Voldsomt vejr og nedbør/monsterregn Aksel Walløe Hansen Lektor (meteorologi og klima) Viceinstitutleder, undervisning Niels Bohr Institutet Dias 1
Voldsomt vejr, monsterregn (styrtregn/skybrud) og vand i overflod ligger højt på dagsordenen! Holbæk, December, 2013 Lyngbyvej 100, Juli 2, 2011 Sker det oftere? Skyldes det global opvarmning? Er det blot tilfældige begivenheder? Eller en konsekvens af den menneskeskabte infrastruktur? Dias 2
Dias 3
Konvektiv nedbør, ekstrem intens nedbør Aktuelt tilfælde: Genova Oktober 2014 Dias 4
Voldsomt vejr I form af individuelle begivenheder (timer døgn) >1000 km Ekstratroperne: orkaner Vind (30-40 m/s) 500-1000 km Tropiske område: Hurricanes 1 100 km Overalt: Konvektive systemer <100m Overalt: Tornadoer, Skypumper Vind (50-100 m/s) og nedbør Nedbør (100 1000 mm) Lokale oversvømmelser Vind (50-100 m/s) Længerevarende situationer (uger måneder år) Tørke Ørkendannelse Våde perioder Kuldeperioder Hedebølger Dias 5 Oversvømmelser Infrastruktur påvirkes Stress på levende ting, natur generelt
Skalaer i atmosfæren Dias 6
Ekstrem nedbør: Den grundlæggende problemstilling I Danmark og i andre lande har vi i de sidste adskillige år oplevet tilfælde med kraftige nedbørssituationer: 1) kortvarige, men meget intense situationer (skybrud nævnes næsten hver uge i sommerperioden) (feks juli 2011, september 2014). ~100 mm på timeplan men over små arealer. 2) længerevarende perioder med mere eller mindre kontinuert nedbør. (feks Tjekkiet 2002+2013, England 2012, etc). ~ 100 mm på døgnplan, men over store arealer. Rationalet lyder ca sådan: 1) Atmosfæren/jordoverfladen varmes op, angiveligt pga stigende koncentrationer af drivhusgasser i atmosfæren 2) Varmer luft tillader højere vanddampskoncentrationer (for samme tryk): ved en atmosfæres tryk og 30 C kan der være op til 28 gram pr kg luft. For T ~ 20 C vokser det maksimale indhold ca 6%/C. 3) Både fordampning og nedbør øges (stærkere hydrologisk kredsløb) Dias 7
Temperatur udviklingen siden 1880 2014 Global Dias temperaturudvikling 8 siden 1980
Nogle termodynamiske relationer Ideal gasligning p = ρr d T v Hydrostatisk Balance p/ z = gρ Første hovedsætning dq = cv dt + p dα dq = cp dt α dp Adiabatiske processer dq=0 Potentiel temperatur θ = Τ(p/p 0 ) κ, hvor κ = R/c p Termodynamisk diagram se figur Statisk stabilitet Dias 9 lapse rate versus adiabater
Vands kredsløb Vand, H 2 O, er den eneste substans, som kan forekomme naturligt i alle tre tilstandsformer: damp, flydende vand og is. Jorden er den eneste kendte planet med denne egenskab. Vand er vigtigt for livet, for klimaet og et utal af processer/aktiviteter i et moderne samfund. Vand i atmosfæren (damp og skydråber) virker som en stærk varme-isolerende substans. Dias 10
Nogle definitioner for vanddamp Vanddamps partialtryk, e måles normalt i hpa Ligevægtsdamptryk, e s e s (T) = 6.11*e K*(1/To-1/T) hpa For T ~ 20 C vokser e s 6%/C Vanddampsindholdet, w (g vanddamp/kg luft) varierer fra ca 1g/kg til 30 g/kg Relativ fugtighed, RH RH = w/w s = e/e s (givet i %) Dugpunkt, T d afkøling til mætning for fastholdt tryk Dias 11
Globale egenskaber, vanddamp og nedbør JULY JANUARY JANUARY Total precipitabelt vand: 2,5 cm/25 l/m 2 Variation ~ 0-7,5 cm Stigende ~1%/år Dias 12 Midlet globalt er nedbøren godt 2 mm/døgn, stigende ~2%/100 år
Nedbør falder typisk i 2 forskellige vejrtyper konvektiv regn Frontregn Dias 13
Frontregn Radar image Dias 14
Konvektive celler Dias 15
Konvektive celler, større og større Dias 16
Dias 17
Dias 18
En eksplosiv udvikling af konvektive celler 1 sek = 15 min i virkeligheden Dias 19
Regn kan dannes på mindre end en time i en fra starten klar atmosfære. Hvordan kan det ske? Dias 20
Kollision and opsamling Størrelsesfordeling Radius i mikrometer Antal partikler pr liter Hastighed i cm/sek Dias 21 Vækst rater: kollision/opsamling versus diffusion/kondensation
Intense nedbørssituationer, 1 Verdensrekorden: Texas, 109,2 cm/døgn NB! Den præcise definition af måleperioden er meget betydningsfuld. Dias 22
The precipitation seen from weather radars Dias 23
Type 2-eksempel, set fra Meteosat, 1 Dias 24
Rain fall and intensity, July 2, 2011 Dias 25
Radar estimates of total rainfall Dias 26
The weather situation, July 2, 2011, no. 2 Dias 27
Monsterregn, type 1 Elben, August, 2002 Sker det oftere? Skyldes det global opvarmning? Er det blot tilfældige begivenheder? Eller en konsekvens af den menneskeskabte infrastruktur? Dias 28
Type 1-eksempel: Elben, August 2002 Vejrsystemet var fastlåst i ca en uges tid, og det regnede og regnede i samme område. Tjekkiet, 2013, var af samme type. Dias 29
Type 1-eksempel: Elben, August 2002 Vejrsystemet var fastlåst i ca en uges tid, og det regnede og regnede i samme område. Tjekkiet, 2013, var af samme type. Dias 30
Ekstrem nedbør: Opsummering, voldsom nedbør Der er mange data, der viser øgende nedbørsmængder i de sidste årtier. Der er også stærke indikationer af, at dette kan relateres til global opvarmning. Også i de meget intense nedbørssituationer. De intense nedbørssituationer er forbundet med kontinentale luftmasser og såkaldt konvektiv instabilitet, typisk sommersituationer. De vedvarende situationer er forbundet med lavtryk, der næsten ikke flytter sig, Elben 2002. Den danske nedbørsrekord på 1 døgn er fra 1931 og skyldtes en sådan situation. Men der vil altid være tvivl: Hvis vi vil bevise disse begivenheders sammenhæng med global opvarmning, skal vi kunne relatere feks lavtrykkenes livscyklus til global opvarmning, hvilket er meget komplekst. Dias 31
Dias 32
Dias 33
Dias 34
Dias 35
Observationer Aksel Walløe Hansen, NBI: Vidunderlige vilde verden, januar 30, 2015 Dias 36
Konventionelle observationer, operationel analyse Aksel Walløe Hansen, NBI: Vidunderlige vilde verden, januar 30, 2015 SYNOP/METAR/SHIP: MSL Pressure, 10m-wind, 2m-Rel.Hum. DRIBU: MSL Pressure, Wind-10m Radiosonde balloons (TEMP): Wind, Temperature, Spec. Humidity PILOT/Profilers: Wind Aircraft: Wind, Temperature Note: We only use a limited number of the observed variables; especially over land. Dias 37
Satellit data, operationelle analyse Aksel Walløe Hansen, NBI: Vidunderlige vilde verden, januar 30, 2015 Sounders: NOAA AMSU-A/B, HIRS, AIRS, IASI, MHS Imagers: SSMI, SSMIS, AMSR-E, TMI Scatterometer ocean low-level winds: ASCAT Geostationary+MODIS: IR and AMV GPS radio occultations Ozone Dias 38
How ECMWF was established Start of operational activities 1978 Installation of first computer system (CRAY 1-A) 1979 Start of operations N48 grid point model 200km
Current system IBM Cluster Two identical systems for resiliency 1.5 Petaflops peak performance (1.5 10 15 ) Operational Model - T1279 (16km) Ensemble Prediction System - T639 (31km) ~210km ~16km
Øgning af intens nedbør i USA Dias 41
Den globale tendens: Nedbøren, 1 file://localhost/users/akselwalloehansen/desktop/foredrag%20i%20s%c3%b8nderborg/data%20og%20billeder/fremtiden/animation.ogv.360p.web m Dias 42
Dias 43