Уникальные атмосферные условия, необходимые для гроз в пустыне

Пустыни определяются своей засушливостью, получая менее 250 миллиметров осадков в год. Но парадоксально, что некоторые из самых драматических гроз на Земле происходят в этих сухих ландшафтах. Кажущееся противоречие возникает потому, что та же экстремальная жара, которая определяет пустыни, также создает атмосферную нестабильность, необходимую для формирования штормов. В отличие от штормов во влажных регионах, где влажность обильна и штормы развиваются постепенно, пустынные грозы полагаются на тонкое взаимодействие между интенсивным нагревом поверхности, динамикой атмосферы верхнего уровня и точной доступностью влаги.

Фундаментальной предпосылкой любой грозы является атмосферная нестабильность: состояние, при котором поверхностный воздух значительно теплее и менее плотный, чем воздух над ним. В пустынях энергия солнца в полдень может нагревать землю до температуры, превышающей 70°C (158°F). Эта перегретая поверхность передает тепловую энергию воздуху непосредственно над ней, создавая крутой температурный градиент между поверхностью и более холодным воздухом на более высоких высотах. Эта крутая скорость провала делает атмосферу очень нестабильной, заряженной для сильного движения вверх.

Однако одной лишь нестабильности недостаточно для образования грозы. Вторым критическим ингредиентом является влага. Пустыни по определению сухие, поэтому возникает вопрос: откуда берется влага? Ответ кроется в крупномасштабных атмосферных циркуляциях, которые переносят влажный воздух из отдаленных источников в засушливые регионы. Это может происходить через муссонных потоков, где сезонные развороты ветра вытягивают влажный воздух из океанов или морей в континентальные интерьеры. Североамериканский муссон, например, каждое лето втягивает влагу из Калифорнийского залива и Мексиканского залива в пустыню Соноран, вызывая знаменитые муссоны региона.

Другие механизмы включают проникновение тропической влаги в субтропические пустыни через атмосферные реки или остатки тропических циклонов. Даже небольшое количество влаги в сочетании с крайней нестабильностью может вызывать удивительно интенсивные штормы. Во многих пустынных средах относительно скромное осадочное значение воды 20–30 миллиметров (около 0,8–1,2 дюйма), которое будет считаться сухим в большинстве климатов, может питать кучево-дождевые облака, которые высятся на 12–15 километров в атмосферу.

Физика формирования пустынных бурь

Конвекция и роль пограничного слоя

Процесс начинается каждое утро, когда солнце нагревает пол пустыни. К позднему утру развивается глубокий конвективный пограничный слой, часто достигающий 3-5 километров в высоту. В метеорологии этот слой является частью атмосферы, непосредственно подверженной влиянию поверхностных условий. В пустынях его глубина замечательна, потому что сухой воздух позволяет термам подниматься без образования облаков, достигая высот, где воздух значительно холоднее и суше. Этот глубокий смешивающий слой создает массивный резервуар потенциальной энергии, известный как конвективная доступная потенциальная энергия (CAPE).

В пустыне Соноран, например, значения CAPE могут превышать 3000 Дж/кг во время муссонных дней, значение, сравнимое с тем, которое наблюдается во влажных равнинах американского Среднего Запада во время сильных погодных вспышек. Высокий CAPE указывает на то, что любая воздушная посылка, которая поднимается выше уровня конденсации, будет ускоряться вверх с огромной силой. Это сырая энергия, которая управляет грозами пустыни.

При наличии влаги, либо адвентированной в область, либо иногда мелководной поверхностной влаги из изолированных источников, таких как эфемерные озера или орошаемое земледелие, поднимающиеся термальные породы в конечном итоге достигают подъемного уровня конденсации. На этой высоте температура падает достаточно низко, чтобы водяной пар в поднимающейся воздушной посылке начал конденсироваться в жидкие облачные капли. Эта конденсация выделяет скрытое тепло, которое нагревает воздушную посылку и делает ее еще более плавучей относительно ее окружения. Этот механизм положительной обратной связи ускоряет подъем, быстро углубляя облако.

Вертикальный ветер сдвига и шторма организация

Пустынные грозы часто образуются в средах с умеренным и сильным вертикальным сдвигом ветра, где скорость ветра и направление значительно меняются с высотой. Во многих засушливых регионах низкоуровневый муссонный поток идет с юга или юго-востока, а ветры верхнего уровня — с запада или северо-запада. Этот направленный сдвиг создает вращение в пределах восходящего потока, позволяя грозам организовываться в многоклеточные кластеры или, в редких случаях, суперэлементы.

Сдвига также помогает отделить восходящий поток от нисходящего. В несрезанных средах выпадающие из шторма осадки могут отдушить подачу теплого, влажного приливного воздуха, подавляя дальнейшее развитие. В срезанных средах осадки падают вниз по течению от восходящего потока, позволяя шторму сохраняться и усиливаться. Именно поэтому физическое разделение некоторых пустынных гроз может длиться несколько часов, даже если они образуются в обычно сухой среде.

Взаимодействие между сухим пограничным слоем пустыни и каппирующей инверсией также играет решающую роль. Часто сильная температурная инверсия на высоте от 1 до 3 километров над поверхностью препятствует образованию глубокой конвекции в течение всего утра. По мере усиления поверхностного нагрева в течение дня термальные волны разрушают эту шапку снизу. При разрыве инверсии может произойти взрывное развитие грозы, при этом кучево-дождевые облака строятся от поверхности до тропопаузы менее чем за час. Это явление, называемое конвективным посвящением, часто происходит с поразительной внезапностью на широких пустынных участках.

Что делает грозы пустыни разными

Быстрое начало и короткая продолжительность

Одной из наиболее ярких характеристик пустынных гроз является скорость их развития. Во влажной среде бури могут развиваться в течение 6-12 часов, поскольку большие облачные поля постепенно организуются в ливни, а затем грозы. В пустынях процесс может развернуться за 60-90 минут от первого кучевого облака до полномасштабной грозы. Такое быстрое наступление опасно для людей, пойманных на открытом воздухе или в транспортных средствах, так как зачастую мало предупреждения.

Те же факторы, которые способствуют быстрому развитию, ограничивают и продолжительность жизни многих пустынных бурь. Как только начинается осадок, нисходящий поток от шторма доносит сухой воздух из средней тропосферы вниз к поверхности. Этот сухой воздух испаряет падающий через него дождь, охлаждая воздух и усиливая нисходящий поток. Холодный, плотный воздух распространяется по достижении земли в качестве порывного фронта, который может поднять новый воздух перед ним. Однако, если окружающая среда слишком сухая, это испарительное охлаждение эффективно задушает шторм, подрывая его собственный запас теплого, влажного воздуха. Следовательно, многие пустынные грозы недолговечны, длящиеся всего 30 минут до часа.

Более крупные, организованные системы могут сохраняться дольше, когда они развиваются в районах с устойчивым притоком влаги, например, вблизи горных хребтов или вдоль зон сближения.Мадден-Джулианское колебание и другие крупномасштабные тропические узоры могут модулировать транспорт влаги в субтропические пустыни, создавая периоды в несколько дней с организованной грозовой активностью.Во время таких эпизодов пустынные районы могут получать месячный дождь за один день.

Интенсивная молния, сухая молния и микровсплески

Пустынные грозы часто связаны с высокими скоростями молнии. Глубокий сухой конвективный пограничный слой позволяет облачным базам быть высокими, часто на высотах от 2 до 4 километров над поверхностью. Эта высокая облачная база означает, что области разделения зарядов в облаке расположены на необычно больших высотах. Когда происходит молния, она должна проходить большее расстояние через относительно сухой воздух, производя интенсивные, разветвленные удары облако-земля, которые часто зрелищно наблюдать.

Сухая молния — особенно опасное явление в пустынных районах. Во многих пустынных грозах дожди полностью испаряются до достижения земли, явление под названием вирга. Молния, однако, всё же достигает поверхности. Сухая молния печально известна тем, что разжигает лесные пожары на пустынных лугах и кустарниках. На американском юго-западе сухая молния от муссонных гроз является основной причиной крупных лесных пожаров, которые сжигают сотни тысяч акров каждый год. Сочетание молний воспламенения, обильного сухого топлива и порывистых отходящих ветров создает условия, идеальные для быстрого распространения огня.

Микровзрывы являются еще одной распространенной особенностью пустынных гроз. Микровзрыв представляет собой интенсивный, локализованный нисходящий поток воздуха, который распространяется радиально при ударе о землю, производя прямолинейные ветры, превышающие 160 км / ч (100 миль в час). В сухих условиях испарительное охлаждение осадков под штормом может ускорить нисходящий поток до разрушительных скоростей. Микровзрывы представляют серьезную опасность для авиации, и они представляют особую озабоченность в аэропортах в пустынных регионах, таких как Феникс, Лас-Вегас и Дубай.

Географические горячие точки для пустынных гроз

Хотя пустыни, как правило, менее подвержены штормам, чем тропические или среднеширотные регионы, в некоторых засушливых районах существуют различные сезоны гроз, обусловленные региональной географией и структурой циркуляции. Понимание этих горячих точек дает представление о том, как изменение климата может изменить частоту и интенсивность пустынных штормов во всем мире.

Пустыня Соноран, охватывающая части Аризоны, Калифорнии и Мексики, является одним из самых активных пустынных грозовых регионов на Земле. Североамериканский муссон доставляет влагу из Калифорнийского залива и восточной части Тихого океана, разжигая грозы по всему региону с июля по сентябрь. В районе Тусона в этот сезон муссонов выпадает более 50% годовых осадков, часто в виде интенсивных, кратковременных гроз. Горная местность региона усиливает развитие шторма за счет орографического подъема, где воздух вытесняется вверх по горным склонам, вызывая конвекцию.

Пустыня Сахара испытывает грозы в основном вдоль своих южных окраин, где западноафриканский муссон толкает влагу на север в переходную зону Сахеля.Дальше на север грозы Сахары редки, но могут возникать, когда верхнеуровневые впадины из Атлантики влекут влагу через пустыню, или когда тропические волнения с юга проникают необычно далеко внутрь.Горы Тибести в северном Чаде время от времени получают летние грозы из-за орографических эффектов, принося воду, которая поддерживает изолированные экосистемы оазиса.

На Аравийском полуострове в основном в весенние и летние месяцы происходит грозовая активность. Зона межтропической конвергенции мигрирует на север летом в Северном полушарии, вытягивая влагу из Аравийского моря и, в некоторые годы, остатки циклонов Индийского океана. Горы Асир на юго-западе Саудовской Аравии и высокогорье Йемена регулярно подвергаются грозовой активности, в то время как внутренние пустыни, такие как Руб аль-Хали, испытывают более спорадические, но иногда сильные штормы.

В Большой песчаной пустыне Австралии и пустынях Центральной Азии также наблюдается грозовая активность, хотя и с различными сезонными ритмами. В Австралии тропическая влага с севера и запада в течение летнего муссона производит грозы по всему центральному интерьеру пустыни. В Центральной Азии штормы чаще встречаются весной и в начале лета, поскольку холодные фронты с севера взаимодействуют с потеплением поверхностных условий.

Гидрологический ответ: внезапные наводнения в засушливых ландшафтах

Гидрологическая реакция на пустынные грозы столь же драматична, как и сами бури. Засушливые ландшафты имеют отличительные характеристики, делающие их исключительно уязвимыми для внезапных наводнений. Отсутствие растительности, которая в других средах перехватывает осадки и замедляет стоки, означает, что капли дождя с полной силой попадают в голую пустынную почву. Многие пустынные почвы также гидрофобны, развивая кору от воздействия предыдущих дождевых явлений или от химической цементации, особенно в регионах с высокой скоростью испарения. Эта кора подавляет инфильтрацию, в результате чего даже умеренные осадки стекают почти сразу.

Одиночная пустынная гроза может выпасть на 50-100 миллиметров (2-4 дюйма) дождя на небольшой площади менее чем за час. При скорости проникновения от 1 до 5 миллиметров в час во многих пустынных почвах почти вся эта вода становится поверхностным стоком. В гористой пустынной местности этот стоок концентрируется в крутые каньоны и омывает, производя внезапные наводнения, которые поднимаются в минутах. Эти волны наводнения быстро движутся вниз по течению, часто достигая расстояний в десятки километров от района осадков без какого-либо визуального или звукового предупреждения. Чистое небо над головой не дает никаких признаков того, что стена воды стекает вниз по пустынному арройо.

Смертность от внезапных наводнений в пустынных средах трагически обычна. В США более 60% смертей от внезапных наводнений происходит в транспортных средствах, часто когда водители пытаются пересечь затопленные дороги. Сила движущейся воды обманчиво сильна: всего 15 сантиметров (6 дюймов) проточной воды может сметать человека с ног, а 60 сантиметров (2 фута) могут перемещать большинство транспортных средств. В пустынных омах поток воды может содержать камни, осадки и мусор, которые умножают его разрушительную силу. Сочетание внезапности, скорости и мощности делает внезапные наводнения в пустыне одной из самых смертоносных природных опасностей в засушливых регионах.

Изменение климата и будущие тенденции

Поведение пустынных гроз не является статическим. По мере повышения глобальных температур меняется фундаментальная физика формирования штормов в засушливых регионах. Более теплый воздух может удерживать больше влаги, следуя взаимоотношению Клаузиус-Клапейрон, которое прогнозирует примерно 7%-ное увеличение содержания атмосферного водяного пара на градус Цельсия потепления. В засушливых регионах это может увеличить доступность влаги во время штормовых событий, потенциально приводя к более интенсивным осадкам, даже если общее количество штормов не увеличивается.

Исследования Межправительственной группы экспертов по изменению климата и региональные исследования на юго-западе Соединенных Штатов и Ближнем Востоке показывают, что ежедневные экстремальные осадки в пустынных регионах могут усиливаться. Более теплая атмосфера также увеличивает испарительный спрос, что может привести к более быстрому высыханию между штормами, парадоксальным образом делая пустынные ландшафты более подверженными засухе и более восприимчивыми к внезапным наводнениям, когда штормы действительно происходят. Этот сценарий, иногда называемый климатом хлыстовых ударов, все чаще признается в качестве отличительной черты будущего климата пустыни.

Некоторые климатические модели предполагают поулвардное расширение циркуляции Хэдли, крупномасштабной атмосферной циркуляции, которая управляет субтропическими сухими зонами Земли. Это расширение может сместить географические границы активности грозы в пустыне, расширяя сезоны штормов в текущие засушливые регионы, высыхая в настоящее время полузасушливые края. Юго-западные Соединенные Штаты, например, испытали выраженную тенденцию к высыханию с 2000 года, но экстремальные события осадков от муссонных гроз стали более интенсивными, когда они происходят.

Взаимодействие между грозами в пустыне и повышением температуры также имеет обратный эффект. Лесные пожары, вызванные сухими молниями, высвобождают аэрозоли в атмосферу, которые могут повлиять на облачную микрофизику, потенциально изменяя развитие шторма и эффективность осадков. Более высокие температуры также увеличивают частоту тепловых волн, которые могут предварительно обусловить пограничный слой пустыни для взрывного конвективного развития, когда влага становится доступной.

Практические последствия и соображения безопасности

Понимание физики пустынных гроз — не чисто академическое упражнение. Для жителей, путешественников и наружных рабочих в засушливых регионах распознавание признаков развития шторма может быть спасительным. Наступление порывистых ветров, возвышающиеся кучевые облака с наковальнями в форме верхушек и внезапные перепады температур — все это показатели того, что может формироваться пустынная гроза. В районах, где распространены муссонные грозы, период с позднего утра до вечера несет наибольший риск, и прогнозы погоды следует консультировать перед началом активного отдыха.

Несколько ключевых руководящих принципов безопасности применяются конкретно к пустынным грозовым средам. Во-первых, избегать сухих омов и дна каньона во время сезона штормов, даже если небо кажется ясным. Вспышки наводнений от штормов на расстоянии многих миль могут достигать места с небольшим предупреждением. Во-вторых, если они пойманы в молниеносную бурю в открытой пустыне, избегать высокогорья, изолированных деревьев и металлических предметов. Самое безопасное положение находится в транспортном средстве с твердой металлической крышей или в низменной области от водотоков. В-третьих, никогда не проезжать через проточной воды на дорогах. Глубина и устойчивость дорожного полотна не могут быть надежно оценены изнутри транспортного средства, и многие транспортные средства сметаются каждый год водой, которая кажется мелкой.

Для авиации опасности гроз пустыни требуют особого внимания. Микровсплески, сильная турбулентность и внезапное снижение видимости из-за выдувания пыли и песка создают опасные условия для взлета и посадки. Федеральное авиационное управление и другие авиационные власти требуют специальной подготовки пилотов, работающих в пустынных регионах в периоды грозы. Пылевые бури, порождаемые оттоком грозы, называемые габубами на американском юго-западе и других засушливых районах, могут снизить видимость почти до нуля за считанные секунды, затрагивая как авиацию, так и наземный транспорт.

Заключение

Пустынные грозы представляют собой замечательное пересечение крайностей: экстремальная жара и сухость, сталкивающиеся с внезапными всплесками влаги и энергии.Физика, управляющая этими штормами, включает в себя те же фундаментальные процессы, которые приводят к грозам повсюду, но уникальные условия засушливых сред создают отличительные характеристики.Глубокий пограничный слой, высокие облачные основы, распространенность вирги и сухой молнии, взрывное конвективное развитие и ответный поток вспышки - все это связано с взаимодействием интенсивного поверхностного нагрева, ограниченной доступностью влаги и атмосферной динамикой, характерной для субтропических пустынных регионов.

По мере того, как глобальный климат продолжает нагреваться, эти штормы будут развиваться способами, которые все еще изучаются. Текущие исследования указывают на более интенсивные отдельные события, с более высокими показателями осадков и потенциально более разрушительными наводнениями, даже когда общая частота штормов может оставаться стабильной или снижаться в некоторых регионах. Для тех, кто живет или путешествует в пустынной среде, понимание признаков и рисков развития грозы имеет важное значение для безопасности. Для ученых эти штормы предлагают естественную лабораторию для изучения конвективных процессов в их самой экстремальной форме, что дает понимание, которое улучшает наше понимание физики атмосферы во всем мире.

В следующий раз, когда вы увидите, как над горизонтом пустыни поднимается возвышающееся наковальня, вы станете свидетелем мощной демонстрации физики, управляющей атмосферой нашей планеты.В считанные минуты залитая солнцем тишина может превратиться в водоворот молний, ветра и воды, лишь бы потускнеть так же быстро, как она прибыла, оставив после себя пейзаж, на мгновение преобразившийся, а затем вернувшийся к своей засушливой тишине.

Национальная лаборатория сильных штормов: основы грозы

Шестой оценочный доклад МГЭИК: изменение климата и экстремальная погода

NOAA Национальная метеорологическая служба: Безопасность молнии

Песочные потопы и флеш-наводнения