Формирование грозы: основа суровой погоды

Каждый торнадо начинается с грозы, но не все грозы производят торнадо. Понимание того, как эти мощные штормы образуются, необходимо для схватывания цепочки событий, которые могут привести к скручиванию. Грозы развиваются, когда присутствуют три ключевых ингредиента: влага, нестабильность и подъемный механизм. Теплый, влажный воздух вблизи поверхности поднимается, потому что он менее плотный, чем окружающий более холодный воздух. По мере подъема он охлаждается и конденсируется, образуя возвышающиеся кумулонимбусные облака. Эти облака могут достигать высот более 50 000 футов и характеризуются сильными восходами, молниями, громом, сильным дождем, а иногда и градом.

Подъемный механизм может быть обеспечен холодным фронтом, теплым фронтом, морским бризом или даже топографическими особенностями, такими как горы. Когда поднимающийся воздух особенно нестабилен, восходящие потоки становятся энергичными, позволяя облаку расти вертикально. Эта начальная стадия имеет решающее значение, потому что энергия, выделяемая во время конденсации (скрытое тепло), дополнительно питает шторм. Грозы классифицируются на три основных типа: одноклеточные, многоклеточные и суперклеточные. Одноклеточные штормы недолговечны и редко бывают серьезными. Многоклеточные штормы - это кластеры клеток, которые могут производить сильный дождь и слабые торнадо. Но самые опасные штормы - те, которые способны порождать сильные торнадо - это суперэлементы.

Суперклетки: Шторм, который порождает торнадо

Суперклетка — высокоорганизованная гроза, характеризующаяся глубоким, упорно вращающимся восходящим потоком, называемым мезоциклоном . В отличие от обычных гроз, суперклетки могут длиться часами и преодолевать сотни миль. Они имеют отчетливую структуру: вращающееся облако стен часто образуется на заднем фланге шторма, и именно из этой области чаще всего спускаются торнадо. Суперклетки ответственны за подавляющее большинство значительных торнадо (EF2 и более сильные). Они образуются, когда сдвиг ветра — изменение скорости ветра и направления с высотой — достаточно силен, чтобы наклонить восходящий поток и создать вращение.

Классический вид суперклетки на радаре включает в себя крючковое эхо, которое указывает на наличие мезоциклона и возможных обломков торнадо. Мезоциклон обычно имеет диаметр от 2 до 6 миль и может вращаться со скоростью, превышающей 100 миль в час. Хотя не все суперклетки производят торнадо, те, которые делают, часто являются наиболее сильными. Переход от суперклетки к торнадо включает сложное взаимодействие сил внутри шторма.

Сдвиг ветра и роль окружающей среды

Сдвиг ветра является единственным наиболее важным экологическим фактором, отделяющим обычные грозы от суперячеек. В нижней атмосфере ветры, которые увеличивают скорость и поворачивают по часовой стрелке с высотой (направленный сдвиг), создают горизонтальное вихревое движение в воздухе. Сильные восходящие потоки в грозе могут наклонять это горизонтальное вращение в вертикаль, создавая вращающийся восходящий поток. Этот процесс называется динамическим эффектом трубы . Без достаточного сдвига ветра восходящий поток остается вертикальным, и шторм быстро выпадает. При сильном сдвиге подъем становится стойким и организованным, позволяя мезоциклону развиваться и усиливаться.

Дополнительные факторы, такие как конвективная доступная потенциальная энергия (CAPE) и повышенный индекс, помогают метеорологам оценить вероятность суровой погоды. CAPE измеряет количество энергии, доступной для конвекции. Значения выше 2000 Дж/кг считаются благоприятными для суперклеток, а значения выше 4000 Дж/кг могут поддерживать чрезвычайно сильные штормы. Сочетание высокого CAPE и сильного сдвига на низком уровне является классическим рецептом вспышек торнадо.

Месоциклон: вращающийся двигатель

Мезоциклон является сердцем суперклетки. Он образуется, когда восходящий поток поглощает горизонтально вращающийся воздух, создаваемый сдвигом ветра. По мере усиления восходящего потока он растягивает это вращение вертикально, заставляя его вращаться быстрее из-за сохранения углового момента (подумайте о фигуристе, тянущем в руках). Это вертикальное вращение становится мезоциклоном. Доплеровский радар может обнаруживать вращательную сигнатуру мезоциклона, часто появляющуюся как пара скоростей — ветры, движущиеся к радару, смежному с ветрами, удаляющимися.

Не все мезоциклоны равны. Некоторые широкие и диффузные, а другие плотные и интенсивные. Наиболее опасные мезоциклоны возникают в праводвижущейся суперклетке пары расщепляющихся бурь. Эти бури часто имеют сильный задний фланговый нисходящий поток (РФД), который обертывает вокруг мезоциклона, помогая сконцентрировать вращение и вывести его на поверхность. Мезоциклон обычно усиливается во время зрелой стадии шторма, и именно в это окно наиболее вероятно образование торнадо.

Задний фланк: критический игрок

Опускание задним флангом — это ток тонущего воздуха на юго-западной стороне суперклетки (в Северном полушарии). Он играет двоякую роль: помогает поддерживать шторм, внося в систему прохладный, сухой воздух, а также способствует торнадогенезу. Когда RFD усиливается, он может увеличить температурный градиент вокруг мезоциклона, усиливая вращение. Во многих случаях RFD помогает понизить вращающееся облако стенок, позволяя формировать воронку. Некоторые исследователи считают, что взаимодействие между RFD и восходящим потоком является триггером, превращающим мезоциклон в торнадо.

RFD также может быть ответственна за «чистый интервал», который часто появляется на западной стороне торнадо — области, где существуют условия без дождей, потому что сильный нисходящий поток сметает осадки. Наблюдения показывают, что торнадо часто опускается вскоре после того, как RFD становится очевидным на радаре. Эта связь делает понимание динамики нисходящего потока решающим для серьезного прогнозирования погоды.

Торнадогенез: от облака воронки до торнадо

Торнадогенез — это процесс, посредством которого вращающаяся колонна воздуха простирается от мезоциклона к земле. Обычно он происходит поэтапно. Во-первых, становится видимым опускание облачной базы под названием стенное облако. Это стеновое облако — область сильного восходящего и пониженного давления, часто вращающееся. По мере усиления вращения вороночное облако может опускаться. Воронковое облако — это вращающийся конус облака, который ещё не касается земли. Если воронка достигает поверхности, она становится торнадо, а мусор, поднятый с земли, подтверждает приземление.

Фактическая физика торнадогенеза включает растяжение вертикальной вихря по мере того, как восходящий поток усиливается вблизи поверхности. Малый горизонтальный сдвиг на уровне земли может быть наклонен и сконцентрирован в вихре торнадо. В суперячейках торнадо обычно образуется на переднем крае заднефланкового нисходящего потока, где происходит самая сильная конвергенция. Процесс может быть очень быстрым — иногда торнадо развивается менее чем за минуту. Доплеровский радар часто показывает «сигнатуру вихря торнадо» (TVS) во время приземления.

Виды торнадо за пределами суперклетки

В то время как суперклетки производят самые сильные торнадо, существуют и другие типы. Стандарты из несверхклеточных гроз с использованием другого механизма. Они развиваются, когда граница, такая как фронт порыва, создает вращение низкого уровня, которое затем растягивается восходящим потоком. [[EF0 до EF1) и кратковременное. Водоспады, как правило, слабые (EF0 до EF1) и кратковременные. Водоотводы похожи на смерчи, но образуются над водой.Есть также , которые являются небольшими, слабыми торнадо, которые образуются вдоль передней кромки оттока грозы.Однако подавляющее большинство значительных повреждений торнадо вызвано торнадо из суперклеток.

Понимание классификации торнадо: расширенная шкала Фудзиты

Торнадо оцениваются на основе ущерба, который они вызывают с помощью шкалы Enhanced Fujita (EF), которая проходит от EF0 до EF5. торнадо EF0 имеют скорость ветра 65-85 миль в час и вызывают легкие повреждения, такие как сломанные конечности деревьев и поврежденные желоба. торнадо EF5 превышает 200 миль в час и может выровнять хорошо построенные дома и подметать их от их фундаментов. Рейтинг присваивается метеорологами и инженерами после обследования моделей повреждений. Важно отметить, что оценки скорости ветра основаны на показателях повреждений, а не на прямых измерениях (поскольку размещение анемометра в пути торнадо чрезвычайно сложно).

В период с 2000 по 2020 год в США в среднем происходило около 1200 торнадо в год, при этом около 70% были слабыми (EF0-EF1), 25% сильными (EF2-EF3) и менее 1% насильственными (EF4-EF5). На насильственные торнадо, хотя и редкие, приходится непропорционально большая доля смертельных случаев. Примеры, такие как торнадо Джоплина 2011 года (EF5, 158 убитых) и торнадо Мура 2013 года (EF5, 24 убитых), подчеркивают важность понимания цепочки событий, которые приводят к их образованию.

Прогноз и обнаружение: как метеорологи остаются впереди

Современная технология позволяет синоптикам выявлять благоприятные условия для развития торнадо за несколько часов или даже дней до начала. Процесс начинается с анализа крупномасштабных погодных условий. Центр прогнозирования штормов (SPC) выдает конвективные прогнозы, которые классифицируют риск суровой погоды от маргинальной до высокой. Когда конкретный день выделен как имеющий повышенный или умеренный риск, местные офисы Национальной службы погоды готовятся к возможности предупреждения о торнадо.

После того, как грозы развиваются, метеорологи полагаются на доплеровский радар, чтобы обнаружить вращение. Сеть NEXRAD из 160 радаров по всей территории США предоставляет данные в реальном времени о структуре шторма. Ключевые радиолокационные сигнатуры включают эхо крючка, сцепление скоростей и сигнатуру торнадо (TDS). TDS появляется, когда мусор выбрасывается в воздух, вызывая отчетливую отражательную способность, которая может помочь подтвердить торнадо на земле, даже когда он не виден.

Сети пятен и охотники за штормами также обеспечивают наземную истину. Отчеты в реальном времени о настенных облаках, воронковых облаках и торнадо передаются в NWS и используются для выдачи или проверки предупреждений. Среднее время ожидания предупреждения о торнадо составляет около 13 минут, но достижения в области технологий, таких как ] машинное обучение и , с фазированным радаром массива , направлены на увеличение этого времени ожидания до 20 или 30 минут.

Ключевые показатели развития торнадо

Метеорологи следят за конкретными подсказками о том, что гроза может вызвать торнадо:

  • Сильный низкоуровневый сдвиг ветра — особенно между 0-1 км над уровнем земли.
  • Высокая КАПЕ — обозначающая обильную энергию для восходящих потоков.
  • Низкий уровень подъемной конденсации (LCL) — низкая облачная база помогает вращению достигать земли.
  • Интенсификация мезоциклона — затягивание и опускание на радаре.
  • Наличие настенного облака — особенно если оно быстро вращается и имеет основание без дождя.
  • Разработка четкого слота — часто предшествует торнадо тачдаун.
  • Подпись мусора на радаре — подтверждает, что торнадо уже на земле.

Эти показатели в сочетании с опытом и руководством по численным моделям позволяют прогнозистам своевременно выдавать предупреждения, которые спасают жизни.

Безопасность во время предупреждения о торнадо

Когда для вашего района выдается предупреждение о торнадо, требуются немедленные действия. Самым безопасным местом является подвал или внутреннее помещение на нижнем этаже прочного здания — ванная комната, шкаф или прихожая без окон. Защитите голову и шею шлемом, подушками или матрасом. В мобильных домах, даже если они привязаны, вы должны уйти и пойти в соседнюю постоянную конструкцию или назначенное штормовое убежище. Если вас поймали на улице или в транспортном средстве, не пытайтесь обогнать торнадо в машине. Вместо этого найдите низинную область, такую как канава, лягте плоской и покройте голову. Избегайте путепроводов, поскольку они могут создавать аэродинамические туннели и небезопасны.

Крайне важно иметь несколько способов получения предупреждений: радио NOAA Weather Radio, приложения для смартфонов и местные новости. Учения Tornado распространены в регионах, подверженных торнадо, и помогают семьям и предприятиям практиковать эти спасательные процедуры. После прохождения торнадо будьте в курсе дополнительной суровой погоды и следите за сбитыми линиями электропередач, утечками газа и структурными повреждениями.

Изменение климата и активность торнадо

Исследования влияния изменения климата на частоту и интенсивность торнадо продолжаются. Хотя нет четкой тенденции, показывающей увеличение общего числа торнадо, данные свидетельствуют о том, что условия, способствующие сильным штормам, становятся все более распространенными. Более теплый воздух содержит больше влаги, что может увеличить CAPE. Однако модели сдвига ветра могут меняться сложными способами. Некоторые исследования показывают, что частота вспышек торнадо - множественных торнадо, происходящих в короткий период - может расти, и что географический диапазон активности торнадо может смещаться на восток или на север. Понимание этих тенденций имеет жизненно важное значение для долгосрочного планирования и для улучшения прогнозных моделей, которые полагаются на цепочку событий, описанных в этой статье.

Для дальнейшего чтения о науке формирования и прогнозирования торнадо вы можете изучить ресурсы Национального управления океанических и атмосферных исследований и Национальной лаборатории сильных штормов . Для исторических данных о торнадо Национальная метеорологическая служба предоставляет обширные записи. Понимание цепочки от гроз до торнадо позволяет как синоптикам, так и общественности принимать соответствующие меры, когда развиваются самые сильные штормы в природе.