Струя -жало — это узкий, транзитный и мезомасштабный воздушный поток, который спускается из средней тропосферы к поверхности в некоторых внетропических циклонах . [1] При наличии струи-жало создают одни из самых сильных ветров на уровне поверхности во внетропических циклонах и могут создавать разрушительные порывы ветра свыше 50 м/с (180 км/ч; 110 миль/ч). [2] [3] [4] Струи-жало недолговечны, длятся порядка часов, [5] а область, подвергающаяся воздействию их сильных ветров, как правило, не шире 100 км (62 мили), что делает их эффекты в значительной степени локализованными. Исследования выявили струи-жало в циклонах средних широт, в основном в северной части Атлантического океана и Западной Европе, хотя они могут возникать и в других местах. Штормы, которые создают струи-жало, как правило, следуют модели Шапиро-Кейзера развития внетропических циклонов. Среди этих штормов струйные вихри, как правило, формируются после наибольшей интенсивности шторма.
Струи-жала были впервые официально идентифицированы в 2004 году Китом Браунингом из Университета Рединга в анализе великого шторма 1987 года , хотя прогнозисты знали о его эффектах по крайней мере с конца 1960-х годов. [6] Струя-жало появляется из конца облачной головы внетропического циклона — крючкообразной области облачности вблизи центра низкого давления — и ускоряется по мере спуска к поверхности. Множественные механизмы, объясняющие, почему образуются струи-жала и почему они ускоряются во время спуска; фронтолиз , высвобождение условной симметричной неустойчивости и испарительное охлаждение часто упоминаются как факторы, влияющие на эволюцию струи-жала. Наличие этих факторов можно использовать для прогнозирования самих струй, поскольку струи-жала слишком малы, чтобы их можно было разрешить с помощью большинства глобальных погодных моделей . Скорость ветров, приносимых струей-жалом на поверхность, зависит от стабильности атмосферы в слое воздуха вблизи поверхности . Струи ветра могут создавать множество областей разрушительного ветра, а один циклон может создавать несколько струй ветра.
Ширина струйных потоков составляет примерно 10–20 км (6–12 миль), а их продолжительность составляет 3–4 часа. [7] Они частично характеризуются своим среднетропосферным происхождением и ускорением нисходящего воздуха и отличаются от низкотропосферных воздушных потоков, сопровождающих холодные и теплые конвейерные ленты внетропических циклонов . [8] [9] Струйные потоки представляют собой один из возможных механизмов, посредством которого сильные ветры могут возникать во внетропических циклонах, не будучи напрямую вызванными атмосферной конвекцией . [10]
Не все циклоны средних широт производят жалящие струи; в большинстве случаев сильные поверхностные ветры, обнаруженные во внетропических циклонах, производятся холодными и теплыми конвейерными лентами. [9] Один анализ показал, что 39–49% самых сильных внетропических циклонов в Северной Атлантике демонстрируют их. [11] Почти треть самых интенсивных штормов, поразивших Соединенное Королевство с 1993 по 2013 год, производили жалящие струи. [12] В пределах Северной Атлантики циклоны, развивающие жалящие струи, как правило, следуют общим штормовым траекториям и возникают к югу от 50° с. ш ., что предполагает потенциальное влияние теплого и влажного воздуха на формирование жалящих струй. [13] [14] Развитие жалящих струй также кажется более вероятным для взрывоопасно усиливающихся штормов. [15] Данные атмосферного реанализа показывают, что жалящие струи чаще встречаются над водой, чем над сушей, [13] но жалящие струи могут развиваться полностью над континентальной сушей. [16] Повышенная влажность , связанная с изменением климата , может усилить атмосферную нестабильность , которая поддерживает развитие струйных вихрей, потенциально увеличивая долю внетропических циклонов с струями-жалами и их интенсивность. [17] [18] [19] Частота экстремальных штормов и струйных вихрей в целом также может увеличиться с изменением климата; [20] одно исследование оценило 60%-ное увеличение возникновения благоприятных условий для развития струйных вихрей над Северной Атлантикой к 2100 году, если предположить RCP8.5 . [21]
Циклоны, создающие жалящие струи, обычно следуют эволюции, предусмотренной моделью Шапиро–Кейзера . [22] В четырехэтапной модели фронтальный перелом – дискретное отделение холодного фронта от центра низкого давления – происходит во время развития внетропического циклона, когда холодный фронт движется перпендикулярно теплому фронту. [23] [6] В штормах Шапиро–Кейзера температурный контраст, изначально связанный с теплым фронтом, окутывает центр низкого давления, образуя загнутый назад фронт по мере того, как циклон достигает своей зрелой стадии; [22] наиболее разрушительные внетропические циклоны демонстрируют эти признаки развития. [24] Крюкообразная голова облака , выровненная с загнутым назад фронтом, характерна для штормов, создающих жалящие струи. [3] Жгучая струя возникает в экваториальном направлении от центра циклона в конце загнутого назад фронта и вблизи кончика головы облака после стадии фронтального перелома модели Шапиро–Кейзера. [22] [3] Это обычно происходит после самого быстрого усиления шторма и до пика его интенсивности. [25] Метеоролог Кит Браунинг из Университета Рединга официально идентифицировал струи-жала в статье, опубликованной в 2004 году, в которой анализировались интенсивные ветры, связанные с Великим штормом октября 1987 года . [26] Его термин «струя-жало» отдает дань уважения новаторской работе норвежских метеорологов середины 20-го века, которые сравнивали область сильных ветров в конце окклюзии с загибом назад во время штормов, поражающих Норвегию, с «ядовитым хвостом» скорпиона . [ 22]
Струи-жала могут привести к прояснению облаков в планетарном пограничном слое, очевидном на спутниковых снимках за верхушкой облачной головы. [2] Неглубокие дугообразные или шевронные слоистообразные облака в сухом слоте внетропического циклона также могут сопровождать струи-жала, [27] и некоторые из этих особенностей облаков могут напрямую влиять на интенсивность струй-жала. [28] Однако для окончательной идентификации струй-жала требуется подтверждение наличия нисходящего воздушного потока, [2] а обнаружение может быть затруднено при обычных метеорологических наблюдениях. [26] Большинство идентификаций струй-жала были получены на основе выходных данных числовых метеорологических моделей . [29] Струи-жала были диагностированы во время нескольких штормовых ветров над восточной частью Северной Атлантики и Западной Европой, включая шторм 1987 года. [30] [31] Исследования струй-жала за пределами северной Атлантики были ограничены, [31] при этом исследования случаев в основном были сосредоточены на европейских штормах, поражающих Британские острова . [16] Тем не менее, наблюдаемые условия, способствующие развитию струйных жал, не являются уникальными для северной части Атлантики. [13] Струи жал могут возникать во время штормовых ветров в северной части Тихого океана, [32] но могут быть менее значимыми для штормовых ветров на северо-западе Тихого океана . [33] Первые воздушные наблюдения за струями жала in situ были проведены во время циклона Фридхельм в 2011 году в рамках полевой кампании Diabatic Influences on Mesoscale Structures in Extratropical Storms (DIAMET). [30]
Струи-жала исходят из головы облака и спускаются в коридор сухого воздуха, связанный с циклонами средних широт. [3] Нисходящий воздух начинается в средних слоях тропосферы, между уровнями давления 600 гПа и 800 гПа . [8] Механизмы, которые вызывают первоначальное падение воздуха и ускорение ветра в струе-жале, не до конца изучены, [1] при этом исследования находят как подтверждающие, так и опровергающие доказательства предлагаемых механизмов. [16] На эти качества струй-жала могут влиять как синоптические , так и мезомасштабные процессы. [31] Струи-жала спускаются из средней тропосферы со скоростью примерно 10 см/с (0,33 фута/с), достигая поверхности в течение нескольких часов. [34] Спуск может быть вызван сильным фронтолизом в экваториальном направлении от центра циклона. [1] Теплый воздух, изначально принесенный в циклон теплой конвейерной лентой, опускается, достигнув фронтолитической области, обеспечивая один из возможных процессов, посредством которых развиваются струи-жала. Эта область фронтолиза, связанная с загнутым назад фронтом, уникальна для штормов Шапиро-Кейзера. [34] Появление полосчатых структур в голове облака, связанных с наклонными циркуляциями с чередующимися областями восходящего и нисходящего воздуха, — возможно, указывающее на высвобождение условной симметричной неустойчивости (CSI) — также может играть прямую роль в развитии струи-жала, при этом воздух опускается в одном из нисходящих потоков головы облака. [35] Наличие нитевидных полос облаков в голове облака, разделенных одной или несколькими безоблачными областями, косвенно указывает на возможное присутствие струй-жала. Метеорологическое бюро использовало появление полос в головах облаков для оперативного прогнозирования струй-жала. [36] Наклонная природа струи-жала также наблюдалась в наблюдениях за профилем ветра . [37] Высвобождение симметричной неустойчивости – формы инерционной неустойчивости, не зависящей от влажности – также может быть связано с образованием струи жала. [38]
Струи жала не получают свою высокую скорость ветра от струйного течения в верхней тропосфере. [39] Вместо этого воздух, связанный с струей жала, изначально имеет меньший импульс в средней тропосфере и ускоряется по мере спуска. [1] Скорость спуска струи жала зависит от нестабильности тропосферы , [40] которая, в свою очередь, может зависеть от локального поведения водяного пара , например, через испарительное охлаждение или высвобождение CSI. [1] Оба эти процесса могут влиять на интенсификацию струи жала на разных фазах. [41] Снижение устойчивости из-за испарительного охлаждения или потоков тепла и влаги с поверхности может привести к более быстрым вертикальным движениям. [2] Вода из ливней, связанных с наклонными восходящими потоками внутри головы облака или из более высоких облаков, может попадать в области спуска, [35] [6] испаряясь и охлаждая воздух по мере того, как струя жала движется в зону сухого фронтального разлома. [42] Испарительное охлаждение может привести к снижению потенциальной температуры и повышению удельной влажности, характерных для воздуха в струях-жалах; [35] повышенная плотность охлажденного воздуха относительно окружающей среды заставляет его опускаться. [7] С другой стороны, ускорение ветров в струе-жалах может быть вызвано тем, что воздух сталкивается с более сильными градиентами давления при спуске и вращении вокруг центра низкого давления , [1] [43] и разрушительные ветры струи-жала могут быть достигнуты без усиления от испарительного охлаждения или высвобождения CSI. [44] В Северном полушарии самые сильные градиенты давления в циклоне Шапиро-Кейзера часто находятся в юго-западной части циклона, где находятся струи-жала. [45]
Воздух, переносимый струей жала, быстро опускается из средней тропосферы. [35] Траектория струи жала следует наклонной траектории постоянной потенциальной температуры влажного термометра . [8] Как только она достигает планетарного пограничного слоя , атмосферная конвекция и турбулентное перемешивание внутри этого слоя приносят высокий импульс, связанный с ускоренным воздушным потоком, к поверхности, создавая интенсивные поверхностные ветры, связанные с струями жала. [35] Степень, в которой воздух струи жала достигает поверхности, зависит от устойчивости пограничного слоя. [31] По сравнению с другими областями в циклонах средних широт, область фронтального разлома, в которую опускаются струи жала, более нейтрально устойчива к конвекции, что позволяет сильным порывам более эффективно достигать поверхности. [46] Дестабилизация воздуха в верхней части пограничного слоя также может вызвать спуск струи жала. [47] Однако устойчивость пограничного слоя может быть достаточно высокой в некоторых случаях, чтобы помешать нисходящей струе жала достичь поверхности. [31] След от струй жала может быть очевиден как локально интенсивная область скоростей поверхностного ветра, хотя такие максимумы могут возникать из-за комбинации как струй жала, так и холодного воздуха, окутывающего область низкого давления ( холодный конвейер ). [2] Хотя струя жала возникает над лентой холодного конвейера, она может опускаться на поверхность перед концом ленты холодного конвейера, создавая отдельную область интенсивных ветров, [5] или усиливать уже существующие ветры в ленте холодного конвейера; [17] оба обстоятельства могут иметь место в течение жизненного цикла циклона. [48] Полоса разрушительных ветров, создаваемых струями жала, уже 100 км (62 мили) в ширину. [46] Несколько струй жала могут одновременно присутствовать внутри циклона, и одна струя жала может создавать несколько максимумов ветра. [30]
Особенности внетропических циклонов, наблюдаемые на спутниковых снимках и приписываемые струям-жалам, очевидны только тогда, когда струи-жала неизбежны или уже происходят. Более долгосрочные прогнозы струй-жала основаны на оценке того, способствуют ли более широкие условия окружающей среды развитию циклона Шапиро-Кейзера. [49] Струи-жала можно воспроизвести в атмосферных моделях , но для разрешения мезомасштабной струи-жала необходимо достаточно высокое пространственное разрешение. [50] Горизонтальное расстояние между ячейками сетки модели должно быть меньше, чем примерно 10–15 км (6,2–9,3 мили), чтобы отобразить струи-жала, а для разрешения локальных деталей необходимы более высокие разрешения. [51] Они могут использоваться прогнозистами; однако масштаб струй-жала близок к пределам разрешения более долгосрочных глобальных численных моделей прогнозирования погоды , что делает ансамблевое прогнозирование с использованием их явного появления в выходных данных глобальной модели непрактичным. [49] Трудности с параметризацией планетарного пограничного слоя также приводят к трудностям с изображением струй в компьютерных моделях. [25]
В качестве прокси для прямого моделирования струйных выбросов взаимосвязь между CSI и струями может быть использована для определения «предвестников струйных выбросов»: свойств циклонов, которые, вероятно, генерируют струи. [49] Потенциал CSI для улучшения спуска струйных выбросов количественно определяется с помощью нисходящей косоугольной конвективной доступной потенциальной энергии (DSCAPE), которая измеряет теоретическую максимальную кинетическую энергию , которую может достичь нисходящая воздушная посылка , оставаясь насыщенной и сохраняя геострофический абсолютный импульс. [52] [a] Метод определения предвестников струйных выбросов в данных с низким разрешением был опубликован в Meteorological Applications в 2013 году, предполагая, что предшественники характеризуются высоким DSCAPE (превышающим 200 Дж кг −1 ) для воздушных посылок, спускающихся из средней тропосферы в зоне фронтального разлома и относительной влажностью менее 80 процентов . [54] На основе этого алгоритма Университет Рединга разработал средство прогнозирования, используемое Метеорологическим бюро, которое выделяет предвестников струйных циклонов на основе наличия достаточно высокого DSCAPE в верхней части облаков моделируемых циклонов. [52]
