Table of Contents

Неразрывная связь между тропическим климатом и генезисом циклонов

Тропические циклоны, известные на региональном уровне как ураганы, тайфуны или просто циклоны, входят в число самых мощных и разрушительных природных явлений на Земле. Каждый год по всему миру развиваются в среднем от 80 до 90 тропических циклонов, вызывая катастрофические ветры, штормовые нагоны и дожди. Эти колоссальные, вращающиеся штормовые системы не образуются случайным образом. Они являются продуктом очень специфического набора условий окружающей среды, которые почти исключительно встречаются в тропических и субтропических регионах мира. Связь между постоянным теплом и влажностью тропического климата и рождением циклона - это не просто совпадение; это фундаментальная причинно-следственная связь, продиктованная термодинамикой и геофизикой. В этой статье исследуются точные механизмы этой взаимосвязи, ключевые ингредиенты, необходимые для формирования шторма, и факторы, которые формируют их поведение.

Уникальные параметры тропического климата

Тропическая климатическая зона, грубо ограниченная тропиком Рака и тропиком Козерога, определяется последовательным избытком энергии. В отличие от средних широт, которые испытывают драматические сезонные сдвиги температуры и солнечной радиации, тропики получают интенсивный, прямой солнечный свет в течение года. Этот последовательный солнечный вход создает фундаментальные условия, необходимые для формирования циклона.

Термические характеристики и температура поверхности моря

Определяющей особенностью тропического климата является его высокая средняя температура. Средние ежемесячные температуры редко опускаются ниже 18 ° C (64 ° F), при этом прибрежные и островные регионы часто испытывают средние значения выше 26 ° C (79 ° F). Для циклонов критической метрикой является температура поверхности моря (SST). Для поддержания образования циклона огромное количество теплой воды действует как двигатель шторма. Метеорологи определили порог SST примерно 26,5 ° C (80 ° F). Это требование глубины гарантирует, что океан может непрерывно подавать тепло и влагу в атмосферу, не будучи значительно охлажденным собственным вертикальным смешиванием шторма. Когда шторм извергает океан, он приносит более прохладную воду снизу на поверхность. Если теплый слой неглубокий, этот процесс может быстро охлаждать поверхность, голодая от шторма его источника энергии. Поэтому глубокий теплый слой позволяет циклонам усиливаться и выживать в течение длительных периодов. Узнайте больше о потребностях SST из ресурсов Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA).

Атмосферная влага и роль скрытого тепла

Только высоких температур недостаточно. Тропический климат характеризуется обильной атмосферной влажностью. Теплый воздух над тропическими океанами может удерживать большое количество водяного пара, что приводит к высокой удельной влажности. Насыщение паров увеличивается экспоненциально с температурой, поэтому даже небольшое увеличение SST может резко увеличить количество доступного водяного пара. Эта влажность является скрытым топливом для циклонов. По мере того, как воздух поднимается и охлаждается в конвективных башнях, водяной пар конденсируется, выделяя большое количество скрытого тепла. Этот выпуск нагревает окружающий воздух, делая его более плавучим и заставляя его подниматься дальше. Этот процесс создает самоусиливающуюся петлю обратной связи восходящего воздуха, конденсации и скрытого теплового выброса, который является основным драйвером интенсивности тропического циклона. Этот механизм часто сравнивают с тепловым двигателем Карно, где теплый океан является источником тепла, а холодная верхняя тропосфера является теплоотводом.

Низковертикальный сдвиг ветра: необходимый стабилизатор

Пока теплый, влажный воздух обеспечивает топливо, для его организации требуется также устойчивая атмосферная структура. Ключевой характеристикой многих тропических регионов в сезон циклонов является наличие низкого вертикального сдвига ветра. Вертикальный сдвиг ветра определяется как изменение скорости ветра или направления с высотой. Сильный сдвига эффективно обезглавливает развивающиеся штормы, наклоняя их вертикальную структуру и обнажая теплое ядро, нарушая тепловой двигатель. Высокий сдвига буквально срывает верх от развивающихся гроз, предотвращая необходимую организацию вокруг единого центра. Тропический климат, особенно в летние и осенние месяцы, часто испытывает слабые ветры верхнего уровня, позволяя организовать глубокую конвекцию в единую, последовательную систему. Космическое агентство предлагает подробные объяснения того, как сдвиг ветра влияет на эти массивные штормы.

Оригинальное название: Genesis of a Cyclone: From Disturbance to Storm

Тропический климат обеспечивает фоновую среду, но фактическое образование циклона — процесс, называемый циклогенезом, требует ряда конкретных ингредиентов, которые должны одновременно собираться на большой площади.

Двигатель океана и условная нестабильность

Океан — это сердцебиение тропического циклона. Теплые ССТ приводят к усиленному испарению, которое переносит тепло и влагу в атмосферный пограничный слой. Этот влажный воздух поднимается в дискретных конвективных клетках. Если окружающая среда неустойчива и влажна, эти клетки могут сохраняться и расти. Постоянный поток скрытого и чувственного тепла с поверхности океана создает условную нестабильность, которая необходима для поддержания глубокой конвекции. Без этого постоянного запаса океанического тепла и влаги тропический циклон быстро ослабевает и рассеивается. Вот почему штормы быстро распадаются, когда они перемещаются по более прохладным водам или суше, эффективно отключая их топливо.

Оригинальное название: The Seed of the Storm

Циклоны редко образуются из ничего. Обычно они происходят из ранее существовавших, слабо организованных районов низкого давления. Наиболее распространенными семенами являются африканские пасхальные волны (AEW), которые движутся от побережья Африки в Атлантический океан. Другие источники включают муссонные впадины в Индийском океане и западной части Тихого океана, а также нижняя часть верхнего уровня, которые распространяются вниз к поверхности. Эти возмущения обеспечивают начальный циклонический спин и концентрированную область гроз, необходимых для дальнейшего развития. Масштабное Мэдден-Джулианское колебание (MJO) также играет роль, усиливая или подавляя конвекцию в разных регионах тропиков, эффективно создавая благоприятные или неблагоприятные среды для циклогенеза в глобальном масштабе.

Эффект Кориолиса: обеспечение необходимого спина

Теплого, влажного воздуха и существовавшего до этого возмущения все еще недостаточно. Системе нужен источник вращения. Это обеспечивается эффектом Кориолиса, следствием вращения Земли. Сила Кориолиса отклоняет движущийся воздух вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. Это отклонение заставляет воздух, текущий внутрь к центру низкого давления, спирально вращаться, создавая вращающийся вихрь. Эффект Кориолиса слаб вблизи экватора (0 градусов широты), из-за чего тропические циклоны почти никогда не образуются в пределах 5 градусов экватора и редко в пределах 10 градусов. Магнитуда силы Кориолиса, пропорциональная синусу широты, должна быть достаточной для установления сбалансированного вихря. Именно поэтому первичные области формирования тропических циклонов лежат между 10 и 30 градусами широты.

Низковертикальный сдвиг ветра: организация

Для того чтобы грозы внутри возмущения организовались в единый центральный вихрь, вертикальный сдвиг ветра должен оставаться низким. Если ветры верхнего уровня спокойны или дуют в том же направлении и скорости, что и ветры нижнего уровня, то высвобождаемое скрытое тепло может равномерно согревать верхнюю тропосферу. Это создает теплое ядро, которое понижает давление на поверхности, втягивая больше воздуха и усиливая поверхностные ветры. Эта обратная петля потепления и падения давления является отличительной чертой тропического циклогенеза. Если присутствует глубокий слой теплой воды, этот процесс может продолжаться непрерывно до тех пор, пока не возникнет полностью развитый тропический циклон.

Этапы развития и жизненный цикл циклона

После того, как необходимые условия будут выполнены, тропический циклон прогрессирует через предсказуемый жизненный цикл, от неорганизованной области грозы до мощного структурированного вихря.Всемирная метеорологическая организация предоставляет подробную информацию о классификациях и глобальных конвенциях именования, используемых для этих штормов.

Тропическая депрессия: первоначальная организация

Как только тропическое возмущение показывает замкнутую циркуляцию поверхности и устойчивые ветры 38 миль в час (62 км/ч) или менее, оно классифицируется как тропическая депрессия. На этой стадии система относительно неорганизована, но градиент давления начинает затягиваться. Активность грозы становится более устойчивой вблизи центра циркуляции по мере усиления притока теплого, влажного воздуха.

Тропический шторм: усиление и название

По мере того как система организуется и ветры увеличиваются до 39 миль в час (63 км/ч) и 73 миль в час (118 км/ч), она становится тропическим штормом и получает название. Характерная спиральная структура бандажирования становится более выраженной, а отток верхнего уровня становится более четко определенным. На этой стадии шторм начинает принимать классическую запятую или спиральную форму, наблюдаемую на спутниковых снимках. Центральное давление продолжает падать, а дождевые полосы становятся более плотно закрученными вокруг центра.

Ураган / Тайфун / Циклон: зрелая стадия

Когда устойчивые ветры достигают 74 миль в час (119 км/ч), шторм официально является ураганом (Атлантический / Восточный Тихий океан), тайфуном (Западная часть Тихого океана) или тропическим циклоном (Индийский океан / Южный Тихий океан). Глаз обычно образуется в центре, окруженном стенкой глаза, где происходят самые интенсивные ветры и осадки. В глазу потопающий воздух создает ясное небо и спокойные условия, в то время как стенка глаза характеризуется наиболее сильными восходящими потоками. Интенсивность шторма обусловлена продолжающимся потоком тепла из теплого океана и эффективным оттоком верхнего уровня. Симметричный, хорошо организованный шторм в низком сдвига может достичь интенсивности категории 4 или 5 по шкале Саффира-Симпсона.

Циклы замены глазных век и быстрой интенсификации

Зрелые интенсивные циклоны часто подвергаются циклам замены стенок глаз. При этом формируется и постепенно сжимается новая внешняя стенка, отгораживаясь от внутренней стенки и заменяя ее. Это может привести к временному ослаблению шторма перед повторным усилением. Некоторые штормы также подвергаются быстрой интенсификации (РИ), определяемой как увеличение скорости ветра не менее 35 миль в час (56 км/ч) в течение 24 часов. Этот взрывной рост происходит в очень благоприятных условиях: очень теплые SST (часто 30-31 ° C или выше), чрезвычайно низкий сдвиг ветра и высокая влажность среднего уровня. RI является серьезной проблемой прогнозирования, поскольку он может превратить относительно слабый тропический шторм в крупный ураган менее чем за день.

Региональные вариации и бассейны формирования

Специфическое расположение образования, или бассейна, сильно влияет на сезонность, частоту и интенсивность тропических циклонов.Лаборатория геофизической динамики жидкостей (GFDL) проводит обширные исследования этих региональных различий.

Атлантический бассейн

Сезон ураганов в Атлантике длится с 1 июня по 30 ноября. Первичные семена - Африканские пасхальные волны. Теплые воды экваториальной Атлантики, Карибского моря и Мексиканского залива обеспечивают необходимое топливо. Наличие Сахарского воздушного слоя, сухой, пыльной воздушной массы, которая движется у берегов Африки, иногда может препятствовать развитию, вводя сухой воздух и сильный стриж. Пик атлантического сезона обычно происходит в начале-середине сентября, когда SSTs находятся на самом высоком уровне. Известные исторические штормы, такие как ураган Катрина (2005) и ураган Сэнди (2012) подчеркивают разрушительный потенциал атлантических циклонов.

Тихоокеанские бассейны

Восточно-Тихоокеанский бассейн, включающий в себя воды у берегов Мексики и Центральной Америки, имеет самую высокую плотность штормов на единицу площади любого бассейна. Эти штормы часто образуются из муссонных впадин и центральноамериканских круговоротов. Западно-Тихоокеанский бассейн является самым активным в мире, с круглогодичным теплом и обширными просторами теплой воды, позволяющими формировать сильнейшие циклоны, известные как супертайфуны. Штормы, такие как тайфун Хайян (2013) продемонстрировали чрезвычайную силу, возможную в этом бассейне, с устойчивыми ветрами, оцененными в 195 миль в час (315 км / ч).

Индийский океан

Северный Индийский океан (Бенгальский залив и Аравийское море) имеет уникальный бимодальный сезон, достигающий пика до и после муссона (май-июнь и октябрь-ноябрь). Бенгальский залив особенно подвержен разрушительным циклонам из-за мелководных, теплых вод и формы водоворота береговой линии, что порождает разрушительные штормовые нагоны. Бассейн Южного Индийского океана, недалеко от Мадагаскара и Австралии, также поддерживает интенсивные тропические циклоны, часто образующиеся из муссонного желоба в течение лета южного полушария.

Влияние изменчивости и изменения климата на формирование циклонов

Фундаментальная связь между тропическим климатом и образованием циклонов означает, что любое изменение тропического климата повлияет на поведение циклонов.Вариабельность климата, обусловленная естественными циклами, и долгосрочное антропогенное изменение климата являются важными факторами.

Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO)

ENSO является доминирующим фактором год к году изменчивости циклонной активности во всем мире.Во время Эль-Ниньо более теплые воды в восточной части Тихого океана смещают грозовую активность на восток, что увеличивает сдвига ветра над Атлантикой, часто подавляя образование ураганов там, одновременно повышая активность в восточной части Тихого океана и в центральной части Тихого океана. Условия Ла-Нинья имеют противоположный эффект; более холодные воды в восточной части Тихого океана уменьшают сдвига над Атлантикой, часто приводя к более активным и интенсивным атлантическим сезонам. Сезоны ураганов в Атлантике 2020 и 2021 годов, которые отличались рекордной активностью, произошли во время условий Ла-Нинья.

Роль антропогенного изменения климата

Изменение климата напрямую влияет на фундаментальные параметры формирования циклонов. Океан поглощает подавляющее большинство избыточного тепла от глобального потепления. В результате глобальные SST значительно выросли. Отношение Клаузиуса-Клапейрона диктует, что атмосфера может удерживать примерно на 7% больше влаги на каждые 1°C потепления. Это увеличение влажности напрямую приводит к увеличению потенциала осадков в будущих циклонах. Исследования показывают, что в то время как глобальная частота циклонов может оставаться прежней или немного уменьшаться, интенсивность сильнейших штормов, вероятно, увеличится. Это означает, что более высокая доля штормов, достигающих категории 4 или 5. Кроме того, повышение уровня моря усугубляет угрозу штормового нагона, делая прибрежные сообщества более уязвимыми даже к более слабым штормам.

Будущие прогнозы и готовность

Климатические модели прогнозируют продолжение тенденции потепления для тропических океанских вод. Это убедительно свидетельствует о том, что основными рисками в более теплом мире являются не обязательно больше штормов, а более сильные ветры, более высокие штормовые нагоны и значительно больше осадков. Предсказательные агентства работают над улучшением своей способности прогнозировать быструю интенсификацию и отслеживать изменения в штормовой структуре. Понимание этих связей жизненно важно для устойчивости прибрежных районов и готовности к стихийным бедствиям. Сообщества должны адаптироваться к изменяющемуся ландшафту риска путем совершенствования строительных норм, разработки передовых систем раннего предупреждения и защиты природных барьеров, таких как мангровые заросли и коралловые рифы, которые могут смягчить последствия шторма.

Фундаментальная взаимосвязь глобального значения

Формирование тропического циклона — великолепное и мощное выражение тропической климатической системы. Для этого требуется точный рецепт: глубокие, теплые воды тропического океана, обильная влажность тропической атмосферы, низкий сдвиг ветра, позволяющий организовать, и планетарный спин, обеспечиваемый эффектом Кориолиса. Связь между климатом и образованием циклона — не расплывчатая корреляция, а прямой, измеримый и предсказуемый физический процесс. Понимание связи между климатом и развитием циклона имеет важное значение для прогнозирования и подготовки к этим природным явлениям. По мере изменения глобальных климатических моделей изменится и поведение этих грозных штормов. Укрепляя наше понимание параметров тропического климата, которые управляют циклогенезом, мы улучшаем нашу способность прогнозировать эти события и смягчать их влияние на миллионы людей, живущих в уязвимых прибрежных регионах по всему миру.