Анатомия формирования ураганов

Ураганы являются одной из самых мощных сил на Земле, черпающей энергию непосредственно из теплых океанских вод и высвобождающей ее через организованную конвекцию. Эти штормы следуют за предсказуемым прогрессом от дезорганизованных скоплений гроз до плотно ранящих циклонов, способных нивелировать целые сообщества. Понимание каждого этапа этого развития помогает синоптикам своевременно выдавать предупреждения и дает общественности критическое время на подготовку.

Каждый ураган начинается как скромное нарушение погоды. Разница между безвредным скоплением ливней и катастрофическим ураганом сводится к узкому набору условий окружающей среды: температура океана, атмосферная влажность, сдвиг ветра и эффект Кориолиса. Когда эти факторы выравниваются, тропическая система может быстро усиливаться, иногда переходя от тропического шторма к крупному урагану менее чем за 24 часа.

Роль теплых океанских вод

Ураганы питаются от скрытого тепла, выделяемого при конденсации водяного пара. Для того чтобы шторм сформировался и поддерживал себя, температура поверхности моря должна составлять не менее 26,5 ° C (80 ° F) на глубине около 50 метров. Эта теплая вода обеспечивает топливо, которое управляет активностью грозы в ядре развивающейся системы. Чем глубже теплый слой, тем больше энергии доступно, и тем менее вероятная более холодная вода снизу будет смешиваться и отключать питание шторма.

Такие регионы, как тропическая Атлантика, Карибское море и Океанский залив, обычно достигают этих температур во время сезона ураганов, который длится с 1 июня по 30 ноября в Атлантическом бассейне.В пиковый сезон, с середины августа по конец октября, содержание тепла в океане часто достигает своего годового максимума, что приводит к самой высокой частоте штормов.

Атмосферные условия и сдвига ветра

Теплая вода сама по себе не может вызвать ураган. Атмосфера над океаном также должна способствовать организации шторма. Высокая влажность в средней тропосфере позволяет процветать грозам, а не высыхать. Низкий вертикальный сдвиг ветра, означающий небольшое изменение скорости ветра или направления с высотой, позволяет шторму развить вертикальную структуру с теплым ядром. Когда сдвиг ветра силен, он наклоняет шторм и нарушает циркуляцию, часто предотвращая интенсификацию или разрыв системы полностью.

Взаимодействие океана и атмосферы объясняет, почему одни сезоны ураганов гиперактивны, а другие тихие. Например, во время события Эль-Ниньо более сильный сдвиг ветра через Атлантику имеет тенденцию подавлять образование ураганов, в то время как условия Ла-Нинья уменьшают сдвиг и способствуют повышению активности.

Первый этап: тропические волнения

Первым распознаваемым предшественником урагана является тропическое возмущение. Это дискретная область организованной конвекции, обычно 200-600 километров в диаметре, которая развивается над тропическими или субтропическими водами. Тропическое возмущение демонстрирует небольшое падение поверхностного давления и некоторое циклоническое вращение, но в ней отсутствует четко определенный центр циркуляции, а устойчивые ветры обычно ниже 25 миль в час (40 км / ч).

Эти возмущения часто происходят из нескольких источников: пасхальные волны, которые движутся у берегов Африки, старые фронтальные границы, которые останавливаются над теплой водой, или муссонное желоб в западной части Тихого океана и Атлантики. Пасхальные волны, в частности, составляют примерно 60% атлантических тропических штормов и около 85% крупных ураганов. Эти волны являются желобами низкого давления, встроенными в торговые ветры, и они обеспечивают уже существующую область вращения, вокруг которой может организоваться конвекция.

Спутниковые снимки являются основным инструментом обнаружения тропических возмущений. Видимые и инфракрасные каналы выявляют участки стойкой глубокой конвекции, в то время как водяные паровые изображения показывают, сколько влаги присутствует в средней и верхней атмосфере. Как только возмущение появляется, синоптики начинают следить за ним для признаков дальнейшего развития.

Второй этап: тропическая депрессия

Когда тропическое возмущение показывает признаки замкнутой циркуляции поверхности и устойчивых ветров, достигающих 23-38 миль в час (37-62 км/ч), оно классифицируется как тропическая депрессия. На этой стадии система имеет определенный центр низкого давления, и полосы гроз начинают обертываться вокруг этого центра. Депрессии присваивается номер, такой как Тропическая депрессия Пять, для идентификации.

Тропическая депрессия — это пока слабая система, но она представляет собой критический переход. Развитие замкнутой циркуляции означает, что буря стала самоподдерживающейся сущностью. Воздух спирально движется внутрь к центру низкого давления, поднимается в грозах, а затем течет наружу на большой высоте. Эта циркуляция рисует теплый, влажный воздух из окружающего океана и питает конвекцию.

Синоптики уделяют пристальное внимание организации депрессии на радаре и спутнике. Если конвекция становится более симметричной и давление продолжает падать, вероятно усиление в тропический шторм. И наоборот, если сухой воздух вторгается или сдвиг ветра усиливается, депрессия может не усилиться или даже рассеяться.

Не каждая тропическая депрессия становится тропическим штормом. На самом деле, многие депрессии никогда не достигают следующей стадии, потому что окружающая среда недостаточно благоприятна. Однако, как только депрессия формируется, Национальный центр ураганов (NHC) начинает регулярно выдавать рекомендации, и усилия по повышению осведомленности общественности в потенциально пострадавших регионах.

Третья стадия: тропический шторм

Тропическая депрессия становится тропическим штормом, когда его устойчивые ветры достигают 39-73 миль в час (63-118 км/ч). В этот момент система получает название из вращающегося списка, поддерживаемого Всемирной метеорологической организацией. Конвенция об именах способствует коммуникации и информированию общественности, что облегчает отслеживание нескольких штормов за один сезон.

При наименовании наступает заметный рост организации. Циркуляция шторма становится более определённой, а центральный плотный паводок, сплошная масса облаков вблизи центра, часто развивается. Спиральные дождевые полосы становятся более выраженными, и шторм начинает принимать классическую запятую или круговую форму, наблюдаемую на спутниковых снимках. Центральное давление падает быстрее по мере того, как отток шторма ввысь становится хорошо зарекомендовавшим себя.

Во время фазы тропического шторма система способна производить разрушительные ветры, сильные ливни и прибрежные наводнения из-за штормового нагона, особенно если она движется по мелководным прибрежным водам. Даже до достижения интенсивности урагана тропические штормы могут вызвать значительные воздействия. Например, тропический шторм Эллисон в 2001 году вызвал катастрофическое наводнение в Хьюстоне, штат Техас, в результате чего более 40 смертей и миллиарды долларов ущерба, несмотря на то, что никогда не достигал силы урагана.

Синоптики используют самолётную разведку, спутниковые оценки и микроволновые снимки, чтобы определить, усиливается ли шторм.Появление глазной особенности на микроволновых снимках, ещё до того, как она видна на обычном спутнике, часто сигнализирует о приближении шторма к интенсивности урагана.

Четвертый этап: Ураган

Тропический шторм становится ураганом, когда устойчивые ветры достигают 74 миль в час (119 км/ч) или выше. На этом пороге шторм развил четко определенный глаз, область спокойного, чистого воздуха в центре, окруженную стенкой интенсивной грозы. Глаз образуется по мере того, как циркуляция шторма становится плотной, а градиент давления закручивается, заставляя воздух погружаться в центр и создавать отверстие в облачном покрове.

Ураганы классифицируются с использованием шкалы ураганов Саффира-Симпсона, которая ранжирует штормы от категории 1 до категории 5 на основе максимальной устойчивой скорости ветра. Эта шкала дает приблизительную оценку потенциального ущерба структурам, растительности и инфраструктуре, хотя она не учитывает наводнение осадков или штормовой нагон, которые часто являются наиболее смертоносными аспектами урагана.

Шкала урагана Саффира-Симпсона

Категория 1 (74-95 миль в час)

Повреждения в первую очередь наносятся незакрепленным мобильным домам, кустарникам и плохо построенным знакам. Рамочные дома могут испытывать незначительные повреждения крыши. Отключения электроэнергии могут длиться несколько дней. Такие штормы, как ураган Долли (2008) и ураган Ирен (2011), обрушились на землю в качестве штормов категории 1 и нанесли значительный ущерб в основном из-за ветра и наводнений.

Категория 2 (96-110 миль в час)

Хорошо построенные каркасные дома могут выдержать серьезные повреждения крыши и сайдинга. Мелкие деревья выкорчеваны, блокируют дороги и повреждают линии электропередач. Ожидается почти полная потеря электроэнергии, с отключениями в течение нескольких недель в некоторых районах. Ураган Фрэнсис (2004) и ураган Зета (2020) были штормами категории 2 на свалке.

Категория 3 (111-129 миль в час)

Это порог для крупного урагана. Хорошо построенные дома могут понести значительные структурные повреждения, включая удаление настила крыши и кончиков двускатных балок. Многие деревья обломаются или выкорчеваны, а электричество и вода могут быть недоступны в течение нескольких недель. Ураганы Катрина (2005) и Сэнди (2012) были Категории 3 на их соответствующих выходах на сушу, хотя оба вызвали катастрофический ущерб от штормового нагона.

Категория 4 (130-156 миль в час)

Обширные повреждения наносятся хорошо построенным домам, с серьезными повреждениями кровельных конструкций и наружных стен. Большинство деревьев вырубаются или выкорчевываются, а столбы электроснабжения сбиваются. Жилые районы изолированы мусором. Ураган Харви (2017) и ураган Лаура (2020) были штормами категории 4, которые нанесли разрушительный ущерб на больших площадях.

Категория 5 (157 миль в час или выше)

Высокий процент обрамленных домов будет разрушен, с полным отказом крыши и обрушением стен. Отключения электроэнергии сохраняются в течение недель или месяцев, и пострадавшие районы могут быть непригодными для жизни. Только несколько атлантических ураганов достигли 5-й категории при нападении на сушу в зарегистрированной истории, включая ураган Эндрю (1992), ураган Майкл (2018) и ураган Дориан (2019) на Багамах.

Критические факторы, которые способствуют развитию ураганов

Переход от тропического возмущения к крупному урагану зависит от четырех ключевых факторов окружающей среды.Каждый фактор должен присутствовать в пределах определенного диапазона, и отсутствие любого из них может полностью предотвратить развитие.

Пороги температуры поверхности моря

Температура океана должна превышать 26,5°C на глубину не менее 50 метров. Теплая вода обеспечивает скрытую тепловую энергию, которая приводит в движение конвекцию шторма. Чем выше температура поверхности моря, тем больше потенциал для интенсификации. Бури, которые движутся над регионами с теплосодержанием океана, сравнимым с петлевым течением в Мексиканском заливе, часто подвергаются быстрой интенсификации, определяемой как увеличение на 35 миль в час или более за 24 часа.

Атмосферная нестабильность и влажность

Ураган требует глубокого слоя влажного воздуха в тропосфере. Сухой воздух, зажатый в циркуляцию шторма, может нарушить конвекцию и ослабить систему. Высокая относительная влажность в средних уровнях, как правило, выше 70%, поддерживает развитие высоких гроз, которые выделяют скрытое тепло и поддерживают теплое ядро. Нестабильность, измеряемая разницей температур между поверхностью и верхней атмосферой, позволяет воздушным посылкам свободно подниматься и поддерживать конвекцию.

Низкий вертикальный сдвиг ветра

Вертикальный сдвиг ветра — это изменение скорости или направления ветра с высотой. Для того чтобы ураган развивал и поддерживал свою структуру, сдвига должны быть низкими, как правило, менее 10—15 узлов (11—17 миль в час) по всей тропосфере. Сильный сдвига наклоняет циркуляцию шторма, вытесняет отток верхнего уровня и может подвергнуть центр нижнего уровня сухому воздуху. Наличие антициклона верхнего уровня над развивающимся штормом помогает оттоку вентиляции и уменьшает сдвига.

Эффект Кориолиса и широта

Эффект Кориолиса, вызванный вращением Земли, даёт тропическим циклонам их вращение. Этот эффект ничтожен вблизи экватора, из-за чего ураганы не формируются в пределах 5° широты экватора. Минимальная широта для образования ураганов обычно составляет 5—10°, обеспечивая достаточно силы Кориолиса для инициирования и поддержания вращения. После образования ураганы обычно движутся на запад и полюс, управляемые крупномасштабными атмосферными течениями.

Наблюдение и отслеживание ураганов

Современное прогнозирование ураганов опирается на массив наблюдательных инструментов, которые отслеживают штормы от формирования до рассеивания. Геостационарные спутники, такие как управляемые NOAA и Европейской организацией по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT), обеспечивают непрерывные видимые и инфракрасные изображения. Эти спутники позволяют синоптикам отслеживать облачные закономерности, оценивать интенсивность с помощью метода Дворака и контролировать условия окружающей среды в режиме реального времени.

Разведка самолетов остается одним из самых ценных источников данных. NOAA Hurricane Hunters и 53-я эскадрилья метеорологической разведки ВВС США летают прямо в штормы для измерения давления, скорости ветра, температуры и влажности. Эти полеты предоставляют данные in situ, которые нельзя получить со спутников, включая точное местоположение центра, минимальное центральное давление и структуру глазной стенки. Эта информация имеет решающее значение для инициализации компьютерных моделей и проверки оценок спутников.

Цифровые модели прогнозирования погоды, такие как Глобальная система прогнозирования погоды (GFS) и Европейская система среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), моделируют атмосферу и выдают прогнозы трека и интенсивности до семи дней и более. Эти модели потребляют данные со спутников, самолетов, буев и радиозондов, и их точность значительно улучшилась в последние десятилетия. Прогнозы трека теперь очень надежны, в то время как прогнозы интенсивности, особенно для быстрой интенсификации, остаются проблемой.

Изменение климата и ураганная активность

Исследования показали, что изменение климата влияет на характеристики ураганов. Более теплые температуры океана увеличивают потенциал штормов для достижения более высокой интенсивности. Ряд исследований задокументировал тенденцию к росту доли ураганов, которые достигают категории 3 или выше, особенно в Атлантическом бассейне. Потепление климата также повышает содержание атмосферной влаги, что может привести к более высоким показателям осадков от ураганов. Такие штормы, как ураган Харви, который застопорился над Техасом и произвел более 60 дюймов дождя в некоторых районах, дают представление о том, что будущие штормы могут доставлять чаще.

Повышение уровня моря, вызванное тепловым расширением и таянием ледяных щитов, увеличивает исходный уровень штормового нагона. Ураган, который делает сегодня выпадение на сушу, будет толкать воду выше на прибрежные районы, чем тот же шторм столетие назад, просто потому, что океан выше. Объединенный эффект более интенсивных штормов, более сильных осадков и более высоких уровней моря усиливает риск для прибрежных сообществ.

Согласно Лаборатории геофизической динамики жидкостей NOAA, частота тропических циклонов во всем мире не будет увеличиваться, но ожидается, что интенсивность сильнейших штормов будет расти. Доля штормов категории 4 и 5 может увеличиться, а количество осадков, связанных с этими штормами, будет тяжелее из-за более высокой атмосферной влаги. Эти изменения подчеркивают важность совершенствования строительных норм, планирования прибрежного землепользования и систем раннего предупреждения.

Готовимся к сезону ураганов

Подготовка начинается задолго до возникновения шторма. Жители в районах, подверженных ураганам, должны знать свою зону эвакуации, иметь готовый комплект аварийного обеспечения и поддерживать план по обеспечению безопасности своего имущества. Национальный центр ураганов рекомендует всем жителям прибрежного сообщества следить за прогнозами в сезон ураганов и быть готовыми действовать, когда выдаются часы или предупреждения.

Часы урагана выдаются, когда условия возможны в течение 48 часов, а предупреждение указывает на то, что условия ожидаются в течение 36 часов. Эти пороги дают жителям время для реализации своих планов, будь то посадка в окна, переезд в безопасную комнату или эвакуация. Штормовой нагон является основной причиной смертей, связанных с ураганами в Соединенных Штатах, и к приказам об эвакуации, издаваемым местными чиновниками, всегда следует относиться серьезно.

Для тех, кто хорошо живет на суше, сильные дожди и наводнения на суше остаются серьезной угрозой. Ураганы часто замедляются или замедляются после выпадения на сушу, сбрасывая ножки дождя над районами, удаленными от побережья. Понимание того, что опасность не заканчивается на пляже, имеет решающее значение для обеспечения безопасности на протяжении всего штормового события.

Для получения наиболее актуальной информации об активных штормах и сезонных перспективах посетите веб-сайт Национального центра ураганов и проконсультируйтесь с местными метеорологическими службами. Знание структуры развития ураганов, от тропических волнений до крупных штормов, дает возможность отдельным лицам и общинам принимать обоснованные решения, которые снижают риск и спасают жизни.