Table of Contents

Введение

Торнадо являются одними из самых жестоких и непредсказуемых атмосферных явлений, способных производить скорость ветра, превышающую 300 миль в час, и наносить катастрофический ущерб в секундах. Хотя их генезис сложен и до сих пор не полностью понятен, десятилетия исследований выявили набор климатических факторов, которые сильно влияют как на возникновение, так и на интенсивность торнадо. Понимание этих факторов имеет важное значение для улучшения прогнозирования, своевременного предупреждения и помощи сообществам в подготовке к суровой погоде. В этой статье рассматриваются ключевые климатические элементы - от температуры и влажности до сдвига ветра и географической обстановки - которые вместе создают условия, необходимые для формирования торнадо, и диктуют, насколько мощными могут стать эти штормы.

Температура и влажность: топливо для грозы

Роль теплого, влажного воздуха

Торнадо рождаются от сильных гроз, и самые энергичные бури требуют обильного запаса теплого, влажного воздуха вблизи поверхности Земли. Эта воздушная масса, часто происходящая из Мексиканского залива в Соединенных Штатах, несет высокий уровень водяного пара. Когда этот теплый, влажный воздух вынужден подниматься - либо фронтом погоды, горами, либо сходящихся ветров - он охлаждается и конденсируется, выпуская скрытое тепло. Этот выброс тепла дополнительно нагревает окружающий воздух, создавая плавучую посылку, которая ускоряется вверх, приводя в движение мощные восходящие потоки.

Количество доступной энергии для этих восходящих потоков измеряется конвективной доступной потенциальной энергией (FLT:0) CAPE ]. Высокие значения CAPE (часто выше 2000 Дж/кг) являются классическим ингредиентом для развития сильной грозы. В районах, подверженных торнадо, CAPE часто превышает 3000 Дж/кг весной и в начале лета, обеспечивая интенсивное движение вверх, которое может растягивать и вращать столб воздуха.

Влага и пограничный слой

Поверхностное содержание влаги имеет решающее значение. Температура точки росы выше 60 ° F (16 ° C) обычно связана с благоприятной средой для торнадических штормов. Глубокий влажный пограничный слой - самые низкие несколько тысяч футов атмосферы - гарантирует, что поднимающиеся участки остаются теплее, чем их окружение дольше, поддерживая конвекцию. Сухой воздух на низких уровнях может препятствовать развитию шторма, в то время как чрезмерный сухой воздух в воздухе ( "сухая линия") может фактически усилить нестабильность за счет повышения скорости провалов. Взаимодействие между влагой на поверхности и более сухим воздухом в воздухе является одним из наиболее важных факторов в образовании гроз суперклеток, наиболее плодовитых производителей торнадо.

Сезонные и дневные циклы

Температура и влажность следуют за предсказуемыми сезонными циклами.В Северном полушарии пик активности торнадо приходится на период с марта по июнь, когда низкоуровневый струйный поток начинает транспортировать влагу на север, а дневное отопление достаточно сильное, чтобы создать глубокую нестабильность.Суточный цикл не менее важен: большинство торнадо происходят между 3 и 9 часами вечера по местному времени, когда температура поверхности и, следовательно, нестабильность самые высокие.Ночью пограничный слой часто стабилизируется, снижая вероятность торнадогенеза, если не присутствует сильный низкоуровневый струйный.

Ветровой стриж: двигатель вращения

Определить Wind Shear

Сдвиг ветра относится к изменению скорости ветра и/или направления с высотой. В метеорологии торнадо наиболее важным типом является вертикальный сдвиг ветра — разница в горизонтальных векторах ветра от поверхности до верхней тропосферы. Сильный вертикальный сдвиг необходим для того, чтобы гроза стала вращающейся суперклеткой. Без достаточного сдвига штормы остаются дезорганизованными и редко производят торнадо.

Speed Shear против Directional Shear

Две формы сдвига способствуют вращению шторма.Скорость сдвига происходит, когда скорость ветра быстро увеличивается с высотой, создавая горизонтальное движение в атмосфере.Склонение ветра сдвигается (по часовой стрелке) или спины (против часовой стрелки) с высотой.В торнадо-склонных средах присутствуют оба типа: южно-поверхностные ветры, смещающиеся на западный или юго-западный ввысь, создают спиральный поток, который при попадании в восходящий поток обычно используется в прогнозировании величина вектора сдвига 0-6 км; значения выше 40-50 узлов часто связаны со вспышками торнадо.

Соединение Supercell

Грозы сверхячейки уникальны тем, что содержат стойкий вращающийся восходящий поток, известный как мезоциклон среднего уровня. Сдвига ветра позволяет восходящему потоку наклонять горизонтальную вихрь (вращение воздуха) в вертикаль, создавая вращение внутри шторма. Когда это вращение затягивается и опускается из-за сильного заднего уклона нисходящего потока, может образовываться торнадо. Интенсивность торнадо сильно зависит от силы низкоуровневого сдвига, особенно в первых 1 км атмосферы. Торнадо с рейтингом EF3 или выше часто имеют низкоуровневый сдвиг, превышающий 15-20 м/с.

Измерение сдвига: относительное хелисити

SRH (FLT:0) - это метрика, которая количественно определяет количество вихрей, доступных грозе. Более высокие значения SRH (выше 300-400 м2 / с2) указывают на сильно срезанную среду, благоприятную для сильных торнадо. 0-3 км SRH особенно полезен для прогнозирования потенциала торнадо. Метеорологи в Центре прогнозирования штормов NOAA используют данные модели в реальном времени для картирования регионов, где сдвига и нестабильность пересекаются - эти бычьи глаза часто предшествуют крупным вспышкам торнадо.

Атмосферная нестабильность: мышцы апдрафта

Коэффициенты промаха и CAPE

Нестабильность — это мера тенденции атмосферы поддерживать вертикальное движение. Она определяется скоростью протекания среды — скоростью, при которой температура снижается с высотой. Крутая скорость протекания (быстрое охлаждение с высотой) означает, что поднимающаяся порция воздуха быстро станет теплее, чем его окружение, ускоряясь вверх. Интегрированное количество положительной плавучести — CAPE, как упоминалось ранее. Однако только CAPE не гарантирует торнадо — она должна совпадать с сильным сдвигом и влагой.

Конвективное ингибирование (CIN)

Прежде чем шторм может развиться, любая «шапка» — слой теплого воздуха в воздухе, который подавляет конвекцию — должна быть преодолена. Конвективное ингибирование (]CIN) измеряет энергию, необходимую для прорыва этой шапки. Когда сухой линии или фронта разрушает шапку, CAPE высвобождается взрывным путем, часто производя сильные грозы. В вспышках торнадо часто присутствует «слабая» шапка, которая удерживает слабую конвекцию, но позволяет сильным штормам формироваться позже в день, когда пики поверхностного нагрева.

Поднятый индекс и K-Index

Другие распространенные индексы нестабильности включают Поднятый индекс (LI), который сравнивает температуру поднимающейся посылки с окружающим воздухом при 500 hPa. Отрицательные значения указывают на нестабильность; значения ниже -8 чрезвычайно нестабильны. K-Index сочетает в себе влажность низкого уровня, скорости истечения и влажность среднего уровня - значения выше 30 обычно указывают на высокий потенциал для тяжелой конвекции. Эти индексы, хотя и простые, остаются популярными инструментами скрининга первого порядка для синоптиков.

Географические и сезонные факторы

Аллеи Торнадо

Торнадо встречаются на всех континентах, кроме Антарктиды, но некоторые географические регионы непропорционально затронуты. Центральные Соединенные Штаты, известные как Аллея Торнадо, охватывают части Техаса, Оклахомы, Канзаса, Небраски и Айовы. Этот регион уникально расположен там, где сухой континентальный воздух из Скалистых гор встречает теплый, влажный воздух Персидского залива, а вестерли верхнего уровня обеспечивают постоянный сдвиг. Плоская местность минимизирует трение, позволяя штормам усиливаться. Второй регион, Аллея Дикси (юго-восточная часть США), испытывает повышенный риск торнадо с конца зимы до весны, часто с ночными торнадо, которые особенно смертельны из-за низкой видимости и спящего населения.

Сезонная прогрессия

Вспышки торнадо следуют за предсказуемой сезонной миграцией в США В конце зимы и начале весны государства побережья Мексиканского залива имеют самый высокий риск. К середине весны пик сдвигается к южным равнинам. Летом максимальные сдвиги на север к северным равнинам и Великим озерам, хотя торнадо в целом менее часты. Эта картина отражает северное отступление полярного струйного потока и расширение теплого, влажного воздуха. Осенью вторичный пик происходит на юго-востоке, поскольку холодные фронты снова сталкиваются с затяжной влагой Персидского залива.

Топографические влияния

Горы, холмы и городские районы могут влиять на поведение торнадо.Например, Аппалачские горы изредка ослабляют штормы из-за повышенного трения поверхности и нарушенного притока низкого уровня, но торнадо всё же может образовываться в долинах.Наоборот, относительно плоские большие равнины позволяют бурям организовываться и сохраняться.Поверхностная шероховатость также играет роль: леса и города замедляют низкоуровневые ветры, иногда уменьшая сдвига, но сильные торнадо всё же могут прорезать любую местность.

Дополнительные факторы, способствующие климату

Океанические и атмосферные колебания

Крупномасштабные климатические модели, такие как Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO), модулируют активность торнадо. Во время зим Эль-Ниньо южные США, как правило, испытывают более частые торнадо из-за более сильного субтропического струйного потока и увеличения переноса влаги. Ла-Нинья часто сдвигает струйный поток на север, уменьшая количество торнадо на юго-востоке, но иногда увеличивая их в северных равнинах. Мадден-Джулианское колебание (MJO) также может усиливать или подавлять вспышки торнадо, изменяя активность грозы по всей территории США в еженедельных временных масштабах.

Роль низкоуровневого самолета

Многим крупным вспышкам торнадо предшествует сильный, южный низкоуровневый реактивный самолет (LLJ), способный транспортировать огромное количество теплого, влажного воздуха. LLJ также создает сильный низкоуровневый сдвиг, особенно ночью. В равнинах ночной LLJ является классическим ингредиентом для ночных и ранних утренних суровых погодных явлений. Прогнозирование силы и положения LLJ имеет решающее значение для определения риска торнадо до 48 часов заранее.

Изменение климата и тенденции торнадо

Исследования влияния глобального потепления на торнадо продолжаются. В то время как ежегодные подсчеты торнадо не показывают четкой долгосрочной тенденции, есть свидетельства того, что окружающая среда, благоприятная для сильных гроз , становится все более распространенной, особенно в юго-восточных США Более высокие температуры увеличивают способность атмосферы к водяному пару, потенциально повышая CAPE. Однако сдвиг ветра может уменьшиться в потеплении климата из-за снижения температурных градиентов. Некоторые исследования предполагают сдвиг в сроках торнадо - больше вспышек раннего сезона - и кластеризация торнадо в меньшее количество, более интенсивных дней. Понимание этих тенденций требует тщательного анализа высококачественных данных, поскольку изменения в обнаружении и отчетности также влияют на очевидные тенденции. Национальные центры NOAA по экологической информации и Межправительственная группа экспертов по изменению климата продолжают отслеживать и моделировать эти сдвиги.

Оригинальное название: Putting It Together: The Recipe for a Tornado Outbreak

Синоптики используют комбинацию всех факторов, описанных выше, для определения критериев «Наблюдение за торнадо». Классическая установка вспышки включает:

  • Поверхностная роса выше 60°F (предпочтительно выше 65°F) в широком диапазоне.
  • Значения CAPE превышают 2000 Дж/кг, часто 3000 Дж/кг или выше.
  • 0-6 км сдвига выше 40-60 узлов, с низким уровнем (0-1 км) сдвига выше 15 м/с.
  • Буря-относительная хелисити в слое 0-3 км, превышающем 300 м2/с2.
  • Наличие запускающего механизма, такого как холодный фронт, сухой рубеж или граница оттока.

Когда эти ингредиенты сходятся, особенно в конце весны в центральных равнинах, созревают условия для нескольких суперклеток, способных производить сильные торнадо. Центр прогнозирования штормов выдает категории риска (от предельного до высокого) на основе этих данных, давая сообществам критическое время на то, чтобы привести.

Будущие направления в климатологии Торнадо

Достижения в области численного прогнозирования погоды, машинного обучения и радиолокационных сетей высокого разрешения продолжают совершенствовать наше понимание формирования торнадо. Мобильные радиолокационные и полевые кампании, такие как VORTEX-USA, предоставили беспрецедентные детали о среде вблизи шторма, раскрывая важность крошечных функций, таких как скачки опускания заднего фланга и максимы вихря пограничного слоя. Климатические модели начинают прогнозировать, как частота и интенсивность сред суперсотовых может смещаться в течение ближайших десятилетий, с некоторыми признаками расширения весеннего сезона торнадо на восток. Эти идеи будут иметь жизненно важное значение для создания более устойчивой инфраструктуры и повышения общественной безопасности.

Заключение

Торнадо являются продуктом тонкого взаимодействия между температурой, влагой, сдвигом ветра и нестабильностью - все под влиянием более широких климатических факторов. В то время как ни один элемент не гарантирует торнадо, конвергенция высокого CAPE, сильного сдвига низкого уровня и глубокой пограничной влаги в благоприятных географических и сезонных условиях создает наиболее опасные условия. Изучая эти климатические факторы в деталях, ученые и синоптики могут лучше предвидеть вспышки торнадо, спасая жизни и имущество. Продолжение исследований и инвестиций в системы наблюдения будут иметь важное значение, поскольку климат продолжает меняться, потенциально меняя место и время возникновения торнадо.

Для дальнейшего чтения см. NOAA Storm Prediction Center, NSSL Severe Weather 101 руководство по торнадо, и Climate.gov обзор сильных тенденций грозы.