Gazeta.pl rozpoczęła współpracę z naukowcami z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Korzystając z wiedzy ekspertów, chcemy pokazywać, jak zmiany klimatu wyglądają z bliska, z perspektywy tych, którzy ich badaniom poświęcili swoją karierę zawodową. Na stronie Zielona.gazeta.pl powstała dedykowana sekcja, w której publikowane będą autorskie materiały w ramach akcji "Klimat z bliska".
Dr Mateusz Taszarek, pracownik Zakładu Meteorologii i Klimatologii na Wydziale Nauk Geograficznych i Geologicznych UAM: Pod koniec maja w południowej części Wielkich Równin USA napływało ciepłe i wilgotne powietrze znad Zatoki Meksykańskiej przy jednoczesnym silnym zachodnim przepływie powietrza na wysokości około sześciu kilometrów, czyli tak zwanym prądzie strumieniowym. To sprawiło, że w stanach Teksas, Kansas i Oklahoma występowały silne burze z tornadami i tam wtedy jeździliśmy, szukając tych zjawisk i je obserwując. Kwiecień i maj są miesiącami, kiedy silne burze występują tutaj najczęściej.
Pomimo, że obszar Wielkich Równin USA jest miejscem, gdzie tornada występują najczęściej na świecie, trzeba pamiętać, że są to zjawiska niezwykle lokalne i krótkotrwałe. To sprawia, że ich obserwacja nie należy do najłatwiejszych zadań. W tym roku widzieliśmy dwa tornada w marcu, które pojawiły się tylko na kilkadziesiąt sekund, jedno z nich przeszło 150 metrów obok nas i widzieliśmy latające odłamki budynków, było więc trochę niebezpiecznie. Podczas czterech sezonów wiosennych w USA widziałem łącznie dziewięć tornad, najbardziej utkwiło mi w pamięci to z 9 maja 2016 roku, w rejonie miejscowości Sulphur w Oklahomie, które osiągnęło średnicę prawie trzech kilometrów. Zmierzona prędkość wiatru, przez radar dopplerowski, przekroczyła 330 km/h, co odpowiada najwyższej kategorii siły tornad - EF5. Ścigałem wtedy to zjawisko z Rogerem Edwardsem, doświadczonym synoptykiem z amerykańskiego centrum prognozowania burz - Storm Prediction Center. Byliśmy bardzo blisko, zaledwie kilkaset metrów od krawędzi tornada, słyszałem głośny ryk powietrza i widziałem mnóstwo latających odłamków. Na pewno jest to moment, który zapamiętam do końca życia, w pewnym sensie spełniłem moje marzenie z dzieciństwa.
Tornado z dnia 9 maja 2016 roku w rejonie Sulphur (Oklahoma, USA). Moment zbliżania się tornada. Fot. Mateusz Taszarek
Tornad z 9 maja 2016 roku w rejonie Connorville (Oklahoma, USA). Fot. Mateusz Taszarek
Tornado z 16 maja 2017 roku w rejonie McLean (Texas, USA). Fot. Mateusz Taszarek
W pierwszym etapie musimy przeanalizować dane meteorologiczne, czyli aktualny stan atmosfery, następnie, przy użyciu numerycznych modeli pogody, czyli symulacji generowanych przez superkomputery, trzeba określić, gdzie jest największe prawdopodobieństwo rozwoju silnych burz. Potem jedziemy w to miejsce i na bieżąco analizujemy dane pomiarowe. Wspieramy się wtedy danymi z radarów meteorologicznych i zdjęciami satelitarnymi. Jak już powstaną komórki burzowe, wybieramy tę, która wygląda najlepiej. Naszym celem jest zawsze znalezienie "królowej burz", czyli tak zwanej superkomórki.
Wysoko-opadowa superkomórka burzowa z 22 maja 2020 roku w rejonie Burkburnett (Teksas, USA). Burza wygenerowała opady gradu wielkości grejpfrutów (średnica ~15 cm). Na zdjęciu dr Mateusz Taszarek Fot. Magdalena Taszarek
To taka burza, której prąd wstępujący kręci się wokół własnej osi, rotuje. Tego typu burze wyglądają najbardziej spektakularnie i są bardzo fotogeniczne. To właśnie one odpowiadają za powstawanie tornad i ogromnego gradu. Superkomórka jest więc jednym z powodów, dla których ludzie zajmują się łowieniem burz. To ich pasja, chcą zobaczyć coś ciekawego, zaznać trochę adrenaliny. Czasami piękna superkomórka jest o wiele ciekawszą zdobyczą niż niejedno tornado. Łowienie burz to także moje hobby, ale obserwuję burze, bo zawodowo zajmuję się badaniem warunków ich powstawania i ulepszania metod prognozowania przy użyciu numerycznych modeli pogody. Na bieżąco porównuję prognozy modelu i weryfikuję je ze stanem rzeczywistym, to pozwala stopniowo ulepszać te modele.
Burze, które występują w rejonie Wielkich Równin USA, są zazwyczaj dużo bardziej niebezpieczne niż te w Europie. Najlepiej jest więc ścigać je samochodem terenowym z napędem na cztery koła, tak, by móc wykonywać szybkie manewry na trudnym terenie, często na drogach nieutwardzonych. Potrzebny jest też dostęp do internetu i aktualnych danych pomiarowych w czasie rzeczywistym. Dopplerowski radar meteorologiczny to taki skaner 3D, który prześwietla chmury i przekazuje informacje o tym, co się wewnątrz nich znajduje - można to porównać do zdjęcia rentgenowskiego. W Stanach Zjednoczonych sieć radarów wykonuje skany co około 2-3 minuty i te dane są ogólnodostępne w internecie, na przykład w aplikacji mobilnej RadarScope, która jest najczęściej używana przez łowców w USA.
Kiedy na radarze widać rozwijającą się komórkę burzową, trzeba zazwyczaj odczekać kilkadziesiąt minut, aż ta zorganizuje się w formę superkomórki z silną rotacją. Kiedy to nastąpi, można się spodziewać, że w ciągu następnych kilkunastu minut może pojawić się tornado, które jest niczym innym jak przedłużeniem rotacji z superkomórki. W praktyce jednak nie zawsze tak się dzieje. Do dziś nie wiadomo, dlaczego jedna superkomórka generuje tornado, a inna nie. Wiele badań, które są obecnie prowadzone w USA, skupia się właśnie na tym aspekcie.
Na początku tworzą się małe, lokalne burze, które posiadają silne prądy wstępujące. Burza to taki odkurzacz, zasysający ciepłe i wilgotne powietrze. To powietrze jest dla niej paliwem, które zapewnia energię. Niektóre burze, przy bardzo silnym przepływie powietrza na wysokości około 6 km, zaczynają się pochylać i rotować wokół własnej osi. Kluczem jest taka organizacja burzy, aby miała zapewniony ciągły dostęp do ciepłego i wilgotnego powietrza, które ją napędza.
Zawsze powtarzam, że z prognozowaniem burz jest jak z przygotowywaniem naleśników. Musimy najpierw wymieszać składniki, a następnie usmażyć ciasto. Tak samo jest z burzami, na które musimy znać odpowiedni przepis. Szereg warunków musi zostać spełnionych, a następnie powinno dojść do rozwoju burzy, która uwolni zakumulowaną energię. W skład dobrego przepisu na silną burzę wchodzą trzy podstawowe elementy - jeżeli któregoś zabraknie, to taka silna burza nie powstanie. Pierwszy to obecność niestabilnej, ciepłej i wilgotnej masy powietrza, która, kiedy zacznie się unosić, będzie wydzielać energię. Takie powietrze występuje przede wszystkim latem i dlatego burze najczęściej występują w tym okresie. Ale ten jeden składnik nie wystarczy - w ciepłej i wilgotnej strefie równikowej mamy przecież bardzo dużo takiej energii, a tornada tam praktycznie nie występują. Drugim niezbędnym elementem jest więc silny przepływ powietrza, czyli prąd strumieniowy, który powoduje, że na różnych wysokościach wiatr wieje z różnych kierunków i z inną siłą. To taka jakby rzeka z silnym nurtem, która powoduje zawirowania, tyle że w atmosferze. Gdy przepływ powietrza jest w miarę jednostajny i słaby, powstają słabe burze - tak właśnie dzieje się w strefach tropikalnych. Są jednak takie miejsca na świecie, gdzie prąd strumieniowy pojawia się często, na przykład Wielkie Równiny USA. Mamy więc pierwszy składnik, czyli energię konwekcji, drugi - silny przepływ powietrza, czyli prąd strumieniowy, trzecim jest czynnik powodujący rozwój chmury burzowej, czyli tak zwana inicjacja konwekcji. Ten ostatni element jest sporym wyzwaniem, bo bardzo trudno go oszacować, zarówno w prognozowaniu z dnia na dzień, jak i w przypadku projekcji klimatu.
W momencie kiedy mamy atmosferę "naładowaną" energią i silny przepływ powietrza, potrzebna jest tak jakby iskra, która zainicjuje reakcje łańcuchową, czyli gwałtowny rozwój burz i uwolnienie energii. W skład elementów, które prowadzą do rozwoju burz, możemy wymienić przechodzenie frontów atmosferycznych, zatok niskiego ciśnienia, rozwój lokalnych stref zbieżności wiatru czy też odpływy zimnego powietrza ze słabnących burz - umierające burze mogą w ten sposób przyczyniać się do rozwoju kolejnych. To wszystko często odbywa się w skali kilkudziesięciu kilometrów, co przy skomplikowanej orografii terenu powoduje, że bardzo trudno przewidzieć obszar i czas rozwoju burz. Synoptycy czasami są postawieni w sytuacji, kiedy warunki atmosferyczne są bardzo sprzyjające dla superkomórek, ale jest duża niepewność, czy dojdzie do inicjacji konwekcji. Jeżeli tak, wystąpi wtedy dużo zjawisk ekstremalnych, jeżeli nie, nie będzie nawet deszczu. Z psychologicznego punktu widzenia są to więc bardzo trudne sytuacje, ponieważ ciąży na synoptykach odpowiedzialność wystawienia odpowiednich ostrzeżeń, a społeczeństwo, które weryfikuje takie prognozy po fakcie, jest zawsze bezlitosne w swojej ocenie. To właśnie dlatego prowadzimy badania nad ulepszaniem metod prognozowania tych zjawisk.
Chmury szelfowe związane z liniami szkwału z dnia 13 maja 2020 roku w rejonie New Cordell (Oklahoma, USA). Fot. Mateusz Taszarek
Chmury szelfowe związane z liniami szkwału z dnia 11 sierpnia 2017 roku w rejonie Krotoszyna. Fot. Mateusz Taszarek
Kiedy badamy, jak ocieplający się klimat będzie wpływał na powstawanie ekstremalnych zjawisk burzowych, wykorzystujemy dokładnie ten sam schemat, który jest używany w operacyjnym prognozowaniu na co dzień. Czyli sprawdzamy, jak zmienia się zawartość energii w atmosferze, siła prądu strumieniowego i proces inicjacji konwekcji. W moich badaniach zajmuję się między innymi analizowaniem, jak te trzy elementy zmieniły się na przestrzeni ostatnich 40 lat w skali globalnej i porównuję to z tym, czego możemy oczekiwać w przyszłości.
Wyniki badań dla Europy wskazują, że wzrastająca temperatura i wilgotność powietrza prowadzą do silniejszej energii konwekcji, czyli tego, czego spodziewamy się wraz z ocieplającym się klimatem. Spada jednak przepływ powietrza, czyli słabnie prąd strumieniowy i uskoki wiatru. To oznacza, że burze mogą być częstsze, ale mniej intensywne. Przepływ powietrza słabnie, ponieważ Arktyka bardzo szybko się ociepla, a to powoduje spadek różnicy temperatury pomiędzy Arktyką a szerokościami zwrotnikowymi. Im mniejsza jest ta różnica, tym słabszy jest prąd strumieniowy. Inicjacja konwekcji staje się również coraz mniej efektywna. Summa summarum, liczba burz w Europie lokalnie wzrasta, ale częstsze występowanie zjawisk ekstremalnych jest ograniczone przez słabszy przepływ powietrza i mniej efektywny proces rozwoju burz. Podobne wyniki obserwuje się w innych innych rejonach świata w szerokościach umiarkowanych.
Globalne zmiany w pionowym uskoku wiatru (A) oraz energii potencjalnej dostępnej konwekcyjnie (B) w okresie ostatnich 40 lat. Źródło: https://doi.org/10.1038/s41612-021-00190-x
Analizując dane pomiarowe za ostatnie lata obserwujemy dokładnie taki proces. Symulacje numeryczne, które prognozują, jak zmieni się nasz klimat w kolejnych dekadach, czyli tak zwane projekcje klimatu, wskazują, że te różnice temperatury będą jeszcze mniejsze. Globalna temperatura będzie wzrastać, ale Arktyka będzie się ogrzewać najszybciej. Po zniknięciu pokrywy lodowej ten proces jeszcze bardziej przyspieszy.
Ludzie lubią generalizować i mówić, że zjawiska ekstremalne w wyniku globalnych zmian klimatu będą się nasilać. Trzeba jednak pamiętać, że do pojęcia zjawisk ekstremalnych zaliczamy cały szereg różnych procesów, na które ocieplający się klimat może mieć niejednoznaczny wpływ, część zjawisk może lokalnie się nasilać, a inne będą słabły. Na przykład jeżeli chodzi o susze, fale upałów, ulewne opady deszczu czy też huragany, to zmiany klimatu sprawią - już sprawiają - że będą one bardziej intensywne, mamy na to solidne dowody naukowe. Natomiast w przypadku zjawisk konwekcyjnych, czyli burz, sytuacja jest bardziej skomplikowana, to bardzo złożone procesy w skali lokalnej, które wymagają spełnienia wielu warunków. Czasami używam porównania do filharmonii. Mamy tam różne instrumenty, które grają tak, aby utwór brzmiał odpowiednio, jeżeli któraś partia instrumentów przestanie grać albo zacznie fałszować, ten utwór nie wyjdzie. Tak samo jest z burzami. Wszystkie trzy elementy, które omówiliśmy wcześniej, muszą być spełnione, żebyśmy mieli wzrost intensywności i częstości występowania burz.
Badania, które prowadzę we współpracy z Amerykanami z NOAA [National Severe Storms Laboratory - Narodowa Służba Oceaniczna i Atmosferyczna - red.], polegają na tym, że najpierw ustalamy, w jakich warunkach powstają ekstremalne zjawiska burzowe. Robimy to na podstawie analizy ogromnej bazy danych, składającej się z ponad miliarda zarejestrowanych wyładowań atmosferycznych oraz kilkuset tysięcy raportów tornad, gradobić oraz silnych porywów wiatru dla Stanów Zjednoczonych i Europy. Potem te ustalenia aplikujemy do danych historycznych, tak zwanej reanalizy meteorologicznej, i sprawdzamy, jak często warunki sprzyjające burzom występowały na przestrzeni ostatnich lat. Bardzo ciekawe wyniki uzyskaliśmy dla obszaru Stanów Zjednoczonych, gdzie gwałtownie wzrastająca temperatura powietrza i spadek wilgotności na zachodzie kraju prowadzi do mniej efektywnej inicjacji konwekcji na obszarze Wielkich Równin USA. Efektem tego jest rzadsze występowanie burz i tornad.
Dokładnie tak. Mamy wyniki badań, które wskazują, na zmniejszające się sumy opadów w rejonie południowych Wielkich Równin USA i coraz większe ryzyko powstawania pożarów w zachodniej części tego kraju.
Zmiany na przestrzeni ostatnich 40 lat w częstości występowania warunków sprzyjających powstawaniu burz (pomarańczowy), silnych burz (czerwony) oraz tornad (magenta) w wybranych rejonach Europy (A - południowy-zachód, B - północny-zachód, C - południe, D - wschód) oraz Stanów Zjednoczonych (E - południowy-zachód, F - południowe Wielkie Równiny, G - środkowy-wschód, H - południowy-wschód). Źródło: https://doi.org/10.1038/s41612-021-00190-x.
Huragany to wielkoskalowe układy niskiego ciśnienia, które tworzą się nad Atlantykiem i przemieszczają się nad południowo-wschodnią część Stanów Zjednoczonych. Żeby powstawały, potrzebny jest odpowiednio nagrzany ocean o temperaturze powierzchni około 26°C, duża zawartość energii w atmosferze, oraz, w odróżnieniu do tornad, bardzo słaby przepływ powietrza - im słabszy, tym lepszy. Kiedy mamy więc w ramach zmian klimatycznych stopniowo słabnący przepływ powietrza nad Atlantykiem i wzrost energii w atmosferze, sprzyja to występowaniu coraz silniejszych huraganów. Badania naukowe wskazują, że o ile sama liczba huraganów niekoniecznie wzrasta, to stają się one bardziej niebezpieczne, generują większe sumy opadów, silniejsze porywy wiatru i powstają szybciej.
Natomiast jeżeli chodzi o burze, czyli zjawiska bardzo lokalne, zmiany w tych trzech fundamentalnych składnikach w ramach zmieniającego się klimatu nie są jednoznaczne. I to jest problem: obecnie nie możemy oszacować zmian w częstości występowanie ekstremalnych burz z taką pewnością, jak w przypadku huraganów. Aktualny stan wiedzy wskazuje, że w przyszłości możemy się spodziewać większej zawartości energii w atmosferze i słabszego prądu strumieniowego. Istnieje jednak duża niepewność co do tego, jak zmieni się efektywność inicjacji konwekcji, gdyż modele wykorzystywane do przewidywania zmian klimatu mają ograniczoną rozdzielczość przestrzenną. Analiza zmian na przestrzeni ostatnich 40 lat wskazuje, że zmiany tych trzech składników nie były równomierne, a na obszarze USA liczba burz i tornad nawet spadła.
W moim przekonaniu globalny wzrost energii w atmosferze i spadek przepływu powietrza jest raczej stabilnym rezultatem, gdyż ten sam wynik uzyskaliśmy na podstawie obserwacji z ostatnich 40 lat i projekcji przyszłych zmian klimatu. Czynnikiem, który generuje największą niepewność, jest aspekt inicjacji konwekcji. Czyli nie wiemy tak naprawdę, czy częstość lub efektywność procesu powstawania burz będzie wzrastać, czy spadać.
W Polsce panuje przeświadczenie, że trąby powietrzne to zjawisko, które zaczęło się tutaj pojawiać na przestrzeni ostatnich 20 lat. Tymczasem tak wcale nie jest. Kilka lat temu prowadziłem na ten temat badania, przeglądaliśmy archiwalne zapiski z terenu naszego kraju sprzed nawet kilkuset lat. Najstarszy odnaleziony przez nas opis trąby powietrznej, czyli tornada, które miało miejsce na terenie obecnej Polski, pochodzi z XVI wieku, a dokładnie z 11 września 1535 roku. Tornado w okolicach Oleśnicy według doniesień podnosiło wozy, dachy, a nawet całe drewniane domy, zburzyło ponad 60 murowanych ścian, pod murami zginęło pięć osób.
Są setki takich historycznych doniesień i są to bardzo szczegółowe opisy, które nie pozostawiają wątpliwości co do zjawiska. W ostatnich dwóch dekadach wraz z rozwojem internetu i technologii zwiększył się jednak przepływ informacji i stąd też nagły wzrost raportów tych zjawisk. Ludzie teraz dysponują telefonami komórkowymi, którymi mogą robić zdjęcia i dzielić się nimi w mediach społecznościowych. Przy badaniu zjawisk burzowych kluczowe są obserwacje lokalne. Niestety nie mamy homogenicznych czasowo raportów gradu czy też trąb powietrznych z ostatnich kilkudziesięciu lat tak jak w przypadku pomiarów temperatury na stacjach meteorologicznych. Dlatego czasem może być trudno określić, w jakim zakresie wzrost częstości raportów ma związek z większym przepływem informacji i powszechnością rejestrowania silnych burz, a w jakim ze zmianami klimatu. Dzięki zapiskom historycznym mamy jednak dowody na to, że ekstremalne burze i trąby powietrze występowały w Polsce co najmniej od kilku wieków.
Naukowcy mają również dostęp do tak zwanych reanaliz meteorologicznych, są to swego rodzaju symulacje wsteczne wykonywane na bazie danych historycznych. Dane z reanaliz wskazują, że warunki sprzyjające powstawaniu trąb powietrznych w Polsce nie uległy większej zmianie na przestrzeni ostatnich dekad.
Tak, do tego typu analiz i prognoz rzeczywiście potrzebujemy ogromnych mocy obliczeniowych i dyskowych. Na przykład reanaliza ERA5 zajmuje kilkadziesiąt terabajtów danych. W przypadku operacyjnego prognozowania burz musimy uruchamiać symulacje regularnie co sześć godzin, a im więcej zasobów obliczeniowych mamy do dyspozycji, tym więcej modeli z lepszą rozdzielczością jesteśmy w stanie uruchomić. To zazwyczaj idzie w parze z jakością prognozy.
Od zawsze interesowałem się tym, co dzieje się na niebie, pogodą, gwiazdami, chmurami. Gdy miałem kilkanaście lat, zaciekawiły mnie zjawiska ekstremalne i prognozowanie pogody. Marzyłem o studiach meteorologicznych w Oklahomie, ale w czasie, kiedy kończyłem liceum ogólnokształcące w Poznaniu, taki wyjazd nie był dla mnie możliwy z wielu względów. Postawiłem więc na UAM i studiowanie podstaw meteorologii i klimatologii na Wydziale Nauk Geograficznych i Geologicznych. Właśnie tam miałem szczęście trafić na prof. Leszka Kolendowicza, który jest krajowym ekspertem w zakresie występowania zjawisk burzowych. On pomógł mi zamienić moją pasję na naukę i od zawsze mnie wspierał. Kiedy rozpocząłem studia doktoranckie na UAM, udało mi się nawiązać kontakty z naukowcami ze Stanów Zjednoczonych, którzy zaprosili mnie do realizacji wspólnych projektów badawczych w Oklahomie. To był dla mnie przełomowy moment, ponieważ pozwolił na zdobycie bezcennego warsztatu badawczego i umożliwił pracę w międzynarodowym zespole naukowym w najlepszym tego typu ośrodku na świecie - tym samym, o którym marzyłem kilkanaście lat temu.
Przy tej okazji chciałbym również bardzo mocno podziękować Narodowemu Centrum Nauki oraz Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej, których wsparcie pomogło mi w realizacji moich celów badawczych.
Jestem ogromnym szczęściarzem, ponieważ moja praca jest również moim hobby. Choć to przede wszystkim wiele godzin dziennie spędzanych przed komputerem na programowaniu, to daje mi to dużo satysfakcji i przyjemności. Każdy dzień jest dla mnie wyzwaniem i możliwością, aby odkryć coś nowego.
Mateusz Taszarek (ur. 23 lipca 1988) - doktor nauk o Ziemi, polski meteorolog specjalizujący się w badaniu ekstremalnych zjawisk konwekcyjnych w zakresie ich klimatologii oraz prognozowania. Od 2017 roku pracownik w Zakładzie Meteorologii i Klimatologii UAM. Od 2016 roku prowadzi badania w ośrodkach naukowych w Stanach Zjednoczonych, NOAA National Severe Storms Laboratory oraz University of Oklahoma. Laureat ponad 20 nagród naukowych oraz stypendiów. Autor ponad 30 publikacji naukowych w czasopismach z listy JCR. Kierownik grantów badawczych PRELUDIUM, OPUS oraz SONATA. Członek European Severe Storm Laboratory oraz Skywarn Poland.
Dr Mateusz Taszarek Mat. własne