientu. Výsledky mohou být ve formě textového výstupu nebo grafu s tabulkou hodnot zadaných modifikací CAPE. V případě grafického zpracování lze zvolit vykreslení izogramy a adiabaty odpovídající požadované modifikaci výpočtu. Posledním bodem zadání na úpravu programu bylo vykreslení mapy hodnot CAPE z dostupných aerologických stanic. Na podkladové mapě Evropy jsou formou pavouků zobrazeny hodnoty zvolených modifikací CAPE a CIN společně s výškovým větrem ze zadané hladiny (přednastaveno 700 hPa).

4. STATISTIKA VYPOČTENÝCH HODNOT CAPE ZA OBDOBÍ 1996 - 2001

Termodynamické indexy a další charakteristiky konvekčního prostředí jsou užitečnou pomůckou provozního meteorologa při předpovědi konvekčních jevů. V minulosti byla publikována řada prací zabývajících se jejich vzájemným srovnáním a posouzením přínosu pro předpověď konvekce (viz. např. [2,3]). Tyto práce jsou většinou zaměřeny na určitou geografickou oblast a jejich výsledky jsou obtížně aplikovatelné na jiném území. Pro oblast ČR byly podobné studie zpracovány také - [6,7,8,12]. Pro ověření výskytu konvekčních jevů byly použity převážně údaje z hlášení SYNOP. V současné době se nabízí pro určení konvekční aktivity využití plošných dat z meteorologických radarů. Je ovšem třeba mít na paměti, že na intenzitu konvekce usuzujeme v tomto případě zprostředkovaně pomocí měření radiolokační odrazivosti. Srovnání řady termodynamických indexů a dalších charakteristik (CAPE a její modifikace, vertikální střih větru) s radarovými daty bylo provedeno v práci [5], tento článek se zaměřuje pouze na CAPE a její modifikaci CAPE_ccl.

4.1 Datové zázemí

Pro výpočet statistických charakteristik CAPE byla použita aerologická data ze stanice Praha-Libuš za období 1996 až 2001 z letní poloviny roku (duben až září) a byly vyhodnoceny půlnoční a polední výstupy. Pro stejné období už byla k dispozici data z radaru Skalky (Gematronik METEOR 360AC). Pro srovnání by bylo vhodnější využít i měření radaru Brdy (EEC DWSR – 2501AC), ten však měří až od roku 2000. Pro zpracování byla použita pole maximální radarové odrazivosti (maximální hodnota obrazivosti pro daný pixel 2 x 2 km). Z celkového počtu 1098 dnů bylo vyřazeno 61 dnů vzhledem k nedostatečnému pokrytí radarovými daty (dostupná méně než polovina měření pro daný den). Na každý radarový snímek byl aplikován jednoduchý filtr, jehož úkolem bylo vyřadit zjevně chybné nebo náhodné hodnoty. Pro každý radarový pixel byl stanoven medián ze sousedních 3x3 pixelů. Pokud se hodnota obrazivosti v daném pixelu lišila od mediánu o více než 12 dBz, hodnota byla vyřazena a nahra­zena mediánem z okolních hodnot.

Pro rozlišení intenzity konvekčních jevů byly použity dvě prahové hodnoty, používané rutinně v ČHMÚ při analýze radarových dat. Překročení hodnoty 40 dBz jsme považovali za indikaci výskytu konvekčních srážek bouřkového původu, výskyt hodnot vyšších než 52 dBz indikoval silné konvekční srážky, případně kroupy. Kritériem pro zařazení dne do příslušné „konvekční kategorie" byl výskyt alespoň deseti pixelů překračujících prahovou hodnotu v jednom radarovém měření v průběhu dne.

4.2 Srovnání hodnot CAPE s radarem

Při zkoumání využitelnosti stabilitních indexů a dalších veličin pro předpověď výskytu konvekce se obvykle pracuje s různými verifikačními kritérii (skill score) jako např. v pracích [3,8]. V této práci používáme pravděpodobnostní přístup, který nám umožní zhodnotit podmíněnou pravděpodobnost výskytu dané kategorie pro danou hodnotu veličiny CAPE.

Podmíněnou pravděpodobnost p(R/P) výskytu jevu R pro danou hodnotu P můžeme vyjádřit jako

kde p(RP) je pravděpodobnost současného výskytu R a P. V této práci představuje P vypočítanou hodnotu konvekční energie CAPE a R výskyt maximální odrazivosti vyšší než zadaný práh v daném dni.

Pro soubor aerologických výstupů byly vypočteny hodnoty CAPE a modifikace CAPEccl a pro vypočtené soubory byly stanoveny pravděpodobnosti p(P) a hodnoty odpovídající percentilům 80 %, 60 %, 40 %, 20 % a 10 % pravděpodobnosti překročení. V tabulce 1 jsou shrnuty charakteristické hodnoty pro příslušné percentily. Hodnoty byly pro lepší čitelnost zaokrouhleny na jednotky a pro vyšší hodnoty na desítky J/kg. Je vidět, že pro noční termíny měření jsou hodnoty CAPE velmi nízké (téměř 60 % hodnot je nulových), zatímco rozsah hodnot CAPE_ccl je pro půlnoční termín téměř shodný jako ve 12 UTC. Polední hodnoty CAPE dosahují vyšších hodnot i ve srovnání s CAPE_ccl. Dále byly stanoveny hodnoty p(RP), tedy pravděpodobností současného výskytu dané kategorie radarové odrazivosti a CAPE vyšší než hodnota pro daný percentil, viz. tabulka 1:

V dalším byly stanoveny podmíněné pravděpodobnosti výskytu příslušných kategorií radarové reflektivity a byly srovnány pro standardní hodnoty CAPE a modifikaci CAPE_ccl. Výsledky jsou shrnuty na obrázcích 2 a 3. Na vodorovné ose jsou vyneseny pravděpodobnosti výskytu hodnoty CAPE a svislá osa zobrazuje hodnoty podmíněné pravděpodobnosti. Například na obr. 2 pro CAPE počítanou z půlnočního termínu nalezneme pro 20 % percentil (odpovídá zhruba hodnotě CAPE 15 J/kg) podmíněnou pravděpodobnost, že se v daném dni vyskytne radarová odrazivost vyšší než 40 dBz, přibližně 0,75. Tučnou vodorovnou čarou jsou vyznačeny hodnoty pravděpodobnosti překročení příslušné prahové hodnoty z radarových měření pro celý datový soubor. Různé hod­noty pro termíny 00 a 12 UTC jsou způsobeny rozdíly ve výchozích datových souborech díky chybějícím termínům v aerologických pozorováních. Obr. 2 zobrazuje podmíněné pravděpodobnosti pro CAPE a CAPE_ccl počítané z půlnočních a poledních výstupů pro prahovou hodnotu 40 dBz. Je zřetelné, že klasická CAPE nedává v nočních hodinách žádnou informaci, pouze v případech, kdy zaznamenáme nenulovou hodnotu CAPE, podmíněná pravděpodobnost prudce roste. CAPE_ccl prokazuje pro půlnoční termíny vyšší hodnoty podmíněných pravděpodobností. Na obr. 3 jsou výsledky získané pro výpočet CAPE a CAPE_ccl a prahovou hodnotu 52 dBz. Zde se ukazuje, že pro významné konvekční události vykazuje CAPE_ccl vyšší hodnoty podmíněné pravděpodobnosti než standardní energie CAPE i pro polední termín.

5. UKÁZKA VÝPOČTU NA PŘÍPADU VÝRAZNÉ SQUALL - LINE 07. 07. 2001 A TORNÁDOVÉ BOUŘE 11. 06. 2000

Problematiku CAPE budeme demonstrovat na dvou zajímavých případech. Použité obrázky jsou ze stüvegramu vykresleného programem GPZT používaným v provozu ČHMÚ. Výřez je z prostorových důvodů omezen na vrstvu atmosféry cca 6 km nad povrchem. Na pravé ose grafu jsou údaje o výškovém větru. Vykresleny jsou křivky zvrstvení, izograma směšovacího poměru použitá pro výpočet CAPE, polohy hladin VKH (výstupná kondenzační hladina), HVK (hladina volné konvekce), případně KKH (konvekční kondenzační hladina) a jí příslušející teplota volné konvekce TKON. V případě CAPE je zobrazena suchá a nasycená adiabata a šedou výplní spočtená pozitivní energie, v případě CAPEccl je vykreslena pouze příslušná nasycená adiabata vycházející z HVK. Černou výplní je zvýrazněna negativní energie CIN. Nutno poznamenat, že stüvegram se v provozu používá z historických důvodů [4], není ovšem plochojevný, a tedy vhodný pro výpočet energie. Program proto výpočet řeší v souřadnicové soustavě emagramu a stüvegram slouží jen pro zobrazení.

Obr. 4 se vztahuje k 7. 7. 2001, kdy přes naše území přešla výrazná čára konvergence s teplotním rozdílem po obou stranách rozhraní 10 - 15 °C. Okolnosti tohoto i následujícího případu jsou dostatečně popsány v [11]. Do příchodu souvislého bouřkového pásma bylo nad naším územím skoro jasno, pouze na Šumavě a na Chebsku se ještě před hlavním pásmem tvořila oblačnost, na Chebsku s následným výskytem downburstu a přívalového deště. Na obr. 4a je ranní aerologický výstup z Prahy, nad inverzí vidíme velmi teplé jihozápadní proudění. V důsledku výrazné inverze neexistuje HVK a tedy ani výpočty CAPE, resp. CIN, definované přízemními hodnotami T a Td. Aplikováním modifikace CAPE_ccl, viz obr. 4b, ovšem zjistíme přítomnost extrémně vysoké energie 2.914 J/kg. Na odpoledním výstupu na obr. 4c je stále vertikálně mohutná zadržující vrstva s negativní energií CIN, což vysvětluje, proč bylo na většině území republiky vyjasněno. Spočtena je ovšem pouze kladná energie pod zádržnou vrstvou (při zemi superadiabatický gradient) o tloušťce větší než 500 m, výpočet dál neprobíhá. Modifikace CAPE_ccl na obr. 4d opět prozrazuje, že nad zádržnou vrstvou existuje značné množství pozitivní energie, v tomto případě 2 308 J/kg. Blízká bavorská aerologická stanice 10771 vykazovala rovněž zádržnou vrstvu, ovšem se značně menší energií CEST. Hypotéza je taková, že na Šumavě a Chebsku byla relativně nižší hodnota CIN (blíže ke stanici 10771 než k 11520) překonána prostým přehřátím na teplotu volné konvekce, zatímco nad ostatním územím došlo k vynucené konvekci až při přechodu linie konvergence z Bavorska s již vyvinutou bouřkovou oblačností. Výsledkem byly značné škody způsobené větrem o síle vichřice a přívalovými srážkami.

Druhým případem (obr. 5) je výskyt bouří v západních Čechách dne 11.6. 2000, kdy se kromě downburstu a přívalových srážek vyskytlo v podvečer na Chomutovsku tornádo ohodnocené intenzitou F2 až F3. Na obr. 5a vidíme půlnoční sondáž z Prahy - nízká vlhkost ve spodních hladinách a výrazná inverze podpořená velmi teplým prouděním od jihu způsobily, že podobně jako v předchozím případě neexistuje HVK, není spočtena CAPE ani CIN. Na obr. 5b je znázorněna modifikace CAPE_ccl, výpočet pozitivní energie 1.232 J/kg, což je poměrně vysoká hodnota. Čtenář si jistě povšimne významného úbytku vlhkosti vzduchu nad 3 km a také s výškou zesilujícího jižního proudění, prostředí vhodného pro výskyt downburstů. Na polední sondáži jsou tyto příznaky ještě markantnější. Na obr. 5c vidíme znázornění výpočtu CAPE z přízemních hodnot T a T_d a také zádržnou vrstvu s negativní energií CIN dostatečnou pro to, aby na většině území republiky bylo jasno. Vlivem bouřek z předchozího dne a noci a také vlhčího proudění po okraji tlakové níže nad západním Středomořím byly teploty rosného bodu v západních Čechách mezi 13 - 18 °C na rozdíl od 11 °C ve středních Čechách. Proto byly na západě Čech pravděpodobně vyšší hodnoty energie CAPE, resp. CAPE_ccl, než by odpovídalo výpočtům pro Prahu (672 J/kg, resp. 909 J/kg, viz obr. 5c a 5d). Tato okolnost současně s přechodem slabé studené fronty přispěly k vývoji bouřek s ničivými následky.

6. CAPEccd PŘI SILNÉ KONVEKCIV LETECH 1996 - 2002

Zatímco nám indexy instability počítané z parametrů ve vybraných standardních hladinách atmosféry sdělují informaci o stabilitě nebo labilitě atmosféry, a tedy o pravděpodobnosti dne bez bouřky nebo s bouřkou, integrální veličina CAPE „mapující" celou vrstvu prostředí, ve kterém se má bouřková oblačnost tvořit, vypovídá o možné intenzitě konvekce. Ve švýcarské studii [3] se např. uvádí, že modifikace CAPE_ccl je vhodná pro rozlišení dne s izolovanými bouřkami ode dne s plošně rozsáhlým výskytem bouřek a její výhodou je, že velmi často existuje i v půlnočním termínu měření. Studie případů silné konvekce pak ukázala, že jedním z příznaků intenzivní konvekce v podmínkách Švýcarska je CAPE_ccl vyšší než 600 J/kg. Tyto závěry vedly k myšlence projít případy silných bouří s prokazatelně ničivými účinky rozšířené o dny s pozorovaným výskytem tornáda nebo alespoň pseudotornádové tromby [16]. Záměr byl uskutečnitelný díky aktivitám v rámci grantového úkolu zmíněného v úvodu článku.

Grantem podchycené období 2000-2002 bylo doplněno vybranými silnými bouřemi z předchozích let až do roku 1996. Celkem bylo zpracováno 73 případů rozdělených do tří kategorií:

1.        Krupobití nebo škody způsobené větrem (downbursty neboli propady studeného vzduchu).

2.        Přívalové srážky (naměřené úhrny 50 mm a více).

3.        Tornádové bouře.

Kromě CAPE_ccl byl posuzován také hodograf větru - jeho zakřivení pro vrstvu do 3 km nad zemí a délka pro výškový rozsah 0,5 - 6 km, která by měla charakterizovat integrální střih větru mající vliv na strukturu bouřkového oblaku [1].

Energie CAPE_ccl a hodograf byly spočteny z aerologických stanic považovaných za reprezentativní pro prostředí, ve kterém se bouře začaly vyvíjet. Prakticky se postupovalo tak, že v termínu blízkém výskytu bouře se odečetlo proudění v 700 hPa a proti tomuto proudu se hledala vhodná aerologická sondáž s ohledem na dobu spuštění vývoje konvekce, což bylo v některých případech dost problematické. Zjištěné výsledky jsou v tabulce 2.

Hodnoty intervalů CAPE_ccl a střihu větru jsou voleny obdobně jako v [1]. Z celkem malého souboru událostí a malého počtu dnů s vysokými hodnotami CAPE_ccl nelze vyvodit jednoznačné závěry, snad jen jejich náznaky:

1. Většina případů silné konvekce byla v prostředí s přímým nebo pravostáčivým hodografem a mírným až silným střihem větru (5-15, resp. 15 - 25 m/s).
2.  Nejvyšší počet bouří s krupobitím nebo propadem studeného vzduchu byl při přímočarém hodografu.
3. Je zajímavé, že poměrně velký počet tornádových bouří byl spojen s relativně nízkou hodnotou CAPE_ccl – tento fakt byl hned v několika souvislostech citován účastníky Evropské konference o silné konvekci v Průhonicích v srpnu 2002 [14].
4. Přívalové srážky se vyskytovaly nejčastěji při mírnějším střihu větru.
5. Závislost na CAPE_ccl není příliš zjevná.

7. ZÁVĚR

Energie CAPE se v provozních podmínkách ČHMÚ dočasně počítala v 90. letech minulého století. V roce 2000 byl vyvinut program PREKCALC a následně nová verze programu GPZT rozšířená o výpočet CAPE, která je připravena pro provozní využití v předpovědní službě ČHMÚ na letní sezónu 2004. CAPE je od roku 2001 počítána i jako prognostická veličina modelem ALADIN. Příspěvek se zabývá problematikou výpočtu značně choulostivého na vstupní hodnoty a uvádí vybrané modifikace používané i v dalších evropských zemích. Experimentální výpočty programem PREKCALC byly po tři sezóny prováděny na Regionálním předpovědním pracovišti v Plzni a zveřejňovány na internetu [15].

Srovnání hodnot CAPE a CAPE_ccl s radarovými daty prokázalo použitelnost modifikace CAPE_ccl pro noční aerologická měření. Pro polední termíny jsou obě veličiny srovnatelné pro rozvinutou konvekci (prahová hodnota maximální radarové odrazivosti 40 dBz), pro významné konvekční události a výskyt krupobití dává CAPE_ccl vyšší hodnoty pod­míněné pravděpodobnosti.

V další pasáži jsou dvě případové studie ilustrující využití modifikace CAPE_ccl jako alternativy vhodné zejména pro půlnoční termín sondáže nebo pro případy s výraznou zádržnou vrstvou. Výsledkem pokusu o zpracování 73 případů silné konvekce z období 1996- 2002 je mimo jiné konstatování, že závislost na CAPEccl není příliš zjevná, snad i z důvodu relativně menšího výskytu vysokých hodnot. Daleko určitější jsou závěry týkající se kombinace s hodografem větru uvedené v závěrečné části příspěvku.

Poděkování

Autoři děkují za odbornou garanci a rady při řešení problémů výpočtu CAPE paní RNDr. Daniele Řezáčové, CSc. a také meteorologům Regionálního předpovědního pracoviště ČHMÚ v Plzni za průběžné výpočty CAPE, které byly operativně poskytovány k nahlédnutí na internet. Práce vznikla za podpory projektů GA ČR 205/03/Z043 a GA ASCR S3042101.

Literatura:

[1]      BLUESTEIN, H. B., 1993. Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes. Vol.II: Observations and Theory of Weather Systems. New York: Oxford University Press, s. 444 - 455.

[2]      CALAS, S. - DUCROCQ, V. - SÉNÉSI, S., 2000. Mesoscale Analyses and Diagnostic Parameters for Deep Convection Nowcasting. Meteorological Appications, vol. 12, s. 145 - 161.

[3]      HUNTRIESER,H.-SCHIESSER,H.H.-SCHMID,W.-WALDVOGEL, A., 1997. Comparison of Traditional and Newly Developed Thunderstorm Indices for Switzerland. Weather Forecasting, vol. 12, s. 108 - 123.

[4]      NOVÁK, Z. - STASA, P., 1993. Grafické a početní zpracování zpráv TEMP pro potřeby letecké meteorologie. Meteorologické Zprávy, toč. 46, č. 3, s. 78 - 82.

[5]      PEŠICE, P. - SULAN, J. - ŘEZÁČOVÁ, D., 2003. Convection precursors in the Czech territory. Atmospheric Research, vol. 67- 68, s. 523 - 532. ISSN 0169-8095.

[6]      STRACHOTA, J., 1966. Ověření několika metod pro předpověď bouřek v letním pololetí 1965. Meteorologické Zprávy, roč. 19, č. 3 - 4, s. 105 - 110.

[7]      ŘEZÁČOVÁ, D. - MOTL, V, 1990. The use of the simple ID steady-state convective cloud model in the decision tree for determining the probability of thunderstorm occurence., Studia Geophysica et Geodaetica, vol. 34, s. 147-166.

[8]      ŘEZÁČOVÁ, D. - SOKOL, Z., 1995. Skill of 6hr and 12hr thunderstorm forecasts based on assessment of larger-scale information. Studia Geophysica et Geodaetica, vol. 39 (1), s. 60 - 73.

[9]      ŘEZÁČOVÁ, D. - SOKOL, Z., 2003. A diagnostic study of a summer convective precipitation event in the Czech Republic using a non-hydrostatic NWP model. Atmospheric Research, vol. 67 - 68, s. 559 - 572. ISSN 0169-8095.

[10]    ŘEZÁČOVÁ,D.-ŠKOLOUD, O., 1993. Zhodnocení aerologické informace programem TEMP-GRAF. Meteorologické Zprávy, roč. 46, č. 3, s. 71 - 76.

[11]    ŠÁLEK, M. - SETVÁK, M. - SULAN, J. - VAVRUŠKA, R, 2002. Významné konvektivní jevy na území České republiky v letech 2000-2001. Meteorologické Zprávy, roč. 55, č. l,s. 1 - 8.

[12]    TÁBORSKÝ, Z., 1966. Porovnání některých metod před­povědi bouřek. Meteorologické Zprávy, roč. 19, č. 6, s. 164 - 171.

[13]    WILSON, J. W.- MUELLER, C. K., 1993. Nowcasts of Thunderstorm Initiation and Evolution. Weather Forecasting, vol. 8, s. 113 - 131.

[14]    European Conference on Severe Storms, Prague, 26 - 30 August 2002. Abstracts. The Czech Hydrometeorological Institute, Prague, Czech Republic. ISBN 80-85813-97-1.

Internet:

[15]     http://www.chmi.cz/PL/rpp/cape/cape.htm

[16]     http://www.chmi.cz/torn/

Lektor prof. RNDr. J. Bednář, CSc, rukopis odevzdán v březnu 2004.

Připravil pro OLM: