Bouřkové indexy

© Tomáš Psika, červenec 2002

    V této práci se budu snažit podat stručný, ale výstižný výklad všech důležitých a často užívaných indexů a ukazatelů, které se používají při předpovědi konvektivní činnosti a bouřkových jevů. Mezi nimi lze jmenovat zejména intenzitu srážek, možný výskyt krupobití, silných nárazů větru, tornád a síly sestupného proudění (downdraftu). V tomto článku se zaměříme spíše jen na hodnocení instability a střihu větru jakožto dvou hlavních aspektů ovlivňujících intenzitu bouřek.

    Jelikož je předpověď bouřek velmi obtížná i v dobách, kdy se užívá výpočetní technika a je k dispozici obrovské množství dat nutných pro inicializaci předpovědních modelů, nelze připisovat dále popsaným indexům příliš velkou váhu. Většina z nich je konstruována proto, aby umožňovala rychlý odhad podmínek pro vývoj konvekce a bouřek, mnohé z nich jsou velmi jednoduché. V žádném případě to ale neznamená, že by složitější indexy měly mít vždy lepší spolehlivost.

    Zmíním zde zejména ty indexy, které se používají častěji, protože není možné se zabývat všemi. Jednoduše proto, že jich je obrovské množství, odhaduji že jich je alespoň několik desítek. Různé parametry se propočítávají v souvislosti s výstupy předpovědních modelů, některé se odhadují a interpolují podle hlášení meteorologických stanic.

    Zřejmě by se dalo rozdělit tyto bouřkové indexy do několika kategorií podle toho, čím se zabývají, nebo podle náročnosti výpočtu. Nebude-li uvedeno jinak, pro účely dalšího textu navrhuji toto dělení:

1. podle předmětu pozorování
       - indexy pro měření instability
       - indexy pro měření střihu větru
       - ostatní indexy
2. podle náročnosti výpočtu
       - jednoduché indexy
       - složité indexy

    Nejdříve se budeme zabývat jednoduchými indexy, které se lehko počítají a z toho důvodu se taky užívají častěji pro jednoduché odhady vývoje bouřek. Později se budeme zabývat složitějšími indexy, které si rozdělíme podle předmětu pozorování. Opomineme skupinu "ostatní indexy".

Jednoduché bouřkové indexy

    Začneme nejdříve indexy, které měří stabilitu zvrstvení atmosféry. Jistě každý, kdo bude číst tento text, nemá problémy s chápáním slova "instabilní" apod. Pokud by však přeci jen nic o zvrstvení atmosféry nic nevěděl, tak ho odkazuji na můj jiný text věnovaný bouřkám, zde je krátký popis toho, co je instabilní zvrstvení (www.bourky.kvalitne - na začátku textu o kumulonimbech). Spíše než přečtení tohoto článku doporučuji ale spíše nějakou literaturu o meteorologii nebo o počasí. Zároveň předpokládám to, že čtenář ví něco o aerologických diagramech. Opět odkazuji na text na mé hlavní stránce věnovaný tomuto tématu (sekce "texty o meteorologii" - www.cbox.cz/tomas_psika).

Lifted index (LI)

    Tento index je asi nejpoužívanějším a nejsledovanějším. Pokud máme k dispozici aerologický diagram, je jeho zjištění velmi jednoduché. Index se vypočítá jako rozdíl mezi teplotou, kterou dosáhne teplota vzduchové částice po jejím adiabatickém výstupu ze zemského povrchu do hladiny 500 hPa a teplotou, která se v této hladině běžně vyskytuje. Samozřejmě předpokládáme suchoadiabatický výstup do kondenzační hladiny (výšky, kde se začíná tvořit kupovitá oblačnost) a od této hladiny pak nasyceně adiabatický výstup do tlakové hladiny 500 hPa.

    Vše si zapíšeme pomocí vzorce:

T₅₀₀ .......... teplota vzduchu v hladině 500 hPa
T_c(p,500) .... teplota vzduchové částice, která je adiabaticky přemístěna ze zemského povrchu (proto označení dolního indexu p) do hladiny 500 hPa

    V dalších vzorcích budu uvádět teploty s dolním indexem c, což označuje, že uvažujeme právě jen teplotu myšlené vzduchové částice, nikoliv teplotu okolního vzduchu jako např. v případě označení T₅₀₀.

    Hodnota tohoto indexu se pohybuje v širokém rozmezí. Při silně stabilních podmínkách v mohutných tlakových výších a v noci může lifted index dosáhnout i čísel větších než +25. Při takových hodnotách a obecně při větších kladných hodnotách je velká pravděpodobnost, že nedojde k vytváření výstupných proudů a tedy i přeháněk či bouřek. Samozřejmě to neplatí vždy, neboť může být tento odhad výrazně podlomen přítomností fronty, která vytváří na svém čele výstupné proudy i při velmi stabilních situacích.

    Zajímavější jsou záporné hodnoty tohoto indexu. Při malých záporných hodnotách můžeme očekávat, že dojde k rozvoji kupovité oblačnosti, pokud tomu nebrání inverze nebo stabilní vrstva vzduchu v nevelké výšce nad zemí. Velmi vysoké záporné hodnoty už téměř vždy předurčují výskyt silných bouřek. Konkrétněji to popíše následující tabulka:

    Lifted index dosahuje absolutně vyšších hodnot na kladné ose, pokud se hodnoty tohoto indexu pohybují v záporných hodnotách, tak nejníže okolo čísla -10. Takové hodnoty jsou ale velmi ojedinělé. V našich podmínkách se při očekávaných silných bouřkách hodnoty LI pohybují nejčastěji okolo -6.

    Aby bylo vše ještě více jasné, další obrázek představuje aerologický diagram, na kterém je rozdíl obou teplot tvořících hodnotu lifted indexu označen červenou silnou čarou.Protože je zde teplota okolního vzduchu nižší než vystupující vzduchové částice, LI je tedy záporný a podporuje vznik bouřek.

    Na tomto aerologickém diagramu je fialovou barvou znázorněna stavová křivka, tj. křivka zobrazující teplotu vystupující vzduchové částice, zatímco pravá černá čára označuje teplotu okolního vzduchu. Na hladině 500 hPa je teplota vzduchu o 6°C nižší než teplota vystupující částice, tj. hodnota LI dosahuje -6. Při tomto zvrstvení se přesto na místě, kde byl tento aerologický diagram pořízen, žádné bouřky neobjevily, a to díky stabilní vrstvě vzduchu při zemi. O několik desítek kilometrů západněji však došlo k tvorbě silných bouřek, i s kroupami. Tento obrázek a z toho vyplynuvší lifted index jednoznačně ukazuje, že jeho vysoká záporná hodnota nemusí nutně vždy předpovídat vznik bouřek. (Pozn.: izotermy na tomto diagramu tvoří modré čáry v diagonálním směru /)

    Proto obecným doporučením je používat lifted index ve spojení s přihlédnutím k přízemnímu zvrstvení vzduchu. Jen tak lze očekávat dobře předpovědět možné bouřky.

    Je nutné ještě zmínit určité modifikace lifted indexu: surface-based lifted index (SLI), best lifted index  a 4-layer lifted index. Vysvětlovat si je ale zde nebudeme. První z nich je totožný s naším LI.

Showalter index (SI)

    Tento index se používá zejména v naší republice. Někde se označuje zkratkou SSI (Showalter Stability Index). Z jeho následujícího vzorce určitě pochopíte, že jde o obdobu LI indexu s jediným rozdílem; počítá se rozdíl teplot mezi vzduchem na hladině 500 hPa a vzduchovou částicí, kterou necháme adiabaticky vystoupit z hladiny 850 hPa.

T₅₀₀ .......... teplota vzduchu v hladině 500 hPa
T_c(850,500) .... teplota vzduchové částice, která je adiabaticky přemístěna z hladiny 850 hPa do hladiny 500 hPa

    Proč se u nás používá tento index ? Nevím, ale jednoznačně lze říci, že je o dost spolehlivější než předchozí LI index. Příčinou je skutečnost, že na hladině 850 hPa (obyčejně 1,5 km nad zemí) se již teploty velmi málo mění v důsledku oteplování zemského povrchu. Tato teplota je tedy daleko spolehlivější pro odhad možnosti rozvoje konvektivní činnosti a je méně závislá na době pozorování, tj. v noci i ve dne dosahuje při jinak nezměněných podmínek přibližně stejné hodnoty.

    Aplikujeme-li výpočet tohoto indexu na předešlém aerologickém diagramu, zřejmě bychom se dostali k hodnotě okolo -5. Jak zjistíme podle následující tabulky porovnávající LI a SI, i tato hodnota nebyla v našem případě příliš spolehlivá. Nestává se to však až tak často. Pokud bychom si však prohlédly ranní radiosondáž, asi bychom se dopočítali hodnoty lifted indexu v okolí nuly nebo by měl dokonce kladnou hodnotu, zatímco showalter index by dosahoval zřejmě hodnoty okolo -4. Protože je výskyt bouřek silně závislý na denní teplotě, showalter index nám poskytuje daleko lepší informaci než index LI. Mohly bychom tak bouřky předpovídat už v ranních hodinách nebo i o den dříve.

    Lifted index naproti tomu dosahuje hodnot příznivých pro vývoj bouřek pouze v odpoledních hodinách, využívá se tedy jen pro krátkodobou předpověď na pár hodin dopředu. Jeho dalším použití je spolehlivé odvozením při úspěšné předpovědi denní maximální teploty. Toto vše se nemusí provádět při sledování showalter indexu. Samozřejmě, že i použití showalterova indexu má své nevýhody plynoucí z jeho větší konzervativnosti, což má za příčinu skutečnost, že vůbec nebere ohled na přízemní teploty. Dá se však částečně použít i při předpovědi frontálních bouřek.

Total Totals Index (TTI)

    Total Totals Index je velmi sledovaným indexem zejména v USA. Osobně mu ale přičítám malou důležitost a spolehlivost, pokud je brán ohled pouze na něj samotný. Samotný index vzniká součtem dvou jiných jednoduchých indexů, indexu CT (Cross Totals) a indexu VT (Vertical Totals).

    Cross Totals index (CT) je rozdíl teploty rosného bodu na hladině 850 hPa a teploty v hladině 500 hPa. Vertical Totals index (VT) naproti tomu jen prostý rozdíl teplot v hladinách 850 a 500 hPa. Vzorce všech indexů následují:

T_d850 ... teplota rosného bodu v hladině 850 hPa (d=dew)

    CT a VT indexy se používají v různých částech světa. Protože je CT index závislý na vlhkosti a VT index ne, uplatňují se tyto jednotlivé indexy v USA při předpovědi bouřek na závětrných a návětrných stranách horských překážek. Doporučuji přečíst si o tom bližší informace na nějakém americkém serveru. U použití CT indexu je významná hodnota 26 a více, v případě VT indexu se hodnoty při bouřkových situacích pohybují alespoň nad 25, často až okolo 30. Poměrně známý je význam CT indexu v předpovědi četnosti bouřek. Malé hodnoty CT indexu favorizují výskyt izolovaných bouřek (málo vlhkosti), při větších hodnotách VT na úkor CT pak můžou vznikat silné izolované bouřky.

    Prostý součet CT a VT tvoří TTI index, který dosahuje nejčastějších hodnot v rozmezí 30 až 55. Z mých zkušeností je tento index málo spolehlivý, je téměř vždy nutné přihlédnout např. k LI indexu. Často se totiž zejména v Evropě vyskytují situace, kdy TTI index dosahuje hodnot přes 50 bez jakékohokoliv náznaku výskytu bouřek. To se stává např. i v zimním období, kdy je možnost výskytu bouřek a silných přeháněk daleko menší. Dalo by se zřejmě říci, že spolehlivost TTI indexu je tím větší, čím jsou vyšší hodnoty CT. Velká vlhkost při zemi totiž podporuje vznik silných bouřek se silnými lijáky spíše než malá vlhkost s velkou instabilitou (malé CT, velké VT), která naproti tomu podporuje vznik silných sestupných proudů a z toho plynoucího silného nárazovitého větru v možných bouřkách.

K index (K)

    K index je druhem ukazatele, který je už složen z více částí. Také se propočítává nejčastěji z aerologických diagramů. Tento index je koncipován pro předpověď bouřek uvnitř vzduchové hmoty, tj. bez působení front apod. Hodnoty tohoto indexu se používá pro předpověď procentuální plochy, na které dojde k tvorbě kupovité oblačnosti. Je v něm obsaženo hodnocení vlhkosti jako hlavního faktoru nutného pro brzký vývoj kupovité oblačnosti, stejně tak jako instability.

    Podle hodnotící tabulky může někoho napadnout, proč se při velkých hodnotách K indexu předpovídají četné, ale slabé bouřky. Důvodem je samozřejmě skutečnost, která se dost často objevuje v reálném světě. Když jsou totiž výborné podmínky pro vývoj kupovité oblačnosti již brzo zrána, stává se, že je postupem času zaplněna celá obloha touto oblačností a je tedy zamezeno působení slunečního záření podporujícího vznik dalších výstupných proudů, které by vytvářely bouřky. Typický denní koloběh oblačnosti pro tyto situace je tvořen brzkým vývojem oblačnosti typu stratocumulus, která se v poledne přetváří na kumuly a odpoledne dochází k rozpadu této oblačnosti zpět na stratokumuly nebo vysokou kupu (altocumulus). Tyto dny jsou obvyklé po některých přechodech studených front, kdy se zároveň prosazuje hřeben vysokého tlaku vzduchu.

    Naopak při malých (kladných) hodnotách K indexu (10 < K < 15) nejsou dobré podmínky pro četný vývoj bouřek, ale zároveň vládne obvykle slunečné počasí. Díky tomu je případný vznik bouřek silně závislý na změně zvrstvení při zemi v důsledku přehřátí. Mohou tak vzniknout ojedinělé bouřky, které trvají při dalších vhodných podmínkách i delší dobu a mohou být silnější.

    Není možné tento index opět nějak přeceňovat, neboť v sobě nepromítá situaci blízko země, tj. i při vysokých hodnotách indexu v sobě nepromítá např. silnou inverzi teploty zasahující do výšek pod 850 hPa.

    Tímto bychom mohli skončit s jednoduchými indexy a podívat se na ty složitější. Všechny dosavadní indexy jsou vesměs parametry, které v sobě zohledňují především instabilitu zvrstvení, popř. vlhkost vzduchu v různých hladinách. To jsou dva hlavní faktory podporující vznik bouřek, mezi jinými lze ale jmenovat především roli vertikálního střihu větru nebo ostatních, meteorology často sledovaných hodnot, jako je např. hladina volné konvekce (Level of Free Convection LFC), výška kondenzační hladiny (Lifting Condensation Level LCL), objem srážek v atmosféře (Precipitable Water PW), konvektivní teplota a různé jednoduché parametry hodnotící střih větru, tj. termální vítr např. mezi hladinami 500 a 1000 hPa, vektor tahu bouřek (storm vector) apod.

Složité bouřkové indexy

    Konstrukce složitějších indexů má samozřejmě za účel lepší úspěšnost předpovědi bouřkových jevů, není to ale jejich hlavní smysl. Následující parametry jsou také více specializované, orientují se jen na určité složky a aspekty vývoje bouřek. Při jejich současném použití však dokáží poskytnout výjimečně dobrý obraz o tom, jaký typ bouřek se bude vyvíjet, jaká bude jejich intenzita, jaká bude síla sestupného proudění, struktura konvekčních buněk, zda nedojde k rotaci bouřkových buněk nebo zda nehrozí výskyt tornáda nebo průtrží vzduchu (downburstu) apod.

    Začneme hned indexem, který se vytvořil pro komplexní předpověď ničivého počasí (severe weather). Má mnoho složek, které hodnotí jak instabilitu, tak vlhkost a střih větru v různých hladinách atmosféry.

SWEAT index (Severe Weather thrEAT index)

D .................. D = T_d850, pokud je tato teplota záporná, je hodnota D nahrazena nulou (když D<0, pak D=0)
TTI ............... Total Totals Index (již popsán výše), pokud je hodnota TTI < 49, pak je celý výraz 20 (TTI - 49) nahrazen nulou
v₈₅₀ .............. rychlost větru na hladině 850 hPa (uvedeno v knotech)
v₅₀₀ .............. rychlost větru na hladině 500 hPa (kts)
S .................. S = sin (směr větru na hladině 500 hPa - směr větru na hladině 850 hPa), kde směr větru je uváděn ve stupních (úhlových)

    - pokud alespoň jedna z následujících podmínek není splněna, je hodnota výrazu sin (S + 0,2) opět opuštěna (nahrazena nulou):

• směr větru ve výšce 850 hPa je mezi 130° a 250°
• směr větru ve výšce 500 hPa je mezi 210° a 310°
• směr větru na hladině 500 hPa - směr větru na hladině 850 hPa > 0
• v₈₅₀ >= 15 kts a zároveň v₅₀₀ >= 15 kts

    Jak jde vidět, konstrukce tohoto indexu je opravdu složitější a vyžaduje poměrně mnoho údajů. Jeho úspěšnost je ale celkem velká, neboť svými vysokými hodnotami podporuje poměrně nejčastější podmínky pro vývoj ničivého počasí se silnými bouřemi, popř. i tornády apod. Je však nutné říci, že tento index byl vytvořen v USA a reaguje tak především na běžné podmínky v nebezpečných situacích, které se vyskytují zejména v oblasti Tornado Alley nebo jinde na místech, kde se během roku obvykle alespoň jednou nebezpečné počasí objeví. O jeho relevantním použití v předpovědích pro Evropu nevím. Zde je tabulka, která hodnotí jednotlivé hodnoty SWEAT indexu, opět upozorňuji, že platí zejména pro Spojené státy:

    V našich zeměpisných šířkách ve střední Evropě dosahují hodnoty SWEAT při výskytu ničivého počasí hodnot přes 300, nikdy jsem zatím neviděl hodnotu větší než 400. Při nedávné situaci (20.6.2002), kdy se v Praze a v Pardubicích vyskytly silné bouře, hodnoty SWEAT indexu dosahovaly pozdě odpoledne a navečer před bouřemi hodnot okolo 350. A to jsme je považovaly za nejsilnější bouře za posledních nejméně deset let, které způsobily škody ve stovkách milionů korun. Neumím si moc představit, co se očekává v USA při hodnotách přes 500 až 600.

    Výhoda SWEAT indexu je hlavně v tom, že jeho spolehlivost je veliká i při předpovědi frontálních bouřek, protože v sobě zahrnuje velký důraz na charakteristiky střihu větru, který je obvykle při výskytu ničivého počasí v předfrontálních a frontálních bouřkách značný. Poskytuje velmi dobrý obrázek pro určení severity bouří již několik málo hodin před jejich příchodem. Tím se tedy výrazně odlišuje od mnoha jiných indexů, které reagují až na konkrétní podmínky. Zároveň se ale mohou vyskytnout bouřky i při nižších hodnotách SWEAT indexu, protože hlavním účelem tohoto indexu je předpověď bouřek působících škody, nikoliv jen obvyklých bouřek.

CAPE (Convective Available Potential Energy)

    Tímto jsme se dostaly k indexu CAPE, který je asi celosvětově nesledovanějším ukazatelem pro předpověď konvekce v atmosféře. Na rozdíl od všech předcházejících indexů má tento index i svou jednotku (J.kg^-1).

    Ukazatel CAPE nám počítá možnou energii, která se může v důsledku výstupu vzduchu do výšky uvolnit při tvorbě bouřkové oblačnosti (na 1 kg vzduchu). Pro její detailnější pochopení je potřeba znát alespoň základní poznatky o konvekci a o metodě částice. Výpočet CAPE spočívá ve výpočtu určitého integrálu reprezentující plochu, kterou vymezují křivka zvrstvení a stavová křivka na termodynamickém diagramu od výšky hladiny volné konvekce až do výšky, kde se opět teplota vystupující částice rovná okolnímu vzduchu. Proto se počítá jako určitý integrál podle následujícího vzorce:

LFC .... level of free convection, hladina volné konvekce, tj. hladiny, od které dochází k samovolnému rozvoji výstupného proudění vzduchu
EL   .... equilibrium level, konvekční hladina, tj. výška, ve které se teplota vystupující částice rovná teplotě okolního vzduchu, již nedochází ke zrychlování konvektivního výstupu
T*    .... teplota vystupující vzduchové částice
T      .... teplota vzduchu
z      .... výška

    Na světě existuje mnoho jiných interpretací a modifikací tohoto ukazatele. Nejčastějším odlišením mezi různými CAPE charakteristikami je určení spodní hranice integrálu, která se někdy nahrazuje LCL (lifting condensation level).

    Aby byl tento vzorec lépe pochopitelný, znázorníme si to na následujícím obrázku. Je to stejný aerologický diagram jako u popisu lifted indexu, plocha určující parametr CAPE je vyznačena žlutou plochou.

    Čím větší je ona žlutá plocha vymezená stavovou křivkou a křivkou zvrstvení, tím je atmosféra více nestabilní a podporuje tvorbu bouřek. Konkrétně hodnota CAPE na tomto diagramu dosáhla 2050 J.kg^-1. To už vytváří dobré podmínky pro vývoj silné konvektivní činnosti a případných bouřek. Následující tabulka ukazuje, při jakých hodnotách CAPE se vytváří jaká konvekce.

    Vysoké hodnoty CAPE upozorňují na možný výskyt silných bouřek. Přesto k jejich vývoji nemusí vůbec dojít, vysoké CAPE totiž jen naznačuje skutečnost, že při možné tvorbě bouřek budou tyto bouřky zřejmě silné. Opět stejně jako u jiných indexů, i tento ukazatel musí být dobře pochopen a srovnán s jinými charakteristikami, např. s ukazatelem CIN, který popisuji dále.

    V našich zeměpisných šířkách v letním období hodnoty CAPE podle výše uvedeného popisu při bouřkových situacích přesahují 1000 J.kg^-1, ve zcela ojedinělých případech i více jak 3000 J.kg^-1. V rozsáhlých a ničivých supercelárních bouřích mohou hodnoty CAPE přesahovat i 4000 J.kg-1, např. v případě slavného Jarrelského tornáda v USA označeného jako F5 podle Fujity byla instabilita v atmosféře tak velká, že přesáhla i 5500 J.kg^-1. Takové hodnoty jsou už nadmíru extrémní, zřejmě nikdy v dokumentované historii hodnota CAPE nikde nepřekročila 8 000 - 10 000 J.kg^-1.

    CAPE má velké uplatnění v mnoha dalších indexem, pomocí něho se odhaduje maximální vertikální rychlost v kumulonimbech, slouží také k předpovědi síly sestupného proudění v bouřkách, podílí se v různých vzorcích pro předpověď mezocyklón, tornád či rychlosti hlavního nárazu větru před bouřkou.

    Mezi nejznámější modifikace parametru CAPE lze jmenovat MXCAPE, MUCAPE či CAPV. Často se takové a jiné CAPE modifikace používají v meteorologických výzkumech.

    Jaké jsou nevýhody používání CAPE při předpovědi bouřek? Je to hlavně její značná variabilita, CAPE hodnoty jsou v některých případech silně závislé na přízemní teplotě vzduchu. Pouhý pokles teploty při zemi o jeden stupeň za nezměněné absolutní vlhkosti vzduchu může výrazně CAPE zmenšit a bouřky se nemusí pak vůbec vytvářet. Tato skutečnost může tvořit předpověď míst, kde dojde k tvorbě bouřek, extrémně náročnou až úplně nemožnou. Navíc nelze zatím získat hodnoty CAPE tak často, jak by bylo potřeba. Druhým nedostatkem indexu CAPE je to, že i při jeho významně vysokých hodnotách nemusí k tvorbě bouřek vůbec dojít, neboť CAPE v sobě nezohledňuje stav zvrstvení vzduchu v přízemní vrstvě vzduchu a vrstvách vzduchu sahajících do malých výšek. CAPE může dosahovat i hodnot přes 2000 J.kg^-1, ale při výskytu silné přízemní inverze nebo jiné stabilní vrstvy se přesto žádné bouřky tvořit nebudou. Další nevýhodou je naprostá nereprezentativnost indexu v případě, kdy se bouřky očekávají v blízkosti atmosférické fronty. Jelikož frontální bouřky vznikají spíše než z důvodu tvorby termální konvekce frontálním nadzvedáváním (liftingem) teplého vzduchu nad vzduch chladnější, hodnoty CAPE v těchto případech nemusí dosahovat vůbec žádných výrazných hodnot (0 < CAPE < 300).

    Vývoj bouřek je nadále silně závislý na mnoha faktorech, proto je nutné zvažovat mnoho těchto faktorů a ty dobře posoudit. Stačí velmi malé změny různých parametrů  k tomu, aby se případné bouřky vyvinuly v podmínkách s malým CAPE nebo naopak vůbec nevytvořily v oblastech s velikým CAPE. Zjevnou nevýhodou je ještě například vlhkost v mezní vrstvě. Stačí jen malý dopolední teplý deštík, který dostatečně zvlhčí vzduch a povrch, k tomu, aby se odpoledne hodnoty CAPE vyšplhaly na obrovské hodnoty a mohly se i v chladnějším vzduchu vytvářet silné bouřky. Podobný efekt se může násobit při vhodném střihu větru na frontální vlně, kdy se během dne může nad některými oblastmi objevit i několik bouřek najednou, každá se silným lijákem, tímto způsobem můžou vznikat i lokální povodně.

    Ještě zde uvedu jednu velkou nevýhodu, která souvisí s používáním CAPE. Jelikož je tento parametr důsledkem teorie částice při odhadu tendence k vývoji konvektivního proudění, může dojít k podcenění nebo přecenění CAPE v prostředích s velmi malou vlhkostí vzduchu. Je-li totiž ve výšce vzduch sice velmi chladný, ale také velmi suchý, může se výrazně prosadit entraintment suchých a chladných vzduchových částic do vznikajících oblaků, což vede k tomu, že se např. vytváří vysoká kupovitá oblačnost, ta se však rychle po svém vzniku vypařuje, a to nejen ve vrcholech kumulů a kumulonimbů. Samotné vtahování nebo proudění studeného vzduchu do oblaku působí zeslabování rychlosti vzestupného vertikálního proudění, díky čemuž pak obvykle dochází k přeceňování intenzity vznikajících bouřek. Na druhé straně ale vtahování suchého studeného vzduchu produkuje akceleraci sestupného proudění a favorizuje vznik silných průtrží vzduchu (downburstu).

CIN (Convective Inhibition)

    Ukazatel CIN má podobný význam jako CAPE, působí však opačným směrem. Zatímco CAPE vyznačuje plochu na diagramu, která podporuje vznik  konvekčních proudů, tak CIN brání rozvoji konvekce a vertikálnímu mísení vzduchu. Na předešlém aerologickém diagramu je tvořena modrou ploškou. Vzorec je podobný jako v předešlém případě, jen s jinými integrálními mezemi. Opět existují určité modifikace, některý výpočet CIN v sobě jako spodní mezi používá zemský povrch, některý je nahrazen výškou 500 nebo 1 000 m nad mořem.

    Hodnoty CIN jsou standardně záporné. Někdy se ale znaménko mění na kladné, neboť každý předpokládá jeho inverzní vztah vůči CAPE, a zřejmě také pro přehlednost. V zahraniční literatuře se objevuje pro stabilní vrstvu v mezní atmosféře, která brání rozvoji konvekce, pojem "cap" nebo "mid-level capping inversion", neboli česky klobouk, čepice, víko či poklička. Nevím, jestli je alespoň to poslední slovo výstižné, ale v konečném výsledku má skutečně stabilní vrstva funkci jakési pokličky, která brání vývoji bouřek.

    Tato tabulka je silně zavádějící, alespoň co se týče prvního pohledu na ní. Při velmi malých hodnotách CIN je poklička velmi slabá, kupovitá oblačnost se vytváří brzy na to, aby se mohly vytvořit stálé výstupné proudy, obloha je pokryta spíše vertikálně nemohutnou oblačností typu kumulus. Při větších hodnotách se právě uskutečňuje funkce pokličky na hrnci. Čím více se dále otepluje, tím hrozí, že nějaká "bublina" teplého vzduchu protrhne tuto "pokličku" a dojde k prudkému vývoji bouřek. Naopak velmi "těžká poklička" způsobí, že žádná "bublina teplého vzduchu" nebude tak silná, aby tuto pokličku překonala. Bouřky se v tomto případě vůbec nevyskytnou. To se často stává ve dnech, pro které jsou vydávány předpovědi typu "jasno, ojediněle bouřky". Zde je vždy těžké dopředu odhadnout, zda se někde povrch prohřeje natolik, aby podpořil vznik víceméně stálých výstupných proudů.

    Pro dobrou velmi krátkodobou předpověď bouřek jsou důležité parametry CIN a CAPE. Silné bouřky se obyčejně vytvářejí při bezoblačném počasí, kdy hodnoty CAPE jsou velmi vysoké a hodnoty CIN jsou také velké, nikoliv však příliš. Při takových podmínkách se vytvářejí prudké bouřky.

SREH (Storm Relative Environmental Helicity)

    První charakteristika, kterou se hodnotí střih větru a vorticita, které mohou produkuvat rotaci bouřkových buněk. Rotace v bouřkových buňkách je nadmíru nebezpečná, protože může vytvořit silné a dlouhotrvající bouře, obvykle i doprovázené tornády silnější intenzity, tj. té, která se v ČR téměř nikdy nevyskytuje.

    Nejdříve si vysvětlíme pojem "storm relative winds (SRW)". Jsou to větry, které vanou vzhledem k postupující bouři, tj. zanedbáváme větry působené synoptickými vlivy. Podle průběhu takového větru s výškou můžeme určit typ bouřek, který se bude vyvíjet. K tomuto účelu se běžně užívají ještě hodnoty Bulk-Richardsonova čísla a střihu větru BRN (viz dále).

    Dva podobné vzorce výpočtu SREH následují. Jednotkou pro tuto veličinu je m².s^-2.

1. vzorec:

v ......... vektor rychlosti větru
c ......... vektor tahu bouřek
W ....... vektor horizontální vorticity
z ......... vertikální souřadnice

2. vzorec:

k ......... jednotkový vektor osy z (vertikální souřadnice)
V ........ vektor rychlosti větru
c ......... vektor tahu bouřek
z ......... vertikální souřadnice

    Při vysokých hodnotách SREH dochází k tomu, že mají vznikající bouřkové buňky tendenci k vytváření její rotace, obvykle cyklonálního typu. Z takových bouřek se ojediněle vytvářejí dlouhotrvající ničivé supercelární bouře. Tyto bouře vytváří v nižších hladinách atmosféry rozsáhlé víry díky nimž vzniká mezocyklóna a případná tornáda. Téměř každá supercela se vytváří v oblastech s velkým SREH, zcela ojediněle vznikají v prostředích s velkým CAPE a malým střihem větru.

    Tato charakteristika byla zejména v posledních letech velmi sledována a pozoruje se doteď. Není jí už přisuzována taková důležitost jako v nedaleké minulosti, přesto je k ní často přihlíženo při předpovědi typu a struktury bouřek, zejména v USA. U nás se tato charakteristika téměř vůbec neužívá. V každém případě nelze přihlížet při předpovědi bouřek jen k této charakteristice. Vyskytují se totiž celkem často případy, kdy jsou velké hodnoty SREH a bouřky se vůbec nevyskytnou. Stejně jako jiné parametry zohledňující střih větru, nehodnotí SREH instabilitu, ale jen podmínky pro vznik rotace konvektivních proudů či jen pouze střih větru. Nejlepšími podmínkami pro vznik rotujících bouřek je vítr, který se s výškou stáčí vpravo, tj. při zemi vane např. jihovýchodní vítr, postupně ve větších výškách se mění na severozápadní, severní, severovýchodní, popř. východní a nadále sílí. Takové podmínky nejsou splněny příliš často. Sejdou-li se však v jednom okamžiku v určité oblasti dobré instabilní podmínky (vysoké CAPE) při alespoň středně velkých hodnotách SREH, pravděpodobnost vývoje tornád prudce stoupá. Tuto vlastnost zohledňuje další parametr EHI.

    Také jako u jiných indexů, i SREH se propočítává podle různých hladin. Nejčastěji dochází k propočtu SREH ve spodních 3 kilometrech, někdy však až v 5 či 6 kilometrech.

    V našich zeměpisných šířkách nedochází k tomu, že by hodnoty SREH dosahovaly hodnot větších než 300 m².s^-2, zvláště ne v letním období. Naproti tomu v zimním období jsou hodnoty SREH obecně vyšší, zřejmě se to dá vysvětlit výskytem hlubších cyklon a z toho plynoucích větších hodnot vorticity. V únoru 2002  jsem viděl překročit v ČR hodnoty SREH i 650 m².s^-2. To už jsou ale spíše mezní hodnoty, i když jsem viděl na mapách i hodnoty přes 1000 m².s^-2. V tento den bylo vidět mnoho malých kumulů, ve kterých se soustřeďovaly prudké krátkodobé víry. Byl to velmi zajímavý pohled.

    Proč jsem na začátku popisu tohoto indexu mluvil o větrech relativních vůči bouři (storm relative winds)? To proto, abych teď přiblížil, co znamenají vysoké hodnoty SREH. Zkuste si představit bouřky, které se pohybují jihovýchodním směrem. Pokud bude v nižších hladinách silný vítr západního směru a vše si představíme v trojrozměrném prostoru, snadno dovodíme, že do postupujících bouřek bude proudit velké množství vzduchu ze západního směru, který bude stoupat zespodu do oblaku. Tak se zesiluje přítok vzduchu do bouřky, což jí posiluje a podporuje vznik stabilních bouřek. Takové bouřky se nerozpadají ani po mnoha hodinách bez slunečního záření, ve zcela ojedinělých případech mohou být tyto bouře živeny i více jak 24 hodin v důsledku výrazného střihu větru. Známe-li pak podrobněji strukturu takových dlouhodobých bouřek, poznáme, že se v nich vytváří tzv. rear flank downdraft a mezocyklóna, ze které se rodí tornáda. Podrobněji zde ale do této problematiky zasahovat nebudu, doporučuji si přečíst na internetu některé eseje od Charlese A. Doswella III, Chucka Doswella, Johna Daviese či jiných meteorologů mezinárodního významu.

EHI (Energy Helicity Index)

    Protože samotný parametr SREH se jeví značně nespolehlivým při současně nízkých hodnotách CAPE pro předpověď silných bouřek či tornád, byl vytvořen index EHI, aby tento nedostatek odstranil. Účelem tohoto indexu je předpovídat tornádické jevy v bouřkách. Pokud bych mohl říci, tento index už plní svou funkci bez výhrad a považuji ho asi za nejúčinnější index pro předpověď tornád. Energy Helicity Index EHI se vypočítá jednoduchým způsobem za použití obou parametrů. Myslím, že jeho tvůrce je právě před chvíli zmíněný John Davies.

    Mezní hodnoty pro vývoj tornád se udávají kolem 1. Při hodnotách blízkých jedné se mohou vyskytnout tornáda, stále je to ale málo pravděpodobné. Je také nutné upozornit na fakt, že musí vůbec dojít k vývoji bouřek. EHI index totiž v sobě stejně jako ve vzorci obsaženém CAPE nezohledňuje případnou "pokličku", tj. inverzní či obdobnou stabilní přízemní vrstvu, která brání vzniku bouřek. Mohou se tak opět vyskytnou nad některým územím vysoké hodnoty EHI bez možného výskytu bouřek.

    Pravděpodobný vývoj tornád v supercelárních bouřkách se udává při hodnotách EHI přes 2,2. Větší hodnoty než 4 už téměř vždy určují, že se v případné supercele tornádo vytvoří. Nejvyšší hodnoty EHI se udávají okolo 10. Takové situace jsou ale extrémně ojedinělé i v USA, už ale obvykle nejsou spojeny s tornády, asi pro příliš silný střih větru. Podle map z různých tornádických situací z USA jsem dospěl k názoru, že se tornáda tvoří nejspíše v oblastech, kde jsou hodnoty EHI největší. Neznamená to tedy nutně, že se na místě s vysokým EHI tornádo zrodí, pokud je na jiném místě hodnota EHI ještě o dost větší.

    Spolehlivost EHI indexu je veliká při předpovědi tornád rodících se v mezocyklónách, ostatní nesupercelární tornáda běžná v Evropě tento index nepředpovídá. Existuje totiž mnoho variant tornádických vírů, každý se tvoří za poněkud odlišných podmínek. V Evropě a u nás se vyskytují nejčastěji tornáda spojená s gust fronty postupujících bouřek (označovaná jako gustnada), supercelární bouře jsou u nás přeci jen velmi zřídkavé. Hodnoty EHI jen ojediněle v Evropě překračují číslo jedna. Zároveň je nutné ale říci, že nejsou v Evropě ideální podmínky pro vývoj tornád, protože se zde nevytvářejí až tak velké teplotní kontrasty jako v USA, které podporují frontogenezi a cyklogenezi. Pro srovnání, v Evropě se na malém území v oblasti front při vhodné frontogenezi vytváří velké teplotní kontrasty, které dosahují ne nějak ojediněle i 15°C. V USA je to na rozsáhlém území zcela jiné. Zde se běžně vytváří fronty s velkými teplotními kontrasty, ojediněle jde o ochlazení za frontami i o 30°C, to nemá v Evropě zatím obdoby. Při ledových bouřích v devadesátých letech se vytvořila ve Spojených státech studená fronta, před kterou vládly teploty poblíž 22-25°C, za frontou se v průběhu necelých 24 hodin ochladilo na mnoha místech až na neuvěřitelných -25°C. Pak tedy není moc co srovnávat. Největší ochlazení, které by se dalo srovnat s tímto bylo v Evropě naposled v letech 1979/80 na Silvestra. To se ochladilo z prvotních 10/15°C v průběhu nového roku až na -15/-20°C. A jaké to způsobilo škody na lesních porostech.

    Kde se vyskytují nejvyšší hodnoty EHI? Je to především před studenými frontami na předfrontálních čarách, zvláště tehdy, když se tyto čáry oddělující vzduchové hmoty jiných vlastností střetávají v ostrém úhlu. V tomto středu jsou hodnoty EHI a často i SREH největší a je zde největší pravděpodobnost vzniku ničivých bouřek.

Bulk-Richardson Number (BRN)

    Bulk-Richardsonovo číslo je bezrozměrná hodnota a užívá se zejména pro předpověď typu vyvíjejících se bouřek. Tvoří ho jednoduchý podíl a tento podíl dosahuje vždy kladných hodnot, pokud je interpretován následujícím vzorcem.

U² ..... měřítko vertikálního střihu větru
U² = u² + v², kde u a v jsou skalární složky vektoru střihu větru 0-6 km nad zemí v nejnižších 500 m

==> konvence: u je západo-východní složka vektoru (kladná ve směru západ), v je severo-jižní složka, kladná ve směru jih

    Číslo BRN je dobré sledovat v podmínkách alespoň mírné instability, když CAPE dosahuje hodnot alespoň 1000 J.kg^-1. Pro malé hodnoty CAPE je BRN značně nereprezentativní, pokud nedochází ke vzniku bouřek jiným způsobem než v důsledku insolace. Není možné čekat tvorbu rotujících bouřkových buněk v prostředích s malou instabilitou. Přesto je ale možné zvláště při hodnotách BRN v intervalu 15-40 pozorovat díky střihu větru i v prostředích s malou instabilitou na radarech takové úkazy jako je spojování (merging) nebo oddělování (splitting) jednotlivých bouřkových buněk. Opět zde platí určitá nevýhoda tohoto čísla. Pokud se nijak zvlášt nemění střih větru a dochází k velkému kolísání CAPE v důsledku oteplování, ochlazování, zvlhčování či vysušování zemského povrchu a přilehlých vrstev vzduchu, i Bulk-Richardsonovo číslo kolísá ve velkém rozpětí a nepodporuje vznik určitého typu bouřek. Pro vývoj supercel je totiž nutnou podmínkou také stabilní vtok vzduchu do bouře, jinak nemůže bouřka dosáhnout svého dospělého stadia.

    Supercely se ale v našich podmínkách objevují velice zřídka, spíše převládají situace, kdy dochází k tvorbě mnoha bouřkových buněk najednou a BRN číslo v takových případech může dosáhnout díky malému střihu větru hodnot v řádu stovek. Doporučuji si přečíst nějakou literaturu o struktuře bouřek a o pozicování sestupných a výstupných proudů v jednotlivých typech bouřek při různých vertikálních střizích větru, neboť jen tak je možné pochopit, proč jsou některé bouřky výrazně silnější a déle žijí a jiné nikoliv.

BRN shear (nebo Bulk Shear BSHR)

    Střih větru BRN je jen ukazatel, který byl v minulém vzorci na místě jmenovatele. Obvykle je používána jeho druhá mocnina, někdy však ne. Je to jen střihová charakteristika, která dosahuje různých hodnot podle různého směru a síly větru v nejnižších 500 metrech nad zemí a vrstvě 0-6 km. Zjistilo se, že vyšší hodnoty této charakteristiky odlišují při vývoji supercel to, zda budou doprovázeny tornády. Vše souvisí s tím, jak je situován vektor vtoku vzduchu do bouře a jak se tento vektor větru mění s výškou. Tím se totiž ovlivňuje, zda sestupný proud bude situován mimo výstupný proud a podporovat v delším období vznik tornáda, nebo zda dojde k rychlejšímu zániku supercely. Klasická supercela má vtok vzduchu umístněn na jihovýchodní straně, zatímco průměrný vektor větru ve vrstvě 0-6 km má spíše západní až severní směr.

    Téměř všechny případy výskytu derecha spadají do intervalu 30 - 60 (podle Evanse a Doswella (2000)), to jen pro doplnění, neboť derecho bývá občas spojeno se supercelárními bouřemi. Pokud tento pojem neznáte, krátké vysvětlení můžete nalézt zde.

   Myslím, že jsme si nastínili úplně všechny základní bouřkové indexy, se kterými se může bližší zájemce o bouřky v dnešní době setkat. Existuje mnoho dalších indexů, které zde nejsou zmíněny, ty však zejména slouží k předpovědi intenzity doprovodných bouřkových jevů, jako je nárazovitý vítr, kroupy a tornáda, nebo se příliš neuívají. Pro bližší zájemce o tuto problematiku doporučuji najít si na internetu eseje tak slavných meteorologů jako je Charles A. Doswell III, Chuck Doswell, John Davies atd. Samozřejmě žádná z této literatury není v češtině, ani nelze nalézt nějaké české překlady u nás. Asi by to nebyla zrovně komerčně úspěšná literatura :-)

    Na závěr zde uvedu seznam zde vysvětlených i nevysvětlených bouřkových indexů a parametrů, se kterými se lze setkat. Ve skutečnosti jich je ještě o dost více, ale neuvádím je z toho důvodu, že je často neznám a že se časem "neuchytily" pro obecné použití (Jeffersonův index, Adedokunovy indexy, konvektivní instabilita podle Reape, index konvektivní instability podle Barbera a mnoho dalších) . Ty, o kterých jsme se zde zmínili, jsou zvýrazněny. Pro autentičnost jsou uvedeny v originálních anglických názvech.

Capping Inversion nebo cap (CAP)
Convective Temperature
Cross Totals (CT)
Deep Convective Index (DCI)
dT
Energy - Helicity Index (EHI)
Equillibrium Level (EL)
Fisher index
Ivens Max Convective Gust
K index (K)
Level of Free Convection (LFC)
Lifted index (LI)
Lifting Condensation Level (LCL)
Maximum Parcel Level (MPL)
Maximum Vertical Velocity (MVV)
Mean-Mixed Convective Available Potential Energy (MXCAPE)
Most Unstable Convective Available Potential Energy (MUCAPE)
Negative Available Potential Energy (NAPE)
Pickup
Positive shear magnitude (SHR+)
Precititable Water (PW)
Severe WEAther Threat index (SWEAT)
Showalter index (SI)
Storm Motion
Storm Relative Environmental Helicity (SREH)
SWISS index
T1 Gust
T2 Gust
Thompson Index (TI)
Total Totals Index (TTI)
Vertical Totals (VT)
Vorticity Generation Parameter (VGP)
Wet-Bulb Zero (WBZ)
Windex

Případné dotazy posílejte na email tomas_psika@cbox.cz

Text dopsán: 2.července 2002, 12:58
zatím neaktualizován, v textu mohou být chyby

aktualizace 3.července 2002,14:19:
upraven mrtvý odkaz na www.bourky.kvalitne.cz
doplnění k Showalterova indexu
doplnění k TTI indexu
doplnění k závěrečnému obsahu indexů
opraveny podmínky pro rozhodnutí, zda poslední výraz u SWEAT indexu dát roven nule
doplnění k EHI parametru
opraveny některé pravopisné a gramatické chyby