FAQ: что такое суперячейка?

В комментариях к постам телеграм канала Nevreme часто встречаются различные вопросы о суперячейковых грозах. Для того, чтобы ответить на эти вопросы, я написал гайд, в котором собрал всю самую важную информацию по этой теме. Но прежде чем переходить непосредственно к суперячейкам, сперва нужно понять принцип устройства "обычных" гроз, чтобы затем сравнить их с суперячейковыми и увидеть важные отличия.

Классификация гроз

Грозы разделяются на различные виды в зависимости от их внутреннего строения. Как правило, чем сильнее сдвиг ветра в атмосфере (изменение скорости и/или направления ветра с высотой), тем сложнее устроены грозы. Мы начнем с самых простых и затем перейдем к более сложным.

Иногда бывает довольно трудно отнести грозу к определенному типу по мере её развития, однако есть несколько основных категорий, которые часто бывают полезны: 

1. Моноячейковая Гроза

Этот вид гроз формируется при слабом сдвиге ветра в атмосфере. Моноячейка состоит из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной части облака и быстро разрушается с выпадением осадков. При слабом ветре и малой конвективной неустойчивости осадки выпадают навстречу восходящему воздуху, препятствуя дальнейшему развитию облака. В среднем такие грозы живут 30-45 минут, и помимо ливня могут сопровождаться мелким градом и слабым шквалом. 

2. Мультиячейковая Гроза

Чаще всего грозы встречаются не в виде одиночных ячеек, а целых групп (2-4 и более). В этом случае гроза будет называться мультиячейковой. В зависимости от формы скопления можно выделить два основных типа мультиячеек:

а) Мультиячейковый Кластер

Это наиболее распространенный тип гроз, связанный с мезомасштабным (имеющим масштаб 10-1000 км) скоплением грозовых ячеек. В то время как жизненные циклы моноячеек длятся около 30 минут, мультиячейковый кластер может существовать несколько часов и двигаться как единое целое. Организованность и интенсивность таких штормов может сильно варьироваться — это могут быть как хаотичные скопления, так и организованные конвективные системы, включающие в себя встроенные суперячейки с крупным градом и смерчами. 

б) Мультиячейковая Линейная Система 

Также известная как линия шквалов, это протяженная штормовая система, образующая хорошо развитую непрерывную линию гроз длиной от нескольких десятков до сотен и тысяч километров. Подобные системы формируются вдоль атмосферного фронта циклонов, где присутствует достаточный температурный градиент и необходимые параметры неустойчивости, и могут проходить расстояния в тысячи километров. В особых случаях внутри таких штормов развиваются благоприятные условия для усиления ветра, из-за чего на радаре шторм выгибается в форму, напоминающую лук. Такие изгибы называются bow echo и с ними связаны сильнейшие шквалы, нередко доходящие до разрушительных ураганных значений.

*Раздел мультиячейковых гроз будет дополнятся в дальнейшем*

3. Суперячейковая Гроза

Суперячейка — это высокоорганизованная грозовая ячейка. Почти все грозы этого типа вызывают опасные погодные явления (крупный град, разрушительные ветры, иногда торнадо). Суперячейки не зависят от размеров — они могут быть большими или маленькими, высокими или низкими. Отличие от обычных ячеек заключается в том, что восходящий поток суперячейки под влиянием сильного сдвига ветра отклоняется от вертикальной оси и вращается, за счет чего осадки смещаются по ветру и выпадают в стороне от восходящего потока. Это помогает продлить жизнь шторма, которая может измеряться часами, а не минутами. Такой вращающийся восходящий поток суперячейковой грозы называется мезоциклоном.

Для образования мезоциклона необходимо наличие сдвига ветра по скорости и направлению в атмосфере, а также конвективная неустойчивость.

Работая вместе, сдвиг скорости и сдвиг направления создают горизонтальный вихрь в нижних слоях атмосферы, который катится по поверхности земли подобно трубке бумажного полотенца. При наличии конвективной неустойчивости возникает восходящий поток, поднимающий эту трубу из горизонтального положения в вертикальное.

Строение суперячейковой грозы

На этом изображении приведена модель идеальной суперячейковой грозы с обозначением основных элементов. Ниже вы найдете подробное описание каждого из них. Следует учитывать, что не каждая суперячейковая гроза обладает всеми перечисленными составляющими, однако самые важные компоненты (Rotating Updraft, Forward Flank Downdraft, Rear Flank Downdraft) есть практически у каждой грозы этого типа.

Rotating Updraft — мезоциклон, вращающийся восходящий поток в форме огромной колонны воздуха около 3-10 км в диаметре и 10-15 км высотой, который чаще всего располагается в правой задней части облака. Главная зона притока мезоциклона, откуда он всасывает в себя теплый влажный воздух, называется inflow. Благодаря высокой скорости восходящего потока мезоциклона (30-45 м/с) суперячейки способны долгое время удерживать в воздухе частицы льда, которые со временем прилипают друг к другу и формируют град огромных размеров.

Forward Flank Downdraft, FFD — это передняя часть суперячейковой грозы и местонахождение основной части осадков шторма. Поскольку атмосферный ветер среднего уровня наклоняет восходящий поток, зона осадков смещается по ветру и выпадает в стороне от мезоциклона, что позволяет суперячейке существовать длительное время.

Rear Flank Downdraft, RFD — это задний боковой нисходящий поток суперячейки, который образуется, когда сухой ветер среднего уровня, дующий из-за пределов шторма, окутывает восходящий поток и прижимается к земле в ответ на повышенное давление внутри грозы. Во влажных суперячейках в этой зоне также могут выпадать интенсивные осадки. Исследования показывают, что хорошо развитый RFD является необходимым компонентом для образования торнадо.

Рассмотрим эти зоны подробнее на фотографии суперячейки, прошедшей по северу Сербии 13 июля 2023 года (автор Nevreme):

В данном примере осадки в Rear Flank Downdraft практически полностью отсутствовали. Во влажных суперячейках в RFD может наблюдаться крупный град и интенсивные ливни, а вдоль зоны выпадения осадков часто образовывается shelf cloud. В этом случае, за счет прохождения сквозь зону сильных осадков, поток RFD переувлажняется и потенциал к торнадогенезу снижается. Пример суперячейки по типу сильных осадков с влажным Rear Flank Downdraft (автор Maurizio Signani):

Wall Cloud — облако-стена, компактная область с резко сниженной нижней границей облаков под основанием мезоциклона между RFD и FFD. Wall cloud образуется, когда теплый влажный приток (inflow) встречается с FFD и RFD и затем поглощается мезоциклоном. Наличие облака-стены указывает на очень сильный восходящий поток и часто предшествует формированию торнадо.

Ниже приведена фотография облака-стены торнадической суперячейки классического типа, сделанной в США в 2016 году (автор Pecos Hank)

Tail Cloud — облако-хвост, низкое облако в форме хвоста, простирающееся от основной области осадков суперячейки (FFD) по направлению к wall cloud. Это облако образуется из-за того, что мезоциклон засасывает в себя увлажненный и охлажденный воздух из FFD, поэтому конденсация происходит на небольшой высоте. Облако-хвост также указывает на высокую вероятность торнадо.

Tornado — смерч, атмосферный вихрь, связанный с мезоциклоном суперячейки и распространяющийся вниз в виде воронки от wall cloud до поверхности земли. Диаметр торнадо может варьироваться от нескольких метров до 3-4 километров. Важнейшим компонентом для образования торнадо является развитый RFD, способный разгонять вращение восходящего потока до необходимых для торнадогенеза значений. В зависимости от ущерба, который торнадо наносит искусственным сооружениям и растительности, ему присваивается категория по шкале Футджиты от EF0 до EF5.

Другие признаки суперячеек, которые могут быть видны за много километров от эпицентра шторма:

Flanking Line — фланговая линия, представляющая собой линию новых восходящих потоков, сливающихся с мезоциклоном. Это постоянный источник восходящего потока/энергии, который способствует долгой жизни суперячейки. Если вы наблюдаете серию кучевых башен, поднимающихся в родительскую грозу, есть хороший шанс, что суперячейка сохранится в течение нескольких часов. Развитые фланговые линии сыграли важную роль в возникновении некоторых из наиболее значительных торнадо в истории.

Anvil — наковальня, плоское облачное образование на вершине грозового облака. Оно появляется, когда восходящий воздух грозы достигает стратосферы. Рост облака внезапно прекращается – тогда и появляется плоская наковальня. Если поток воздуха очень мощный, то над наковальней может образоваться overshooting top (куполообразный выступ, выходящий из вершины наковальни грозы в нижнюю стратосферу). Если overshooting top сохраняется в течение 10 минут или дольше, это явный признак того, что шторм сильный.

Если подводить итог, то суперячейковая гроза отличается от "обычной" тем, что максимально эффективно расходует собственную энергию. Пространственное разделение восходящих и нисходящих потоков продлевает жизнь суперячейки, а их внутреннее взаимодействие напоминает принцип водного колеса, в котором в роли наполненной водой опускающейся половины выступает FFD, а пустой и поднимающейся — мезоциклон.

Классификация суперячейковых гроз

Специалисты выделяют три типа суперячейковых гроз, в зависимости от количества влаги в облаке (в некоторых случаях невозможно точно определить тип суперячейки, так как по мере развития они могут переходить из одной категории в другую, а также быть встроенными в различные мезомасштабные конвективные системы):

Low Precipitation, LP Supercell — суперячейка по типу слабых осадков

• Образуется в среде с низкой влажностью в нижнем слое
• Преобладает восходящий поток с небольшим количеством осадков, достигающих земли (слабый Forward Flank Downdraft)
• Облако-стена и торнадо практически не встречаются из-за неразвитого Rear Flank Downdraft и дефицита влаги
• Повышен риск образования крупного града, часто наблюдаются молнии облако-земля, возможны шквалы по типу microburst
• Наименьший размер облака среди всех типов суперячеек

Classic Supercell — суперячейка классического типа

• Создает достаточно осадков для образования нисходящего потока умеренной силы (умеренный Forward Flank Downdraft)
• Присутствует развитый Rear Flank Downdraft, поэтому часто встречается облако-стена и торнадо
• Самый торнадоопасный тип суперячеек
• Характерны классические сигнатуры на радаре
• Средний размер облака по сравнению с LP и HP

High Precipitation, HP Supercell — суперячейка по типу сильных осадков

• Образуется в среде с высокой влажностью на нижнем уровне
• Оба нисходящих потока RFD и FFD сильно выражены, часто по их периметру наблюдаются линии шквалов с характерным shelf cloud
• Риск очень сильных ливней, приводящих к наводнениям, также возможны торнадо, крупный град и разрушительный шквал
• По сравнению с другими типами реже встречается в изолированном виде, чаще — в составе мезомасштабных конвективных систем
• Характерный зеленый цвет облаков из-за обилия влаги
• Наибольший размер облака среди всех типов

Какие виды гроз встречаются в Сербии и как часто?

В Сербии можно наблюдать грозы всех вышеперечисленных видов. Чаще всего это моноячейки и мультиячейковые кластеры. Линии шквалов случаются реже, раз в несколько лет. Что касается суперячеек - то здесь можно встретить все виды суперячейковых гроз по несколько раз практически каждый год. Более подробно о частоте возникновения опасных штормов в Сербии можно почитать в этом посте.

Вот лишь некоторые примеры суперячейковых гроз, прошедших по Сербии за последний год:

Если вам понравился этот материал и вы хотели бы поддержать автора, вы можете это сделать по ссылке: ko-fi.com/nenevreme

При создании статьи использовались следующие материалы:

Классификация конвективных штормов

Spotter's Field Guide

Can you spot a supercell?

Supercells Base lecture

Supercell Wikipedia