Влияние температуры поверхности моря на частоту циклонов

Температура поверхности моря (SST) оказывает фундаментальный контроль на формирование, частоту и интенсивность тропических циклонов. Как основной источник энергии для этих штормов, более теплые океанские воды непосредственно питают конвективные процессы, которые организуют грозовые кластеры в мощные циклонические системы. Понимание нюансов взаимосвязи между SST и активностью циклона имеет важное значение для улучшения сезонных прогнозов, оценки последствий изменения климата и подготовки уязвимых прибрежных популяций к будущим штормовым рискам. В то время как основной принцип хорошо установлен - более высокие SST увеличивают потенциал для развития циклона - реальные отношения модулируются множеством атмосферных и океанических факторов, которые варьируются в зависимости от региона и с течением времени.

Термодинамический двигатель: как SST заряжают циклоны

Тропические циклоны функционируют как тепловые двигатели, вытягивающие энергию из теплой поверхности океана и преобразующие её в механическую энергию посредством процесса влажной конвекции. Термодинамический потенциал циклона напрямую связан с температурой поверхности моря ниже. Чем теплее вода, тем больше водяного пара может испариться в пограничный слой, выделяя скрытое тепло при конденсации в облака. Этот тепловой выброс усиливает восходящие потоки, снижает центральное давление и ускоряет циклонический спин через эффект Кориолиса.

Порог 26,5 °C

Эмпирические наблюдения давно определили критический порог SST приблизительно 26,5 ° C (около 80° F) как необходимое условие для тропического циклоногенеза. Ниже этой температуры атмосфера обычно не может извлечь достаточно энергии для поддержания организованной конвекции. Однако этот порог не является абсолютным; штормы сформировались над более прохладными водами, когда другие условия благоприятны, такие как очень нестабильная атмосфера или сильная дивергенция верхнего уровня. Тем не менее, подавляющее большинство тропических циклонов развиваются над водами, встречающимися или превышающими это значение, особенно в глубоких тропиках, где сезонные SST часто варьируются от 27 ° C до 30 ° C.

Содержание тепла в океане и смешанная глубина слоя

Сама по себе температура поверхности не рассказывает всей истории. Более мощную роль играет теплосодержание океана (ОГК), особенно тепло, хранящееся в верхних 50-100 метрах водной толщи. Более глубокий, более теплый смешанный слой обеспечивает больший резервуар тепловой энергии, который может продолжать подпитывать шторм, даже когда сильные ветры извергают более прохладную воду снизу. Бури, проходящие над регионами с высоким ОГК, такими как Луповое течение в Мексиканском заливе или теплый бассейн западной части Тихого океана, могут быстро усиливаться. И наоборот, мелкие теплые слои приводят к быстрому охлаждению морской поверхности из-за подъема, что может привести к голоду циклона энергии и ограничить ее рост.

Конвективная доступная потенциальная энергия (CAPE)

Теплые SST усиливают конвективную доступную потенциальную энергию (CAPE) атмосферы за счет повышения температуры и содержания влаги вблизи поверхности. Более высокие значения CAPE приводят к более энергичным восходящим потокам, более сильным грозовым клеткам и большей способности строить глубокую конвекцию вокруг штормового ядра. Это термодинамическое повышение является ключевой причиной того, что тропические циклоны становятся более частыми и интенсивными в самые теплые части сезона циклонов, и почему они наиболее распространены в бассейнах с постоянно высокими летними SST.

Глобальные тенденции: рост числа ССТ и циклонов

Изменение климата привело к долгосрочному увеличению средней температуры поверхности моря. По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), верхний океан (0-700 метров) прогрелся без изменений с 1970-х годов, причем темпы потепления ускоряются в последние десятилетия. Эта тенденция потепления имеет значительные последствия для поведения циклонов, хотя взаимосвязь не является простой связью один к одному между повышением SST и частотой штормов.

Наблюдаемые тенденции частоты циклонов

В глобальном масштабе ежегодное число тропических циклонов оставалось относительно стабильным в течение спутниковой эры (примерно с 1970), несмотря на рост SSTs. Этот очевидный парадокс объясняется конкурирующими влияниями: в то время как более теплые океаны увеличивают потенциал для штормов, другие факторы окружающей среды, такие как вертикальный сдвиг ветра, атмосферная стабильность и изменения в крупномасштабной циркуляции, компенсировали это увеличение в некоторых бассейнах. Например, Северная Атлантика испытала заметное увеличение числа тропических штормов и ураганов с 1980-х, частично вызванных комбинацией более теплых SSTs и благоприятных моделей сдвига ветра. Напротив, западная Северная часть Тихого океана не видела явной тенденции в количестве тайфунов, хотя доля интенсивных штормов (категория 4-5) возросла.

Интенсивность vs частота: текущий научный консенсус

Научный консенсус, как резюмируется в Шестом оценочном докладе МГЭИК (AR6), заключается в том, что растущие SST увеличивают интенсивность тропических циклонов — в частности, максимальную устойчивую скорость ветра и количество производимых осадков. Отношение Клаузиуса-Клапейрона указывает на то, что на каждые 1 ° C потепления атмосфера может удерживать около 7% больше водяного пара. Это напрямую приводит к увеличению количества осадков от циклонов. Кроме того, прогнозируется увеличение скорости шторма, что означает, что большее количество штормов, вероятно, подвергнется быстрой интенсификации (увеличение скорости ветра по крайней мере на 30 узлов за 24 часа) в потеплении климата. Частотные изменения гораздо менее определенные и, вероятно, варьируются в зависимости от бассейна.

Роль атмосферного циркуляции меняется

Атмосферные условия не остаются постоянными по мере роста SST. Климатические модели прогнозируют, что потепление парниковых газов изменит глобальные модели циркуляции, включая расширение ячеек Хэдли и изменения вертикального сдвига ветра. В Северной Атлантике, например, некоторые исследования показывают, что прогнозируемое увеличение сдвига ветра в конце 21-го века может частично компенсировать благоприятный эффект более теплых SST, ограничивая увеличение общего числа штормов. В Тихом океане изменения силы и положения субтропического струйного потока могут сместить циклонные пути, влияя на риски выпадения на сушу в Восточной Азии и Америке.

Региональная изменчивость и ключевые океанические бассейны

Влияние СНТ на частоту циклонов является весьма специфичным для региона.Каждый океанский бассейн имеет различные климатологические особенности, средние СНТ и модели изменчивости, которые по-разному модулируют активность циклонов.

Северная Атлантика

Североатлантический бассейн переживает четко определенный сезон ураганов с июня по ноябрь. Активность ураганов сильно коррелирует с SST в Главном регионе развития (MDR), который охватывает от западного побережья Африки до Карибского бассейна. Более теплые, чем средние SST в MDR, часто связанные с положительной фазой Атлантического многовекового колебания (AMO), исторически совпали с более активными эпохами ураганов, такими как период с 1995 года по настоящее время. Кроме того, наличие теплого течения петли в Мексиканском заливе может перегружать штормы, такие как ураганы Катрина (2005) и Харви (2017), обеспечивая огромное содержание тепла в океане.

Западно-северо-тихоокеанский

Западная часть северной части Тихого океана является наиболее активным циклонным бассейном, генерирующим около трети всех тропических циклонов в мире. Обширный теплый бассейн с SST, превышающий 28 ° C в течение большей части года, обеспечивает почти неограниченное энергоснабжение. Частота тайфунов здесь модулируется Эль-Ниньо-южным колебанием (ENSO): в течение лет Эль-Ниньо тайфуны имеют тенденцию образовываться дальше на восток и часто более мощные, в то время как годы Ла-Нинья смещают активность на запад в сторону Филиппин и Восточной Азии. Рост SST был связан с увеличением супер тайфунов (категория 4 и 5) в этом бассейне, даже когда общее количество штормов немного снизилось.

Индийский океан

В Северном Индийском океане (Бенгальский залив и Аравийское море) есть два отдельных сезона циклонов (до муссона и после муссона). Бенгальский залив особенно восприимчив к циклонам из-за его мелководных, теплых вод. Взлетающие SST уже увеличили частоту циклонов в Аравийском море, которое исторически было гораздо менее активным. Исследование 2018 года показало, что Аравийское море испытало увеличение числа очень сильных циклонных штормов за последние два десятилетия, непосредственно связанных с потеплением SST. Диполь Индийского океана (IOD) также влияет на модели SST, с положительными событиями IOD, усиливающими циклонную активность в Бенгальском заливе.

Южная часть Тихого океана и Австралия

В южной части Тихого океана на активность циклонов сильно влияет ENSO и положение Южно-Тихоокеанской зоны конвергенции (SPCZ). Более теплые SST в западной части бассейна, особенно во время событий Ла-Нинья, приводят к большему количеству циклонов, затрагивающих Австралию и островные государства. По мере роста SST во всем мире южный предел активности тропических циклонов сместился в сторону полюса в некоторых регионах, подвергая новые прибрежные районы угрозам шторма.

Колебания климата и аномалии SST

Помимо долгосрочной тенденции потепления, естественная изменчивость климата на межгодовых и многодекадных временных масштабах создает аномалии SST, которые сильно модулируют частоту циклонов.

Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO)

ENSO — доминирующий режим годичной изменчивости в тропиках.Во время Эль-Ниньо тёплые аномалии SST смещаются на восток в Тихом океане, уменьшая вертикальный сдвиг ветра над восточной и центральной северной частью Тихого океана, приводя к большему количеству ураганов там. И наоборот, Атлантический бассейн испытывает повышенный сдвиг ветра во время Эль-Ниньо, подавляя формирование ураганов. Ла-Нинья имеет противоположный эффект: прохладные экваториальные тихоокеанские воды уменьшают сдвиг над Атлантикой, благоприятствуя большему количеству ураганов, в то время как восточная часть Тихого океана становится менее активной. Прогнозы фаз ENSO являются краеугольным камнем сезонных прогнозов ураганов.

Атлантическая многодекадная осцилляция (АМО)

AMO описывает модель долгосрочной (30-40-летней) изменчивости SST в Северной Атлантике. Теплая фаза AMO (как это было с середины 1990-х годов) связана с более высокими SST в МДР, более слабыми торговыми ветрами и снижением сдвига ветра - все условия, которые благоприятствуют более активным сезонам ураганов. Холодные фазы AMO в 1960-х-1980-х годах совпали с более тихими периодами ураганов. Как циклы AMO, он может либо усиливать, либо ослаблять влияние потепления, вызванного парниковыми газами, на активность атлантического циклона.

Диполь Индийского океана (IOD)

IOD — это явление в сочетании океан-атмосфера в Индийском океане, с положительными (отрицательными) фазами, характеризующимися более теплыми (более холодными) SST в западном бассейне и более холодными (более теплыми) SST на востоке. Положительный IOD часто увеличивает количество осадков над Восточной Африкой и усиливает активность циклонов в Бенгальском заливе, в то время как отрицательный IOD может снизить активность циклонов в этом регионе.

Прогнозы по будущим климатическим сценариям

Прогнозы климатических моделей в сценариях с высоким уровнем выбросов (например, SSP5-8.5) указывают на то, что к концу 21-го века глобальные средние SST могут подняться на 2 ° C до 4 ° C выше доиндустриальных уровней.

IPCC AR6 Результаты

В докладе МГЭИК AR6 (2021) с высокой степенью уверенности говорится, что доля интенсивных тропических циклонов (категория 3-5) будет увеличиваться во всем мире, а средняя максимальная скорость ветра в течение жизни будет расти. В докладе также прогнозируется, что уровень осадков, связанных с тропическими циклонами, увеличится примерно на 7% на градус глобального потепления, что приведет к гораздо более высокому риску наводнений пресной водой от штормов, выпадающих на сушу.

Потенциал для более экстремальных штормов

Исследования с использованием климатических моделей высокого разрешения показывают, что возникновение чрезвычайно интенсивных штормов (категория 5, с ветрами выше 250 км/ч) может увеличиться на 30-60% к концу века, даже если общая частота штормов останется неизменной или уменьшится. Штормы могут также достичь максимальной интенсивности в более высоких широтах, поскольку теплые SST расширяются в сторону полюса. Это может привести к ураганным ветрам в регионы, которые исторически не испытывали их, такие как северо-восточные Соединенные Штаты или части Европы (в виде медикаментов - средиземноморские тропические циклоны).

Неопределенности в частотных прогнозах

Прогнозы общей частоты циклонов остаются менее определенными. Многие климатические модели показывают небольшое снижение глобального числа тропических циклонов, особенно в западной части северной части Тихого океана, но с большими вариациями между моделями. Причины этого прогнозируемого снижения включают повышенную атмосферную стабильность (потепление верхней тропосферы опережает потепление поверхности, снижение скорости опущения) и изменения в циркуляции Хэдли. Однако, даже если общие показатели упадут, ожидается увеличение количества интенсивных штормов , что означает, что общий разрушительный потенциал на шторм увеличится.

Последствия для прибрежных сообществ и адаптации

Для прибрежных планировщиков и менеджеров по чрезвычайным ситуациям связь между SST и характеристиками циклона является не только академическим вопросом - она имеет прямые последствия для оценки риска. Прогнозируемое увеличение интенсивности штормов и количества осадков означает, что инфраструктура, предназначенная для исторических параметров шторма, может быть неадекватной для будущих условий. Строительные коды в районах, подверженных ураганам, должны учитывать более высокие ветровые нагрузки. Защита от наводнений должна учитывать более тяжелые осадки и более высокие штормовые нагоны (последние усиливаются повышением уровня моря). Сезонное прогнозирование, которое использует модели SST для прогнозирования штормовой активности, становится более ценным для раннего предупреждения и распределения ресурсов.

Международные организации, такие как Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Национальное управление океанических и атмосферных исследований (НОАА), обеспечивают постоянный мониторинг и исследования взаимодействий SST-циклона. Например, страница мониторинга NOAA ENSO предлагает данные в реальном времени, которые синоптики используют для выпуска сезонных прогнозов. Рабочая группа I МГЭИК AR6 доклад предоставляет наиболее полную оценку прогнозируемых изменений. Кроме того, Всемирная программа исследований погоды ВМО финансирует глобальные проекты по улучшению моделей прогнозирования циклонов.

Заключение

Температура поверхности моря является единственным наиболее важным океаническим фактором, способствующим образованию и интенсификации тропических циклонов. Потепление мира уже наблюдает измеримые изменения в поведении циклонов - прежде всего, тенденцию к росту доли самых мощных штормов и количества осадков. В то время как естественная изменчивость, такая как ENSO и AMO, будет продолжать вызывать ежегодные колебания, основное термодинамическое преимущество, обеспечиваемое более теплыми океанами, вероятно, приведет к большему количеству экстремальных циклонов в будущем. Политики, инженеры и сообщества должны включить эти тенденции в долгосрочное планирование, чтобы уменьшить неизбежное увеличение воздействия прибрежной опасности. Связь между SST и частотой циклонов сложна, но ее основной посыл ясен: по мере потепления океанов штормы, которые черпают энергию из них, станут более опасными.