Prognozowane dla Polski przez model GFS parametry związane z chwiejnością troposfery na dzień 15.08.2008 (źródło: estofex.org). Wyjaśnienie: Td - punkt rosy, Mix. Ratio - tzw. stosunek zmieszania, CAPE - energia konwekcji, LI 500-700 hPa - najbardziej niestabilny (ujemny) LI z warstwy ograniczonej powierzchniami izobarycznymi 500 hPa i 700 hPa.
Aby powstała jakakolwiek burza, troposfera musi być niestabilna (chwiejna). Aby to nastąpiło, powinno być spełnionych kilka warunków. Po pierwsze, w troposferze powinien występować odpowiedni pionowy gradient temperatury – zazwyczaj na każdy kilometr wysokości temperatura w troposferze powinna spadać o przynajmniej 6°C (dotyczy to warstwy 1-5 km ponad powierzchnią ziemi). Po drugie, powietrze zalegające w dolnej warstwie troposfery powinno być odpowiednio wilgotne i ciepłe (względem powietrza zalegającego wyżej). Po trzecie, nic nie powinno blokować unoszenia się ciepłego i wilgotnego powietrza do góry (taką blokadą może być inwersja lub izotermia temperatury w dolnych 3-4 km troposfery). Gdy powyższe warunki zostaną spełnione, powietrze może zacząć unosić się, a na pewnym poziomie schłodzona masa powietrza osiąga stan nasycenia parą wodną i rozpoczyna się kondensacja (tworzą się chmury). Kondensacji towarzyszy wydzielanie się ciepła utajonego, co napędza dalsze unoszenie się powietrza (które jest cieplejsze, a więc lżejsze od otoczenia). Dzięki temu tworzą się potężne chmury kłębiaste, których wierzchołki sięgają nawet do poziomu tropopauzy (7 – 15 km ponad powierzchnią ziemi w zależności od pory roku i szerokości geograficznej). Powyżej omówione warunki mogą występować w miesiącach letnich w bezgradienciu lub nawet na obrzeżach ośrodków wyżowych, z dala od niżów i frontów atmosferycznych (wtedy występują burze termicznych). W ciepłej porze roku w miejscach, do których napływa ciepła i wilgotna masa powietrza (zazwyczaj dzieje się tak przed przejściem chłodnego frontu) energia konwekcji (CAPE) może być szczególnie duża (2000 J/kg i więcej).
Prognoza modelu GFS dla Polski na dzień 15.08.2008 - temperatury i wiatr na poziomach 2 m, 850 hPa, 500 hPa i 300 hPa (źródło: estofex. org). Widać gwałtowne zderzenie odmiennych mas powietrza na pofalowanym froncie atmosferycznym (tworzenie się ośrodka niżowego) nad Polską.
Na ogół burze superkomórkowe są związane z obszarami, na których stykają się masy powietrza bardzo różniące się temperaturą i wilgotnością. Znaczny poziomy kontrast termiczny powoduje wzrost prędkości wiatru w całej troposferze (pionowe uskoki wiatru), który na wysokości ok. 10 km nad powierzchnią ziemi osiąga nieraz prędkość ponad 120 km/h (mówimy wtedy o tzw. prądzie strumieniowym). Nie jest to jednak regułą. Czasem maksymalna prędkość wiatru w całym profilu troposfery występuje np. w warstwie 3-6 km nad powierzchnią ziemi i to wystarczy do dobrej organizacji rozwijających się w tych warunkach burz. Najwięcej superkomórek występuje w rejonie wyraźnych chłodnych i pofalowanych frontach atmosferycznych. Szczególnie na fali frontowej, w miejscu tworzenia się niżu dolnego, warunki mogą sprzyjać najgwałtowniejszym zjawiskom burzowym. Zazwyczaj w takich miejscach w dolnych kilku kilometrach troposfery pojawia się silny skręt wiatru sprzyjający rozwojowi superkomórek i trąb powietrznych (np. przy ziemi wieje z południowego wschodu, a na wysokości 3-4 km ponad powierzchnią ziemi notuje się wiatr południowo-zachodni lub zachodni). Czasami obszary ze znacznym skrętem wiatru w dolnej części troposfery bywają dość rozległe. Nie jest jednak regułą, że burze superkomórkowe muszą rozwinąć się zawsze w pobliżu lub na linii frontu – mogą one powstać nawet w odległości 300 – 400 km od frontu, w ciepłej, wilgotnej masie powietrza, zazwyczaj w miejscu występowania stref konwergencji (zbieżności) wiatru w dolnej troposferze. Oprócz pojedynczych, odizolowanych superkomórek burzowych, występują superkomórki wbudowane w większe układy konwekcyjne. Dość częstym zjawiskiem jest superkomórka wbudowana w linię szkwału na aktywnym, chłodnym froncie atmosferycznym. Superkomórki na liniach szkwału są trudniejsze do wykrycia, ale potrafią być równie groźne, jak superkomórki odizolowane od innych układów burzowych. Bywa też tak, że na froncie powstaje cała lina burz superkomórkowych, przy czym każda z tych burz generuje gwałtowne zjawiska burzowe. Nieraz kilka superkomórek po pewnym czasie łączy się w burzę wielokomórkową, często o dużych rozmiarach (MCS, Mesoscale Convective System – mezoskalowy system konwekcyjny). Podczas trwania burzy wielokomórkowej, mogą do niej dołączać kolejne superkomórki. Ewolucja superkomórek i innych burz jest zależna od przebiegu frontów i stref konwergencji. Na chłodnych frontach atmosferycznych strefy konwergencji mają zazwyczaj kształt linii, stąd tworzą się liniowe układy burzowe.
Aby ułatwić prognozowanie superkomórek, najlepiej posługiwać się odpowiednimi parametrami opisującymi chwiejność troposfery, a także prędkość i zmienność wiatrów w całym profilu troposfery. Skupimy się na parametrach dotyczących prędkości i zmienności wiatrów w pionowym profilu troposfery (czyli na tzw. parametrach kinematycznych), gdyż sama chwiejność umożliwia występowanie dowolnego typu burzy.
Prognoza GFS dla Polski na dzień 15.08.2008 (źródło: estofex.org). Wartości pionowych uskoków wiatru naniesione na wartość CAPE. Parametr SRH z warstw 0-1 km AGL i 0-3 km AGL.
Tak jak już wcześniej wspomniano, aby burza superkomórkowa powstała, w troposferze powinien występować odpowiednio silny i zmieniający się wraz z wysokością wiatr (uskoki wiatru). Jednak nie ma żadnego wyraźnego progu i w niektórych sytuacjach uskoki wiatru nie muszą być znaczące, aby utworzyła się superkomórka. Natomiast im silniejszy wiatr i uskoki wiatru, tym większe są szanse na utworzenie się superkomórki (oczywiście tylko, gdy troposfera jest chwiejna). Najważniejsze w prognozowaniu są parametry określające pionowe uskoki wiatru (ścinanie wiatru) między poszczególnymi poziomami troposfery. Przykładem może być uskok wiatru między powierzchnią ziemi, a wysokością 1 km nad powierzchnią ziemi (0-1 km AGL shear inaczej LLS), między powierzchnią ziemi, a wysokością 3 km (0-3 km AGL shear) i tak dalej (0-6 km AGL shear, inaczej DLS czy 0-8 km AGL shear, inaczej 0-8 km DLS). Dodatkowo dość często występują wartości pionowego uskoku prędkościowego między wysokościami 1 km nad powierzchnią ziemi a 8 km nad powierzchnią ziemi (1-8 km AGL shear inaczej 1-8 km DLS). Pionowe uskoki prędkościowe wiatru liczy się odejmując od siebie wektory wiatru z 2 podanych poziomów w troposferze, a więc ich wartości w pewnym stopniu są zależne również od kierunku wiatru.
Pionowy profil wiatru na specjalnym diagramie (tzw. hodograf) z bardzo dobrymi warunkami wiatrowymi dla rozwoju superkomórek. Radisoondaż, z którego pochodzą dane, wykonano podczas Super Tornado Outbreak z 2011 roku.
Kolejnym ważnym parametrem dla rozwoju burz jest SRH (Storm Relative Helicity), który jest miarą skrętu i wzrostu prędkości wiatru w dolnej troposferze. Informuje on o potencjale rozwoju rotacji w obrębie prądu wstępującego chmury kłębiastej (i utworzenia mezocyklonu). Zazwyczaj SRH liczy się dla warstw 0-1 km i 0-3 km nad poziomem ziemi. Dodatkowo SRH oblicza się osobno dla burz prawoskrętnych i lewoskrętnych. Im większe SRH, tym większa skłonność do tworzenia się superkomórek i trąb powietrznych. Jednak nawet niewielkie wartości SRH nie wykluczają utworzenia się niebezpiecznej burzy superkomórkowej – z obserwacji wynika, że dla rozwoju burz superkomórkowych najważniejsza jest odpowiednia wartość uskoku wiatru DLS.
O podwyższonym ryzyku wystąpienia burzy superkomórkowej można mówić wtedy, gdy DLS przekroczy wartość 15 m/s. Jeśli jednak DLS nie osiągnie 15 m/s, natomiast parametry LLS, 0-3 km AGL shear i SRH 0-3 km AGL będą mieć podwyższone wartości (np. LLS ponad 10 m/s, 0-3 km AGL shear ponad 12-15 m/s, SRH 0-3 km AGL ponad 150 m2/s2), istnieje ryzyko utworzenia się burzy superkomórkowej posiadającej płytki, zazwyczaj niezbyt silny mezocyklon. Im większe wartości powyżej przedstawionych parametrów, tym większe ryzyko burzy superkomórkowej. W sytuacji, gdy w warunkach znacznej chwiejności występują silne pionowe uskoki wiatru (np. DLS osiąga wartości 20-25 m/s, LLS przekracza 10 m/s, do tego występuje SRH 0-3 km AGL ponad 200 m2/s2), jest niemal pewne, że część z formujących się burz zamieni się w dobrze zorganizowane układy burzowe, w tym superkomórki, które mogą posiadać silne mezocyklony i generować groźne zjawiska. Tak było 15.08.2008, gdy w Polsce wystąpiły bardzo silne trąby powietrzne. W przypadku najgroźniejszych incydentów burzowych na terytorium Stanów Zjednoczonych notowano wartości DLS osiągające 30-40 m/s, LLS – 15-25 m/s, SRH 0-3 km AGL – 500-1000 m2/s2. Dodatkowo wartość energii CAPE znacząco przekraczała 2500 J/kg. W Polsce podobne warunki teoretycznie są możliwe, ale zdarzają się wyjątkowo rzadko, może raz na kilkadziesiąt lat.
Na radiosondażu z dnia 20.07.2007 z Wiednia uchwycono sytuację, która sprzyja wieczornym, gwałtownym burzom. Bardzo duża wartość CAPE jest "zablokowana" przez niewielką ilość energii hamującej konwekcję (CIN). W przypadku superkomórek taka sytuacja powoduje opady bardzo dużego gradu i niszczące porywy wiatru prostoliniowego.
Warto jeszcze zwrócić uwagę na sytuację, gdy po upalnym dniu burze superkomórkowe formują się dopiero pod wieczór. Jest to związane z energią blokującą konwekcję (CIN) powstałą na skutek istnienia inwersji lub izotermii w dolnych 3-4 km troposfery. Gdy pod koniec upalnego dnia na skutek oddziaływania strefy konwergencji wiatrów w dolnej troposferze nagromadzi odpowiednio wilgotne, chwiejne powietrze i przełamie barierę blokującą jego wędrówkę do góry (np. inwersję), może dojść do bardzo gwałtownego, „eksplozywnego” rozwoju burz superkomórkowych. W takich warunkach ryzyko pojawienia się trąb powietrznych jest ograniczone, ale zagrożeniem stają się pozostałe niebezpieczne zjawiska burzowe – w szczególności olbrzymich rozmiarów grad i niszczące porywy wiatru prostoliniowego. Ponieważ w opisywanej sytuacji często występują olbrzymie wartości energii CAPE, powoduje to trudności w prognozowaniu zjawisk burzowych. Burze nie występują, mimo że troposfera jest wyjątkowo chwiejna. Czasami taki stan nad danym miejscem może utrzymywać się przez kilka dni z rzędu. Burze występują dopiero wtedy, gdy pojawi się strefa konwergencji wiatrów w dolnych partiach troposfery lub gdy przybliży się front atmosferyczny. W górach, na skutek tzw. wznoszenia orograficznego, łatwiej może dojść do przełamania bariery związanej np. z CIN.
