НЕОБЫЧНЫЕ СТРУКТУРЫ В ГПЯЗЕ УРвГвНв
Кандидат физико-математических наук А.Э. ПОХИЛ
Тропические циклоны (тайфуны, ураганы) - наиболее разрушительные огромные природные вихри, возникающие в результате процесса энергетического обмена океана и атмосферы. Эти вихри относятся к погодным системам синоптического масштаба с циклоническим вращением воздуха на нижних уровнях атмосферы и антициклоническим вращением в верхних слоях, возникающим в тропических широтах Мирового океана в течение всего года. Тропические циклоны (ТЦ) служат мощным механизмом переноса из низких широт в высокие.
В отличие от циклонов умеренных широт, ТЦ характеризуются наличием в их центральной части зоны исключительно спокойной погоды - "глаза" бури. Воздух в "глазе" бури почти неподвижен и ощутимо теплее, чем в окружающей зоне ураганных ветров. Обычно небо почти безоблачное или с небольшими облачками, погода хорошая. Волны, приходящие сюда со всех сторон, образуют огромную "толчею", отдельные волны достигают 20 м. В "глаз" бури ветром заносятся птицы и насекомые, которые ищут пристанища на кораблях, попавших сюда по воле случая1.
Вот одно из ярких описаний "глаза" урагана2: "В геометрическом центре глаза бури слоисто-кучевые облака вздымались кверху в виде купола высотой 8 миль. Слабая турбулентность
1 Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1973. 615 с.
2 Simpson R.H. // Bul. Amer. Meteor. Soc. 33. 1952. Р. 286.
на вершине этого купола по своей интенсивности была сравнима с турбулентностью в обычных кучевых облаках над океаном. Стена облаков на западной границе глаза бури была либо вертикальной, либо даже с обратным наклоном и имела спокойную слоистообразную структуру. На восточной стороне, однако, облачность имела скорее кучевообразную форму, чем-то напоминавшую цветную капусту. Здесь "стена" поднималась с постепенным выпуклым наклоном к верхнему краю. Общий вид показывал, что ось симметрии в вертикальной плоскости имела наклон к востоку или северо-востоку".
Выход тропических циклонов на побережье представляет серьёзную опасность для многих стран мира, приводит к человеческим жертвам и значительному экономическому ущербу. Решение задачи предупреждения тяжёлых стихийных бедствий, являющихся последствиями тропических циклонов, в большой степени зависит от понимания процессов, происходящих в них. § Огромную роль в изучении тропичес- р ких ураганов, а именно их структуры, § траекторий и периодов развития, сыгра- ° ли спутниковые наблюдения, предоста- £ вившие учёным возможность увидеть | ураганы сверху, оценить их масштабы. ® В настоящей работе исследовал- 1 ся один из наиболее мощных супер- Л ураганов, имевших место на планете 1 в 2003 г., - ураган Изабель. Это был | ураган, принесший самые сильные вет- I ры и самый большой штормовой нагон = (подъём уровня воды у побережья) за весь период после мощных Атланти-
© А.Э. Похил
53
Рис. 1.
Траектория урагана Изабель.
ческих ураганов Chesapeake-Potomac (1933 г.) и Hazel (1954 г.).
ТЦ Изабель пересекал Атлантический океан с 6 по 18 сентября 2003 г. Он достиг стадии урагана с давлением 910 гПа и максимальной скоростью ветра 8 м/с. Траектория тайфуна показана на рис. 1. Образовался ТЦ около 14 град. с.ш., 30 град. з.д. Океан был "перегрет", и на поверхности его (даже при временном осреднении 5 суток и пространственном - 2.5 х 2.5 град.) наблюдались области (Ядра) тёплой воды с температурой более 29 °C. Изабель двигался в направлении тёплых областей. 12 сентября ураган вышел прямо на ядро тёплой воды с температурой поверхности океана (ТПО) 30 °C. 14 сентября в 15 ч ТЦ совершил крутой поворот на север-северо-запад около 23 град с.ш. тоже к тёплому ядру (30.5°C) на поверхности Атлантическо-g го океана. После прохождения Изабель S ТПО в различных точках вдоль траек-i тории ТЦ понизилась на 1.5-2.5 °C. § На материк (восточную часть Северной Каролины) ураган Изабель вы-I шел во второй половине дня 18 сентяб-£ ря, имея давление 956 гПа и скорость f ветра 43-53 м/с (наблюдались порывы | до 55-60 м/с). Двигался он в север-1 ном-северо-западном направлении со | скоростью 10 м/с. Под сильным воз-f действием ветра и штормового нагона ^ находились области, расположенные главным образом в районе центра шторма и восточнее от него. Берег Северной
Каролины подвергся существенному размыванию и эрозии, волны здесь достигали высоты более 6 м, штормовой нагон - 1.8-2.8 м. Ураган двигался в северо-западном направлении вплоть до центральной Вирджинии, где перешёл в категорию тропического шторма. Частые порывы достигали ураганной силы. Ураган перемещался на северо-запад со скоростью около 15 м/с. Далее Изабель продолжил движение в том же направлении и вышел на западную Пенсильванию. Проливные дожди, начинавшиеся от внешних границ ТЦ Изабель, дошли до юго-восточных областей Пенсильвании и на протяжении второй половины 19 сентября распространялись через остальную часть штата в северо-западном направлении. В юго-западных областях выпало более 7.6 см осадков. Имело место необыкновенно большое и мощное поле ветра. Были вырваны с корнем тысячи деревьев, повалены многочисленные столбы линий электропередач, тысячи телефонных линий; повреждено, размыто или снесено водой несколько тысяч жилых домов, учреждений и причалов. Сотни дорог, включая и некоторые из главных шоссе, были блокированы упавшими деревьями. Более 2 млн потребителей остались без электричества. В центральной и восточной Вирджинии были эвакуированы и размещены в различных убежищах несколько тысяч человек. Только в одном округе штата был нанесен урон, оценивающийся в 350 млн долл., 9 смертей связываются с этим ураганом. Превратившись во внетропический циклон, Изабель вышел на озёра Эри и Гурон и затем на Канаду. Длина его пути составила более 5.5 тыс. км.
При наблюдении за перемещением ТЦ Изабель над океаном на снимках со стационарного спутника ООЕЭ-12 в видимой области спектра в микроволновом диапазоне были обнаружены необычные структуры в "глазе" урагана (рис. 2). Этот отрезок времени харак-
теризовался наиболее низким давлением (910-920 гПа) и наибольшими скоростями ветра (70-85 м/с) в ТЦ. Именно в это время ТЦ вышел на тёплое ядро воды с ТПО 30 °С.
После облётов ТЦ Симпсон (см. сноску 2) так описал глаза урагана: "Это было одно из самых эффектных зрелищ, которое может дать природа. Глаз бури представлял собой огромный облачный амфитеатр 40 миль в диаметре, стены которого поднимались подобно ярусам огромного оперного театра на высоту примерно 35 тыс. футов, где верхний край облаков плавно закруглялся на фоне голубого неба. Поверхность моря была скрыта покровом слоисто-кучевых облаков, находившихся под нами, если не считать двух круглых окон на восточной и западной сторонах глаза бури. Облака нижнего слоя располагались по циклонической спирали вокруг этих разрывов в облаках, имевших в ширину около 5 миль. Такое распределение облачности свидетельствует о возможности существования внутри глаза бури двух отдельных небольших вихревых циркуляционных систем".
Обычно образование вихревых структур (смерчей) происходит около границы "глаза" урагана, где имеют
Рис. 2.
Вид облачной системы урагана Изабель над океаном 12 сентября (спутниковый (СОЕБ-12) снимок, видимый диапазон частот).
место огромные градиенты скоростей и мощная турбулентность и встречаются восходящие и нисходящие потоки, а пульсации скорости достигают огромных величин. К примеру, измеренные за один и тот же период времени скорости, фиксируемые различными международными агентствами, имеют разброс до 50-60%. В тайфуне Иза-бель величина максимальной скорости изменялась в течение одного срока наблюдений на 20-30%, и это не ошибка измерений или неточность определения скоростей.
Одна из причин образования смерчей - конвективная неустойчивость. Анализ показывает3, что циркуляционные процессы в тропиках носят характер резких колебаний "взрывного" типа продолжительностью несколько дней. По-видимому, механизм образования вихрей в "глазе" тайфуна также взрывной и определяется моментом, в который достигаются определённые критические величины чисел Фруда и Струхаля. Всюду механизм обмена в пограничных слоях - это взрывной механизм. Возможно, в "глазе" (а также и во всём вихре ТЦ) происходят определённые самопроизвольные колебания, имеющие характерный период (скорее всего даже целый диапазон частот), который описывается параметрами ТЦ.
Во время наблюдений диаметр облачной структуры Изабель составлял 1000-1200 км. 12 сентября в 03 ч давление в центре урагана достигло 921 гПа, максимальная скорость ветра - 70-85 м/с. В 12 ч 45 мин в "глазе" ТЦ были обнаружены необычные структуры: "глаз" выглядел кругом, разбитым на пять секторов, в каждом из которых имело место овальное
3 Гаврилов Н.М. Нелинейная генерация волновых движений в атмосфере квазигеострофи-ческими и вихревыми движениями // Метеорологические исследования. 1987. № 13; Гутман Л.Н. Теоретическая модель смерча // Изв. АН СССР, серия геофизическая. 1957. № 1;
Добрышман Е.М. Влияние возмущения поля давления на структуру поля ветра в центральной части тайфуна // Метеоpология и гидpоло-гия. 1994. № 11.
(а) . (б) ( в') щ © щ
щ @ щ (Ж) # Ф w
Рис. 3.
Эволюция вихрей в "глазе " урагана Изабель 12 сентября 2003 г. (с 12 ч 45 мин до 14 ч 11 мин).
образование, занимающее большую часть сектора. На рис. 3 приведены увеличенные фрагменты, представляющие "глаз" Изабель, вырезанные из общего снимка ТЦ. Структуры, обнаруженные в "глазе", имели образы вихрей (возможно, это были тороидальные образования в определённом слое атмосферы - "бублики"), близкие по горизонтальным размерам к смерчам. Скорее всего, они находились в верхних слоях тропосферы, но во впадине относительно верхних слоёв перистых облаков. Это подтверждается тем, что в момент наблюдений тени были видны с восточной стороны от границ "стены § глаза" и каждого "внутриглазного" вих-£ ря, в то время как солнце находилось
1 на востоке. Если бы вихри располага-| лись над "глазом" в куполе облачности
2 (иногда наблюдается купол облачности 1 высотой до 3 км4), то в мом
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.