В метеорологии циклы замены стенок глаз , также называемые циклами концентрических стенок глаз , естественным образом возникают в интенсивных тропических циклонах , обычно при скорости ветра более 185 км/ч (115 миль в час), или при сильных ураганах ( Категория 3 или выше). Когда тропические циклоны достигают такой интенсивности, а стенки глаза уже малы, некоторые из внешних полос дождя могут усилиться и организоваться в кольцо гроз – новую внешнюю стену глаза – которая медленно движется внутрь и лишает первоначальную, внутреннюю стену глаза ее необходимой влажность и угловой момент . Поскольку самые сильные ветры дуют в стенке глаза тропического циклона , на этой фазе шторм обычно ослабевает, поскольку внутренняя стена «заглушается» внешней стеной. В конце концов внешняя стенка глаза полностью заменяет внутреннюю, и шторм может вновь усилиться. [1]
Открытие этого процесса частично стало причиной окончания эксперимента правительства США по модификации ураганов Project Stormfury . Целью этого проекта было посеять облака за пределами стены глаза, что, по-видимому, привело к образованию новой стены глаза и ослаблению шторма. Когда выяснилось, что это естественный процесс, вызванный динамикой ураганов , от проекта быстро отказались. [2]
Почти каждый сильный ураган за время своего существования претерпевает хотя бы один из этих циклов. Недавние исследования показали, что почти половина всех тропических циклонов и почти все циклоны с продолжительным ветром более 204 километров в час (127 миль в час; 110 узлов) подвергаются циклам замены глазных стенок. [3] Ураган Аллен в 1980 году претерпел неоднократные циклы замены стенок глаза, несколько раз меняя статус между категорией 5 и категорией 4 по шкале ураганов Саффира-Симпсона . Тайфун в июне (1975 г.) был первым зарегистрированным случаем тройных стенок глаз, [4] и ураганы Джульетта и Ирис (2001 г.) были задокументированы такими случаями. [5] [6]
Первой тропической системой, которую наблюдали с помощью концентрических стенок глаз, был тайфун Сара Фортнера в 1956 году, который он описал как «око в глазу». [7] Шторм наблюдался с самолета-разведчика: внутренняя стена глаза находилась на расстоянии 6 километров (3,7 миль), а внешняя стена глаза - на расстоянии 28 километров (17 миль). Во время последующего полета, 8 часов спустя, внутренняя стена глаза исчезла, внешняя стена глаза уменьшилась до 16 километров (9,9 миль), а максимальные устойчивые ветры и интенсивность урагана уменьшились. [7] Следующим ураганом с концентрическими стенками глаз был ураган Донна в 1960 году. [8] Радар разведывательного самолета показал внутренний глаз, дальность которого варьировалась от 10 миль (16 км) на малой высоте до 13 миль (21 км) вблизи тропопаузы. . Между двумя стенами глаз находилась область ясного неба, простиравшаяся по вертикали от 3000 футов (910 м) до 25 000 футов (7600 м). Облака низкого уровня на высоте около 3000 футов (910 м) были описаны как слоисто-кучевые с концентрическими горизонтальными рулонами. Сообщается, что внешняя стена глаза достигает высоты около 45 000 футов (14 000 м), тогда как внутренняя стена глаза простирается только до 30 000 футов (9 100 м). Через 12 часов после обнаружения концентрических стенок глаза внутренняя стенка глаза рассеялась. [8]
Ураган Беула в 1967 году был первым тропическим циклоном, цикл замены глазных стенок которого наблюдался от начала до конца. [9] Предыдущие наблюдения концентрических стенок глаз были сделаны с авиационных платформ. За Беулой наблюдали с наземного радара Пуэрто-Рико в течение 34 часов, в течение которых образовалась и исчезла двойная стена глаза. Было отмечено, что Беула достигла максимальной интенсивности непосредственно перед циклом замены глазной стенки, и что это «вероятно, было больше, чем просто совпадение». [9] Предыдущие циклы замены стенок глаз, как наблюдалось, уменьшали интенсивность шторма, [7] но в настоящее время динамика того, почему это произошло, не была известна. [ нужна цитата ]
Еще в 1946 году было известно, что введение льда из углекислого газа или йодида серебра в облака, содержащие переохлажденную воду, преобразует часть капель в лед с последующим процессом Бержерона-Финдейзена роста частиц льда за счет капель. , вся вода в котором превратилась бы в крупные частицы льда. Увеличение количества осадков приведет к прекращению шторма. [10] К началу 1960 года рабочая теория заключалась в том, что стена урагана была инерционно нестабильной и что в облаках было большое количество переохлажденной воды. Следовательно, если посеять бурю за пределами стенки глаза, то высвободится больше скрытого тепла и заставит стенку глаза расшириться. Расширение стенки глаза будет сопровождаться уменьшением максимальной скорости ветра за счет сохранения углового момента . [10]
Проект «Ярость Бури» представлял собой попытку ослабить тропические циклоны путем запуска в них самолетов и засева йодидом серебра . Проект осуществлялся правительством США с 1962 по 1983 год. [11]
Гипотеза заключалась в том, что йодид серебра вызовет замерзание переохлажденной воды во время урагана, нарушив внутреннюю структуру урагана. Это привело к возникновению нескольких ураганов в Атлантике. Однако позже было показано, что эта гипотеза неверна. [10] На самом деле, как было установлено, большинство ураганов не содержат достаточного количества переохлажденной воды, чтобы засев облаков был эффективным. Кроме того, исследователи обнаружили, что ураганы без затравки часто проходят циклы замены глазных стенок, которые ожидались от ураганов с затравкой. Это открытие поставило под сомнение успехи Stormfury, поскольку сообщаемые изменения теперь имели естественное объяснение. [11]
Последний экспериментальный полет был совершен в 1971 году из-за отсутствия возможных штормов и смены флота NOAA . Спустя более десяти лет после последнего эксперимента по модификации проект «Ярость Бури» был официально закрыт. Хотя проект «Ярость Бури» потерпел неудачу в достижении своей цели по уменьшению разрушительной силы ураганов, он не лишен достоинств. Данные наблюдений и исследования жизненного цикла штормов, полученные с помощью Stormfury, помогли улучшить способность метеорологов прогнозировать движение и интенсивность будущих ураганов. [10]
Аналитику ураганов несложно качественно идентифицировать вторичные стенки глаз. Он включает просмотр спутниковых или радиолокационных изображений и выяснение наличия двух концентрических колец усиленной конвекции. Внешняя стенка глаза обычно почти круглая и концентрична внутренней стенке глаза. Количественный анализ сложнее, поскольку не существует объективного определения того, что такое вторичная стенка глаза. Коссин и др. уточнил, что внешнее кольцо должно быть визуально отделено от внутреннего глаза, закрыто не менее чем на 75%, а область рва свободна от облаков. [12]
Хотя вторичные стенки глаз были замечены, когда тропический циклон приближался к суше, ни один из них не наблюдался, пока глаз не находился над океаном. Изменения интенсивности сильных ураганов, таких как Катрина, Офелия и Рита, происходили одновременно с циклами замены стенок глаз и включали взаимодействие между стенками глаз, полосами дождя и внешней средой. [12] [13] Циклы замены глазных стенок, например, произошедшие в Рите, когда она приближалась к побережью Мексиканского залива в Соединенных Штатах , могут значительно увеличить размер тропических циклонов, одновременно уменьшая их силу. [14]
В период с 1997 по 2006 г. в тропической части северной части Атлантического океана наблюдалось 45 циклов замены глазных стенок, 12 — в восточной части северной части Тихого океана и 2 — в западной части северной части Тихого океана. За этот период времени 12% всех штормов в Атлантике и 5% штормов в Тихом океане подверглись замене стенок глаз. В Северной Атлантике 70% крупных ураганов имели по крайней мере одну замену глазной стенки по сравнению с 33% всех ураганов. В Тихом океане 33% крупных ураганов и 16% всех ураганов имели цикл замены глазных стенок. Более сильные штормы имеют более высокую вероятность образования вторичной стенки глаза: 60% ураганов категории 5 проходят цикл замены стенки глаза в течение 12 часов. [12]
В период с 1969 по 1971 год в Тихом океане 93 шторма достигли силы тропического шторма или даже больше. 8 из 15 штормов, достигших силы супертайфуна (65 м/с), 11 из 49 штормов, достигших силы тайфуна (33 м/с), и ни один из 29 тропических штормов (<33 м/с) не развили концентрические стенки глаз. Авторы отмечают, что, поскольку самолеты-разведчики специально не искали особенности двойных стенок глаз, эти цифры, вероятно, занижены. [3]
В течение 1949-1983 годов в западной части Тихого океана наблюдалось 1268 тайфунов. У 76 из них стенки глаз были концентрическими. Из всех тайфунов, подвергшихся замене глазных стенок, около 60% сделали это только один раз; У 40% было более одного цикла замены глазных стенок, при этом в каждом из двух тайфунов было по пять замен глазных стенок. Количество штормов с циклами замены стенок глаз сильно коррелировало с силой шторма. Более сильные тайфуны с гораздо большей вероятностью имели концентрические стенки глаз. Не было случаев двойных стенок, когда максимальная устойчивая скорость ветра составляла менее 45 м/с или минимальное давление превышало 970 гПа. Более трех четвертей тайфунов с давлением ниже 970 гПа развили двойную стенку глаза. Большинство тайфунов в западной и центральной части Тихого океана, которые имеют двойные стенки, происходят в окрестностях Гуама. [4]
Образование более чем одной вторичной глазной стенки одновременно — редкое явление; две вторичные стенки глаза и первичная стенка глаза называются тройными стенками глаза . Тайфун в июне (1975 г.) был первым зарегистрированным случаем тройных стенок глаз, [4] и ураганы Джульетта и Ирис (2001 г.) были задокументированы такими случаями. [5] [15]
Вторичные стенки глаз когда-то считались редким явлением. С момента появления самолетов-разведчиков и данных микроволновых спутников было замечено, что более половины всех крупных тропических циклонов имеют по крайней мере одну вторичную глазную стенку. [3] [16] Было много гипотез, которые пытались объяснить образование вторичных стенок глаза. Причина, по которой у ураганов образуются вторичные стенки глаз, не совсем понятна. [17]
Поскольку было обнаружено, что циклы замены глазной стенки естественны, возник большой интерес к попытке определить, что их вызывает. Было выдвинуто множество гипотез, от которых сейчас отказались. В 1980 году ураган Аллен пересек горный район Гаити и одновременно образовал вторичную стену глаза. Хокинс отметил это и предположил, что вторичная стенка глаза могла возникнуть в результате топографического воздействия. [18] Уиллоуби предположил, что резонанс между периодом инерции и асимметричным трением может быть причиной вторичных стенок глаз. [19] Более поздние исследования и наблюдения с моделированием показали, что внешние стенки глаз могут развиваться в районах, не подверженных влиянию наземных процессов.
Было много гипотез, предполагающих связь между особенностями синоптического масштаба и вторичной заменой глазных стенок. Было замечено, что радиально направленные внутрь волнообразные возмущения предшествовали быстрому развитию тропических возмущений в тропические циклоны. Была выдвинута гипотеза, что это внутреннее воздействие синоптического масштаба может привести к образованию вторичной стенки глаза. [20] Быстрое углубление тропического минимума в связи с воздействием синоптического масштаба наблюдалось во время многочисленных штормов, [21] но было показано, что оно не является необходимым условием для формирования вторичной стенки глаза. [17] Вызванный ветром поверхностный теплообмен (WISHE) представляет собой механизм положительной обратной связи между океаном и атмосферой, при котором более сильный тепловой поток из океана в атмосферу приводит к более сильной атмосферной циркуляции, что приводит к сильному тепловому потоку. [22] WISHE был предложен как метод создания вторичных стенок глаз. [23] Более поздние работы показали, что, хотя ЖЕЛАНИЕ является необходимым условием для усиления возмущений, оно не требуется для их создания. [17]
В гипотезе вихревой волны Россби волны распространяются радиально наружу от внутреннего вихря. Волны усиливают угловой момент на радиусе, который зависит от радиальной скорости, совпадающей со скоростью внешнего потока. В этот момент они синхронизированы по фазе и позволяют слиянию волн сформировать вторичную стенку глаза. [13] [24]
В жидкой системе β (бета) — это пространственное, обычно горизонтальное, изменение вертикальной завихренности окружающей среды. β максимизируется в стенке глаза тропического циклона. Осевая симметризация β-юбки (BSA) предполагает, что тропический циклон, который вот-вот разовьет вторичный глаз, будет иметь уменьшающееся, но неотрицательное β, которое простирается от стенки глаза примерно на расстояние от 50 до 100 километров (60 миль) от стенки глаза. стенка глаза. В этой области есть небольшой, но важный β. Эта область называется β-юбкой. За пределами юбки β фактически равен нулю. [17]
Доступная конвективная потенциальная энергия (CAPE) — это количество энергии, которое получил бы пакет воздуха, если бы его подняли на определенное расстояние вертикально через атмосферу. Чем выше CAPE, тем больше вероятность конвекции. Если в β-юбке существуют области с высоким CAPE, образующаяся глубокая конвекция будет действовать как источник завихренности и кинетической энергии турбулентности . Эта небольшая энергия будет преобразована в струю вокруг шторма. Струя низкого уровня фокусирует стохастическую энергию в почти осесимметричном кольце вокруг глаза. Как только эта струя низкого уровня образуется, цикл положительной обратной связи, такой как WISHE, может усилить первоначальные возмущения во вторичной стенке глаза. [17] [25]
После того, как вторичная стенка глаза полностью окружает внутреннюю стенку глаза, она начинает влиять на динамику тропического циклона. Ураганы возникают из-за высокой температуры 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 внутренних спиралевидных ветров. 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 по размеру. диаметр, чем предыдущий глаз.
В области рва между внутренней и внешней стеной глаза наблюдения с помощью сбрасываемых зондов показали высокие температуры и понижение точки росы. Стенка глаза сжимается из-за инерционной нестабильности. [26] Сокращение стенки глаза происходит, если область конвекции находится за пределами радиуса максимального ветра. После формирования внешней стенки глаза оседание в районе рва быстро увеличивается. [27]
Как только внутренняя стена глаза рассеивается, буря ослабевает; центральное давление увеличивается, а максимальная устойчивая скорость ветра уменьшается. Быстрые изменения интенсивности тропических циклонов являются типичной характеристикой циклов замены глазных стенок. [27] По сравнению с процессами, связанными с формированием вторичной стенки глаза, гибель внутренней стенки глаза достаточно хорошо изучена.
Некоторые тропические циклоны с чрезвычайно большими внешними стенками глаз не испытывают сжатия внешнего глаза и последующего рассеивания внутреннего глаза. Тайфун Винни (1997 г.) образовал внешнюю стену диаметром 200 морских миль (370 км), которая не исчезала, пока не достигла береговой линии. [28] Время, необходимое для разрушения стенки глаза, обратно пропорционально диаметру стенки глаза, что главным образом связано с тем, что направленный внутрь ветер асимптотически уменьшается до нуля по мере удаления от радиуса максимального ветра, а также из-за расстояния, необходимого для разрушения стенки глаза. стенка глаза. [26]
На протяжении всего вертикального слоя рва стоит сухой нисходящий воздух. Динамика области рва аналогична динамике глаза, тогда как внешняя стенка глаза повторяет динамику основной стенки глаза. Вертикальная структура глаза состоит из двух слоев. Самый большой слой - это слой от вершины тропопаузы до покрывного слоя высотой около 700 гПа, который описывается нисходящим теплым воздухом. Ниже покрывного слоя воздух влажный, имеет конвекцию с наличием слоисто-кучевых облаков. Ров постепенно приобретает характеристики глаза, из-за чего внутренняя стенка глаза может только рассеивать свою силу, 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 растворения внутренней стенки глаза требуется менее 12 часов. Внутренняя стенка глаза питается в основном влажным воздухом в нижней части глаза, прежде чем испаряется. [13]
Кольцевые ураганы имеют одну стенку глаза, которая больше и имеет круговую симметрию. Наблюдения показывают, что цикл замены глазной стенки может привести к развитию кольцевого урагана. Хотя некоторые ураганы перерастают в кольцевые без замены стенки глаза, было высказано предположение, что динамика, приводящая к образованию вторичной стенки глаза, может быть аналогична динамике, необходимой для развития кольцевого глаза. [12] Тайфун Вутип (2019 г.) и тайфун Винни (1997 г.) были примерами того, как шторм имел цикл замены стенок глаза, а затем превращался в кольцевой тропический циклон. [29] Были смоделированы кольцевые ураганы, прошедшие жизненный цикл замены глазной стенки. Моделирование показывает, что основные дождевые полосы вырастут так, что рукава перекроются, а затем по спирали зайдут в себя, образуя концентрическую стену глаза. Внутренняя стенка глаза рассеивается, оставляя ураган с единственным большим глазом без полос дождя. [30]