Штормовой нагон , штормовое наводнение , приливной нагон или штормовой прилив — это прибрежное наводнение или цунамиподобное явление подъема воды, обычно связанное с погодными системами низкого давления , такими как циклоны . Он измеряется как подъем уровня воды выше нормального приливного уровня и не включает волны. [1]
Основным метеорологическим фактором, способствующим возникновению штормового нагона, является сильный ветер, который на большой скорости гонит воду к побережью . [2] К другим факторам, влияющим на интенсивность штормового нагона, относятся мелководье и ориентация водоема на пути шторма, время приливов и падение атмосферного давления из-за шторма.
Поскольку экстремальные погодные условия становятся более интенсивными, а уровень моря повышается из-за изменения климата , ожидается, что штормовые нагоны будут представлять большую опасность для прибрежного населения. [3] Сообщества и правительства могут адаптироваться , строя жесткую инфраструктуру, такую как барьеры против нагонов , мягкую инфраструктуру, такую как прибрежные дюны или мангровые заросли , улучшая методы строительства в прибрежных районах и разрабатывая социальные стратегии, такие как раннее оповещение, образование и планы эвакуации. [3]
По крайней мере пять процессов могут быть вовлечены в изменение уровня приливов во время штормов. [4]
Ветровые нагрузки вызывают явление, называемое ветровой нагонкой , которая представляет собой тенденцию к повышению уровня воды на подветренном берегу и понижению на подветренном берегу. Интуитивно понятно, что это вызвано штормом, который сдувает воду к одной стороне бассейна в направлении его ветров. Сильные поверхностные ветры вызывают поверхностные течения под углом 45° к направлению ветра, благодаря эффекту, известному как спираль Экмана . Поскольку эффекты спирали Экмана распространяются вертикально по воде, эффект пропорционален глубине. Волна будет загоняться в заливы таким же образом, как и астрономический прилив. [4]
Эффект давления тропического циклона приведет к повышению уровня воды в открытом океане в регионах с низким атмосферным давлением и снижению в регионах с высоким атмосферным давлением. Повышение уровня воды будет противодействовать низкому атмосферному давлению таким образом, что общее давление на некоторой плоскости под поверхностью воды останется постоянным. Этот эффект оценивается в 10 мм (0,39 дюйма) повышения уровня моря на каждый миллибар (гПа) падения атмосферного давления. [4] Например, ожидается, что сильный шторм с падением давления на 100 миллибар вызовет повышение уровня воды на 1,0 м (3,3 фута) из-за эффекта давления.
Вращение Земли вызывает эффект Кориолиса , который изгибает течения вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. Когда этот изгиб приводит течения в более перпендикулярный контакт с берегом, он может усилить волну, а когда он отклоняет течение от берега, он имеет эффект уменьшения волны. [4]
Эффект волн, хотя и напрямую приводимый в движение ветром, отличается от ветровых течений шторма. Мощный ветер поднимает большие, сильные волны в направлении своего движения. [4] Хотя эти поверхностные волны ответственны за очень небольшой перенос воды в открытой воде, они могут быть ответственны за значительный перенос вблизи берега. Когда волны разбиваются по линии, более или менее параллельной пляжу, они переносят значительную часть воды к берегу. Когда они разбиваются, вода, движущаяся к берегу, имеет значительный импульс и может подниматься по наклонному пляжу на высоту над средней линией воды, которая может вдвое превышать высоту волны перед разрушением. [5]
Эффект осадков ощущается преимущественно в эстуариях . Ураганы могут выпадать до 12 дюймов (300 мм) осадков за 24 часа на больших территориях и более высокая плотность осадков в локализованных областях. В результате поверхностный сток может быстро затопить ручьи и реки. Это может повысить уровень воды вблизи вершины приливных эстуариев, поскольку штормовые воды, прибывающие из океана, встречаются с осадками, текущими вниз по течению в эстуарий. [4]
В дополнение к вышеперечисленным процессам, штормовой нагон и высота волн на берегу также зависят от потока воды по подстилающей топографии, т. е. формы и глубины дна океана и прибрежной зоны. Узкий шельф с глубокой водой относительно близко к береговой линии имеет тенденцию производить более низкий нагон, но более высокие и мощные волны. Широкий шельф с более мелкой водой имеет тенденцию производить более высокий штормовой нагон с относительно меньшими волнами. [6]
Например, в Палм-Бич на юго-восточном побережье Флориды глубина воды достигает 91 метра (299 футов) в 3 км (1,9 мили) от берега и 180 м (590 футов) в 7 км (4,3 мили) от берега. Это относительно круто и глубоко; штормовой нагон не такой большой, но волны больше по сравнению с западным побережьем Флориды. [7] И наоборот, на стороне залива Флориды край Флоридского плато может находиться более чем в 160 километрах (99 миль) от берега. Флоридский залив , лежащий между Флоридскими Кис и материком, очень мелкий с глубиной от 0,3 м (0,98 фута) до 2 м (6,6 фута). [8] Эти мелководные районы подвержены более высоким штормовым нагонам с меньшими волнами. Другие мелководные районы включают большую часть побережья Мексиканского залива и Бенгальский залив .
Разница обусловлена тем, на какую площадь потока может рассеяться штормовой нагон. В более глубоких водах площадь больше, и нагон может быть рассеян вниз и в сторону от урагана. На мелководном, пологом шельфе нагон имеет меньше места для рассеивания и вытесняется на берег ветровыми силами урагана. [6]
Топография поверхности земли является еще одним важным элементом в масштабе штормового нагона. Районы, где земля находится менее чем на несколько метров выше уровня моря, подвергаются особому риску затопления штормовым нагоном. [4]
Размер шторма также влияет на высоту волны; это происходит из-за того, что площадь шторма не пропорциональна его периметру. Если диаметр шторма удваивается, его периметр также удваивается, но его площадь учетверяется. Поскольку периметр, по которому должна рассеиваться волна, пропорционально меньше, высота волны в конечном итоге оказывается выше. [9]
Подобно тропическим циклонам, внетропические циклоны вызывают подъем воды в открытом море. Однако, в отличие от большинства штормовых нагонов тропических циклонов, внетропические циклоны могут вызывать более высокие уровни воды на большой площади в течение более длительных периодов времени, в зависимости от системы. [10]
В Северной Америке внетропические штормовые нагоны могут происходить на побережье Тихого океана и Аляски, а также к северу от 31° с.ш. на побережье Атлантического океана. Берега с морским льдом могут испытывать «ледяные цунами», нанося значительный ущерб внутренним районам. [11] Внетропические штормовые нагоны могут быть возможны южнее побережья Мексиканского залива , в основном в зимнее время, когда внетропические циклоны влияют на побережье, как, например, во время Шторма века 1993 года . [12]
9–13 ноября 2009 года произошло значительное внетропическое штормовое нагонное событие на восточном побережье США, когда остатки урагана Ида превратились в северо- восточный шторм у юго-восточного побережья США. Во время события ветры с востока присутствовали вдоль северной периферии центра низкого давления в течение нескольких дней, заставляя воду попадать в такие места, как Чесапикский залив . Уровень воды значительно поднялся и оставался на уровне 8 футов (2,4 м) выше нормы во многих местах по всему Чесапикскому заливу в течение нескольких дней, поскольку вода постоянно накапливалась внутри эстуария из-за ветров с берега и пресноводных дождей, впадающих в залив. Во многих местах уровень воды отставал от рекордных значений всего на 0,1 фута (3 см). [13]
Волну можно измерить непосредственно на прибрежных приливных станциях как разницу между прогнозируемым приливом и наблюдаемым подъемом воды. [14] Другой метод измерения волны заключается в размещении датчиков давления вдоль береговой линии непосредственно перед приближающимся тропическим циклоном. Впервые это было опробовано для урагана Рита в 2005 году. [15] Эти типы датчиков можно размещать в местах, которые будут затоплены, и они могут точно измерять высоту воды над ними. [16]
После того, как волна от циклона отступила, группы геодезистов картируют отметки высокого уровня воды (HWM) на суше в строгом и подробном процессе, который включает фотографии и письменные описания отметок. HWM обозначают местоположение и высоту паводковых вод от штормового события. При анализе HWM, если различные компоненты высоты воды могут быть разбиты так, чтобы можно было определить часть, приписываемую волне, то эта отметка может быть классифицирована как штормовой нагон. В противном случае она классифицируется как штормовой прилив. HWM на суше ссылаются на вертикальную систему отсчета (опорную систему координат). Во время оценки HWM делятся на четыре категории на основе уверенности в отметке; в США только HWM, оцененные как «отличные», используются Национальным центром по ураганам при послештормовом анализе волны. [17]
Для измерения штормовых приливов и штормовых нагонов используются две различные меры. Штормовой прилив измеряется с использованием геодезической вертикальной системы отсчета ( NGVD 29 или NAVD 88 ). Поскольку штормовой нагон определяется как подъем воды сверх того, что можно было бы ожидать при нормальном движении, вызванном приливами, штормовой нагон измеряется с использованием приливных прогнозов, с предположением, что прогноз прилива хорошо известен и только медленно меняется в регионе, подверженном нагону. Поскольку приливы являются локализованным явлением, штормовой нагон можно измерить только относительно близлежащей приливной станции. Информация о приливном эталоне на станции обеспечивает перевод из геодезической вертикальной системы отсчета в средний уровень моря (MSL) в этом месте, затем вычитание приливного прогноза дает высоту нагона выше нормальной высоты воды. [14] [17]
Национальный центр США по ураганам прогнозирует штормовые нагоны с использованием модели SLOSH, которая является аббревиатурой от Sea, Lake and Overland Surges from Hurricanes. Модель имеет точность в пределах 20 процентов. [18] Входные данные SLOSH включают центральное давление тропического циклона, размер шторма, поступательное движение циклона, его траекторию и максимальные устойчивые ветры. Местный рельеф, ориентация залива и реки, глубина морского дна, астрономические приливы, а также другие физические характеристики учитываются в предопределенной сетке, называемой бассейном SLOSH. Перекрывающиеся бассейны SLOSH определяются для южного и восточного побережья континентальной части США [19] Некоторые моделирования штормов используют более одного бассейна SLOSH; например, прогоны модели SLOSH урагана Катрина использовали как бассейн озера Пончартрейн / Новый Орлеан , так и бассейн пролива Миссисипи для выхода на сушу в северной части Мексиканского залива. Окончательный результат работы модели будет отображать максимальный диапазон воды (MEOW), который наблюдался в каждом месте.
Чтобы учесть неопределенности траектории или прогноза, обычно генерируется несколько прогонов модели с различными входными параметрами для создания карты MOM или максимума максимумов. [20] Для исследований эвакуации при ураганах моделируется семейство штормов с репрезентативными траекториями для региона и различной интенсивностью, диаметром глаза и скоростью для получения наихудших значений высоты воды для любого возникновения тропического циклона. Результаты этих исследований обычно генерируются из нескольких тысяч прогонов SLOSH. Эти исследования были выполнены Инженерным корпусом армии США по контракту с Федеральным агентством по управлению в чрезвычайных ситуациях для нескольких штатов и доступны на их веб-сайте исследований эвакуации при ураганах (HES). [21] Они включают карты прибрежных округов, затененные для определения минимальной категории урагана, который приведет к наводнению, в каждой области округа. [22]
Штормовой нагон несет ответственность за значительный ущерб имуществу и гибель людей в циклонах. Штормовой нагон разрушает построенную инфраструктуру, такую как дороги, и подрывает фундаменты и конструкции зданий.
Неожиданные наводнения в эстуариях и прибрежных районах могут застать население врасплох, что приведет к гибели людей. Самым смертоносным штормовым нагоном в истории был циклон Бхола 1970 года .
Кроме того, штормовой нагон может вызывать или преобразовывать используемые человеком земли посредством других процессов, нанося ущерб плодородию почвы , увеличивая проникновение соленой воды , нанося вред среде обитания диких животных и распространяя химические или другие загрязняющие вещества из человеческих хранилищ.
Хотя метеорологические исследования предупреждают об ураганах или сильных штормах, в районах, где риск прибрежных наводнений особенно высок, существуют специальные предупреждения о штормовых нагонах. Они были реализованы, например, в Нидерландах , [ 23] Испании , [24] [25] Соединенных Штатах, [26] [27] и Соединенном Королевстве . [28] Аналогичное обучение прибрежных сообществ и разработка местных планов эвакуации могут снизить относительное воздействие на людей. [ необходима цитата ]
Профилактическим методом, введенным после наводнения в Северном море в 1953 году, является строительство дамб и заграждений от штормовых нагонов ( заграждений от наводнений ). [ требуется ссылка ] Они открыты и обеспечивают свободный проход, но закрываются, когда земля находится под угрозой штормового нагона. Основными заграждениями от штормовых нагонов являются Остершельдекеринг и Маеслантекеринг в Нидерландах, которые являются частью проекта Delta Works ; Темзский барьер, защищающий Лондон ; и Санкт-Петербургская плотина в России .
Еще одной современной разработкой (используемой в Нидерландах) является создание жилых сообществ на окраинах водно-болотных угодий с плавучими конструкциями, удерживаемыми в положении вертикальными пилонами. [29] Такие водно-болотные угодья затем могут использоваться для размещения стока и нагонов, не нанося ущерба конструкциям, а также для защиты обычных конструкций на несколько более высоких низменных отметках, при условии, что дамбы предотвратят вторжение крупных нагонов.
Другие методы мягкой адаптации могут включать изменение конструкций таким образом, чтобы они были приподняты, чтобы избежать прямого затопления, или увеличение естественной защиты, такой как мангровые заросли или дюны . [ необходима ссылка ]
Для материковых территорий штормовой нагон представляет большую угрозу, когда шторм обрушивается на сушу со стороны моря, а не приближается со стороны суши. [30]
Вода также может быть отсосана от берега перед штормовым нагоном. Так было на западном побережье Флориды в 2017 году, как раз перед тем, как ураган Ирма обрушился на сушу, обнажив обычно находящуюся под водой землю. [31] Это явление известно как обратный штормовой нагон , [32] или отрицательный штормовой нагон . [33]
Самым смертоносным штормовым нагоном за всю историю был циклон Бхола 1970 года , в результате которого погибло до 500 000 человек в районе Бенгальского залива . Низменное побережье Бенгальского залива особенно уязвимо для нагонов, вызванных тропическими циклонами. [34] Самый смертоносный штормовой нагон в двадцать первом веке был вызван циклоном Наргис , в результате которого погибло более 138 000 человек в Мьянме в мае 2008 года. Следующим по смертоносности в этом столетии был тайфун Хайян (Йоланда), в результате которого погибло более 6 000 человек в центральных Филиппинах в 2013 году. [35] [36] [37] и привел к экономическим потерям, оцениваемым в 14 миллиардов долларов США. [38]
Ураган Галвестон 1900 года , ураган категории 4 , обрушившийся на Галвестон, штат Техас , вызвал разрушительную волну на побережье; погибло от 6000 до 12000 человек, что сделало его самым смертоносным стихийным бедствием , когда-либо обрушившимся на Соединенные Штаты. [39]
Самый высокий штормовой прилив, отмеченный в исторических записях, был вызван циклоном Махина 1899 года , его высота оценивалась почти в 44 фута (13,41 м) в заливе Батерст , Австралия , но исследование, опубликованное в 2000 году, пришло к выводу, что большая часть этого, вероятно, была вызвана накатом волн из-за крутого прибрежного рельефа. [40] Однако большая часть этого штормового нагона, вероятно, была вызвана чрезвычайной интенсивностью Махины, поскольку компьютерное моделирование требовало интенсивности в 880 миллибар (26 дюймов ртутного столба) (такой же интенсивности, как и самое низкое зарегистрированное давление шторма) для создания зарегистрированного штормового нагона. [41] В Соединенных Штатах один из самых больших зарегистрированных штормовых нагонов был вызван ураганом Катрина 29 августа 2005 года, который вызвал максимальный штормовой нагон более 28 футов (8,53 м) в южной части Миссисипи , с высотой штормового нагона 27,8 футов (8,47 м) в Пасс-Кристиан . [42] [43] Еще один рекордный штормовой нагон произошел в этом же районе из- за урагана Камилла в 1969 году, со штормовым приливом высотой 24,6 фута (7,50 м), также в Пасс Кристиан. [44] Штормовой нагон высотой 14 футов (4,27 м) произошел в Нью-Йорке во время урагана Сэнди в октябре 2012 года. [45]
