Analiza przypadku derecho nad Polską z dnia 11 sierpnia 2017 roku

11 sierpnia 2017 roku, w późnych godzinach popołudniowych, dobrze zorganizowany mezoskalowy system konwekcyjny (mesoscale convective system: MCS; Houze 2018) w formie linii szkwału przemieszczał się przez zachodni i północny rejon Polski powodując rozległe zniszczenia wiatrowe. System MCS generował porywy wiatru przekraczające 150 km/h, przyczynił się do śmierci 6 osób oraz zniszczył blisko 80 tys. ha lasu. Zarówno pod względem wywołanych szkód, jak i skutków społecznych była to jedna z najgroźniejszych  burz zaobserwowanych w erze meteorologicznych pomiarów radarowych w Polsce (Surowiecki i Taszarek 2020).

AUTORZY:
Mateusz Taszarek, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza/Zakład Meteorologii i Klimatologii
Michał Z. Ziemiański, IMGW-PIB

Burza zaczęła przybierać na sile późnym popołudniem nad południowo-zachodnią Polską, kiedy izolowane komórki konwekcyjne zorganizowały się w linię szkwału z wbudowanym mezocyklonem (rotującym prądem wstępującym).  Na późniejszym etapie ewolucji systemu MCS mezocyklon ten przekształcił się w mezoskalowy wir konwekcyjny (mesoscale convective vortex: MCV; Bartels i Maddox 1991) i przyczynił się do wystąpienia najsilniejszych porywów wiatru. W fazie dojrzałej systemu MCS silne prądy zstępujące doprowadziły do zorganizowanego wypływu chłodnego powietrza przy powierzchni ziemi (ang. cold pool), co skutkowało powstaniem struktury bow-echo, czyli charakterystycznego wygięcia linii komórek konwekcyjnych w formie łuku na skanie radarowym (Klimowski i in. 2004). Taka struktura związana jest zazwyczaj z występowaniem silnych porywów wiatru. Z systemem derecho z dnia 11 sierpnia 2017 roku związanych było około 1200 raportów silnych porywów wiatru zaobserwowanych na dystansie przekraczającym 450 km, co spełniło kryterium zjawiska derecho (długotrwała konwekcyjna burza wiatrowa powodująca rozległe szkody spowodowane przez wiatr wiejący w linii prostej), zgodnie z definicją podaną przez Johnsa i Hirta (1987).

Linie szkwału ze strukturą bow-echo występują w Polsce średnio 10 razy w roku, natomiast te spełniające kryteria derecho są znacznie rzadsze i obserwowane są średnio raz na rok (Celiński-Mysław i Matuszko 2014, Celiński-Mysław i Palarz 2017). Nadzwyczajna intensywność derecho z sierpnia 2017 roku wyróżnia się jednak nie tylko na tle Polski, ale również w porównaniu z innymi podobnymi zjawiskami udokumentowanymi w Europie oraz Stanach Zjednoczonych (Guastini i Bosart 2016, Gatzen i in. 2020, Chernokulsky i in. 2022).

Ze względu na znaczne skutki społeczne i ekonomiczne sierpniowej burzy, istotne stało się lepsze zrozumienie, w jaki sposób się ona rozwinęła, dlaczego osiągnęła taką intensywność, jak została zarejestrowana przez systemy obserwacyjne i wreszcie, czy operacyjne numeryczne modele pogody były w stanie przewidzieć tak dużą intensywność? Udzielenie odpowiedzi na te pytania może umożliwić synoptykom  bardziej skuteczne  prognozowanie podobnych burz w przyszłości, a wnioski wyciągnięte z doświadczeń z dnia 11 sierpnia 2017 roku mogą również być istotną informacją dla regionalnych centrów zarządzania kryzysowego oraz jednostek decyzyjnych.

Szukanie odpowiedzi na powyższe pytania było główną motywacją dla przygotowania i wydania tematycznego numeru czasopisma „Meteorology Hydrology and Water Management” poświęconego tej burzy. Zawiera on kolekcję artykułów, opracowanych przez pracowników Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego (IMGW-PIB), rozszerzających wstępne ustalenia opublikowane przez Taszarka i in. (2019). Opracowania te odpowiadają również na potrzebę dalszego rozwoju i poprawy zdolności skutecznego prognozowania i ostrzegania przed niszczycielskimi burzami typu derecho. Obejmuje to poprawę ich zrozumienia na poziomie synoptyków operacyjnych, ale także naukowców zajmujących się badaniem i ulepszaniem metod prognozowania zjawisk konwekcyjnych. Drogą do tego celu jest obszerne dokumentowanie przypadków burz, takich jak ta z 11 sierpnia 2017 roku, z wykorzystaniem dostępnych systemów teledetekcyjno-obserwacyjnych. Istotne jest również analizowanie warunków atmosferycznych  towarzyszących powstawaniu zorganizowanych systemów konwekcyjnych, a także badanie powstawania, ewolucji i wewnętrznej dynamiki tych systemów. Dokumentowanie możliwości nowoczesnych operacyjnych numerycznych narzędzi prognozowania pogody i ich zdolności do reprezentowania podstawowych procesów dynamicznych związanych z takimi systemami burzowymi jest również niezbędne do rozwoju i poprawy działania tych narzędzi. Badania oparte na danych obserwacyjnych i numerycznych, opublikowane w tym zbiorze, wykorzystują narzędzia i produkty dostępne obecnie (niektóre opracowano w następstwie derecho z 2017 roku), ale wiele z nich nie było dostępnych w trybie operacyjnym  w czasie, gdy derecho wystąpiło.

Otwierający artykuł autorstwa Wrony, Mańczaka, Woźniaka, Ogrodnika i Folwarskiego przedstawia synoptyczną i mezoskalową charakterystykę środowiska atmosferycznego, w którym powstało derecho. Analiza potwierdza obecność zasadniczych synoptycznych czynników potrzebnych do wystąpienia gwałtownych zjawisk konwekcyjnych, w tym obecności silnych górnych wiatrów oraz dużej niestabilności termodynamicznej. Pokazuje też obecność unoszenia wielkoskalowego, które dynamicznie przyczynia się do rozwoju mezoskalowych systemów konwekcyjnych. Analiza mezoskalowa pokazała, że liniowy układ konwekcyjny, tworzący później derecho, rozwijał się i przemieszczał wzdłuż wschodniej krawędzi rozległego obszaru chłodniejszego powietrza (cold pool) wygenerowanego poprzez wcześniejszą konwekcję, która rozwinęła się nad południowo-zachodnią Polską.

Kolejne dwa artykuły analizują obserwacje teledetekcyjne. Łuszczewski i Tuszyńska wykorzystują obserwacje radarowe, w tym odbiciowość oraz echo dopplerowskie, do badania ewolucji głównych cech systemu konwekcyjnego, a zwłaszcza mezocyklonu oraz strumienia powietrza wpływającego do systemu MCS w dolnej i środkowej troposferze (rear inflow jet). W pracy przedstawiono szczegółową analizę, jak ewoluowały struktury tych przepływów, których oddziaływanie zasadniczo wpłynęło na intensywność najbardziej niebezpiecznych zjawisk. Z kolei Łapeta, Kuligowska, Murzyn i Struzik przedstawiają zbiór produktów satelitarnych charakteryzujących podatność środowiska na konwekcję i jej rozwój, a następnie wykorzystują różnorodne produkty wizualizujące dane satelitarne do analizy samej konwekcji oraz jej ewolucji, organizacji i intensywności.

Końcowy zestaw artykułów analizuje wyniki numerycznych narzędzi prognozowania pogody. Figurski, Nykiel, Jaczewski, Bałdysz i Wdowikowski wykorzystują model WRF do analizy zależności prognoz od źródła zastosowanych warunków początkowych i brzegowych, czasu inicjacji prognozy oraz rozdzielczości modelu. Kolonko, Szczęch-Gajewska, Bochenek, Stachura i Sekuła porównują wyniki modeli ALARO i AROME dla różnych czasów inicjacji modelu. Pokazują również, jak modele reprezentują mezoskalowe struktury przepływu powstające w dolnej troposferze oraz ich wirowość.

W pracy Mazura i Duńca wykorzystano model COSMO do zbadania, w jakim stopniu rosnąca rozdzielczość modelu wpływa na jakość prognozy z 11 sierpnia 2017 roku. Wskazano, że zmniejszenie poziomego rozmiaru siatki obliczeniowej z 7 km do 2,8 km znacząco zwiększyło jakość uzyskanych prognoz. Dalsze zmniejszenie tego rozmiaru z 2,8 km do 0,7 km nie poprawiło znacząco wyników symulacji numerycznej. 

Wyrażamy nadzieję, że artykuły zebrane w tym tematycznym numerze MHWM przyczynią się do lepszego zrozumienia zjawiska derecho oraz dostarczą istotnych informacji i wskazówek, które będą mogły być wykorzystane w przyszłości przez synoptyków oraz menedżerów zarządzania kryzysowego. Pytanie nie brzmi, czy burza o natężeniu podobnym do tej z 11 sierpnia 2017 roku wystąpi ponownie, ale raczej kiedy i gdzie.

Prezentowany artykuł powstał na bazie oryginalnego opracowania „Analyzing the derecho system over Poland on 11 August 2017. Preface to the topical issue” (https://doi.org/10.26491/mhwm/161546). Pełne wydanie numeru MHWM dostępne na stronie www.mhwm.pl.

Referencje

1. Bartels D.L., Maddox R.A., 1991, Midlevel cyclonic vortices generated by mesoscale convective systems, Monthly Weather Review, 119 (1), 104-118, DOI: 10.1175/1520-0493(1991)119<0104:MCVGBM>2.0.CO;2.
2. Celiński-Mysław D., Matuszko D., 2014, An analysis of selected cases of derecho in Poland, Atmospheric Research, 149, 263-281, DOI: 10.1016/j.atmosres.2014.06.016.
3. Celiński-Mysław D., Palarz A., 2017, The occurrence of convective systems with a bow echo in warm season in Poland, Atmospheric Research, 193, 26-35, DOI: 10.1016/j.atmosres.2017.04.015.
4. Chernokulsky A., Shikhov A., Bykov A., Kalinin N., Kurgansky M., Sherstyukov B., Yarinich Y., 2022, Diagnosis and modelling of two destructive derecho events in European Russia in the summer of 2010, Atmospheric Research, 267, DOI: 10.1016/j.atmosres.2021.105928.
5. Figurski M.J., Nykiel G., Jaczewski A., Baldysz Z., Wdowikowski M., 2021, The impact of initial and boundary conditions on severe weather event simulations using a high-resolution WRF model. Case study of the derecho event in Poland on 11 August 2017, Meteorology, Hydrology and Water Management, DOI: 10.26491/mhwm/143877.
6. Gatzen C., Fink A.H., Schulz D.M., Pinto J.G., 2020, An 18-year climatology of derechos in Germany, Natural Hazards and Earth System Sciences, 20 (5), 1335-1351, DOI: 10.5194/nhess-20-1335-2020.
7. Guastini C.T., Bosart L.F., 2016, Analysis of a progressive derecho climatology and associated formation environments, Monthly Weather Review, 144 (4), 1363-1382, DOI:  10.1175/MWR-D-15-0256.1.
8. Houze R.A., 2018, 100 years of research on mesoscale convective systems, [in:] A Century of Progress in Atmospheric and Related Sciences: Celebrating the American Meteorological Society Centennial, G. McFarquhar (ed.), Meteorological Monographs, 59, 17.1-17.54, DOI: 10.1175/AMSMONOGRAPHS-D-18-0001.1.
9. Johns R.H., Hirt W.D., 1987, Derechos: Widespread convectively induced windstorms, Weather and Forecasting, 2 (1), 32-49, DOI: 10.1175/1520-0434(1987)002<0032:DWCIW>2.0.CO;2.
10. Klimowski B.A., Hjelmfelt M.R., Bunkers M.J., 2004, Radar observations of the early evolution of bow echoes, Weather and Forecasting, 19 (4), 727-734, DOI: 10.1175/1520-0434(2004)019<0727:ROOTEE>2.0.CO;2.
11. Kolonko M., Szczęch-Gajewska M., Bochenek B., Stachura G., Sekuła P., 2023, Using ALARO and AROME numerical weather prediction models for the derecho case on 11 August 2017, Meteorology, Hydrology and Water Management, DOI: 10.26491/mhwm/156260.
12. Łapeta B., Kuligowska E., Murzyn P., Struzik P., 2021, Monitoring the 11 August 2017 storm in central Poland with satellite data and product, Meteorology, Hydrology and Water Management, DOI: 10.26491/mhwm/144590.
13. Łuszczewski H., Tuszyńska I., 2022, Derecho radar analysis of August 11, 2017, Meteorology, Hydrology and Water Management, DOI: 10.26491/mhwm/152504.
14. Mazur A., Duniec G., 2023, Influence of computational grid resolution on the quality of forecasts of dangerous convection phenomena: a case study of August 11, 2017, Meteorology, Hydrology and Water Management, DOI: 10.26491/mhwm/159068.
15. Surowiecki A., Taszarek M., 2020, A 10-Year Radar-Based Climatology of Mesoscale Convective System Archetypes and Derechos in Poland, Monthly Weather Review, 148 (8), 3471-3488, DOI: 10.1175/MWR-D-19-0412.1.
16. Taszarek M., Pilguj N., Orlikowski J., Surowiecki A., Walczakiewicz S., Pilorz W., Piasecki K., Pajurek Ł., Półrolniczak M., 2019, Derecho evolving from a mesocyclone – A study of 11 August 2017 severe weather outbreak in Poland: event analysis and high-resolution simulation, Monthly Weather Review, 147 (6), 2283-2306, DOI: 10.1175/MWR-D-18-0330.1.
17. Wrona B., Mańczak P., Woźniak A., Ogrodnik O., Folwarski M., 2022, Synoptic conditions of the derecho storm. Case study of the event passed over Poland on August 11, 2017, Meteorology, Hydrology and Water Management, DOI: 10.26491/mhwm/152798.

Zdjęcie główne: Krzysztof Piasecki.