Κυκλογένεση στα υπήνεμα των Άλπεων

1. Οι Άλπεις ασκούν τη μεγαλύτερη επίδρασή τους στην ατμοσφαιρική ροή όταν η τελευταία είναι λίγο-πολύ κάθετη στην κύρια αλπική κορυφογραμμή. Μια τέτοια ροή, είτε από το βορρά είτε από το νότο, συσχετίζεται συχνά με αυλώνες ή βαρομετρικά χαμηλά που κινούνται από δυτικά ή βορειοδυτικά προς την κεντρική Ευρώπη ή τη Σκανδιναβία. Αυτό απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήμα. Το χειμώνα οι Άλπεις βρίσκονται στο πεδίο δράσης του ισλανδικού χαμηλού (στα βορειοδυτικά), του αντικυκλώνα των Αζορών (στα νοτιοδυτικά), του ψυχρού σιβηρικού αντικυκλώνα (στα ανατολικά) και ενός ασθενούς πεδίου χαμηλών πιέσεων πάνω από τη Μεσόγειο (στα νότια). Το καλοκαίρι ωστόσο, η κατάσταση είναι πιο ξεκάθαρη: Το υψηλό των Αζορών επεκτείνεται βορειοανατολικά και καθορίζει σημαντικά την κατανομή της πίεσης στην περιοχή των Άλπεων.

Σχήμα 1: Oι ισοβαρείς καμπύλες δείχνουν τη μέση πίεση στη στάθμη της θάλασσας, ανά 2 hPa, για (α) χειμώνα, (β) καλοκαίρι. Η σκίαση δίνει ένα μέτρο της από μέρα σε μέρα μεταβλητότητας της ροής στην ανώτερη τροπόσφαιρα (τυπική απόκλιση του γεωδυναμικού ύψους -σε μέτρα- στα 250 hPa).
[Από: “Climate Processes: What determines the Alpine Climate?”, στο “Views from the Alps. Regional Perspectives on Climate Change”)

Το σχήμα υποδηλώνει επίσης (με τη σκίαση) τη θέση των τροχιών των εξωτροπικών κυκλώνων του βόρειου Ατλαντικού (storm tracks), ως τυπική απόκλιση του γεωδυναμικού στα 250 hPa. Παρατηρείται ότι το χειμώνα οι περισσότερες τροχιές υφέσεων διασχίζουν τη βόρεια Ευρώπη. Ως εκ τούτου, οι Άλπεις επηρεάζονται κατά κανόνα από τις νότιες μετωπικές επεκτάσεις αυτών των κυκλώνων. Εάν ένα τέτοιο μέτωπο συναντήσει τις Άλπεις από το βορρά, υφέσεις μπορούν να σχηματιστούν στα υπήνεμα (lee cyclogenesis).
Στην περιοχή των Άλπεων παρατηρείται μια πληθώρα κυκλογενέσεων. Ο όρος «υφέσεις της Γένοβας» χρησιμοποιείται για να δηλώσει την συνήθη κυκλογενετική μήτρα αυτών των χαμηλών, που είναι ο κόλπος της Γένοβας.

Σχήμα 2: Εποχική μέση συχνότητα (σε ποσοστό %) των υφέσεων στο βόρειο ημισφαίριο κατά το χειμερινό τρίμηνο. Η περίοδος μεσοποίησης αντιστοιχεί στο σύνολο δεδομένων ERA-40 (1958-2001). Οι υφέσεις εντοπίστηκαν αναζητώντας κλειστές ισοβαρείς επιφάνειας.
[Από “Surface cyclones in the ERA40 data set (1958-2001). Part I: Novel identification method and global climatology”, Wernli H. and C. Schwierz].

2. Στη συνέχεια θα συζητηθεί ένα «σενάριο» που οδηγεί στο σχηματισμό χαμηλού στα υπήνεμα των Άλπεων. Ένα ψυχρό μέτωπο κινείται προς τις Άλπεις από τα βόρεια. Έντονο νοτιοδυτικό ρεύμα επικρατεί μπροστά από το μέτωπο, με την αέρια μάζα να είναι είναι θερμή και υγρή, με συγκριτικά ασθενή στρωμάτωση. Επομένως, λόγω και της μεγάλης ταχύτητας του ανέμου, το νοτιοδυτικό ρεύμα είναι ικανό να διασχίσει τις Άλπεις, με συνέπεια την πνοή νότιου Fo ̈hn στις βόρειες κοιλάδες των Άλπεων (Εικόνα 3α).

Σχήμα 3: Σχηματική παρουσίαση της αλληλεπίδρασης ενός ψυχρού μέτωπου με τις Άλπεις. Οι τρεις φάσεις αντιστοιχούν σε:
(α) παραμόρφωση του ψυχρού μέτωπου και σχηματισμό νότιου Fo ̈hn ,
(β) ψυχρή εισβολή στη δυτική Μεσόγειο (άνεμος mistral) και σχηματισμό υπήνεμου χαμηλού,
(γ) κίνηση του χαμηλού ανατολικά και εγκαθίδρυση ανέμου Bora και βόρειου Fo ̈hn .
[Από: “Climate Processes: What determines the Alpine Climate?”, στο “Views from the Alps. Regional Perspectives on Climate Change”)

Αντίθετα, ο ψυχρός αέρας πίσω από το μέτωπο, που πλησιάζει από το βορρά, έχει ευσταθή στρωμάτωση και συχνά περιορίζεται καθ ́ύψος από μια αναστροφή. Αυτό σημαίνει ότι ο ψυχρός αέρας δεν μπορεί να
υπερπηδήσει τις Άλπεις. Αντ ‘αυτού, επιβραδύνεται και εκτρέπεται στο πλάι. Στα δυτικά αυτό οδηγεί σε έναν ισχυρό mistral και σε μια ψυχρή εισβολή στη δυτική Μεσόγειο. Ανατολικά των Άλπεων εγκαθιδρύεται άνεμος Bora, ψυχρός καταβατικός άνεμος από τις Δειναρικές Άλπεις. Το παρακάτω σχήμα δείχνει καθαρά τις μεγάλες εντάσεις ανέμου που μπορούν να προκύψουν:

Σχήμα 4: Διανύσματα και ταχύτητα ανέμου (σε m / s) στα 900 hPa, μετά το «πέρασμα» του ψυχρού μέτωπου της 30 Απριλίου – 1 Μαϊου 1982.

Η ψυχρή εισβολή και οι εντάσεις του ανέμου μεταξύ των Πυρηναίων και των Άλπεων έρχονται σε αντίθεση με την «πλήρη» άπνοια στην αλπική περιοχή.
Είναι σαφές ότι ο αέρας που ρέει από το βορρά εμποδίζεται από τις Άλπεις και εκτρέπεται στο πλάι. Τοπικά μεγίστα ανέμου στην περιοχή των Άλπεων μπορεί να προκύψουν εκεί όπου ο αέρας «διοχετεύεται» μέσω περασμάτων στην κύρια κορυφογραμμή των Άλπεων. Στην εικόνα δεξιά διακρίνεται ένας τέτοιος καναλισμός μέσω του περάσματος Gotthard. Γενικότερα, στο πεδίο της «μετεωρολογίας των βουνών» εμφανίζεται μεγάλη ποικιλία τοπικών συστημάτων ανέμου.

3. Οι χάρτες επιφάνειας του Meteo Swiss δείχνουν, μετά την προσέγγιση του μετώπου στις Άλπεις, το σχηματισμό ενός υπήνεμου χαμηλού στον Κόλπο της Γένοβας.

Σχήμα 5: Χάρτες επιφάνειας του MeteoSwiss στις 30 Απριλίου 1982, 00 UTC (αριστερά) και την 1η Μαΐου 1982, 00 UTC (δεξιά).

Γνωρίζουμε ότι οι εξωτροπικοί κυκλώνες σχετίζονται με θετικές ανωμαλίες (δηλαδή με τοπικά μέγιστα) δυνητικού στροβιλισμού (positive PV- Anomalies). Αξίζει τον κόπο επομένως να δούμε και την ορογραφική κυκλογένεση από τη σκοπιά του δυνητικού στροβιλισμού (Potential Vorticity).
H αποδέσμευση της ροής από την τοπογραφία στα δυτικά κράσπεδα των Άλπεων παράγει μια «λωρίδα» δυνητικού στροβιλισμού (PV– Streamer ή PV-Banner), που εντοπίζεται στην ισχυρή ζώνη οριζόντιας
διάτμησης που διαχωρίζει τον άνεμο mistral από την «άπνοια» στα υπήνεμα των Άλπεων. Η εξέλιξη αυτού του PV banner με την πάροδο του χρόνου είναι πολύ διαφωτιστική. Εμφανίζεται στο ακόλουθο σχήμα:

Σχήμα 6: Δυνητικός στροβιλισμός και διανύσματα ανέμου στα 850 hPa κατά τη διάρκεια μιας υπήνεμης κυκλογένεσης.

Γίνεται αντιληπτός ο τρόπος με τον οποίο σχηματίζεται μια θετική ανωμαλία PV στο δυτικό άκρο της οροσειράς και στη συνέχεια μεταφέρεται νότια κατά τη φορά του ανέμου. Τελικά, αυτό το PV- banner αποσπάται εντελώς από την τοπογραφία και σχηματίζει μια αποκομμένη PV-Anomaly στον κόλπο της
Γένοβας. Το κυκλωνικό πεδίο των ανέμων γύρω από την PV–Anomaly δείχνει ήδη ότι αυτό το αποκομμένο μέγιστο δυνητικού στροβιλισμού είναι το ορογραφικό χαμηλό. Να σημειωθεί ότι ο δυνητικός στροβιλισμός αυτού του κυκλώνα παρήχθη χωρίς διαδικασίες διαβατικής θέρμανσης!

Τώρα, κάθε ψυχρό μέτωπο που κινείται από το βορρά προς τις Άλπεις δεν θα σχηματίσει απαραίτητα ένα υπήμεμο χαμηλό. Οι βέλτιστες συνοπτικές συνθήκες για την υπήνεμη κυκλογένεση προκύπτουν όταν μια ανώτερη σκάφη χαμηλών υψών κινείται πάνω από τις Άλπεις από τα δυτικά. Από την οπτική του δυνητικού στροβιλισμού, αυτό σημαίνει ότι μια PV-Anomaly κινείται πάνω από τις Άλπεις. Αυτό ακριβώς συνέβη στην υπό εξέταση περίπτωση.
Η ακόλουθη εικόνα δείχνει το PV στην ισεντροπική επιφάνεια των 310 K.

Σχήμα 7: PV στους 310 K. Μια στρατοσφαιρική λωρίδα ισχυρού δυνητικού στροβιλισμού κινείται από τα δυτικά προς τις Άλπεις.

To PV-Streamer στα 310 K φτάνει πάνω από τις Άλπεις περίπου τη στιγμή που το κατώτερο μέγιστο PV, στο δυτικό άκρο των Άλπεων, αποσπάται από  την τοπογραφία. Στη συνέχεια (σχήμα 7 b) η ανωμαλία PV συστρέφεται και αποκόπτεται, κάτι που δηλώνει την σύζευξη της ανώτερης με την κατώτερη ανωμαλία. Η σχετική θεωρία υποδεικνύει ότι αυτή η κατακόρυφη σύζευξη ενισχύει τους ορογραφικούς κυκλώνες, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα:

Σχήμα 8: Σχηματική παρουσίαση του μηχανισμού που οδηγεί στην υπήνεμη κυκλογένεση. Ο μηχανισμός περιλαμβάνει:
a) Tην τροποποίηση ενός ψυχρού μέτωπου που κατευθύνεται από το βορρά προς τις Άλπεις.

b) Tην προσέγγιση μιάς ανώτερης ανωμαλίας δυνητικού στροβιλισμού (Upper-level PV).

c) Την δημιουργία μιας πρωτογενούς ζώνης δυνητ. στροβιλισμού στα δυτικά κράσπεδα των Άλπεων (Low-level PV).
d), Tην αλληλεπίδραση ανώτερης και κατώτερης PV-Anomaly [από ”Low-Level Potential Vorticity and Cyclogenesis to the Lee of the Alps“, Aebischer, U].

Το παραπάνω “σενάριο” βασίζεται εξ ολοκλήρου σε «στεγνή» δυναμική. Ούτε το ανώτερο αλλά ούτε και το κατώτερο μέγιστο του δυνητικού στροβιλισμού επηρεάζονται σημαντικά από διαδικασίες συμπύκνωσης. Σε ένα μοντέλο δύο σταδίων της ορογραφικής κυκλογένεσης, αυτό αντιστοιχεί στην πρώτη φάση. Σε μια δεύτερη φάση, η νεαρή υπήνεμη ύφεση κινείται ανατολικά πάνω από τη Μεσόγειο και ενισχύεται περαιτέρω από τις διαδικασίες συμπύκνωσης των υδρατμών της, νεφοποποίησης και υετού. Είναι φανερό ότι μια τέτοια διαδικασία εξωτροπικής κυκλογένεσης διαφέρει ουσιαστικά από την αντίστοιχη των εξωτροπικών κυκλώνων του Ατλαντικού.

——————————————————————————————————

Πηγή πρωτότυπου κειμένου: “Mesoskalige Dynamic – Gebirge”
https://www.dropbox.com/s/2r6kwaeqc3ebve1/Mesoskalige%20Dynamik%20-%20Gebirge%20%20%28Sprenger%29.pdf?dl=0

Μετάφραση από τα γερμανικά: Γιώργος Λαμέρας (Lambros Georgiou)

Περισσότερα περί μετεωρολογίας στην ενότητα Μετεω-εγκυκλοπαίδια