Цикл замены глазных стенок

редактировать
Ураган Джульетта, редкий случай тройных глазных стенок.

Циклы замены глазных стенок, также называемые концентрические циклы глазных стенок, естественным образом возникают в интенсивных тропических циклонах, обычно с ветрами более 185 км / ч (115 миль / ч), или при сильных ураганах (Категория 3 или выше). Когда тропические циклоны достигают такой интенсивности, и глазная стенка сжимается или становится уже достаточно маленькой, некоторые внешние полосы дождя могут укрепиться и организовать грозовое кольцо - внешнюю стенку глаз, которая медленно движется внутрь и забирает внутреннюю глазную стенку необходимой влаги и угловой момент. Так как самые сильные ветры находятся в очковой стенке циклона, тропический циклон обычно ослабевает в течение этой фазы, поскольку внутренняя стенка «задыхается» внешней стенкой. В конце концов, внешняя стена глаза полностью заменяет внутреннюю, и шторм может снова усилиться.

Открытие этого процесса частично повлияло на конец эксперимента правительства США по модификации урагана Project Stormfury. Этот проект направлен на семенные облака за пределами стены глаза, по-видимому, вызывая формирование новой стены и ослабляя шторм. Когда было обнаружено, что это естественный процесс из-за динамики урагана, проект был быстро заброшен.

Почти каждый сильный ураган претерпевает хотя бы один из этих циклов за время своего существования. Недавние исследования показали, что почти половина всех тропических циклонов и почти все циклоны с устойчивыми ветрами более 204 километров в час (127 миль в час; 110 узлов) претерпевают циклы замены стенок глаз. Ураган Аллен в 1980 году повторился циклы замены стенок глаз, несколько раз меняющиеся между категориями 5 и 4 по шкале ураганов Саффира-Симпсона. Июньский тайфун (1975) был первым зарегистрированным случаем тройного поражения глаз, и ураган Джульетта (2001) был задокументированным случаем.

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Project Stormfury
  • 2 Формирование вторичной стенки глаза
    • 2.1 Идентификация
    • 2.2 Гипотезы раннего образования
    • 2.3 Гипотеза вихревой волны Россби
    • 2.4 Гипотеза осесимметризации β-юбки
  • 3 Гибель внутренней стенки глаза
  • 4 Эволюция кольцевого урагана
  • 5 Ссылки
  • 6 Дополнительная литература
    • 6.1 Книги
    • 6.2 Веб-страницы
    • 6.3 Журнальные статьи

История

Фото экипажа и персонала 1966 г. проекта "Ярость бури".

Первой тропической системой, которую можно было наблюдать с концентрическими глазами, был Тайфун Сара Фортнером в 1956 году, который он описал как «глаз в глазу». По наблюдениям разведывательного самолета, шторм имел внутреннюю стенку глаз на расстоянии 6 километров (3,7 миль) и внешнюю стену глаз на расстоянии 28 километров (17 миль). Во время последующего полета через 8 часов внутренняя стена глаза исчезла, внешняя стена глаза уменьшилась до 16 километров (9,9 миль), а максимальная сила ветра и ураганов уменьшилась. Следующим ураганом, у которого наблюдались концентрические очертания глаз, был Ураган Донна в 1960 году. Радар разведывательного самолета показал внутренний глаз, который варьировался от 10 миль (16 км) на малой высоте до 13 миль (21 км) вблизи тропопаузы.. Между двумя стенами глаз находилась область чистого неба, которая простиралась по вертикали от 3 000 футов (910 м) до 25 000 футов (7600 м). Облака низкого уровня на высоте около 3000 футов (910 м) были описаны как слоисто-кучевые облака с концентрическими горизонтальными валиками. Сообщалось, что внешняя стена глаза достигала высоты около 45 000 футов (14 000 м), в то время как внутренняя стена простиралась только до 30 000 футов (9 100 м). Через 12 часов после определения концентрических глазных стенок внутренняя глазная стенка рассеялась.

Ураган Беула в 1967 году стал первым тропическим циклоном, в котором цикл замены глазных стенок наблюдался от начала до конца. Предыдущие наблюдения концентрических глазных стенок проводились с авиационных платформ. За Беулой наблюдали с наземного радара Пуэрто-Рико в течение 34 часов, в течение которых образовалась и рассеялась двойная стена для глаз. Было отмечено, что Беула достигла максимальной интенсивности непосредственно перед прохождением цикла замены глазных стенок, и что это «вероятно, больше, чем совпадение». Предыдущие циклы замены глазных стенок снижали интенсивность шторма, но в то время динамика того, почему он произошла, была неизвестна.

Еще в 1946 году было известно, что введение углерода диоксид льда или йодид серебра в облака, содержащие переохлажденную воду, преобразовали бы часть капель в лед с последующим процессом Бержерона – Финдейзена роста частиц льда за счет капель, вода из которых превратилась бы в большие частицы льда. Увеличение количества осадков приведет к рассеянию шторма. К началу 1960 года рабочая теория заключалась в том, что ураган был стеной глаза и что в облаках было большое количество переохлажденной воды. Следовательно, засев шторма за пределами стены глаза высвободит больше скрытого тепла и вызовет расширение стены глаза. Расширение стены глаза будет сопровождаться уменьшением максимальной скорости ветра за счет сохранения углового момента.

Project Stormfury

Project Stormfury был попыткой ослабить тропические циклоны налетев на них самолетом и засевая йодидом серебра. Проект осуществлялся правительством США с 1962 по 1983 год.

Гипотеза заключалась в том, что йодид серебра может вызвать замерзание переохлажденной воды во время шторма, что нарушит внутренняя структура урагана. Это привело к посеву нескольких ураганов в Атлантике. Однако позже было показано, что эта гипотеза неверна. На самом деле, как было установлено, большинство ураганов не содержат достаточно переохлажденной воды для эффективного засева облаков. Кроме того, исследователи обнаружили, что незасеянные ураганы часто подвергаются циклам замены глазных стенок, которые ожидались от засеянных ураганов. Это открытие поставило под сомнение успехи Stormfury, поскольку изменения, о которых теперь сообщалось, имели естественное объяснение.

Последний экспериментальный полет был совершен в 1971 году из-за отсутствия возможных штормов и смены NOAA Русский флот. Спустя более чем десять лет после последнего эксперимента по модификации Project Stormfury был официально отменен. Несмотря на неудачу в достижении своей цели по снижению разрушительной силы ураганов, Project Stormfury не был лишен достоинств. Данные наблюдений и исследования жизненного цикла шторма, созданные с помощью Stormfury, помогли метеорологам прогнозировать движение и интенсивность будущих ураганов.

Вторичное образование глазных стенок

Изображения из тропических дождей Измерительная миссия показывает начало цикла замены глазных стенок в урагане Фрэнсис.

Вторичное образование глазных стенок когда-то считалось редким явлением. С момента появления самолетов-разведчиков и спутниковых микроволновых данных было замечено, что более чем у половины всех крупных тропических циклонов возникает по крайней мере одна вторичная стена глаза. Существует множество гипотез, которые пытаются объяснить образование вторичных глазных стенок. Причина, по которой у ураганов возникают вторичные глаза, не совсем понятна.

Идентификация

Аналитику ураганов легко сделать качественную идентификацию вторичных глазных стенок. Он включает в себя просмотр спутниковых или радиолокационных изображений и определение наличия двух концентрических колец повышенной конвекции. Наружная стенка глаза обычно почти круглая и концентрична с внутренней стенкой глаза. Количественный анализ сложнее, поскольку не существует объективного определения того, что такое вторичная стенка глаза. Косин и др.. указали, что внешнее кольцо должно быть заметно отделено от внутреннего глаза, по крайней мере, на 75% закрыто областью рва, свободной от облаков.

В то время как вторичные стенки глаз были замечены как тропический циклон. приближаясь к суше, никто не наблюдался, пока глаз не находился над океаном. Июль предлагает лучшие фоновые условия окружающей среды для развития вторичной стенки глаза. Изменения интенсивности сильных ураганов, таких как «Катрина», «Офелия» и «Рита», происходили одновременно с циклами замены глазных стенок и включали взаимодействие между глазными стенками, полосами дождя и внешней средой. Циклы замены стенок глаз, такие как произошедшие в Рите, когда она приближалась к побережью Мексиканского залива в Соединенных Штатах, могут значительно увеличить размер тропических циклонов при одновременном снижении их силы.

В период с 1997–2006 гг. 45 циклов замены глазных стенок наблюдались в тропической части северной части Атлантического океана, 12 - в восточной части северной части Тихого океана и 2 - в западной части северной части Тихого океана. 12% всех штормов в Атлантике и 5% штормов в Тихом океане подверглись замене стенок глаз за этот период времени. В Северной Атлантике у 70% крупных ураганов была по крайней мере одна замена стенок глаз, по сравнению с 33% всех штормов. В Тихом океане 33% крупных ураганов и 16% всех ураганов имели цикл замены стенок глаз. Более сильные штормы имеют более высокую вероятность образования вторичной стенки глаза, при этом 60% ураганов категории 5 проходят цикл замены стенки глаза в течение 12 часов.

В течение 1969-1971 годов 93 шторма достигли силы тропических штормов или больше в тихий океан. 8 из 15 штормов достигли силы тайфуна (65 м / с), 11 из 49 штормов достигли силы тайфуна (33 м / с), и ни один из 29 тропических штормов (<33 m/s) developed concentric eyewalls. The authors note that because the reconnaissance aircraft were not specifically looking for double eyewall features, these numbers are likely underestimates.

В течение 1949-1983 гг. В западной части Тихого океана наблюдалось 1268 тайфунов. 76 из них имели концентрические стенки глаз. Из всех тайфунов, которые подверглись замене глазных стенок, около 60% сделали это только один раз; 40% имели более одного цикла замены глазных стенок, причем два тайфуна пережили каждый из них. пять замен глазных стенок. Количество штормов с циклами замены глазных стенок сильно коррелировало с силой шторма. Более сильные тайфуны имели гораздо более высокую вероятность иметь концентрические глаза. Не было случаев двойных глазных стенок, когда максимальный устойчивый ветер был менее 45 м. / с, или минимальное давление было выше 970 гПа. Более трех четвертей тайфунов с давлением ниже 970 гПа имели двойные глаза. Большинство тайфунов в Западной и Центральной части Тихого океана испытывают двойные глаза. Это происходит в окрестностях Гуама.

Гипотезы раннего образования

Концентрические стенки глаз, наблюдаемые на Тайфуне Хайма, когда он движется на запад через Тихий океан.

Поскольку циклы замены глазных стенок были было обнаружено, что они являются естественными, был большой интерес попытаться определить, что их вызывает. Было выдвинуто множество гипотез, от которых сейчас отказались. В 1980 году ураган «Аллен» пересек горный регион Гаити и одновременно образовал вторичную стену глаз. Хокинс отметил это и предположил, что вторичная стенка глаза могла быть вызвана топографическим воздействием. Уиллоуби предположил, что резонанс между инерционным периодом и асимметричным трением может быть причиной вторичных глазных стенок. Более поздние модельные исследования и наблюдения показали, что внешние глаза могут образовываться в районах, не подверженных влиянию наземных процессов.

Было много гипотез, предполагающих связь между особенностями синоптической шкалы и вторичной заменой глазных стенок. Было замечено, что радиально идущие внутрь волноподобные возмущения предшествовали быстрому развитию тропических возмущений в тропические циклоны. Была выдвинута гипотеза, что внутреннее воздействие синоптической шкалы могло привести к вторичной стенке глаз. Быстрое углубление тропической депрессии в связи с воздействием синоптического масштаба наблюдалось во время нескольких штормов, но было показано, что это не является необходимым условием для образования вторичной стены глаза. поверхностный теплообмен, вызванный ветром (WISHE), представляет собой механизм положительной обратной связи между океаном и атмосферой, в котором более сильный поток тепла от океана к атмосфере приводит к усилению атмосферной циркуляции, что приводит к сильному тепловому потоку. WISHE был предложен как метод создания вторичных глазных стенок. Более поздние работы показали, что хотя WISHE является необходимым условием для усиления возмущений, его не нужно генерировать.

Гипотеза вихревой волны Россби

В гипотезе вихревой волны Россби волны распространяются радиально. наружу от внутреннего вихря. Волны усиливают угловой момент на радиусе, который зависит от радиальной скорости, совпадающей с радиальной скоростью внешнего потока. В этот момент они синхронизированы по фазе и позволяют объединению волн образовывать вторичную стену глаза.

Гипотеза осесимметризации β-юбки

В жидкостной системе β (бета) пространственное, обычно горизонтальное, изменение вертикальной завихренности окружающей среды. β максимизируется в зоне действия тропического циклона. Осесимметризация β-юбки (BSA) предполагает, что у тропического циклона, который собирается развить вторичный глаз, будет уменьшающееся, но неотрицательное β, которое простирается от стены глаза примерно на 50 километров (30 миль) до 100 километров (60 миль) от глаза. В этой области есть небольшой, но важный β. Эта область называется β-юбкой. Снаружи от юбки β фактически равно нулю.

Конвективная доступная потенциальная энергия (CAPE) - это количество энергии, которое могла бы иметь воздушный шарик, если бы его подняли на определенное расстояние вертикально через атмосферу. Чем выше CAPE, тем больше вероятность возникновения конвекции. Если в β-юбке существуют области с высоким CAPE, образующаяся глубокая конвекция будет действовать как источник завихренности и кинетической энергии турбулентности. Эта мелкомасштабная энергия превратится в струю вокруг шторма. Струя низкого уровня фокусирует стохастическую энергию в почти осесимметричное кольцо вокруг глаза. Как только эта низкоуровневая струя формируется, цикл положительной обратной связи, такой как WISHE, может усилить начальные возмущения во вторичную стену глаза.

Смерть внутренней стены глаза

Ураган profile.svg

После вторичной стены глаза полностью окружает внутреннюю стенку глаза, это начинает влиять на динамику тропического циклона. Ураганы вызваны высокой температурой океана. Температура поверхности моря непосредственно под тропическим циклоном может быть на несколько градусов ниже, чем на периферии шторма, и поэтому циклоны зависят от получения энергии из океана от ветров, набирающих силу внутрь. Когда формируется внешняя стенка глаза, влага и угловой момент, необходимые для поддержания внутренней стенки глаза, теперь используются для поддержания внешней стенки глаза, в результате чего внутренний глаз ослабевает и рассеивается, оставляя тропический циклон с одним глазом, который больше в диаметр, чем предыдущий глаз.

Микроволны Cyclone Phailin, открывающие ров между внутренней и внешней стенками глаз.

В области рва между внутренней и внешней стеной глаза наблюдения с помощью капсюльных зондов показали высокие температуры и понижения точки росы. Стенка сжимается из-за инерционной нестабильности. Сужение стенки глаза происходит, если область конвекции находится вне радиуса максимальных ветров. После того, как образуется внешняя стенка глаза, оседание в области рва быстро увеличивается.

Когда внутренняя стенка глаза рассеивается, шторм ослабевает; центральное давление увеличивается, а максимальная устойчивая скорость ветра уменьшается. Быстрые изменения интенсивности тропических циклонов - типичная характеристика циклов смены стенок глаз. По сравнению с процессами, связанными с формированием вторичной стенки глаза, смерть внутренней стенки глаза достаточно хорошо изучена.

Некоторые тропические циклоны с чрезвычайно большими внешними стенками глаза не испытывают сокращения внешнего глаза и последующего рассеивания внутреннего глаза. Тайфун Винни (1997) развил внешнюю стенку глаза диаметром 200 морских миль (370 км), которая не рассеивалась, пока не достигала береговой линии. Время, необходимое для схлопывания стенки глаза, обратно пропорционально диаметру стенки глаза, что в основном связано с тем, что направленный внутрь ветер асимптотически уменьшается до нуля с расстоянием от радиуса максимальных ветров, а также из-за расстояния, необходимого для разрушения стены глаза. 51>

По всему вертикальному слою рва нисходящий сухой воздух. Динамика области рва подобна глазу, в то время как внешняя стенка глаза принимает динамику первичной стенки глаза. Вертикальная структура глаза состоит из двух слоев. Самый большой слой - это слой от верха тропопаузы до покрывающего слоя около 700 гПа, который описывается нисходящим потоком теплого воздуха. Ниже покровного слоя воздух влажный, имеет конвекцию с наличием слоисто-кучевых облаков. Ров постепенно приобретает характеристики глаза, из-за чего внутренняя стенка глаза может только рассеиваться в силе, поскольку большая часть притока теперь используется для поддержания внешней стенки глаза. Внутренний глаз в конечном итоге испаряется, поскольку он нагревается окружающим сухим воздухом во рву и глазу. Модели и наблюдения показывают, что как только внешняя стенка глаза полностью окружает внутренний глаз, для полного рассеивания внутренней стенки глаза требуется менее 12 часов. Внутренняя стенка глаза в основном питается влажным воздухом в нижней части глаза перед испарением.

Эволюция в кольцевой ураган

Кольцевые ураганы имеют одну стенку глаза, которая больше и симметрична по кругу. Наблюдения показывают, что цикл замены стенок глаз может привести к развитию кольцевого урагана. Хотя некоторые ураганы превращаются в кольцевые ураганы без замены глазных стенок, была выдвинута гипотеза, что динамика, приводящая к образованию вторичной глазной стенки, может быть аналогична динамике, необходимой для развития кольцевого глаза. Ураган Дэниел (2006) и Тайфун Винни (1997) были примерами, когда у шторма был цикл замены глазных стенок, а затем он превратился в кольцевой ураган. Были смоделированы кольцевые ураганы, которые прошли жизненный цикл замены глазных стенок. Моделирование показывает, что основные полосы дождя будут расти так, что рукава будут перекрываться, а затем они закручиваются в себя, образуя концентрическую стену для глаз. Внутренняя стена глаза рассеивается, оставляя ураган с необычным большим глазом без дождевых полос.

Ссылки

Дополнительная литература

Книги

Веб-страницы

Журнальные статьи

Последняя правка сделана 2021-05-19 10:31:05
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте