Table of Contents

Введение: Основы формирования циклонов

Тропические циклоны, известные как ураганы в Атлантическом и восточном Тихом океане, тайфуны в западной части Тихого океана и циклоны в Индийском океане, являются одними из самых мощных и разрушительных природных явлений на Земле. Их формирование зависит от точного взаимодействия физических условий в океане и атмосфере. Понимание этих физических особенностей является не просто академическим упражнением; это напрямую влияет на точность прогнозов, подготовку прибрежных сообществ и смягчение экономических потерь. В то время как множественные переменные способствуют возникновению циклонов, два фактора выделяются в качестве основных факторов: ] океанские температуры и модели ветра . Вместе с вторичными влияниями, такими как атмосферная стабильность и вращение Земли, они определяют, будет ли возмущение перерасти в полноценный циклон и насколько интенсивным оно станет.

Температура океана: топливо для циклонов

Порог 26,5 °C

Наиболее не подлежащим обсуждению требованием для образования тропического циклона является температура поверхности моря (SST) по меньшей мере 26,5 °C (80 °F) . Это значение не является произвольным; оно представляет собой температуру, при которой скорость испарения из океана становится достаточной для питания глубокой конвекции, которая характеризует циклон. Когда теплая океанская вода испаряется, она передает огромное количество скрытого тепла в атмосферу. По мере того, как водяной пар поднимается и конденсируется в облака и дождь, это скрытое тепло высвобождается, нагревая воздух и вызывая его дальнейшее повышение. Это создает положительную обратную связь: большее испарение приводит к большему давлению поверхности, большему притоку влажного воздуха и более сильным ветрам, которые еще больше усиливают испарение.

Значения SST ниже 26,5°C обычно не могут поддерживать эту обратную связь, поскольку количество энергии, извлекаемой из океана, слишком мало, чтобы преодолеть стабилизирующие эффекты окружающей среды. Однако важно отметить, что требуемая температура может быть немного ниже в некоторых регионах, если верхний смешанный слой океана достаточно глубок, или если уже существующее возмущение обеспечивает сильное движение вверх. В целом, чем теплее вода, тем больше потенциальной энергии доступно, поэтому самые сильные циклоны почти всегда образуются над водами, превышающими 28°C до 30°C.

За пределами температуры поверхности: содержание тепла в океане

Хотя SST является критической метрикой, он не рассказывает всей истории. Циклон - это массивный двигатель, который черпает энергию не только из кожи океана, но и из глубокого слоя теплой воды. Мера, называемая Тропическим циклонным тепловым потенциалом (TCHP) или теплосодержанием океана, объясняет глубину изотермы 26 ° C. Если теплый слой неглубокий, циклон может быстро охлаждать воду, смешивая более холодную более глубокую воду с поверхностью - процесс, называемый подъемом - который голодает от бури топлива. И наоборот, глубокий теплый слой (например, > 80 метров) обеспечивает резервуар тепла, который сопротивляется охлаждению и поддерживает быструю интенсификацию. Мексиканский залив, западный северный тихоокеанский теплый бассейн и Бенгальский залив - это области, где глубокие теплые слои часто позволяют взрывное развитие.

Изменение климата и аномалии SST

Температура океана не статична; они колеблются сезонно и межгодово. Эль-Ниньо — южное колебание (ENSO) является основным драйвером моделей SST в тропической части Тихого океана. Во время Эль-Ниньо более теплые воды смещаются на восток, изменяя места, где образуются циклоны. В Атлантике Эль-Ниньо часто подавляет активность ураганов за счет увеличения вертикального сдвига ветра, но в Тихом океане он может усиливать интенсивность тайфуна. Ла-Нинья, с более холодными восточными водами Тихого океана, имеет тенденцию благоприятствовать сезонам ураганов в Атлантике, уменьшая сдвига и позволяя более теплым Атлантическим SST. Аналогично, Диполь Индийского океана (IOD) влияет на развитие циклонов вокруг Австралии и в Бенгальском заливе. Эти крупномасштабные модели могут создавать аномалии SST 1-2 ° C, достаточно, чтобы значительно сместить следы и частоту циклонов.

Исследования показывают, что доля циклонов, достигающих интенсивности 4 или 5 категории, увеличилась в последние десятилетия, отчасти потому, что более теплые океаны обеспечивают больше энергии. IPCC Шестой оценочный доклад Проекты, что глобальная доля очень интенсивных тропических циклонов, вероятно, будет продолжать расти в более теплом мире.

Ветровые шаблоны: организация и управление штормом

Ветры низкого уровня и конвергенция

Тропический циклон не образуется от случайных гроз; он требует уже существующей слабой области низкого давления или тропической волны. Вокруг этого возмущения сходятся низкоуровневые ветры, вытягивающие теплый, влажный воздух из окружающего океана. Приток организован эффектом Кориолиса (обсуждается позже) в циклоническое вращение. Прочность и консистенция этих низкоуровневых ветров имеют решающее значение. Если ветры слишком слабы, возмущение не может консолидироваться; если они слишком сильны, они могут разорвать систему на части до того, как она организуется. Как правило, скорости легкого ветра на поверхности (менее 10 м/с) и четко определенная зона сходимости, такая как Межтропическая зона сходимости (ITCZ), обеспечивают идеальные условия.

Вертикальный сдвиг ветра: Великий ингибитор

Одним из наиболее важных факторов ветрового характера является вертикальный сдвиг ветра — изменение скорости ветра или направления с высотой. Для развития и усиления тропического циклона воздушная колонна должна оставаться вертикальной, а тепло, выделяемое конвекцией, должно быть сосредоточено вблизи центра шторма. Сильный вертикальный сдвиг, обычно определяемый как разница более 10-20 узлов между поверхностью и верхней тропосферой, вытесняет теплое ядро, наклоняет вихрь и вентилирует шторм, выдувая конвективные башни от центра низкого уровня. Это может быстро остановить интенсификацию или вызвать ослабление.

Регионы с климатологически низким сдвига, такие как западная часть северной части Тихого океана летом и тропическая часть Атлантического океана во время Ла-Нинья, являются основными циклонными питомниками. И наоборот, восточная часть Тихого океана у Центральной Америки часто испытывает высокий сдвига от торговых ветров, ограничивая развитие циклона. Модели прогнозирования в значительной степени полагаются на прогнозы сдвига для оценки изменений интенсивности в течение следующих 72 часов.

Отток верхнего уровня и взаимодействие реактивного потока

На больших высотах (около 12-15 км) развивающийся циклон должен иметь возможность выпускать воздух, который поднялся через стенку глаза. Этот отток происходит, когда антициклоническая циркуляция шторма в верхней части тропосферы выталкивает воздух наружу. Если отток ограничен сильными ветрами в воздухе, шторм может заглушить собственный отток, задерживая интенсификацию. Благоприятная конфигурация - это когда тропический циклон сидит под гребнем верхнего уровня со световыми ветрами, позволяя симметричный канал оттока. В некоторых случаях близлежащая полоса корыта или струи в верхних Вестерлиях может фактически усилить отток, явление, известное как «железное взаимодействие», которое иногда приводит к быстрой интенсификации - но только если сдвиг остается умеренным.

Рулевой ветер

Движение циклона в значительной степени определяется ветровым полем, усредненным по глубокому слою тропосферы (около 700-200 гПа). Эти «рулевые ветры» подвержены влиянию крупномасштабных особенностей, таких как субтропические максимумы, Вестерли и муссоны. Например, в Атлантике Бермудские острова-Азорес направляют многие ураганы на запад к Карибскому морю и Восточному побережью США. Изменения в моделях рулевого управления могут привести к тому, что циклоны будут возвращаться в море или останавливаться, увеличивая риск наводнений осадками, как видно с ураганом Харви (2017) и тайфуном Хайян (2013). Понимание моделей ветра на нескольких уровнях поэтому имеет решающее значение для прогнозирования трека.

Дополнительные критические факторы

Сила Кориолиса

Тропические циклоны не могут образовываться в пределах около 5 градусов экватора, потому что сила Кориолиса слишком слаба, чтобы инициировать вращение. Сила пропорциональна широте, поэтому она увеличивается в сторону полюса. Большинство циклонов развиваются между 5° и 20° широты. Более 30° температуры поверхности моря обычно слишком холодны, и сдвиг ветра становится более распространенным. Эффект Кориолиса также определяет, что циклоны вращаются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии.

Существующее ранее беспокойство

Каждый циклон начинается как тропическая волна, область низкого давления или муссонное корыто. Эти нарушения обеспечивают начальный спин и конвергенцию, необходимые для начала развития. Без ранее существовавшего вихря атмосфера оставалась бы спокойной даже с теплой водой и низким сдвига. Шкала урагана Саффир-Симпсона применяется только после того, как система достигнет статуса тропического шторма, но нарушение предшественника столь же важно.

Атмосферная влажность и нестабильность

Низкоуровневый воздух должен быть влажным, с высокой относительной влажностью в нижней и средней тропосфере (до 500 гПа). Сухой воздух, вовлеченный в шторм, может подавлять конвекцию, ослаблять восходящие потоки и приводить к «вторжениям сухого воздуха», которые дестабилизируют внутреннее ядро. Это одна из причин, по которой тропические циклоны редко образуются над засушливыми регионами или где воздушный слой Сахары впрыскивает сухой, пыльный воздух в Атлантику. Нестабильность, измеряемая скоростью провала, гарантирует, что поднимающиеся воздушные участки остаются теплее, чем их окружение, ускоряя движение вверх. Условно нестабильная атмосфера с высокой влажностью идеальна.

Глубина океана и батиметрия

Как отмечалось ранее, мелководные океанские глубины могут усиливать риск штормовых нагонов. Но батиметрия также влияет на сам циклон через океанское теплосодержание. В районах с неглубоким термоклином (например, восточной тропической части Тихого океана) подъем может быстро охладить поверхность, ограничив интенсивность. И наоборот, над глубоким теплым бассейном западной части Тихого океана циклон может черпать энергию из больших глубин. Штормовой нагон также сильно зависит от прибрежной батиметрии: мягкий континентальный шельф производит более высокий нагонный нагот, чем крутой подводный склон.

Атмосферная стабильность и тропопауза

Температура нижней стратосферы и высота тропопаузы также имеют значение. Очень холодная тропопауза позволяет облачным вершинам перерастать выше, создавая более сильные восходящие потоки и более эффективное удаление тепла. Напротив, более теплая конвекция тропопаузы ограничивает потенциальную интенсивность шторма. Климатические модели предполагают, что по мере роста тропопаузы с глобальным потеплением теоретический верхний предел интенсивности циклона может увеличиваться, хотя другие факторы усложняют тенденцию.

Взаимодействие физических особенностей: тематические исследования и климатический контекст

Быстрая интенсификация событий

Быстрое усиление (РИ) происходит, когда максимальные устойчивые ветры увеличиваются по крайней мере на 30 узлов (35 миль в час) за 24 часа. События РИ часто запускаются, когда циклон движется по области очень глубокой теплой воды (высокое содержание тепла в океане), одновременно сталкиваясь с окружающей средой с низким сдвига и устойчивым верхним оттоком. Ураган Майкл (2018), который неожиданно взорвался в шторм категории 5 перед приземлением во Флориде, иллюстрирует такое слияние. Мониторинг этих трех факторов - SST, теплосодержание океана и вертикальный сдвиг ветра - теперь является рутинной частью оперативного прогнозирования.

Изменение климата и частота циклонов против интенсивности

Вопреки распространенному мнению, глобальное потепление не обязательно увеличивает количество тропических циклонов. Большинство моделей прогнозируют небольшое снижение глобальной частоты, но значительное увеличение доли наиболее интенсивных штормов (категория 4-5). Причины коренятся в физике, описанной выше: более теплые SST обеспечивают больше энергии, но если увеличение сдвига в определенных бассейнах, это увеличение может компенсировать некоторые потенциал развития. Отдел исследований ураганов NOAA продолжает изучать, как эти конкурирующие эффекты будут балансировать в ближайшие десятилетия.

Прогнозирование и мониторинг: от спутников к моделям

Метеорологи используют множество инструментов для измерения и прогнозирования физических особенностей, влияющих на формирование циклонов. Спутники предоставляют непрерывные данные SST с помощью микроволновых и инфракрасных датчиков, хотя облака часто блокируют инфракрасные виды — поэтому микроволновые измерения необходимы. Арго плавает и Морированные буи измеряют температуру океана до тысяч метров, вычисляя содержание тепла в океане. Скаттерометры на спутниках, таких как MetOp и ISS RapidScat измеряют скорость и направление поверхностного ветра, обнаруживая низкоуровневые зоны конвергенции и зоны сильного ветра. Радиозонды , запускаемые с наземных станций, измеряют вертикальные профили ветра, температуры и влажности.

Численные модели прогнозирования погоды, использующие все эти данные для получения прогнозов. Точность прогнозов трека значительно улучшилась за последние 30 лет, но прогнозирование интенсивности остается проблемой, поскольку оно требует решения процессов в масштабе нескольких километров, таких как циклы замены стенок и взаимодействия с океанскими вихрями. Глобальные модели (например, ECMWF, GFS) и региональные модели высокого разрешения (например, HWRF) теперь явно имитируют взаимодействие между воздухом и морем, которое когда-то было грубо параметризировано. Программа тропических циклонов Всемирной метеорологической организации ] координирует усилия по обмену исследованиями и оперативными передовыми методами во всех пострадавших регионах.

Заключение

Формирование тропического циклона — это тонкая оркестровка океанского тепла, структуры атмосферного ветра и вращения Земли. Температура океана обеспечивает необходимую энергию, причем роль играют как поверхностное тепло, так и глубокое тепло. Ветровые структуры на поверхности и в воздухе определяют, может ли эта энергия быть сконцентрирована в стабильный вихрь или рассеиваться сдвигом. Дополнительные факторы, такие как влажность, нестабильность и сила Кориолиса, задают основу для развития. Изменение климата изменяет многие из этих параметров, особенно температуры поверхности моря и атмосферную влажность, с уже наблюдаемым воздействием на интенсивность циклона и количество осадков.

Для прибрежных популяций понимание этих физических особенностей приводит к лучшей готовности. Путем мониторинга аномалий SST, прогнозов сдвига и теплосодержанием менеджеры по чрезвычайным ситуациям могут предвидеть, какие штормы могут быстро усилиться. Исследования мелкомасштабных взаимодействий между океаном и атмосферой продолжают улучшать наше научное понимание и нашу способность предупреждать общественность. В мире повышения уровня моря и потепления океанов неотложность этой работы никогда не была большей.