Vaihteeksi ajattelin tehdä hieman meteorologisemman päivityksen tavallisten sääennusteiden sijaan. Nyt keväällä pidettyyn tutkameteorologian kurssiin sisältyi esitelmä, joka omalta osaltani liittyi puuskarintamien tunnistamiseen tutkakuvista. Seuraavassa on tiivistelmä tuosta aiheesta, jonka yritän pitää mahdollisimman ymmärrettävänä, vaikka välillä saattaa tulla melko meteorologista jargonia.

(kuva: Pauli Jokinen)

Puuskarintamat liittyvät ukkossolujen laskuvirtauksiin. Niissä runsas vesimäärä lähtee solussa putoamaan kohti maata kunnes se leviää törmäyksessä horisontaalisesti. Tuo ilma on kylmää ja raskasta, jolloin se jyrää ympäröivän lämpimän ilman tieltään. Samalla tuo kylmä ilma nostaa edellä olevaa lämmintä ilmaa ylöspäin mahdollisesti kehittäen uusia konvektiosoluja. Puuskarintamat ovat vaarallisia, sillä niihin liittyy voimakasta turbulenssia ja rajuja horisontaalituulia. Niinpä ne ovat uhka esim. lentoliikenteelle ja maataloudelle kaataen joskus laajalti metsää.

Jotta tutka voi havaita puuskarintaman, tulee siinä olla jotain mistä tutkapulssi voi heijastua takaisin. Näitä sirottajia on esimerkiksi seuraavia:

• HYÖNTEISET

Puuskarintaman voimakkaat horisontaalituulet tempaavat mukaansa runsaasti hyönteisiä ja kuljettaa niitä rintaman kärjessä.

• LINNUT

Siellä missä hyönteisiä, siellä myös lintuja. Vaikka linnut saattavat karsastaa voimakkaimpia tuulia, voi osa ottaa tilanteesta kaiken hyödyn irti ja nappailla lounasta.

• TAITEKERTOIMEN SUURI GRADIENTTI

Tämä on meteorologinen yksityiskohta. Puuskarintaman etupuolella on lämmintä ilmaa kun taas heti sen takana on kylmää ja raskasta ilmaa ukkossolusta. Tässä rajapinnassa on suuresta lämpötilaerosta johtuen voimakas taitekertoimen muutos, joka tutkissa voi aiheuttaa havaittavan kaiun.

• SADEPARTIKKELIT

Ukkossolun laskuvirtaukseen liittyy runsaasti sadetta ja vesipisaroita joita puuskarintama voi kuljettaa mukanaan. Puuskarintaman kärjestä löytyykin suurempi konsentraatio tutkapulssia heijastavia sadepartikkeleja alla olevan kuvan mukaisesti.

(kuva: Klingle, D. L., 1986: Gust Front Characteristics as Detected by Doppler radar)

• TUTKAHEIJASTUVUUS

Käyttäen sitä kaikkein normaaleinta tutkakuvaa, jossa nähdään tutkaheijastuvuudet ja siten sade-alueet jne. Tässä tapauksessa puuskarintama voidaan havainnoida yleensä vain jos se on selvästi irrottautunut itse pääukkossoluista. Muutoin puuskarintama piiloutuu ukkossolun heijastuvuussoppaan, josta sitä ei voi havaita. Niinpä tässä yleisessä tutkakuvassa etsitään irrallaan olevaa ohutta tutkakaikulinjaa, jonka aiheuttaa siis edellisessä kohdassa esitetyt tekijät (hyönteiset jne.) Alla on parin viikon takaa Yhdysvalloista animaatio, jossa puuskarintama on liikkeellä kohti etelä-kaakkoa tutkan pohjoispuolella.

(kuva: http://www.wunderground.com)

 

• DOPPLER- TUULTEN NOPEUDET

Tutka lähettää satoja pulsseja sekunnissa ja pystyy mittaamaan kulkeeko kaiun aiheuttaja kohti vai poispäin tutkasta. Samalla se pystyy mittaamaan kuinka nopeasti tämä liike tapahtuu. Puuskarintaman etupuolella on yleensä melko tyyntä ja heikkoa tuulta, mutta kun rintama saapuu kohdalle voi tuulten nopeudet noista voimakkaimmillaan useisiin kymmeniin metriin sekunnissa. Näin ollen puuskarintamien kärjessä on hyvin suuri tuulen nopeuden muutos. Lisäksi puuskarintaman horisontaalituulet voivat puhaltaa täysin eri suuntaan kuin ympäröivän alueen tuulet. Niinpä doppler kuvista puuskat havaitaan tuulen suunnan ja voimakkuuden äkillisinä muutoksina. Koska puuskarintamiin liittyy aina tällainen muutos, on se paras tapa havaita ja löytää mahdollinen puuskarintama. Ainoa ongelma on tilanne jossa rintama suuntautunut niin, että puuskatuulet liikkuvat kohtisuoraan pulssin reitin suhteen. Tällöin ei välttämättä voida havaita kulkeeko partikkelit tutkasta poispäin vai tutkaa kohti. Niinpä doppler analyysi antaa nopeudeksi suunnilleen 0 m/s. Yleensä kuitenkin puuskarintamat ovat kaarevia lähteestä alkaen niin, että osa siitä on aina nähtävissä doppler-kuvista. Alla on sama tilanne Yhdysvalloista samalla ajanhetkellä kuin edellisessä kohdassa, mutta nyt käyttäen dopplertietoja hyväksi.

(kuva: http://www.wunderground.com)

Negatiiviset eli siniset ja vihreät arvot ovat kohti tutkaa olevia kaikuja, oranssin punaiset eli positiiviset ovat poispäin tutkasta. Puuskarintaman etupuolella ympäristön tuulet puhaltavat lounaasta koilliseen kun taas puuskarintaman kohdalla vihreällä tuulet puhaltavat kohti tutkaa kaakkoon päin.

 

• DOPPLER SPEKTRIN LEVEYS

Puuskarintaman nokan takana on runsaasti turbulenssia ja ilman sekoittumista, jossa partikkelit liikkuvat eri suuntiin eri nopeuksilla. Niinpä tällä alueella havaitaankin laaja kirjo erilaisia dopplertutkan mittaamia arvoja. Näin ollen Doppler spektrin leveydellä voidaan kuvata tuota turbulenssin määrää. Mikäli leveydelle saadaan suuria arvoja pitkulaisen linjan takana voidaan melko suurella todennäköisyydellä olettaa kyseessä olevan puuskarintama. Alla on esitetty eräs tapaus kirjallisuudesta, jossa heti puuskarintaman kärjen jälkipuolella spektrin leveys on suuri ja alueella on voimakasta turbulenssia. Rintama on matkalla kohti tutkaa kaakkoon päin ympyröidyn alueen kohdalla.

(kuva: Klingle, D. L., 1986: Gust Front Characteristics as Detected by Doppler Radar)

 

• Zdr

Viimeisimpänä tulee sitten kaikkein meteorologisin (monimutkaisin) tapa havaita puuskarintamia. Tätä tapaa kannattaisi käyttää yhdessä edellä olleiden menetelmien tukena. Kyseessä on ns. Zdr (dr tulisi olla alaindeksissä). Jos käytössä on polarisaatiotutka, voidaan tutkapulsseja lähettää joko horisontaalisesti polarisoituneina (sähkökenttä on horisontaalisesti orientoitunut) tai vertikaalisesti polarisoituneina (sähkökenttä vertikaalisesti orientoitunut). Näin voidaan havaita minkä muotoisia tutkakaiun aiheuttajat ovat eli ovatko ne lituskaisia, pyöreitä ja jne. Kuten aikaisemmin mainittiin on puuskarintamien yhteydessä runsaasti hyönteisiä, jotka tuppaavat olemaan melko lituskaisia, eli pystysuunnassa ohuita, mutta vaakasuunnassa leveitä (esim. sudenkorento on hyvä esimerkki). Niinpä polarisoidulla tutkalla voidaan havaita Zdr, joka kertoo horisontaalisesti ja vertikaalisti polarisoitujen signaalien suhteen ja näin myös sen minkä muotoinen signaalin heijastaja on. Jos Zdr on positiivinen ovat tutkakohteet litteitä, jos negatiivinen ovat tutkakohteet enemmän korkeita kuin leveitä. Näin ollen Zdr skannauksista pyritään havaitsemaan alue, jossa on suuria Zdr arvoja puuskarintaman muotoisessa kaareutuvassa linjassa ja jonka takana Zdr arvot pienenevät, koska puuskarintaman kärjen takana hyönteisten määrä laskee huomattavasti. Alla onkin yksi hieno esimerkki, jossa tuollainen puuskarintama on selvästi havaittavissa (x=-50, y=-30).

 

(kuva: Blyth, A.M. et al, 2007: The Convective Storm Initiation Project. Am.Meteorol.Soc.)

Puuskarintamia etsittäessä on syytä muistaa muutama juttu. Koska tutkan lähettämä pulssi kaartuu ylöspäin mitä pidemmälle se kulkee, tulee lopulta vastaan raja, jossa signaali ampuu puuskarintaman yli. Puuskarintaman ollessa korkeudeltaan n. 1-2 km luokkaa on tuo havainnointiraja n. 100 km, eli sitä kauempaa tutkasta ei puuskarintamia voi havaita. Kun taas puuskarintama on aivan tutkan lähellä voi se sekoittua maahälyyn, jolloin sen havainnointi niinikään voi olla vaikeaa.  

Nyt onkin käyty eri menetelmät läpi, joilla puuskarintamia voidaan tunnistaa. Valitettavasti Suomen rahapolitiikan vuoksi ainoastaan ensimmäinen menetelmä on jossain määrin yleisesti ilmaiseksi saatavilla, lähinnä Helsinki Testbed jakaa tarpeeksi tarkkaa tutkaheijastuvuuskuvaa, josta puuskarintaman voisi havaita. Yhdysvalloissa tutkadata on sen sijaan vapaasti saatavilla ja sieltä voi käyttää ainakin ensimmäistä ja toista menetelmää puuskarintamien kartoittamiseen. Eräs paikka, jossa näin voi tehdä on http://www.wunderground.com, josta valikosta Nexrad-tutka. Siitä vaan valitsemaan haluttu tutka ja sitten vasemmalta "Advanced radar types" valikosta voi valita normaalit tutkaheijastuvuudet eri korkeuskulmilla (base reflectivity) tai dopplerilla tuulten nopeudet kohdasta (base radial velocity).

Tässä kaikki tällä kertaa. Torstaina tai perjantaina jälleen normaali sääkatsaus.