Wprowadzenie teoretyczne do interpretacji prognoz siły i aktywności burz Skywarn Polska

W tej części w skrócie omówiono najważniejsze zagadnienia dotyczące prognoz siły i aktywności burz. Omówione zostały także kluczowe zagadnienia związane z prognozowaniem burz i niebezpiecznych zjawisk konwekcyjnych. Kliknij na pytanie z poniższej listy, aby dowiedzieć się więcej!

Czym jest burza?


Burza to zjawisko polegające na występowaniu wyładowań atmosferycznych dających efekty świetlne w postaci błyskawic oraz efekty dźwiękowe w postaci grzmotów. Jedynym rodzajem chmur generującym wyładowania atmosferyczne jest Cumulonimbus. Chmury te obok wyładowań atmosferycznych dają również intensywne, na ogół punktowe opady deszczu, gradu, krupy śnieżnej, a zimą także śniegu. W nocy efekty świetlne związane z aktywnością elektryczną chmur Cumulonimbus mogą być obserwowane z odległości powyżej 100 km. Zakończenie burzy następuje 15 minut po ostatnim wyładowaniu atmosferycznym, przy czym burza jest odnotowywana także w sytuacji wystąpienia pojedynczego wyładowania atmosferycznego dającego efekt świetlny i dźwiękowy.

Czym są silne i bardzo silne zjawiska atmosferyczne pochodzenia konwekcyjnego? Czym jest ekstremalnie silna burza?

Silne i bardzo silne zjawiska konwekcyjne to zjawiska prawie zawsze związane z obecnością chmur Cumulonimbus. Ich stopień nasilenia powoduje bezpośrednie zagrożenia dla mienia, zdrowia i życia ludzkiego. Zjawiskom tym na ogół towarzyszą także wyładowania atmosferyczne, stąd często określane są mianem zjawisk współtowarzyszących burzom. Do silnych zjawisk konwekcyjnych zaliczamy między innymi trąby powietrzne (zarówno mezocyklonalne, jak i nie związane z mezocyklonem), silne porywy wiatru (o prędkości co najmniej 90 km/h), duży grad (o średnicy co najmniej 2 cm lub tworzący warstwę na powierzchni ziemi o grubości co najmniej 2 cm) oraz ulewne opady deszczu, których godzinowa wysokość osiąga co najmniej 30 mm, lecz nie więcej niż 60 mm. Do bardzo silnych zjawisk konwekcyjnych, zaliczamy z kolei silne trąby powietrzne (siła równa kategorii IF2.5 lub powyżej), bardzo silne porywy wiatru (o prędkości wiatru w porywie co najmniej 120 km/h), opady bardzo dużego gradu (gradziny o średnicy równej 5 cm lub większej) oraz nawalne opady deszczu (o wysokości powyżej 60 mm w ciągu godziny).
Silne burze to takie burze, którym towarzyszy co najmniej jedno z silnych zjawisk konwekcyjnych. Z kolei ekstremalnie silne burze to burze, którym towarzyszy co najmniej jedno bardzo silne zjawisko konwekcyjne. W tabeli wyjaśniającej skalę stopni zagrożeń używanych na potrzeby prognoz konwekcyjnych Skywarn Polska (LINK) znajduje się podział groźnych zjawisk konwekcyjnych na zjawiska silne i zjawiska bardzo silne (ekstremalne), a także wartości progowe natężenia zjawisk odpowiadające temu podziałowi.

Jakie warunki muszą zostać spełnione, aby doszło do rozwoju chmury Cumulonimbus i wystąpienia burzy?

Rozwój chmur burzowych Cumulonimbus jest możliwy, gdy w atmosferze w danym miejscu o danym czasie zostaną jednocześnie spełnione trzy zasadnicze warunki rozwoju głębokiej i wilgotnej konwekcji. Tymi warunkami (składnikami) są:
1. występowanie równowagi (wilgotno) chwiejnej, co przejawia się dolnej i środkowej części troposfery spadkiem temperatury w pionie (gradientem) wyższym niż wartość spadku (gradientu) wilgotnoadiabatycznego przy danej temperaturze powietrza i wartości ciśnienia atmosferycznego,
2.  występowanie w troposferze odpowiednio dużej zawartości pary wodnej (wilgoci atmosferycznej), która skraplając się będzie budować komórkę burzową i napędzać jej wzrost,
3.  istnienie mechanizmu dynamicznego wynoszenia powietrza nienasyconego parą wodną na wysokość konwekcyjnego poziomu kondensacji (LCL), a następnie na wysokość poziomu swobodnej konwekcji (LFC), od którego wznosząca się porcja powietrza staje się cieplejsza od otoczenia i wznosi się dalej na skutek działania wyporności większej od grawitacji.
Dodatkowym istotnym czynnikiem wpływającym na rozwój chmur Cumulonimbus jest pionowe ścinanie (uskoki) wiatru. Może być ono prędkościowe (różnica prędkości wiatru pomiędzy dwoma poziomami w troposferze) lub kierunkowe (różnica kierunku pomiędzy poziomami). Jest to dodatkowy czynnik pobudzający rozwój chmur Cumulonimbus i mający zasadniczy wpływ na trwałość i siłę poszczególnych układów burzowych.

Jak duża odległość występuje pomiędzy poziomami LCL a LFC?

Odległość pomiędzy LCL a LFC przeważnie jest bardzo mała, ale w niektórych przypadkach może przekraczać nawet 1 km. Bez przekroczenia poziomu LFC wilgotna i ciepła porcja powietrza nie będzie się wznosić do góry bez istnienia dodatkowej siły, co przeważnie oznacza brak możliwości powstania chmury Cumulonimbus, nawet w przypadku występowania bardzo dużych wartości energii CAPE. Duża różnica pomiędzy wysokością LFC i LCL w gorące, parne dni na ogół jest związana z występowaniem hamowania konwekcji CIN (inaczej wyporności ujemnej). Jeżeli CIN nie jest zbyt duże, późnym popołudniem lub pod wieczór na skutek nagromadzenia wilgoci w warstwie granicznej troposfery (a co za tym idzie – wzrostu energii CAPE) i nasilenia dynamicznego wznoszenia nagrzanych mas powietrza może dojść do przełamania tej warstwy i gwałtownego, eksplozywnego rozwoju chmur Cumulonimbus (tzw. załadowany karabin – loaded gun sounding, LGS). W takiej sytuacji szczególnie intensywne zjawiska towarzyszące burzom występują często, choć w większości przypadków ograniczają się do stosunkowo małych obszarów.

Na tym sondażu atmosferycznym uchwyconą różnicę pomiędzy poziomem LFC i LCL wynoszącą ponad 1 km (patrz: oznaczenia poziomów w prawym dolnym rogu, na jasnoczerwono oznaczono pole odpowiadające hamowaniu konwekcji CIN). Duża różnica LFC-LCL oraz umiarkowanie duża wartość CIN skutecznie zablokowały rozwój burz do godzin wieczornych. Wieczorem na skutek ekstremalnie dużej wartości CAPE (tzw. loaded gun sounding) i dużego pionowego ścinania wiatru w rejonie tej stacji aerologicznej w niespełna godzinę powstały silne superkomórki przynoszące opady gradu o średnicy powyżej 10 cm.

Czy brak hamowania konwekcji (CIN) jest korzystny dla rozwoju silnych burz?


Odpowiedź na to pytanie brzmi „na ogół nie”. Występowanie „małych” wartości energii CIN (w zakresie od -50 do -20 J/kg) jest bardzo korzystne z punktu widzenia rozwoju silnych prądów wstępujących. Po pierwsze, w takich warunkach rozwój silnie wypiętrzonych chmur kłębiastych następuje dopiero późnym popołudniem (im niższa wartość CIN, tym rozwój chmur będzie blokowany dłużej, a w niektórych przypadkach oczywiście w ogóle do niego nie dojdzie). Gdy warstwa wyporności ujemnej zostanie w końcu przełamana przez wznoszącą się porcję powietrza, rozwijający prąd wstępujący może korzystać ze znacznie większej energii CAPE, niż byłoby to możliwe kilka godzin wcześniej. Po drugie, należy podkreślić, że warstwę hamującą konwekcję przebijają tylko nieliczne prądy wstępujące, stąd w pierwszej fazie rozwoju komórek burzowych występuje mniejsza konkurencja o zasoby wilgotnego i wygrzanego powietrza pomiędzy poszczególnymi układami. Najwyższe wartości CAPE w godzinach późno popołudniowych wynikają z silnego wygrzania przyziemnej warstwy troposfery oraz z nagromadzenia się wilgoci pod warstwą hamującą (występuje ona na wysokości 1-2 km n.p.g., tak więc wzrost ładunku wilgoci dotyczy dolnej części troposfery). Po przebiciu warstwy hamującej przez prąd wstępujący rozwój chmury Cumulonimbus przebiega bardzo szybko. Nawet w przypadku braku większych wartości pionowego ścinania wiatru burze w takich warunkach mogą mieć punktowo gwałtowny przebieg i być przyczyną zniszczeń (tzw. burze pulsacyjne). Jeśli dodatkowo wraz z wysokością znacząco zmienia się kierunek i prędkość wiatru (duże pionowe ścinanie wiatru), w takich warunkach szybko powstają dobrze zorganizowane układy burzowe obejmujące swoim zasięgiem znaczne obszary. Są to mezoskalowe układy konwekcyjne (MCS) z liniami szkwałów oraz silnie rozwinięte i groźne superkomórki burzowe. W sezonie letnim (czerwiec – sierpień) obydwie formy organizacyjne ośrodków burzowych mogą w takich warunkach przynosić zjawiska konwekcyjne o wyjątkowo dużym natężeniu, w tym porywy wiatru miejscami przekraczające prędkość 120 km/h oraz grad o średnicy znacznie powyżej 5 cm.

Jak często w atmosferze zostają jednocześnie spełnione 3 zasadnicze warunki rozwoju chmur Cumulonimbus? Jaki ma to wpływ na jakość prognoz siły i aktywności burz?

Sytuacja, w której spełnione są jednocześnie te 3 zasadnicze warunki, jest spotykana stosunkowo rzadko, nawet w gorący i parny, letni dzień. Wstępuje ona nad niewielkimi powierzchniowo obszarami i utrzymuje się nad nimi stosunkowo krótko. Numeryczne modele pogody pomimo ogromnych postępów dokonanych w dziedzinie modelowania atmosfery nadal nie są w stanie z dużą dokładnością określić miejsca i czasu inicjacji rozwoju układów burzowych oraz formy ich organizacji na kilkanaście – kilkadziesiąt godzin naprzód. Z powyższego faktu wynika, że prognozowanie burz i stopnia ich nasilenia z wyprzedzeniem rzędu kilkunastu – kilkudziesięciu godzin nad danym obszarem jest zadaniem dość trudnym i obarczonym dużym ryzykiem błędu. Jeszcze trudniejszym zadaniem będzie prawidłowe określenie właściwości potencjalnego układu burzowego takich jak forma organizacji, występowanie groźnych zjawisk konwekcyjnych, trwałość, zasięg przestrzenny, prędkość i kierunek przemieszczania się. Możemy jednak określić prawdopodobieństwo takiego zdarzenia oraz prawdopodobieństwo, że zdarzenie to będzie posiadało określone cechy. Z wyżej wymienionych przyczyn osoba sporządzająca prognozę siły i aktywności burz musi posiadać dużą wiedzę na temat warunków rozwoju tych zjawisk oraz doświadczenie w ich prognozowaniu.

Od czego zależy prawdopodobieństwo rozwoju poszczególnych rodzajów groźnych zjawisk konwekcyjnych i stopień ich nasilenia? Czy to, co dzieje się w atmosferze, wpływa na organizację i trwałość układów burzowych?

Prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych rodzajów groźnych zjawisk atmosferycznych konwekcyjnych takich jak trąby powietrzne, silne porywy wiatru, opady dużego gradu i nawalne opady deszczu, a także ich intensywność zależy od wielu innych właściwości atmosfery, które współwystępują z warunkami umożliwiającymi powstanie chmur Cumulonimbus. Podobnie jest również w przypadku rozwoju poszczególnych form układów konwekcyjnych takich jak pojedyncza komórka burzowa, superkomórka burzowa, układ wielokomórkowy, mezoskalowy układ konwekcyjny (MCS) i quasi-liniowy układ konwekcyjny (QLCS, lub nieco upraszczając znaczenie tego terminu – linia szkwału). Właściwości te liczbowo przedstawiane są za pomocą całego szeregu wskaźników określających zależności pomiędzy poszczególnymi elementami meteorologicznymi takimi jak temperatura, wilgotność, prędkość i kierunek wiatru na poszczególnych wysokościach atmosfery. Wskaźniki te zasadniczo można podzielić na 3 grupy – wskaźniki konwekcyjne (obliczane na podstawie pionowego zróżnicowania temperatury i/lub wilgotności w troposferze oraz na podstawie wartości tych parametrów na poszczególnych poziomach troposfery), kinematyczne (biorące pod uwagę zróżnicowanie w prędkości i kierunku wiatru w pionowym profilu troposfery) i złożone (kompozytowe, wykorzystujące w swojej formule zarówno wskaźniki konwekcyjne, jak i kinematyczne). Prawdopodobieństwo rozwoju poszczególnych rodzajów groźnych zjawisk konwekcyjnych zależy więc od wartości poszczególnych wskaźników. Trzeba przy tym podkreślić, że o ile w przypadku części wskaźników związek pomiędzy ich wartościami a prawdopodobieństwem groźnych zjawisk konwekcyjnych jest wyraźny, o tyle często spotykane są sytuacje, w których pomiędzy wartościami poszczególnych wskaźników występują interakcje, co znacznie utrudnia proces przygotowania prognozy konwekcyjnej. Forma organizacji układów konwekcyjnych w danym miejscu i o danym czasie będzie również w dużym stopniu zależna od wartości poszczególnych wskaźników konwekcyjnych.

Na podstawie wyników sondażu atmosferycznego możemy obliczyć szereg wskaźników używanych do prognozowania prawdopodobieństwa wystąpienia, intensywności i form organizacji układów burzowych oraz służących do określenia stopnia zagrożenia ze strony poszczególnych zjawisk współtowarzyszących burzom. Na czerwono zaznaczono wskaźniki konwekcyjne, na niebiesko – kinematyczne, a na zielono – kompozytowe.

Dlaczego prognozowanie wystąpienia burz i groźnych zjawisk konwekcyjnych obarczone jest tak dużym błędem nawet w krótkim horyzoncie czasowym (1-2 dni do przodu)?

Jest wiele czynników utrudniających sporządzenie dobrej, potwierdzającej się w późniejszej rzeczywistości prognozy zjawisk wywołanych konwekcją atmosferyczną. Pomimo bardzo dużego postępu, jaki się dokonał w modelowaniu przyszłego stanu atmosfery, metody prognozowania tych zjawisk są wciąż w dużym stopniu zawodne. Nawet wyniki krótkoterminowych modeli o bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzenno-czasowej z zaawansowanymi ustawieniami parametryzacji często charakteryzują się nieakceptowalnie dużymi błędami w prognozowaniu dokładnego miejsca i czasu rozwoju układów burzowych. Jeszcze gorzej sprawa wygląda z właściwym określeniem zasięgu zjawisk, ich trwałością czy formą organizacji. Na podstawie zaawansowanej metody obliczeniowej, jaką jest numeryczne modelowania pogody, nie jesteśmy też w stanie ustalić dokładnego miejsca wystąpienia niszczycielskich porywów wiatru, opadów dużego gradu, a tym bardziej trąby powietrznej, ponieważ wyniki modelowania tych zjawisk są w pewnym stopniu losowe, a rozdzielczość przestrzenna modeli zbyt niska. Czasami jedna aktualizacja modelu na kilkanaście godzin przed wystąpieniem zjawisk może wskazać znacząco odmienny ich przebieg, niż to wskazywały poprzednie wyniki. Dodatkowo duże znaczenie w numerycznym prognozowaniu zjawisk konwekcyjnych mają też braki w danych pomiarowych, które są danymi wejściowymi do modeli. Ich wystąpienie może z kolei zdestabilizować wyniki działania modeli. Problemem są nawet obecnie zachodzące zmiany klimatyczne, które najprawdopodobniej obniżają dokładność wyników numerycznych modeli pogody w umiarkowanych szerokościach geograficznych.

Na liczne błędy związane z prognozowaniem burz i groźnych zjawisk konwekcyjnych wpływa przede wszystkim charakterystyka ich występowania. Zjawiska te występują przeważnie lokalnie, a zasięg pojedynczego układu konwekcyjnego w danej chwili obejmuje powierzchnię od 1 do 1000 km2. Zjawiska konwekcyjne obejmujące w danej chwili swoim obszarem więcej niż 1o00 km2 obserwowane są znacznie rzadziej. W związku z powyższym nieraz dochodzi do sytuacji, w których efekt przejścia nawałnicy zauważalny jest tylko w 2-4 dzielnicach dużego miasta. Czy prognoza zakładająca przejście nawałnicy przez miasto sprawdziła się? Można z tym polemizować, ponieważ zdecydowana część mieszkańców wspomnianego miasta doświadczyła jedynie słabego deszczyku, nieco silniejszego wiatru i zapewne z daleka słyszała grzmoty. Ta część mieszkańców miasta z pewnością będzie zawiedziona prognozą, gdyż ich praca związana z zabezpieczeniem mienia i przygotowaniem się na nadejście nawałnicy okazała się zbędna (jednak podkreślmy to z całą stanowczością – nie była ona pozbawiona sensu, a tym bardziej celu).

Z powyżej opisanej sytuacji wynika, że błędem jest zakładanie, że prognoza nie sprawdziła się, skoro mówiła ona o możliwości wystąpienia burzy i innych groźnych zjawisk konwekcyjnych, które w danym miejscu nie były później obserwowane. Również błędne jest założenie, że prawdopodobieństwo burzy lub innego zjawiska konwekcyjnego podane w prognozie dotyczy konkretnego punktu w przestrzeni, a tym bardziej całego obszaru, którego dotyczyła prognoza. W takim wypadku najlepszym możliwym rozwiązaniem jest podanie w prognozie prawdopodobieństwa zjawisk w odniesieniu do odpowiednio zdefiniowanej jednostki przestrzennej.

Samo prognozowanie prawdopodobieństwa burz często nie jest łatwe. Nadal zdarzają się sytuacje, w których podstawowy wskaźnik konwekcyjny używany do prognozowania występowania burz – CAPE – osiąga na znacznych obszarach wysokie wartości, numeryczna prognoza pogody w wielu miejscach wskazuje na możliwość jednoczesnego spełnienia 3 podstawowych warunków (składników) rozwoju głębokiej i wilgotnej konwekcji (a więc również i burz), a ostatecznie liczba zjawisk jest niewielka lub zjawiska wręcz nie występują, ponieważ składniki konwekcji nie wystąpiły jednocześnie w danym miejscu i o danym czasie. Ponadto rzeczywiste wartości poszczególnych wskaźników używanych do prognozowania siły i aktywności burz oraz zjawisk im towarzyszących będą prawie zawsze w pewnym stopniu różnić się od wartości prognozowanych. Różnice te z kolei będą zmniejszały albo zwiększały prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych rodzajów groźnych zjawisk, poszczególnych form organizacji układów konwekcyjnych i innych ich cech. Nawet z pozoru niewielkie różnice w wartościach poszczególnych wskaźników meteorologicznych mogą mieć daleko idące konsekwencje dla stopnia nasilenia burz i formy ich organizacji.

Przykładami nietrafionych prognoz burz, w których przypadku zawiodła większość dostępnych numerycznych prognoz pogody, a także wieloletnie doświadczenie synoptyków, mogą być te informujące o dużym prawdopodobieństwie ekstremalnie silnych zjawisk konwekcyjnych na dzień 21 czerwca 2024 r. (poniżej mapa przedstawiająca strefy zagrożenia – jak się później okazało – błędnie zaktualizowanej przez nasze Stowarzyszenie prognozy; dodajmy jeszcze, że większość organizacji zajmująca się prognozowaniem burz i zjawisk im współtowarzyszących wydała prognozy i ostrzeżenia najwyższego stopnia dla podobnego obszaru jeszcze wcześniej). Najbardziej prawdopodobną przyczyną niesprawdzenia się prognozy był zbyt szybki rozwój licznych ośrodków burzowych na terenie Czech i w zachodniej części Polski, który dodatkowo przebiegał w przedniej części strefy z chwiejną masą powietrza, gdzie występowały mniejsze wartości wskaźników kinematycznych. Jednocześnie zabrakło silnej, liniowej strefy zbieżności wiatrów, która mogłaby pomóc w trwałości i lepszej organizacji rozwijającego się mezoskalowego układu konwekcyjnego (MCS). Prognozy wskazywały na wyraźnie późniejszy rozwój burz, które również miały występować w środowisku z silniejszym pionowym ścinaniem wiatru i jego skrętnością w dolnych 3 kilometrach troposfery. Ostatecznie burze i zjawiska im towarzyszące miały mniejsze nasilenie, niż zakładano. Sytuacja ta bardzo dobrze przedstawia opisane powyżej trudności, z jakimi styka się praktycznie każda osoba, która rzetelnie wykonuje tego typu prognozy.

Prognoza siły i aktywności burz dla Polski – aktualizacja prognozy z 20.06.2024 na okres 21.06.2024, 06:00 UTC do 22.06.2024, 06:00 UTC

Podsumowując, z wyżej omówionych powodów prawidłowa prognoza występowania burz i groźnych zjawisk konwekcyjnych oraz właściwe określenie ich nasilenia w prognozie to trudne, wymagające dużej wiedzy, wprawy i doświadczenia zadanie. Osoby, które do prognoz występowania i nasilenia burz używają jedynie wyników 1-2 modeli przedstawiających rozkład przestrzenny podstawowych elementów pogody (opady atmosferyczne, wiatr, rodzaj zjawisk) nieraz będą zaskakiwane nadzwyczaj słabą sprawdzalnością tego rodzaju prognoz. Z drugiej strony nawet bardzo duże doświadczenie nie zawsze jest gwarantem wykonania prawidłowej prognozy. Warto przy tym podkreślić, że w prognozowaniu groźnych zjawisk atmosferycznych takich jaki silne burze na ogół przyjmuje się zasadę mówiącą o tym, że ze względu na możliwe skutki lepiej jest nieznacznie przeszacować prognozowane zagrożenie, niż nie uwzględnić go w prognozie.

Jeżeli prognozowanie siły i aktywności burz oraz innych zjawisk konwekcyjnych to tak złożone i trudne zadanie, to czy istnieje jakaś zależność pomiędzy obecnie występującymi burzami a zjawiskami, które mają się rozwinąć na określonym obszarze w ciągu kolejnych kilkunastu godzin?


Istniejące lub zanikające układy konwekcyjne, w szczególności te duże, o wielkości mezoskalowych układów konwekcyjnych (MCS – Mesoscale Convective Systems) mogą mieć duży wpływ na rozwój kolejnych ośrodków burzowych, jak również na formę ich organizacji oraz na prawdopodobieństwo wystąpienia groźnych zjawisk współtowarzyszących w danym regionie w ciągu następnych kilkunastu godzin. Silnie rozbudowane układy konwekcyjne często wytwarzają strefy odpływu zimnego powietrza, które mogą przesuwać najlepsze warunki do rozwoju i występowania burz na dziesiątki, a czasami nawet setki kilometrów od wskazań wyników numerycznego modelowania pogody. W perspektywie kolejnych kilkunastu godzin granice stref odpływów stają się miejscem wymuszania wznoszenia mas powietrznych (tworzenie się stref zbieżności wiatru), przez co stają się czynnikiem predysponującym do rozwoju nowych komórek burzowych w warunkach chwiejności termodynamicznej atmosfery.

Czym jest prawdopodobieństwo zjawiska podawane w prognozach siły i aktywności burz Stowarzyszenia Skywarn Polska?

Prawdopodobieństwo burzy lub groźnego zjawiska konwekcyjnego w prognozach konwekcyjnych wydawanych przez Stowarzyszenie Skywarn Polska odnosi się do wystąpienia prognozowanego zjawiska w jednostce przestrzennej o określonych wymiarach w okresie ważności prognozy. Jednostką przestrzenną przyjętą na potrzeby prognoz wydawanych przez naszą organizację jest obszar koła o promieniu 40 km. Oznacza to, że podane w prognozie prawdopodobieństwo wystąpienia burz i groźnych zjawisk pochodzenia konwekcyjnego dotyczy obszaru w promieniu 40 km od danego punktu na mapie, a nie odnosi się jedynie do konkretnego punktu. Na przykład, jeżeli prawdopodobieństwo danego zjawiska o danym nasileniu podane w prognozie wynosi 25%, to znaczy, że istnieje 25% prawdopodobieństwo takiego zdarzenia w promieniu 40 km od punktu, na przykład miejsca naszego przebywania. Nie oznacza to jednak, że istnieje 25% prawdopodobieństwo wystąpienia określonego zjawiska w dokładnie tym miejscu (np. w niewielkiej miejscowości), tylko w promieniu 40 km od tego miejsca lub też nad nim. Z tego wynika, że w grupie 4 dób, dla których w dokładnie tej samej jednostce przestrzennej w 4 kolejnych prognozach konwekcyjnych określono prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia na 25%, powinna wystąpić 1 doba, podczas której prognozowane zdarzenie faktycznie miało miejsce.

Dla mojego regionu wydano 3. stopień zagrożenia, podczas gdy w mojej miejscowości nawet nie zagrzmiało. Czy prognoza była prawidłowa?


W części obszaru, dla którego wydano 3. stopień zagrożenia (najwyższy w skali) może dojść do sytuacji, w której nie zostanie zaobserwowane wystąpienie zarówno groźnych zjawisk konwekcyjnych, jak również wyładowań atmosferycznych. Jest to sytuacja całkowicie normalna i nie oznacza, że wydana prognoza automatycznie się nie sprawdziła. Gwałtowne burze i ekstremalne zjawiska współtowarzyszące mogły wystąpić w pozostałych częściach obszaru objętego w tym dniu 3. stopniem zagrożenia, jednocześnie spełniając kryteria wydania tego stopnia dla omawianej strefy. To z kolei oznacza, że tak sporządzonej prognozie nie można nic zarzucić. Groźne nawałnice pojawią się w naszej miejscowości kiedy indziej, być może podczas kolejnej sytuacji z 3. stopniem zagrożenia dla naszego regionu. Na tym właśnie polega podejście probabilistyczne w prognozowaniu burz i zjawisk im współtowarzyszących. To, że został wydany stopień zagrożenia dla miejsca, w którym przebywamy, wcale nie gwarantuje tego, że doświadczymy nawet słabej burzy z orzeźwiającym po upalnym dniu opadem deszczu, a tym bardziej silnej burzy spełniającej kryteria danego stopnia zagrożenia. Podejście to stosowane jest w prognozach konwekcyjnych Stowarzyszenia Skywarn Polska oraz wielu innych organizacji o podobnym profilu działalności.

W jaki sposób tworzona jest prognoza konwekcyjna (siły i aktywności burz) Stowarzyszenia Skywarn Polska i z czego się składa?

Proces powstawania prognozy rozpoczyna się od analizy synoptycznej. Na tym etapie określa się rozkład, kierunek oraz prędkość przemieszczania się układów barycznych i mas powietrza, a także identyfikuje się miejsca występowania stref chwiejności. Następnie sprawdza się rozkład wartości całego szeregu wskaźników istotnych dla rozwoju burz oraz poszczególnych groźnych zjawisk konwekcyjnych. W tym celu używane są wyniki numerycznych modeli pogody, przy czym analizie poddawane są wyniki pochodzące z wiodących modeli globalnych oraz z 2-3 modeli regionalnych.

Numeryczne modele pogody wskazują przybliżony rozkład stref opadów konwekcyjnych, co nieraz stanowi przydatną informację o przybliżonym czasie i miejscu rozwoju burz. Prognozowany przez model rozkład opadów jest jednak informacją niewystarczającą do sporządzenia prognozy konwekcyjnej, ponieważ nie dostarcza odpowiedzi na większość pytań dotyczących przebiegu i intensywności prognozowanych zjawisk. Nie dostarcza też żadnej informacji na temat prawdopodobieństwa zjawisk współtowarzyszących takich jak opady gradu, silne porywy wiatru i trąby powietrzne. Efektem końcowym analizy wyników z najnowszych przebiegów numerycznych prognoz pogody jest opracowanie podsumowania prognozy konwekcyjnej. Podsumowanie zawiera najważniejsze informacje o prognozowanej sytuacji meteorologicznej, burzach i pozostałych zjawiskach konwekcyjnych.

W kolejnym kroku na mapie wyznacza się strefy poziomów prawdopodobieństwa burz i strefy stopni zagrożenia silnymi/ekstremalnie silnymi burzami. Należy tutaj podkreślić, że groźne zjawiska konwekcyjne na ogół współtowarzyszą burzom i decydują o tym, czy burza jest postrzegana jako słaba (zwykła burza) czy bardzo silna (ma charakter nawałnicy). Jeżeli analiza wyników modeli numerycznych wykazała duże prawdopodobieństwo wystąpienia groźnych zjawisk współtowarzyszących o wyjątkowo dużym natężeniu, wydawany jest 3. stopień zagrożenia. Jeżeli prawdopodobieństwo to jest mniejsze lub prognozowane są zjawiska o mniejszym stopniu natężenia, wtedy wydawany jest 2.stopień zagrożenia. W przypadku, gdy prawdopodobieństwo wystąpienia ekstremalnie silnych zjawisk współtowarzyszących jest znikome (marginalne) lub prawdopodobieństwo wystąpienia groźnych zjawisk konwekcyjnych o znacznym stopniu natężenia jest małe lub umiarkowane, wtedy wydawany jest 1. stopień zagrożenia. Kryteria wydania poszczególnych stopni zagrożenia groźnymi zjawiskami konwekcyjnymi przedstawiono w tabeli (LINK).

Następnym, opcjonalnym etapem tworzenia prognozy siły i aktywności burz jest opracowanie szczegółowego opisu zawierającego dodatkowe informacje na temat omawianej sytuacji meteorologicznej, oczekiwanego przebiegu burz i form ich organizacji, a także prognozowanego wystąpienia zjawisk współtowarzyszących. Szczegółowe omówienie przygotowywane jest tylko w przypadku prognoz uwzględniających stopnie zagrożenia lub prognoz z rozbieżnymi scenariuszami rozwoju sytuacji. W tej części prognozy o wiele częściej pojawia się specjalistyczne słownictwo, czy też pojęcia żargonowe, charakterystyczne dla tego typu opracowań. Szczegółowy opis zawiera również informacje na temat prognozowanych wartości poszczególnych wskaźników meteorologicznych wraz z wyjaśnieniem, co dla tej konkretnej sytuacji oznaczają.

Podsumowując, do mapy rozkładu stref prawdopodobieństwa burz oraz stopni zagrożeń dołączony jest opis do prognozy, który składa się z części ogólnej (podsumowania) zawierającej najważniejsze fakty na temat prognozowanej sytuacji, przebiegu i siły burz, a także z części szczegółowej zawierającej wyczerpujące omówienie prognozowanej sytuacji meteorologicznej oraz prognozowanych scenariuszy przebiegu burz i groźnych zjawisk konwekcyjnych. O ile podsumowanie przygotowywane jest z myślą o każdej osobie, która może być potencjalnym odbiorcą prognozy konwekcyjnej, o tyle szczegółowe omówienie adresowane jest dla osób posiadających przynajmniej podstawową wiedzę z zakresu prognozowania burz i groźnych zjawisk atmosferycznych. Finalnym krokiem w procesie powstawania prognozy konwekcyjnej jest opublikowanie jej treści wraz z mapą na stronie internetowej Stowarzyszenia Skywarn Polska oraz rozpowszechnienie informacji o jej wydaniu poprzez platformy społecznościowe.

W jaki sposób weryfikowana jest sprawdzalność prognoz siły i aktywności burz Skywarn Polska?

W procesie weryfikacji prognoz wykorzystujemy dane pochodzące z systemu detekcji wyładowań atmosferycznych, dane pomiarowe ze stacji i posterunków meteorologicznych oraz raporty o groźnych zjawiskach atmosferycznych pochodzącej z Europejskiej Bazy Danych o Gwałtownych Zjawiskach Atmosferycznych (eswd.eu). Dla każdego punktu (węzła) siatki używanej podczas weryfikacji sprawdzane jest wystąpienie wyładowań atmosferycznych i groźnych zjawisk konwekcyjnych w promieniu 40 km, a następnie dla każdej wydzielonej w prognozie strefy wyliczane są wartości prawdopodobieństwa wystąpienia określonych zdarzeń. Następnie dla każdej strefy sprawdza się, czy obliczone na podstawie danych obserwacyjnych wskaźnik prawdopodobieństwa zjawisk odpowiada prawdopodobieństwu zjawisk, które zostało określone stopniem wydanym w prognozie. Jeżeli wskaźnik prawdopodobieństwa wyładowań atm. lub groźnych zjawisk w okresie jej obowiązywania osiągnął poziom odpowiadający prawdopodobieństwu określonemu prognozą, to taką prognozę uznaje się za sprawdzoną. Jeżeli jednak wskaźnik prawdopodobieństwa zdarzeń przekroczył w danej strefie przedział wartości prawdopodobieństwa wynikający ze stopnia wydanego w prognozie (a więc zjawiska występowały na danym obszarze znacznie częściej, niż miało to wynikać z wydanego stopnia zagrożenia lub miały większe nasilenie), to w takiej sytuacji prognoza dla tej strefy była błędna. Dla rozważanego obszaru należało wydać wyższy stopień prawdopodobieństwa burz i/lub wydać wyższy stopień zagrożenia. O błędzie prognozy możemy również mówić w sytuacji odwrotnej, gdy zjawisk w danej strefie było mniej, a wskaźnik prawdopodobieństwa danego zdarzenia nie osiągnął wartości wynikającej z prognozy.

Z powyższego tekstu wynika, że błędy prognozy najogólniej możemy podzielić na błędy dwóch rodzajów:
1. Błąd 1. rodzaju (False Alarm) – występuje w sytuacji, gdy na obszarze danego stopnia możliwości (prawdopodobieństwa) burz zjawiska te nie występują lub ich aktywność jest mniejsza, niż to wynika z wydanego stopnia możliwości. W ten sam sposób błąd pierwszego rodzaju definiujemy dla poszczególnych stopni zagrożeń zjawiskami konwekcyjnymi. Tak więc w sytuacji, w której groźne zjawiska konwekcyjne nie występują lub nasilenie i aktywność tych zjawisk jest mniejsza, niż to wynika z wydanego stopnia zagrożenia, występuje błąd 1. rodzaju.
2. Błąd 2. rodzaju (Surprise Events) – w sytuacji, gdy na dany obszar nie wydano stopnia prawdopodobieństwa burz, chociaż zjawiska później miały miejsce lub wydano zbyt niski stopień prawdopodobieństwa, który nie odpowiadał rzeczywistej aktywności zjawisk. W podobny sposób błąd 2. rodzaju definiujemy dla stopni zagrożeń. Zatem w przypadku, gdy na dany obszar nie wydano stopnia zagrożenia, a groźne zjawiska konwekcyjne miały tam miejsce lub też wydano zbyt niski stopień zagrożenia nie odpowiadający obserwowanej później aktywności i intensywności zjawisk, występuje błąd 2. rodzaju.

Oczywiście w większości przypadków prognoza dla danej strefy jest prawidłowa – zjawiska występują z takim prawdopodobieństwem i natężeniem, jak podano w prognozie lub zgodnie z prognozą zjawiska na danym obszarze nie występują. Czwartą, ostatnią możliwością jest sytuacja, w której prognoza nie została wydana i zjawisk podlegających prognozowaniu również nie odnotowano, co jest – rzecz jasna – sytuacją również pożądaną. Mając liczbę prognoz prawidłowych i błędnych (łącznie 4 sytuacje opisane powyżej) dla poszczególnych stref, tworzymy tabelę krzyżową, na podstawie której obliczamy wskaźniki sprawdzalności prognozy takie jak POD (Probability of Detection) – stosunek prognoz trafionych do zdarzeń podlegających prognozowaniu, FOH (Frequency of Hits) – stosunek prognoz trafionych do prognoz wydanych, CSI (Critical Score Index) – stosunek prognoz trafionych do wszystkich prognoz wydanych i zdarzeń podlegających prognozowaniu, bias – stosunek liczby wszystkich wydanych prognoz do wszystkich zdarzeń podlegających prognozowaniu.

W przypadku, gdy indywidualną prognozę oceniamy w kategoriach „prognoza sprawdzona”, „prognoza niesprawdzona”, za prognozę sprawdzoną uznajemy taką prognozę, w której łączny obszar błędu 1. i 2. rodzaju nie przekracza 20% obszaru Polski. Jeżeli w prognozie były wydane stopnie zagrożenia przed groźnymi zjawiskami konwekcyjnymi, sprawdzalność jest oceniania oddzielne dla poziomów możliwości (prawdopodobieństwa) wystąpienia burz i dla stopni zagrożenia.

Należy podkreślić, że dane o groźnych zjawiskach z bazy danych ESWD nie są dostępne natychmiast, a często dopiero z 2-3 tygodniowym opóźnieniem, w szczególności licznych i długotrwałych epizodów występowania niebezpiecznych zjawisk atmosferycznych, które swoim zasięgiem obejmują znaczną część Europy. Organizacja European Severe Storms Laboratory wraz ze krajowymi służbami meteorologicznymi i innymi organizacjami współpracującymi dokładają wszelkich starań, aby proces wprowadzania danych do bazy ESWD trwał jak najkrócej, ale w wielu przypadkach opóźnienie jest niemożliwe do uniknięcia ze względu na brak odpowiednich danych lub liczbę raportów, którą trzeba do bazy wprowadzić. Dużo czasu zajmuje także proces weryfikacji części zjawisk (w szczególności trąb powietrznych) i identyfikacji ich intensywności. W związku z tym weryfikacja prognoz z danego roku odbywa się dopiero w pierwszych 2 miesiącach kolejnego roku, dzięki czemu unikamy pracy na niekompletnych danych.