Тропические циклоны являются одними из самых мощных и разрушительных погодных систем на Земле. Известные как ураганы в Атлантическом и восточном Тихом океане, тайфуны в западной части Тихого океана и циклоны в Индийском океане и южной части Тихого океана, эти интенсивные системы низкого давления получают свою энергию из теплых океанских вод и могут нанести катастрофический ущерб, когда они совершают высадку на сушу. Понимание сложной науки, лежащей в основе их формирования, глобальных моделей, которые управляют их движением, и многогранных воздействий, которые они накладывают на прибрежные сообщества, имеет решающее значение для повышения готовности, информирования стратегий адаптации и повышения долгосрочной устойчивости. Эта статья предлагает всестороннее изучение тропических циклонов, изучение фундаментальных условий, которые их порождают, их жизненного цикла и сезонного поведения, а также последние научные представления о том, как изменение климата меняет их природу и риски.

Наука о формировании тропического циклона

Тропические циклоны не образуются случайным образом; для их развития и усиления требуется очень специфическая комбинация океанических и атмосферных условий. Первичные ингредиенты включают в себя теплые температуры поверхности моря, обильную влагу в атмосфере среднего уровня, низкий вертикальный сдвиг ветра и существовавшее ранее возмущение вблизи поверхности, чтобы инициировать вращение. Когда эти факторы выравниваются, тропический циклон может организоваться в высокоструктурированную, самоподдерживающуюся систему, способную интенсифицироваться в грозный шторм.

Температура поверхности моря и энергоснабжение

Фундаментальным источником энергии для тропических циклонов является скрытое тепло, выделяемое при повышении теплого, влажного воздуха и конденсации в облака и дождь. Для того, чтобы этот тепловой двигатель работал эффективно, температура поверхности моря (SST) обычно должна превышать 26,5 ° C (около 80 ° F) по достаточно глубокому слою океанской воды - обычно по крайней мере 50 метров. Эта теплая водная поверхность обеспечивает влагу, которая испаряется в атмосферу, питая интенсивную конвекцию шторма и грозовую активность. Теплосодержание океана имеет решающее значение; если теплый слой неглубокий, то извергающиеся воды циклона могут набухать более прохладную воду, ограничивая интенсификацию.

После образования циклон действует как тепловой двигатель, преобразуя тепловую энергию из океана в кинетическую энергию, проявляющуюся как мощные ветры и организованная конвекция. Если шторм движется по более прохладным водам или делает сушу, отрезав ее влагоснабжение, он быстро ослабевает. Эта зависимость объясняет, почему тропические циклоны ограничены теплыми тропическими и субтропическими водами.

Атмосферная влажность и нестабильность

Высокая относительная влажность в средней тропосфере, как правило, около 500 hPa уровня давления (~5 километров высоты), имеет важное значение для поддержания глубокой конвекции вблизи центра циклона. Сухое затяжение воздуха может нарушить развитие шторма, препятствуя развитию грозы и ослабляя циркуляцию. Кроме того, атмосфера должна быть условно неустойчивой - это означает, что воздушные посылки, поднятые, останутся теплее и менее плотными, чем окружающий воздух, что позволит им свободно подниматься и поддерживать конвекцию.

Эта нестабильность поддерживает формирование глазной стенки, кольца интенсивных гроз, окружающих глаз, которое производит самые сильные ветры циклона и самые сильные осадки.Без достаточной влаги и нестабильности шторм не может поддерживать свою организованную структуру и ослабевает или не развивается.

Низкий вертикальный сдвиг ветра и эффект Кориолиса

Вертикальный сдвиг ветра — изменение скорости ветра или направления с высотой — играет решающую роль в развитии тропического циклона. Низкий сдвиг (обычно менее 10 метров в секунду по тропосфере) позволяет вертикальной структуре шторма оставаться выровненной, обеспечивая эффективную передачу тепла и интенсификацию. Высокий сдвиг ветра может наклоняться или нарушать ядро циклона, вытесняя теплый воздух из центра и ингибируя усиление или даже вызывая рассеивание.

Эффект Кориолиса, следствие вращения Земли, придает необходимый спин для развития циклона. Эта вращательная сила минимальна вблизи экватора (в пределах приблизительно 5 градусов широты), что объясняет, почему тропические циклоны редко образуются непосредственно на экваторе. Большинство циклонов развиваются между 5° и 20° широты, где сила Кориолиса достаточна, чтобы вызвать циклоническое вращение — против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии.

Существующие ранее нарушения

Каждый тропический циклон начинается как уже существующее атмосферное возмущение, такое как тропическая волна, муссонное корыто или область низкого давления с усиленной конвекцией.В Атлантике тропические волны, идущие на запад от Африки, являются общими предшественниками, обеспечивая начальную конвергенцию и грозовую активность, которая может организоваться в тропическую депрессию.

Однако лишь небольшая часть этих возмущений перерастает в полностью сформированные тропические циклоны — часто менее 10% в большинстве бассейнов. Благоприятные условия окружающей среды должны сохраняться достаточно долго, чтобы позволить возмущению консолидироваться и усиливаться. Эта начальная фаза имеет решающее значение для генезиса циклонов и является ключевым направлением метеорологического мониторинга и прогнозирования.

Глобальные модели и сезонные сроки

Тропические циклоны географически ограничены регионами, где необходимые океанические и атмосферные условия совпадают. Они происходят в семи первичных бассейнах по всему миру: Северной Атлантике, Восточной части Тихого океана, Западной части Тихого океана, Северной части Индийского океана, Южной части Индийского океана, южной части Тихого океана и Бенгальском заливе. Каждый бассейн демонстрирует различные сезонные циклы и межгодовую изменчивость, на которую влияют крупномасштабные климатические явления, такие как Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO) и Мадден-Джулианское колебание (MJO).

Атлантический бассейн

Сезон ураганов в Атлантике официально длится с 1 июня по 30 ноября, пик активности обычно приходится на середину августа — конец октября. В этом бассейне в среднем около 14 названных штормов в год, из которых около 7 становятся ураганами и около 3 достигают статуса крупных ураганов (категория 3 или выше по шкале Саффира — Симпсона). Восточное побережье США, побережье Мексиканского залива, Карибские острова и Центральная Америка являются наиболее часто пострадавшими регионами.

На активность атлантических ураганов сильно влияют такие факторы, как фазы ENSO, атлантические многодекадные колебания и температуры поверхности моря. Например, события Эль-Ниньо, как правило, подавляют активность атлантических ураганов за счет увеличения вертикального сдвига ветра, в то время как условия Ла-Нинья часто приводят к более активным сезонам. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) предоставляет обширные ресурсы для отслеживания и понимания атлантических ураганов. Их страница обучения ураганам предлагает углубленное объяснение этих явлений.

Тихоокеанские бассейны

Сезон ураганов в восточной части Тихого океана начинается немного раньше, начиная с 15 мая и продолжается до 30 ноября. В то время как штормы в этом бассейне, как правило, часты, многие остаются над открытым океаном, создавая меньшую угрозу для суши. Западно-Тихоокеанский бассейн является самым активным тропическим циклоном во всем мире, в среднем 25-30 названных штормов ежегодно - обычно называемых тайфунами. Эти тайфуны могут достигать экстремальной интенсивности, с некоторыми из самых сильных тропических циклонов, когда-либо зарегистрированных, и часто влияют на Восточную и Юго-Восточную Азию, включая такие страны, как Япония, Филиппины, Китай и Вьетнам.

В бассейнах южной части Тихого океана и Индийского океана тропические циклоны наблюдаются в основном с ноября по апрель. Эти штормы затрагивают такие страны, как Австралия, Мадагаскар, Индия и Бангладеш. Бенгальский залив особенно уязвим к смертоносным штормовым нагонам из-за его мелководных прибрежных вод и густонаселенных низменных побережий. На сезонную и межгодовую изменчивость в этих бассейнах влияют факторы, в том числе ENSO и Диполь Индийского океана.

Жизненный цикл и движение тропического циклона

Тропические циклоны развиваются через ряд стадий развития, которые отражают их растущую организацию и интенсивность. Жизненный цикл начинается как тропическое возмущение — кластер гроз со слабым циклоническим вращением и отсутствием замкнутой поверхностной циркуляции. Когда устойчивые ветры достигают 38 миль в час (62 км/ч), система классифицируется как тропическая депрессия и присваивается число.

По мере того, как ветры увеличиваются более чем на 39 миль в час (63 км/ч), система становится тропическим штормом и получает официальное название от региональных метеорологических организаций. Когда устойчивые ветры достигают 74 миль в час (119 км/ч) или выше, она достигает урагана, тайфуна или циклона, в зависимости от бассейна. Шторм может продолжать усиливаться до крупного урагана (категория 3 или выше), при условии, что условия окружающей среды остаются благоприятными.

Движение тропических циклонов в первую очередь контролируется крупномасштабной атмосферной циркуляцией, известной как рулевой поток. В тропиках преобладающие восточные пассаты обычно толкают штормы на запад. По мере того, как штормы движутся в сторону полюса, они сталкиваются с западными штормами средней широты, что может привести к их регрессу на северо-восток в Северном полушарии или юго-востоке в Южном полушарии. Наличие хребтов высокого давления и впадин низкого давления значительно влияет на точный след; даже тонкие изменения в этих особенностях могут резко изменить путь шторма, влияя на места падения и потенциальные воздействия.

При сближении с сушей взаимодействие с рельефом, усиление поверхностного трения и потеря теплого источника энергии океана приводят к ослаблению циклона, однако шторм всё ещё может вызвать сильные дожди, наводнения и сильные ветры на сотни миль вглубь суши.Остатки тропических циклонов часто сливаются с среднеширотными погодными системами, что приводит к повсеместным осадкам и наводнениям через несколько дней после первоначального сближения.

Влияние на прибрежные регионы

Тропические циклоны наносят ущерб в первую очередь с помощью трех взаимосвязанных механизмов: разрушительные ветры, штормовые нагоны и наводнения пресной водой.Каждая опасность может независимо вызывать серьезные последствия, но в сочетании они часто приводят к подавляющему разрушению, особенно в уязвимых прибрежных общинах.

Ветровой ущерб

Устойчивые ветры в крупном тропическом циклоне могут превышать 150 миль в час (240 км/ч), с порывами еще выше. Эти интенсивные ветры могут срывать крыши с зданий, разрывать линии электропередач, выкорчевывать деревья и бросать мусор с опасными скоростями. Шкала урагана Саффир-Симпсон классифицирует штормы от категории 1 (минимальный ущерб) до категории 5 (катастрофический ущерб). Хорошо построенные дома и инфраструктура могут быть разрушены в штормах категории 4 и 5, а отключения электроэнергии часто в последние недели или месяцы.

Современные строительные нормы в районах, подверженных ураганам, все чаще требуют усиленной кровли, ударопрочных окон и конструктивных конструкций, способных выдерживать высокие ветровые нагрузки. Такие меры значительно сокращают потери и экономические потери, но не всегда осуществляются единообразно, особенно в развивающихся странах.

Буря набирает обороты

Штормовой нагон — это аномальный подъем воды, вызванный сильными ветрами циклона, движущими океанскую воду к побережью. Это самая смертоносная и самая разрушительная опасность, связанная с тропическими циклонами, особенно в низменных прибрежных районах. Высота всплеска зависит от множества факторов, включая интенсивность шторма, размер, скорость движения вперед, угол подхода, а также местная прибрежная батиметрия и топография.

В мелководных, вогнутых заливах, таких как Бенгальский залив или северный Мексиканский залив, штормовые нагоны могут превышать 20 футов (6 метров), затопляя обширные районы и вызывая экстремальные потери жизни и имущества. Например, ураган Катрина (2005) вызвал штормовой нагон до 28 футов (8,5 метров) вдоль частей побережья Миссисипи, опустошая прибрежные сообщества. Национальная метеорологическая служба предоставляет подробную информацию о рисках штормового нагона и мерах безопасности через их Страница безопасности штормового нагона .

Пресноводные наводнения и оползни

Тропические циклоны часто приводят к проливным дождям, которые могут превышать 30 дюймов (760 мм) в течение 24 часов, что приводит к сильным внезапным наводнениям и затоплению рек далеко от побережья. Городские районы с недостаточной дренажной инфраструктурой особенно уязвимы для наводнений и связанных с ними опасностей для здоровья.

В горных и холмистых районах сильные дожди могут вызвать оползни и оползни, закапывание домов и блокирование критических транспортных маршрутов. Даже после ослабления до тропических впадин или остаточных минимумов циклоны могут вызывать длительные сильные осадки. Например, ураган Харви (2017) выпал беспрецедентные осадки, превышающие 60 дюймов (1524 мм) в некоторых частях Техаса, вызвав катастрофические наводнения и широкомасштабный ущерб.

Стратегии готовности и смягчения

Учитывая глубокие угрозы, которые представляют тропические циклоны, прибрежные сообщества во всем мире разработали широкий спектр стратегий для снижения рисков и повышения устойчивости. Эти стратегии охватывают технологические, структурные, социальные и экологические подходы.

Системы раннего предупреждения и эвакуации

Метеорологические агентства, такие как Национальный центр ураганов NOAA и Объединенный центр предупреждения о тайфунах, предоставляют прогнозы и предупреждения за несколько дней до этого. Эти ранние предупреждения позволяют властям выпускать часы и предупреждения, активировать планы реагирования на чрезвычайные ситуации и организовывать приказы об эвакуации. Своевременные и точные прогнозы значительно улучшились за последние десятилетия, увеличив время подготовки.

Планы эвакуации особенно важны для низменных прибрежных районов, подверженных риску штормового нагона. В рамках кампаний по государственному образованию подчеркивается важность принятия во внимание приказов об эвакуации и подготовки комплектов для чрезвычайных ситуаций. Однако проблемы остаются из-за роста населения в уязвимых прибрежных зонах и логистических сложностей в безопасном перемещении большого населения.

Строительные кодексы и инфраструктура

Строгие строительные нормы, требующие ветроустойчивых методов строительства, могут значительно уменьшить ущерб от сильных ветров. Возвышенные дома на сваях уменьшают воздействие наводнений штормового нагона. Наводненные барьеры, дамбы, морские стены и шлюзы обеспечивают инженерную защиту, хотя они имеют высокие затраты на строительство и техническое обслуживание и могут быть перекрыты или потерпеть неудачу во время экстремальных событий.

Такие страны, как Нидерланды и Япония, вложили значительные средства в создание систем барьеров, защищающих густонаселенные прибрежные районы, а модернизация старых зданий и укрепление критической инфраструктуры, такой как больницы, аварийные убежища и энергосети, остаются постоянными приоритетами для повышения устойчивости общин.

Природные защиты: мангровые леса, коралловые рифы и водно-болотные угодья

Природные экосистемы служат жизненно важными буферами против штормовых воздействий. Мангровые леса и прибрежные водно-болотные угодья поглощают энергию волн и уменьшают высоту штормовых нагонов, в то время как коралловые рифы рассеивают энергию волн до того, как она достигнет береговых линий. Сохранение и восстановление этих мест обитания обеспечивают экономически эффективные и устойчивые стратегии адаптации, особенно для развивающихся стран с ограниченными ресурсами для инженерной обороны.

Заметное исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показало, что мангровые леса могут снизить высоту волн до 66%, что значительно смягчает ущерб от волн и защищает прибрежные сообщества. Эти экосистемы также обеспечивают сопутствующие выгоды, такие как среда обитания рыболовов, поглощение углерода и улучшение качества воды. Для получения дополнительной информации см. исследование по ослаблению мангровых волн .

Изменение климата и тропические циклоны

Повышение глобальных температур в связи с изменением климата изменяет поведение и воздействие тропических циклонов.Хотя общая частота тропических циклонов может оставаться стабильной или даже слегка снижаться, существуют убедительные научные доказательства того, что наиболее интенсивные штормы становятся все более мощными и продолжительными.

Более теплые температуры поверхности моря обеспечивают больше энергии, позволяя штормам достигать более высоких максимальных скоростей ветра и производить более тяжелые осадки. Исследования зафиксировали тенденцию к росту доли ураганов категории 4 и 5 во всем мире. Кроме того, некоторые данные свидетельствуют о том, что скорость перевода циклонов замедлилась в некоторых регионах, увеличивая продолжительность опасных условий над пострадавшими районами и усугубляя риски наводнений.

Повышение уровня моря усиливает разрушительный потенциал наводнений в результате штормовых нагонов, увеличивая базовые уровни прибрежных вод. В сочетании с более интенсивными осадками это способствует повышению опасности наводнений в прибрежных и внутренних районах.

Текущие исследования направлены на улучшение прогнозов того, как характеристики тропических циклонов изменятся в соответствии с различными сценариями выбросов парниковых газов, помогая информировать политику адаптации и смягчения последствий. Повышение устойчивости общин к этим меняющимся угрозам остается важнейшей глобальной проблемой.