Тропические циклоны

Тропические циклоны

Тропический циклон — тип циклона, или погодной системы низкого давления, что возникает над теплой морской поверхностью и сопровождается мощными грозами, выпадением ливневых осадков и ветрами штормовой силы. Тропические циклоны получают энергию от поднятия влажного воздуха вверх, конденсации водяных паров в виде дождей и опускания более сухого воздуха, что получается в этом процессе, вниз. Этот механизм принципиально отличается от механизма внетропических и полярных циклонов, в отличие от которых тропические циклоны классифицируются как «циклоны с теплым ядром».

Термин «тропический» означает как географический район, где в подавляющем большинстве случаев возникают подобные циклоны, то есть тропические широты, так и формирование этих циклонов в тропических воздушных массах.

На Дальнем Востоке и в Юго-Восточной Азии тропические циклоны называются тайфунами, а в Северной и Южной Америке — ураганами (исп. huracán, англ. hurricane), по имени майянского бога ветра Хуракана. Принято считать, согласно шкале Бофорта, что шторм переходит в ураган при скорости ветра более 117 км/ч.

Тропические циклоны способны вызвать не только чрезвычайной силы ливни, но и большие волны на поверхности моря, штормовые приливы и смерчи. Тропические циклоны могут возникать и поддерживать свою силу только над поверхностью крупных водоемов, тогда как над сушей они быстро теряют силу. Именно поэтому прибрежные районы и острова в наибольшей степени страдают от вызванных ими разрушений, тогда как районы в глубине материков находятся в относительной безопасности.

Структура

Тропические циклоны — относительно компактные штормы довольно правильной формы, обычно около 320 км в диаметре, с ветрами, дующими по спирали, сходящимися вокруг центральной области очень низкого атмосферного давления.

По структуре тропический циклон может быть поделен на три концентрические части. Внешняя часть имеет радиальную ширину (разность между внешим и врутренним радиуасами) 30—50 км. В этой зоне скорость ветров равномерно увеличивается по мере приближения к центру циклона. Средняя часть, которая имеет название стены глаза, характеризуется большими скоростями ветра. Центральная часть диаметром 30—60 км имеет название глаза, — здесь скорость ветра уменьшается, движение воздуха имеет преимущественно нисходящий характер, а небо часто остается ясным.

Глаз бури

Центральная часть циклона, в которой воздух опускается вниз, имеет название глаза. Если циклон достаточно сильный, глаз большой и характеризуется спокойной погодой и ясным небом, хотя волны на море могут быть исключительно большими. Глаз тропического циклона обычно правильной круглой формы, а его размер может быть от 3 до 370 км в диаметре, однако чаще всего диаметр составляет примерно 30—60 км.

Глаз тропических циклонов характеризуется очень низким атмосферным давлением, именно здесь был зарегистрировано рекодно минимальное значение атмосферного давления на уровне земной поверхности (870 гПа (870 милибар или 652 мм ртутного столба) в тайфуне Тип). Кроме того, в отличие от циклонов других типов, воздух глаза тропических циклонов очень теплый, всегда теплее, чем на той же высоте за пределами циклона

Стена глаза

Стеной глаза называют кольцо плотных грозовых кучевых облаков, окружающих глаз. Здесь облака достигают наибольшей высоты в пределах циклона (до 15 км над уровнем моря), а осадки и ветры у поверхности сильнейшие. Однако максимальная скорость ветров достигается на небольшой высоты над поверхностью воды/суши (обычно около 300 м). Именно во время прохождения стены глаза над определенным районом циклон наибольшие разрушителен.

Самые сильные циклоны (обычно категории 3 или выше) характеризуются несколькими циклами замены стены глаза в течение своей жизни. При этом старая стена глаза сужается до 10—25 км, и ей на замену приходит новая, большего диаметра, постепенно заменяя собой старую. Во время каждого цикла замены стены глаза циклон слабеет (то есть ветры в пределах стены глаза слабеют, а температура глаза падает), но с образованием новой стены глаза он быстро набирает силу до прежних значений.

Внешняя зона

Внешняя часть тропического циклона организована в дождевые полосы — полосы плотных грозовых кучевых туч, которые медленно движутся к центру циклона и сливаются со стеной глаза. При этом в дождевых полосах, как и в стене глаза, воздух поднимается вверх, а в пространстве между ними, свободном от низких облаков, воздух опускается. Однако, сформированные на периферии циркуляционные ячейки менее глубокие, чем центральная, и достигают меньшей высоты.

Когда циклон достигает суши, вместо дождевых полос в пределах стены глаза в большей степени концентрируются потоки воздуха, из-за увеличения трения о поверхность. При этом значительно увеличивается количество осадков, порой достигая 250 мм за сутки.

Тропические циклоны также образуют облачный покров на очень больших высотах (близко к тропопаузе) за счет центробежного движения воздуха на этой высоте. Этот покров состоит из высоких перистых облаков, которые движутся от центра циклона и постепенно испаряются и исчезают. Эти облака могут быть достаточно тонкими, чтобы через них можно было видеть солнце и могут быть одним из первых признаков приближения тропического циклона.

Механизм

Главным источником энергии тропического циклона служит энергия испарения, которая освобождается приконденсации водяных паров. В свою очередь, испарение океанской воды протекает под действием солнечной радиации. Таким образом, тропический циклон можно представить как большую тепловую машину, для работы которой необходимы также вращение и притяжение Земли. В метеорологии, тропический циклон описывается как тип конвекционной системы на мезошкале, развивающийся при наличии мощного источника тепла и влаги.

Теплый влажный воздух поднимается вверх преимущественно в пределах стены глаза циклона, а также в пределах других дождевых полос. Этот воздух расширяется и охлаждается по мере поднятия, его относительная влажность, высокая уже у поверхности, увеличивается ещё больше, вследствие чего большая часть накопленной влаги конденсируется и выпадает в виде дождя. Воздух продолжает охлаждаться и терять влагу с поднятием до тропопаузы, где он теряет практически всю влагу и перестаёт охлаждаться с высотой. Охлажденный воздух опускается вниз до океанской поверхности, где снова увлажняется и снова поднимается. При благоприятных условиях, задействованная энергия превышает расходы на поддержание этого процесса, избыточная энергия тратится на увеличение объёмов восходящих потоков, увеличение скорости ветров и ускорение процесса конденсации, то есть ведёт к образованию положительной обратной связи. Для того, чтобы условия оставались благоприятными, тропический циклон должен находиться над теплой океанской поверхностью, которая даёт необходимую влагу; когда же циклон проходит участок суши, он не имеет доступа к этому источнику и его сила быстро падает.

Механизм тропических циклонов существенно отличается от механизма других атмосферных процессов тем, что требует глубокой конвекции, то есть такой, что захватывает большой диапазон высот. При этом, восходящие потоки захватывают почти всё расстояние от поверхности океана до тропопаузы, с горизонтальными ветрами, ограниченными преимущественно в приповерхностном слое толщиной до 1 км, тогда как большая часть остальной 15-километровой толщи тропосферы в тропических районах используется для конвекции. Однако тропосфера более тонка на более высоких широтах, а количество солнечного тепла там меньше, что ограничивает зону благоприятных условий для тропических циклонов тропическим поясом.

Общее количество энергии, которая выделяется в тропическом циклоне среднего размера, составляет около 50-200 эксаджоулей (1018 Дж) в день или 1 ПВт (1015 Вт). Это примерно в 70 раз больше потребления всех видов энергии человечеством, в 200 раз больше мирового производства электроэнергии и соответствует энергии, что высвобождалась бы от взрыва 10-мегатонной водородной бомбы каждые 20 минут

Жизненный цикл

Формирование

Во всех районах мира, где существует активность тропических циклонов, она достигает максимума в конце лета, когда разница температуры между океанской поверхностью и глубинными слоями океана наибольшая. Однако, сезонные картины несколько отличаются в зависимости от бассейна. В мировом масштабе, май является наименее активным месяцем, сентябрь наиболее активным, а ноябрь является единственным месяцем, когда одновременно активны все бассейны.

Факторы формирования.

Обычно можно выделить 6 факторов, необходимых для образования тропических циклонов:

 температура приповерхностного слоя океанской воды не менее 26,5 °C толщиной не менее 50 м в глубину

 быстрое охлаждение воздуха с высотой

 высокая влажность воздуха в нижних и средних слоях тропосферы

 низкий вертикальный градиент ветра

 расстояние не менее 5 градусов широты (на Земле — 550 км) от экватора

 уже существующая зона низкого атмосферного давления или нестабильной погоды

Районы формирования

Большинство тропических циклонов в мире формируются в пределах экваториального пояса (межтропического фронта) или его продолжения под действием муссонов — муссонной зоны низкого давления. Районы, благоприятные для формирования тропических циклонов, также возникают в пределах тропических волн, где возникает около 85 % интенсивных циклонов Атлантического океана и большинство тропических циклонов на востоке Тихого океана.

Время формирования

Сезон тропических циклонов на севере Атлантического океана длится с 1 июня по 30 ноября, достигая пика в конце августа и в сентябре. По статистике, большинство тропических циклонов образовались здесь в районе 10 сентября. На северо-востоке Тихого океана этот сезон длится дольше, но с максимумом в те же времена. На северо-западе Тихого океана тропические циклоны образуются в течение всего года, с минимумом в феврале-марте и с максимумом в начале сентября. На севереИндийского океана тропические циклоны возникают чаще всего с апреля по декабрь, с двумя пиками — в мае и в ноябре. В Южном полушарии сезон тропических циклонов длится с 1 ноября до конца апреля, с пиком с середины февраля до начала марта

Взаимодействие с пассатами

Движение тропических циклонов вдоль поверхности Земли зависит прежде всего от преобладающих ветров, возникающих вследствие глобальных циркуляционных процессов, — тропические циклоны увлекаются этими ветрами и движутся вместе с ними. В зоне возникновения тропических циклонов, то есть между 20-ми градусами широты обоих полушарий, влекомые пассатами циклоны движутся на запад.

В тропических районах северной Атлантики и на северо-востоке Тихого океана пассаты образуют тропические волны, начинающиеся от африканского побережья и проходящие через Карибское море, Северную Америку и затухающие в центральных районах Тихого океана. Эти волны являются местом возникновения большой части тропических циклонов в этих регионах Земли.

Эффекта Кориолиса

Эффекта Кориолиса (одна из сил инерции, действующая на упорядоченный или флуктуационный поток жидкости или газа во вращающейся неинерциальной системе отсчёта), возникающий из-за вращения Земли, является причиной не только закручивания атмосферных вихрей, но и влияет на трассы их движения. Из-за этого эффекта тропический циклон, влекомый пассатами на запад, при отсутствии других сильных потоков воздушных масс, отклоняется к полюсам. Поскольку воздействие пассатов накладывается на движение воздушных масс внутри циклоннов на его полярной стороне, сила Кориолиса там сильнее. В результате тропический циклон оттягивается к полюсу планеты. Когда тропический циклон достигает субтропического хребта, западные ветры умеренного пояса начинают уменьшать скорость движения воздуха на полярной стороне, но разница в расстоянии от экватора между различными частями циклона достаточно большая, чтобы суммарная закручивающая атмосферный вихрь сила была направлена к полюсу. В результате тропические циклоны Северного полушария отклоняются на север (до поворота на восток), а тропические циклоны Южного полушария — на юг (также до поворота на восток).

Взаимодействие с западными ветрами умеренных широт

Когда тропический циклон пересекает субтропический хребет, являющийся зоной высокого давления, его путь обычно отклоняется в зону низкого давления с полярной стороны хребта. Попав в зону западных ветров умеренного пояса, тропический циклон имеет тенденцию двигаться с ними на восток, проходя момент изменения курса движения. Тайфуны, движущиеся через Тихий океан на запад к восточным берегам Азии, часто меняют курс у берегов Японии на север и далее на северо-восток, захваченные юго-западными ветрами с Китая или Сибири. Много тропических циклонов также отклоняются, из-за взаимодействия с внетропическими циклонами, движущимися в этих районах с запада на восток. Примером изменения курса тропическим циклоном служит тайфун Йоке 2006 года, который двигался по описанной траектории.

Выход на сушу.

Формально считается, что циклон проходит над сушей, если над сушей проходит его центр циркуляции, независимо от состояния периферийных областей. Штормовые условия обычно начинаются над определенным участком суши за несколько часов до выхода на сушу центра циклона. В этот период — до формального выхода тропического циклона на сушу — ветры могут достигнуть своей наибольшей силы. В таком случае говорят о «прямом ударе» тропического циклона о берег. Таким образом, момент выхода циклона на берег фактически означает середину штормового периода для районов, где это случается. Меры безопасности должны приниматься до момента достижения ветрами определенной скорости или до момента достижения определенной интенсивности дождя, а не быть связанными с моментом выхода тропического циклона на сушу.

Взаимодействие циклонов

Когда два циклона приближаются друг к другу, их центры циркуляции начинают вращаться вокруг общего центра. При этом два циклона приближаются друг к другу и в конце концов сливаются. Если циклоны разного размера, больший будет доминировать в этом взаимодействии, а меньший будет вращаться вокруг него. Этот эффект носит название эффекта Фудзивары (в честь японского метеоролога Сакухея Фудзивары).

Рассеяние

Тропический циклон может потерять свои характеристики несколькими путями:

 движение над сушей

 потеря силы через день, иногда два дня

 проход циклона над горами

 нахождение циклона в одном районе слишком долго

 попадание на новый участок моря, температура которого ниже 26,5 °C

 сильный вертикальный градиент ветра

 взаимодействия с западными ветрами умеренных широт и более характерными для умеренных районов атмосферными фронтами

Ветер

Прямым эффектом от тропических циклонов на суше являются штормовые ветры, способные уничтожать автомобили, здания, мосты и другие искусственные сооружения. Время, в течение которого определенное место остается под действием циклона, зависит как от размеров циклона, так и от скорости его движения, обычно это время составляет несколько часов. Сильнейшие постоянные ветры в пределах циклона обычно локализованы в центре его передней части и для сильных тропических циклонов превышают 70 м/с. За время прохождения тропического циклона могут быть повреждены или разрушены даже хорошо построенные капитальные здания. Минимальная скорость ветра, при которой тропический циклон считается ураганом, составляет около 28 м/с, ветер такой силы создаёт давление на вертикальную стену в 718 Па, а более типичные для ураганов ветры скоростью 55 м/с — давление в 3734 Па. Таким образом, здания с большой площадью стен испытывают во время прохождения тропического циклона действие огромной силы, особенно если их стены крупнейшей площади ориентированы перпендикулярно ветру.

Кроме сильных постоянных ветров, в момент выхода на сушу для тропических циклонов также характерны особенно сильные локализованные ветры и порывы ветра. Хотя трение о поверхность земли уменьшает скорость ветра, оно значительно увеличивает турбулентность движения воздуха, часто приводя к спуску наиболее быстрых высотных воздушных потоков до уровня поверхности. Другой механизм возникновения порывов в пределах тропического циклона подобен механизму микропорывов, характерных для нециклонных гроз. Ветер в пределах таких порывов часто направлен против направления ветра на близлежащих участках, но в случае совпадения направлений обоих, его скорость может достигать около 100 м/с.

Штормовой прилив

Худшим по количеству жертв эффектом от тропических циклонов исторически был штормовой прилив, то есть поднятие уровня моря под действием циклона, что в среднем приводит примерно к 90 % жертв. Штормовой прилив вызывается в первую очередь трением воздуха о поверхность воды и может достигать свыше 6 м, иногда затапливая большие прибрежные территории. Этот механизм нагона воды особенно эффективен в мелких заливах и устьях рек. Например, крупнейший по числу жертв в истории циклон Бхола в 1970 году привел к гибели 300—500 тыс. человек в Восточном Пакистане из-за 9-метрового штормового прилива и затопления островов мелкой дельты Ганга. У циклонов Северного полушария максимальный штормовой прилив случается в переднем правом секторе циклона, у циклонов Южного — в переднем левом. К трению ветра также прилагается увеличение уровня воды под действием низкого атмосферного давления циклона, что поднимает его уровень ещё примерно на 1 м. Если же циклон выходит на сушу во время прилива, эти эффекты накладываются друг на друга, приводя к наиболее разрушительным последствиям.

Смерчи

Широкая вихревая картина тропического циклона и возникновение сильного вертикального градиента ветра вследствие трения о поверхность земли вызывает смерчи. Смерчи также могут возникать вследствие мезовихрей стены глаза, структур тропического циклона относительно небольшого масштаба, образующихся после его выхода на сушу.

Ливни

Тропические циклоны всегда ассоциируются со значительными количествами атмосферных осадков, в первую очередь в районе стены глаза и дождевых полос циклона. Обычно количество осадков составляет несколько сантиметров в час, со вспышками значительно большего уровня. Общие количества осадков за время прохождения циклона в 500—1000 мм дождя не являются необычными. Такие количества осадков очень легко переполняют дождевую канализацию и приводят к наводнениям. Вызванные дождями наводнения особенно опасны в горных районах, как из-за увеличения количества осадков вследствие поднятия воздуха, так и, особенно, из-за концентрации дождевых потоков вдоль оврагов и устьев рек, как это случилось во время прохождения ураганом Митч территории Гондураса в 1998 году.

Другим источником ливневых дождей, не связанным со стеной глаза, является выпадение воды из облаков высотного покрова циклона, что случается в случае попадания этих облаков в зону низкого давления более высоких широт. Например, в результате такого эффекта, остаткам восточнотихоокеанского урагана Октав удалось проникнуть в пустынные районы Аризоны, где количество осадков за три дня составило более 200 мм, почти годовую норму осадков для этих районов.

Значительные ливни и штормовые приливы также часто приводят к возникновению участков стоячей воды, что при условиях тропического климата легко приводит как к распространению инфекций из-за контактов с водой, так и к увеличению количества комаров, которые также разносят болезни. Болезни распространяются также в перенаселенных лагерях для беженцев, потерявших жилье в результате ураганов.

Поддержание теплового и гидрологического баланса

Хотя тропические циклоны приводят к значительным жертвам и разрушениям, они являются важными факторами в режиме осадков тех районов, где они существуют, поскольку они приносят осадки в районы, которые в противном случае оставались бы засушливыми. Также тропические циклоны помогают поддерживать тепловой баланс, изменяя градиент в температуре и влажности между тропическими и субтропическими районами Земли. Штормовые приливы и перемешивание океанской воды тропическими циклонами также важны для поддержки морской флоры и фауны. Даже разрушение искусственных сооружений часто оказывается полезным, поскольку вызывает восстановление и улучшение районов, многие из которых экономически очень неблагополучны.

Классификация по силе

По критерию силы тропические циклоны классифицируют в три главные группы: тропические депрессии, тропические штормы и наиболее интенсивные циклоны, название которых варьирует в зависимости от бассейна («тайфун» на северо-западе Тихого океана, «ураган» на северо-востоке Тихого и в Атлантическом океанах и модификации названий тропических штормов с помощью терминов «очень жестокий» или «интенсивный» в остальных бассейнах). Если тропический циклон попадает из одного бассейна в другой, его классификация соответственно меняется: например, ураган Йоке в 2006 году превратился в «тайфун Йоке» в момент перехода через международную линию перемены дат из северо-восточного в северо-западный район Тихого океана. Каждая из систем классификации, отчёт о которых приведён в таблице внизу раздела, использует несколько другую терминологию также для подгрупп каждой из этих категорий.

Тропическая депрессия

 «Тропической депрессией» называется организованная циклонная система с четко выраженной приповерхностной циркуляцией и максимальными постоянными ветрами до 17 м/с (33 узла). Такая система не имеет глаза и обычно не имеет спиральной организации более мощных тропических циклонов. Обычно тропические депрессии не получают собственных имен, исключением являются тропические депрессии, формирующиеся в зоне ответственности Филиппин.

Тропический шторм

«Тропическим штормом» называется организованная циклонная система с чётко выраженной приповерхностной циркуляцией и максимальными постоянными ветрами между 17 м/с (33 узла) и 32 м/с (63 узла). Обычно эти тропические циклоны развивают выразительную спиральную форму, хотя глаз часто всё ещё не образуется. Начиная с этого уровня, тропические циклоны получают собственные имена в зависимости от страны, в зоне ответственности которой тропический циклон достигает такой силы.

Циклоны высшей силы

Наивысшей категорией классификации тропических циклонов является «ураган» или «тайфун» (часть классификаций при этом сохраняют названия «циклонный шторм» или «тропический циклон»), что характеризуется постоянными ветрами от 33 м/с (64 узла) (тайфуны с постоянными ветрами со скоростью более 67 м/с, или 130 узлов, также называются «супертайфунами» Объединенным центром предупреждения о тайфунах). Тропический циклон такой силы обычно развивает четко выраженныйглаз в центре циркуляции, который можно увидеть на спутниковых снимках как относительно небольшое круглое пятно, свободное от облаков. Стена глаза этих циклонов составляет от 16 до 80 км в ширину и характеризуется ветрами, что по оценкам могут доходить примерно до 85 м/с (165 узлов).

Наименование тропических циклонов

Для различения многих тропических циклонов, которые могут существовать одновременно и активно двигаться, те из них, которые достигают силы тропического шторма, получают имена собственные. В большинстве случаев имя тропического циклона остаётся на все время его существования, однако в особых случаях их переименовывают, пока они всё ещё сохраняют активность.

Имена тропическим циклонам даются из официальных списков, которые отличаются в зависимости от региона и составляются заранее. Эти списки составляются или комитетами Всемирной метеорологической организации, или национальными метеорологическими организациями, которые занимаются наблюдением за тропическими циклонами. Имена наиболее разрушительных тропических циклонов становятся закреплёнными и выводятся из обращения, а им на замену вводятся новые.

В дополнение, в некоторых странах существует числовая или кодовая классификация тропических циклонов. Например в Японии циклон имеет номер, под которым он появился на протяжении сезона, например яп. 台風第9号 — «тайфун номер 9».