1.2 Причини виникнення циклонів та особливості їх перебігу

Вертикальне поширення (вертикальна потужність) циклону змінюється в міру його розвитку. Спочатку циклон помітно виражений лише в нижній частині тропосфери. Розподіл температури в першій стадії життя циклону, як правило, асиметрично відносно центру. У передній частині циклону, з припливом повітря з низьких широт, температури підвищені; в тиловій, з припливом повітря з низьких широт, навпаки, знижені. Тому з висотою ізобари циклону розмикаються: над теплою передньою частиною на висотах виявляється гребінь підвищеного тиску, а над холодною тиловий - улоговина зниженого тиску. З висотою це хвилєутворення викривлення ізобар більш згладжується. (Додаток А).

Але при подальшому розвитку фронтальний циклон стає високим, тобто, замкнуті ізобари виявляються в ньому і у верхній половині тропосфери. При цьому температура повітря в циклоні в загальному знижується, а температурний контраст між передньою і тилової частиною більш-менш згладжується: високий циклон є в загальному холодної областю тропосфери. Можливо і проникнення циклону в стратосферу.

Тропопауза над добре розвиненим циклоном прогнуті вниз у вигляді воронки, спочатку це зниження тропопаузи спостерігається над холодною тиловий (західної) частиною циклону, а потім, коли циклон стає холодним у всій своїй області, зниження тропопаузи спостерігається над усім циклоном.

Температура нижньої стратосфери над циклоном при цьому підвищена. Таким чином, у добре розвиненому високому циклоні спостерігається. над холодною тропосферою низько що починається тепла стратосфера.

Температурні контрасти в області циклону пояснюються тим, що позатропічний циклон виникає і розвивається на головному фронті (полярний і арктичному) між повітряними масами різної температури. У циклонічну циркуляцію втягуються обидві ці маси.

У подальшому розвитку фронтального циклону тепле повітря відтісняється у верхню частину тропосфери, над холодним повітрям, і сам піддається там радіаційному зниженню температури. Горизонтальне розподіл температури в циклоні стає більш рівномірним, і циклон починає затухати.

Тиск у центрі циклону (глибина циклону) на початку його розвитку, звичайно, не набагато відрізняється від середнього: це може бути, наприклад, 1000-1010 мб. Багато циклони не заглиблюються більш ніж до 1000-990 мб. Порівняно рідко глибина циклону досягає 970 мб. Проте в особливо глибоких циклонах тиск знижується до 960-950 мб., а в окремих випадках спостерігалося і 930-940 мб. (на рівні моря) з мінімумом 925 мб. в північній півкулі і923 мб. в південній півкулі. Найбільш глибокі циклони спостерігаються у високих широтах. Над Беринговим морем, наприклад, в однієї третини всіх випадків глибина циклонів взимку від 961 до 980 мб.

Разом з поглибленням циклону зростають швидкості вітру в ньому. Вітри іноді досягають штормових швидкостей на великих територіях. У циклонах південної півкулі це буває особливо часто. Окремі пориви вітру в циклонах можуть досягати 60 м/сек., так це було 12 грудня 1957 р. на Курильських островах.

Причини виникнення тропічних циклонів недостатньо вивчені. Проте відомо, що природа тропічних і позатропічних циклонів різна. Якщо для зародження позатропічних циклонів необхідні великі горизонтальні контрасти температури, і відповідна система вітрів в тропосфері, то для

тропічних циклонів необхідні інші умови. Вони утворюються над океанами,

де повітря являється нестійким при великому його вологовмісту. Необхідно сказати, що над океанами в низьких широтах ці дві умови виконуються дуже часто. Температура поверхні моря протягом більшої частини року буває близько +26°... +27°С при високій вологості повітря. Проте, тропічні циклони виникають в ту пору року і в тих районах, де температура води перевищує +27°С. при такій температурі поверхня океану приводний шар повітря з високою вологістю стає нестійким. Якщо при цьому з півночі чи з півдня на висотах вторгається холодне повітря, то ця нестійкість збільшується і створюються оптимальні умови для створення тропічних циклонів. Так як в екваторіальній зоні і в суміжних широтах температура вище +27°С встановлюється в літні і осінні місяці, то і тропічні циклони виникають в більшій мірі в ці сезони року.

У північній півкулі тропічні циклони виникають переважно в другій половині літа і восени, серпень, вересень і жовтень являються місяцями, в які тропічні циклони виникають найчастіше. Восени і в іншій половині літа вони виникають рідко, а в січні - квітні їх зовсім не буває.

У південній півкулі в Індійському та Тихому океанах частіше всього тропічні циклони виникають в грудні - березні, а рідше всього (одиничні випадки) в травні- жовтні.

Виникають тропічні циклони в так званій внутрішньотропічній зоні конвергенції, яка спостерігається в літній півкулі між тропіками та екватором. У зоні конвергенції приземного вітру розвиваються впорядковані висхідні рухи повітря, які посилюють термічну конвекцію. Остання обумовлює розвиток нестійкості і виникненню інтенсивних висхідних рухів вологого повітря, що приводить до конденсації водяної пари і визволенню великої кількості енергії. Чим нижче рівень конденсації, тим більше кількості вологи і енергії нестійкості.

Середня тривалість життя тропічних циклонів становить 6 діб. Цей час вичислюється від його зародження до виходу на сушу чи переходу в зону

середніх широт. Проте бувають випадки, коли тропічні циклони існують до двох тижнів і навіть місяців.

Процес еволюції тропічних циклонів ділять на 4 етапи:

1. стадія формування.Тропічний циклон утворюється лише з синоптичних хвильових збурень в східному потоці. їх заглиблення відбувається протягом кількох днів, проте може носити й вибуховий характер;

2. стадія молодого циклону.Розвиток тропічного циклона в цій стадії може йти по двом напрямкам. Або він у вигляді неглибокої депресії переміщується на великі відстані і затухає, або циклон інтенсифіцирується, тиск його області різко падає то значення нижче1000 гПа, навколо центра утворюється щільне кільце ураганної сили радіусом30-50 км.

3. стадія зрілості.Падіння тиску в центріциклона і збільшення швидкості вітру припиняється, проте система циркуляції розповсюджується на великі відстані, радіус збільшується до100 - 200 км, а іноді може досягти300 км. Симетрія збурення порушується, так як зона штормових вітрів розповсюджується вправо, якщо дивитися по напрямку руху. Ця стадія може продовжуватися декілька діб.

4. стадія затухання.Вона починається, коли тропічний циклон виходить на сушу, або в область холодної океанічної течії. Проте іноді в північній півкулі, переміщуючись на схід або на північний схід регенерує на полярному фронті, втрачає температурну симетрію, перетворюється в інтенсивний позатропічний циклонічний вихор. В цьому випадку він вносить великий енергетичний вклад в загальну циркуляцію атмосфери. [2 с. 332].

Основними фізичними характеристиками тропічних циклонів являються характеристика вітру, барометричні характеристики, характеристика атмосферних опадів, хвилювання в океані, хмарність, енергія тропічних циклонів, поняття «око бурі».

Поняття «око бурі».Тропічні циклони характеризуються наявністю в їх

центральній частині зони безвітряної спокійної погоди, так званої «око

«

бурі». Повітря в центрі відчутно тепле, ніж в оточуючій зоні ураганних вітрів. Небо майже безхмарне, або покрите невеликими хмарами.

«Око бурі» має круглу або овальну форму. Ширина «ока» приблизно ЗО кілометрів. З розвитком тропічного циклону змінюється розміри ока. В молодому циклоні воно більше, в зрілому - менше. При затуханні циклона розмір ока бурі знову збільшується. В тайфуні на ранньому етапі його зародження діаметр ока35 - 50 кілометрів. По мірі зниження тиску в його центрі око зменшується і в розвиненому стані сягає18-30кілометрів.

В стадії затухання розмір ока стрімко росте і його діаметр досягає 70 - 90 кілометрів. В тропічному циклоні іноді спостерігається хибне око бурі. Бували випадки, коли відмічалися чотири та більше виникнення хибного ока, діаметр якого був приблизно 20 кілометрів.

Радіолокаційні спостереження, а потім й супутникові фотографії показали, що око бурі не завжди розташоване в центрі тропічного циклону. На ранніх стадіях розвитку циклону око знаходиться на краю суцільного хмарного масиву. По мірі розвитку тропічного циклону воно зміщується до його центру. Зі зменшенням інтенсивності циклону око знову розташовується симетрично по відношенню до основного масиву суцільної хмарності.

«Око бурі» представляє собою величезних розмірів воронку, що простягається на10 - 12 кілометрів, стінки якої утворені обертаючим ся з великою швидкістю повітря.Воронка відкривається зверху і в ній майже відсутня хмарність, спостерігаються слабкі незначні вітри. Розміри воронки на поверхні землі близько 30 км, на висоті2-40км, на висоті 6 км - 100 км, на висоті 8 км - 200 км, а вже на висоті 10 км розміри воронки сягають до 700 кілометрів. Ширина «ока бурі», де зосереджені максимальні вітри, буває різною. Іноді це декілька кілометрів, а іноді- 100 км, і навіть більше. Розмір цієї кільцевої зони з максимальним вітром залежить від розмірів тропічного циклону і величини тиску в його центрі. (Додаток Г).

В самому нижньому шарі температура повітря в області «ока бурі»

суттєво не відрізняється до температури поза межами нього. Але з висоти

декількох сотен метрів температура в оці становить на багато більше (на 6 - 15°), а вологість менша (на 20 - 30%) у порівняні з температурою, та вологістю за межами ока бурі на тому ж рівні. [38, с.18].

«Око бурі» - одно з найбільш дивовижних явищ природи. Довгий час було не зрозуміле існування слабких вітрив, або навіть штилю в самому центрі тропічногоциклона. Серед бушую чого урагану, свинцево-чорних хмар, тропічних злив, грізного грому і блискавок, око бурі представляється унікальним явищем спокою і малохмарної погоди.

Існує слідуюче поняття, щодо утворення «ока бурі». Зі збільшенням швидкості поблизу центральної частини циклону, центр обіжна сила і сила Каріоліса становиться більше сили градієнта тиску. Рівнодіюча цих сил змінює знак і становиться направлена до центру циклона. Внаслідок цього навколо центра циклона утворюється зона спокою, а по краю її, де діючі сили врівноважуються, утворюється стіна, за межами якої сила градієнта тиску перевищує центр обіжну силу та силу Каріоліса, а повітря вже рухається в напрямку до центра. Досягнувши стіни, повітря вимушене інтенсивно підійматися вздовж неї. Повітря, що підіймається захоплює із собою за рахунок турбулентного тертя і повітря в тій частині ока, яка примикає до стіни. Тому в центральній частині ока збуджується незхідна, компенсаційна течія. Скрізь стіну ока проникнення частинок повітря до центру ускладнюється. Проте якби в оці відбувалося лише адіабатичне осідання без переміщування з повітрям стіни, то біля поверхні землі температура досягла 90 - 100°, а повітря було б цілком сухим. Оскільки цього не відбувається, повинно існувати переміщення незхідного повітря в центі циклону з повітрям, виходячи зі стіни ока бурі. Існують розрахунки, які показують, що повітря в центрі тропічного циклону оновлюється кожні5-6годин. [38, с. 23].

Проходження зони спокою, триває до 2 годин, після цього вітер

відновлюється з попередньою силою, а його напрямок змінюється на

протилежний. При проходженні ока бурі тиск сильно падає, після проходження - тиск росте так само сильно, як перед цим падав. [38, с.20-23].

Напередодні проходу тропічного циклону при сході та заході сонця, горизонт зафарбовується яскравими фарбами, які поступово набувають червоно-бурі відтінки, а на їхньому фоні з'являються темні смуги. За 12 - 15 годин до приходу циклона тиск повітря починає падати, вітер посилюється, наближаються темні хмари, що створюють напівтемряву серед дня, починається злива. Все це супроводжується неприливними випалахами блискавки і грому. Потім вітер поступово затухає, на небі з'являються просвіти - це «око бурі». Через деякий час вітер знову посилюється, і все починається спочатку, з тією лише різницею, що після проходження циклону, тиск починає швидко збільшуватися. Так описують проходження циклону моряки та місцеві жителі.

Характеристика вітру. Шкала Бофорта для уніфікованої оцінки стану моря від1 (спокійне море) до12 балів (ураган- море повністю біле від піни і хвиль, що досягають висоти15 м) стан непридатного для характеристики швидкості вітру при тайфунах і ураганах. До цих 12 балів було добавлено ще 5; останній 17-й бал відповідає швидкості вітру 460 км/год.

Сучасні приклади не здатні реєструвати швидкість вітру більше 300км/год. Рекордною вважається швидкість приблизно 400 км/год., при цьому розуміється не миттєвий порив, а вітер діючий протягом 5 хв.

Термін «ураган» в сучасній метеорології стали застосовувати до тропічних циклонів, що характеризуються обертаючими рухами повітря навколо центру пониженого тиску зі швидкістю більше ЗО м/с. найбільш великі швидкості вітру в урагані (тайфуні) бувають в зоні, оточуючої центральну його частину (око бурі), на порівняно великому просторі. Тут вони часто перевищують швидкість50 м/с. [41, с.141].

Сильні вітри в системі тропічних циклонів охоплюють тропосферу до висот 8-12 км, однак з висотою швидкості вітру зменшуються. Найбільші

с

швидкості вітру спостерігаються в тій частині циклону, де напрямок обертаючого руху в системі тропічного віхтя співпадає з. напрямком його переміщення. В північній півкулі це права (в напрямку руху) частина циклону, вона найбільш небезпечна і моряки називають її «небезпечне півколо».

Барометричні характеристики. Ураганної сили вітри в тропічних циклонах викликані великими горизонтальними градієнтами атмосферного тиску. Хоча діаметр тропічних циклонів в порівняні з фронтальними невеликий, градієнти тиску в її системі досягають 20 - 40 мбар на 100 км, а швидкість вітру перевищує 100 - 150 км/год. Однак бувають випадки, коли значення градієнта тиску становить 40 -60 мбар на 100 км, в той час як в системі крупних фронтальних вихрів рідко спостерігаються градієнти тиску 8-10 мбар на 100 км, звичайно вони становлять 3-5мбар на 100 км.

В тропічних циклонах в центрі становить в середньому 960 - 970 мбар, але в окремих випадках (1-2рази на рік) воно понижується до 900 мбар. Найбільш низький тиск біля поверхні моря (877 мбар) було зареєстровано в центрі тайфуну їда 24 вересня 1958 року за допомогою літакового зонду в 600 милях до північного заходу від острову Гуам в точці з координатами 19°пн. ш. і 135° сх. д. [23, с. 80-81].

Характеристика атмосферних опадів. Кількість опадів, що випадають при тайфунах і ураганах, в порівнянні з інтенсивністю дощів при самих сильних циклонах помірних широт здається неймовірною. Так на Філіппінах за 24 години іноді випадає більше 1000 мм дощу. При урагані на Ямайці в 1906 році за чотири доби випало 2400 мм, а в Техасі за добу - більше 580мм опадів [10, с. 135]. Такі добові кількості опадів можна спів ставити лише з їх річними сумами в помірних широтах. Наприклад, в Білорусії за рік випадає 650 мм опадів, в Москві - 587 мм, в Києві - 600мм.

Хвилювання в океані. При проходженні тайфунів виникають гігантські хвилі і штормові припливи. їх утворення обумовлює замкнута структура

тайфуну, що визначається обертанням сильних вітрів, які якби відгороджують центр тайфуну від решти атмосфери, підтримуючий в ньому низький тиск. Виходить дещо подібне трубі з діаметром декілька сотень км, створеної обертаючим вологим повітрям. Так як в центрі циклону тиск самий низький, то рівень океану тут поступово збільшується. Тому на протилежність тиску повітря, що знижується від периферії до центру циклона, рівень океану, навпаки поступово збільшується від периферії до центру. Висота підйому рівня океану, висланого різницею тиску повітря в циклоні, можна оцінити, коли штормовий підйом рівня води досягає узбережжя. Якщо штормовий підйом за часом збігається зі звичайними припливами, викликаними впливом Сонця і Місяця, то виникаючі підйоми води розповсюджуються на значні території.

Штормові припливи особливо небезпечні при тайфунах, так як вони супроводжуються сильним вітром, який давить з величезною силою на поверхню океану протягом сотень кілометрів і породжує гігантські хвилі. При звичайних бурях висота хвиль не перевищує 8-9метрів, при тайфунах і ураганах15-17метрів, тобто висоти 5 - 6-ти поверхового будинку, не рідко спостерігалися хвилі висотою 20 метрів. Біля мису Доброї Надії в 1922 році під час урагану висота хвиль досягла 20 метрів, а в Тихому океані була зареєстрована хвиля висотою30 метрів. Такі гігантські хвилі викликають великі руйнації[41, с.136].

Хмарність. Приближения тропічного циклону характеризується появою високих просвічуючи хмар, за ними слідують все більш низькі і більш щільні. Потім відмічається перевага потужних кучево-дощових хмар зі сильними зливами, які швидко переходять в темну стіну суцільної хмарності та ураганних вітрів. Це проходить кільцева зона найбільш розвиненої конвективної хмарності, яка простяглася до 10 - 12 кілометрів, а в деяких випадках і більше.

Після максимального прояву тропічного циклону наступає раптове послаблення швидкості вітру, іноді до повного штилю і припиненню дощу. В

блакитному небі спостерігаються лише легкі хмаринки. Але вже через декілька годин проходження тропічного циклону знову з'являються урагані вітри та зливи, викликані проходженням вже теплової частини тієї ж кільцевої зони. Потім при відході тропічного циклону поступове зменшення хмарності і послаблення вітру.

У тропічному циклоні, поряд з кільцевою зоною хмар, що оточує око бурі, існують вузькі та витягнуті смуги з великим вмістом з конденсованої вологи. На радіолокаторах вони розташовуються між зонами повної відсутності хмарності. Деякі смуги великокрапельної хмарності і опадів починаються безпосередньо від кільцевої зони, а деякі на відстані сотень кілометрів від центра і звідси розходяться по сторонам периферії циклона. В проміжках між смугами в більшості випадках також існує хмарність, проте вона проте вона має значно менше вологи.

Залежно від розмірів і віку тропічного циклону змінюється і структура зон хмарності і опадів. Довжина смуг звичайно коливається від 50 до 400 кілометрів, середня ширина становить декілька кілометрів, причому поблизу центра вони вужче, а до периферії - ширше. Ширина простору між смугами має приблизно ж такі значення. Кількість хмарних смуг в тропічному циклоні коливається від 1 до 10.

При спостережені з поверхні Землі, тобто знизу, зору представляється лише не велика частина небосхилу, тому не можна знати повної і точної картини хмарності, що розвивається в тропічному циклоні. За допомогою телевізійної та іншої апаратури, встановлених на супутниках, зараз спостерігають хмари зверху - з космосу. Одночасно метеорологи простежують величезні простори земної поверхні від 60° пн. ш. до60° пд. ш., так як над Тихим, Атлантичним та Індійським океанами запущені геосинхронні метеорологічні супутники. Знімки з цих супутників можна отримувати так часто, як того вимогає поставлена задача.

Метеорологам вдалось знайти залежність розміром центрального

хмарного масиву тропічного циклону (хмарного диска) і швидкістю вітру, що

і

спостерігається в його системі. Ця графічна залежність побудована для кожної з чотирьох категорій тропічних циклонів, що знаходяться в стадії тропічного шторму.

Аналогічна графічна залежність знайдена між розміром хмарного диска тропічного циклона і тиску в його центрі. Відомо, що в океанічних районах тропічних широт, де спостерігаються тропічні циклони, дуже рідкі фактичні відомості про швидкість вітру і тиск. Тому відкривається можливість для визначення цих величин на основі одних супутникових зображень дуже цінна.

Енергія тропічного циклону. Як було вже зазначено тропічний циклон має великий запас енергії. У середньому урагані звільнуююча теплова енергія доходить іноді до 6-Ю²⁶Дж за добу. Це дорівнює приблизно 16 тріліонам кіловат годин на добу. Наприклад в США, виготовляють електричну енергію лише 2 мілліарда кіловат годин на добу, тобто в 800 разів менше. І хоча лише три відсотка теплової енергії здатне обернутися в механічну, тобто енергію вітру та хвиль, але цієї кількості було достатньо, щоб на протязі півроку забезпечувати електроенергією всі Сполучені Штати.

Академік В. В. Шулейкін назвав тропічні циклони тепловими машинами п'ятого роду, які починають свою роботу над нагрівачем - океаном після того, як над ним з'явиться тепловій вихор. Траєкторія ураганів співпадає з положенням зон з температурою вод вище 27° С. Кінетична енергія розвинутого тропічного циклону в нижньому шарі атмосфери сягає19-10 Дж[46, с.10].