1.2 Строение циклонов
Не каждый возникший вихрь превращается в мощный циклон, проходя все стадии развития. Многие циклонические возмущения, очерченные в поле давления одной или двумя изобарами, в начале образования, не развиваясь, исчезают. Однако при наличии условий для развития отдельные циклоны и антициклоны проходят все стадии развития.
Средняя продолжительность жизни ТЦ составляет 6 суток. Это время исчисляется от его зарождения до выхода на сушу или перехода в зону средних широт. Однако бывают случаи, когда тропические циклоны существуют до двух недель или даже месяца[6].
В жизненном цикле тропических циклонов можно выделить четыре основные стадии :
1.Стадия формирования. Стадия начинается с появления первой замкнутой изобары. В этой стадии ветры еще не достигают ураганной силы, а давление в центре циклона на уровне моря не опускается ниже 1000 гПа. Максимальные скорости ветра концентрируются только в одном квадранте, обращенном к полюсу, и главным образом в его восточной части. Циклон перемещается с востока на запад. В стадии формирования отмечается два типа развития циклона: медленный (несколько суток) и взрывной. В последнем случае на формирование хорошо развитого циклона уходит не более 12 часов; за это время циклон очерчивается уже несколькими замкнутыми изобарами.
2.Стадия молодого циклона. Стадия считается начавшейся, когда давление в центре падает ниже 1000 гПа и хотя бы в одном месте в пределах циклона ветер достигнет ураганной силы. Возможны два типа развития, независимо от того, как циклон развивался в первой стадии, хотя чаще всего быстрое развитие в первой стадии предопределяет столь же быстрое развитие во второй. При первом типе после короткого периода ураганного ветра в одной из частей циклона, последний начинает быстро заполняться и, затем длительное время существует в виде слабой депрессии. При втором типе развития циклон резко углубляется, давление в центре быстро падает. Вокруг центра ураганные ветры образуют плотное кольцо. Из разрозненных шкваловых облаков образуется стройная система, состоящая из сходящихся у центра узких спиральных полос, которые, однако, охватывают все еще небольшую область.
3.Стадия зрелости. Прекращение падения давления в центре циклона означает начало стадии зрелости. В этой стадии не происходит дальнейшего увеличения скорости ветра. Зона ураганных ветров распространяется вширь. Если в стадии молодого циклона ураганные ветры занимают площадь радиусом 30— 50 км, то к концу стадии зрелости циклона площадь ураганных ветров может иметь радиус 300—350 км. Для стадии зрелости характерно нарушение симметрии. Область штормов и ненастья распространяется вправо от направления движения центра значительно дальше, чем влево. Продолжительность стадии зрелости составляет несколько дней. Отмечены случаи существования циклона в этой стадии около недели. В этой стадии можно встретить совсем разные по размерам циклоны. Есть циклоны радиусом 100—200 км, но встречаются и радиусом 1000 км.
4.Стадия затухания. Начало заполнения циклона считается началом последней стадии его жизни — стадии затухания. Чаще всего затухание начинается с того момента, когда тропический циклон покидает тропические широты и попадает в зону западных ветров. Здесь он сразу же начинает заполняться, затем скорость ветра в нем уменьшается — и, наконец, он исчезает. Эта часто встречающаяся последовательность событий не является единственно возможной. После выхода в умеренные широты циклон может потерять свои тропические свойства и превратиться в обычный циклон внетропических широт. Может случиться и так, что тропический циклон, оставаясь в тропиках, входит на материк. Здесь он обычно заполняется, однако при этом все же успевает произвести много разрушений. Только в очень редких случаях тропические циклоны заполняются над океанами[7].
Тропический циклон напоминает собой высокую воронку с крутыми боками. Воронка вращается с громадной скоростью вокруг вертикальной оси циклона. В центре воронки движение воздуха направлено сверху вниз, а на границе воронки, наоборот,— снизу вверх. Это нисходящее движение в центральной части ТЦ является одним из элементов механизма формирования глаза бури [1].
Диаметр воронки с высотой заметно увеличивается. У поверхности земли ширина ее в среднем равна 20 км, на высотах 2, 6, 8, 10 км соответственно 40, 100, 200 и 700 км.
Выделяют следующие структурные элементы ТЦ: глаз бури, облачная стена, ливневые полосы (рисунок 1.3).
Центральную часть воронки называют «глазом бури». В центре циклона обычно наблюдается малооблачная погода и слабые ветры. Уменьшение облачности связано, как с нисходящими вертикальными
Рисунок 1.3 Структура тропического циклона[16]
движениями, так и с центробежными силами, которые отбрасывают облачность из центра циклона к границе воронки, где наблюдаются максимальные скорости ветра. «Стенки» воронки обычно имеют толщину от десятка километров до 100 км и более[12].
Скорость ветра с высотой обычно уменьшается. Пространственная ось тропического циклона почти вертикальная. Формирование глаза бури обусловлено нисходящими компенсационными движениями в тропосфере в центре ТЦ.[1].
Глаз бури в тайфуне представляет собой область затишья с ясным небом или тонким слоем низких облаков. Диаметр глаза бури обычно равен 15—60км. Иногда он совершенно не виден с высотного самолета и на спутниковых фотографиях и обнаруживается только с помощью радиолокатора. В некоторых случаях при углублении тропических циклонов глаз бури может увеличиваться в размерах, достигая в поперечнике 100—200 км.
Глаз бури окружен стеной плотных конвективных облаков, мощно развивающихся за счет энергии, выделяющейся при конденсации и в результате конвергенции воздушных потоков в центральной части тайфуна. Вне глаза бури воздух быстро поднимается и водяной пар в нем конденсируется, что приводит к выпадению сильных ливневых дождей. Внутри глаза бури воздух опускается и нагревается в результате адиабатического сжатия. В нижних слоях атмосферы опускающийся воздух выбрасывается наружу центробежной силой и вовлекается в вихревое движение вокруг центра. Это приводит к еще большему втягиванию воздуха сверху. Поступающий снизу вверх водяной пар поддерживает данный циркуляционный механизм.
Образование очага тепла в районе глаза бури — последняя стадия преобразования тропического возмущения в зрелый циклон.
Над теплой водной поверхностью создаются наиболее благоприятные условия для поступления влаги снизу вверх. При смещении урагана на более холодную водную подстилающую поверхность или на сушу энергетические запасы в тропическом циклоне резко уменьшаются как за счет уменьшения поступления водяного пара, так и за счет увеличения сил турбулентного трения над сушей.
По данным метеорологических спутников было выявлено, что глаз бури в ранних стадиях развития циклона находится на периферии облачного массива. По мере превращения тропического циклона в тайфун (ураган) глаз бури сдвигается к центру циклона. Чем глубже тропический циклон, тем темнее становится глаз бури на спутниковых фотографиях облачности. В процессе заполнения тропического циклона центр барического образования смещается к краю облачного массива [12].
Мезовихри являются неотъемлемым элементом структуры крупномасштабных вихревых систем атмосферы, в том числе тропических возмущений и циклонов. Поскольку ТЦ в некоторых классификациях атмосферных процессов также отнесены к системам мезомасштаба, мезовихрями считаются все структурные элементы в области ТЦ, масштаб которых составляет первые десятые доли от масштаба ТЦ.
В поле вихря скорости ветра тропическое возмущение может быть обнаружено более за 2 сут до того, как оно превратится в ТЦ. В процессе эволюции циклона его мезомасштабная структура меняется: мезомасштабные вихри, смещающиеся к центру, сливаются, что приводит к уменьшению их числа и увеличению интенсивности, а область, занимаемая ими, сжимается, концентрируясь у центра к стадии максимального развития. В течение эволюции ТЦ интенсивность мезовихрей в целом увеличивается от (2,5-6,4)* 5 *10-5 с-1в точке зарождения до (3,8-12) *5*10-4 с-1 в момент максимального развития. При этом отмечается близкая к линейной связь между интенсивностью мезовихрей в тропическом возмущении и в тропическом циклоне на момент первого сообщения о нем[4].