Cykl wymiany oka - Eyewall replacement cycle

Huragan Juliette , rzadki przypadek potrójnych oczu.

W meteorologii , eyewall cykle wymiany , zwane również koncentryczne cykli eyewall naturalnie występuje intensywne tropikalnych cyklonów , zazwyczaj wiatry większą niż 185 km / h (115 mph) lub głównymi huraganów ( kategoria 3 lub powyżej). Kiedy cyklony tropikalne osiągną tę intensywność, a ściana oka kurczy się lub jest już wystarczająco mała, niektóre zewnętrzne pasma deszczu mogą się wzmocnić i zorganizować w krąg burz — zewnętrzna ściana oka — która powoli przesuwa się do wewnątrz i pozbawia wewnętrzną ścianę oka z potrzebnej wilgoci i moment pędu . Ponieważ najsilniejsze wiatry znajdują się w ścianie oka cyklonu , cyklon tropikalny zwykle słabnie podczas tej fazy, ponieważ ściana wewnętrzna jest „zatykana” przez ścianę zewnętrzną. W końcu zewnętrzna ściana oka całkowicie zastępuje wewnętrzną, a burza może się ponownie nasilić.

Odkrycie tego procesu było częściowo odpowiedzialne za zakończenie prowadzonego przez rząd USA eksperymentu modyfikacji huraganu Project Stormfury . Ten projekt miał na celu zasianie chmur poza ścianą oka, najwyraźniej powodując utworzenie nowej ściany oka i osłabienie burzy. Gdy odkryto, że jest to proces naturalny ze względu na dynamikę huraganu , projekt szybko porzucono.

Prawie każdy intensywny huragan przechodzi przynajmniej jeden z tych cykli podczas swojego istnienia. Ostatnie badania wykazały, że prawie połowa wszystkich cyklonów tropikalnych i prawie wszystkie cyklony z wiatrem utrzymującym się z prędkością ponad 204 kilometrów na godzinę (127 mil na godzinę; 110 węzłów) przechodzą cykle wymiany ściany oka. Huragan Allen w 1980 r. przeszedł powtarzające się cykle wymiany oczodołu, kilkakrotnie zmieniając status między kategorią 5 i kategorią 4 w skali huraganu Saffira-Simpsona . Typhoon June (1975) był pierwszym zgłoszonym przypadkiem potrójnych oczu, a huragan Juliette (2001) był tego udokumentowanym przypadkiem.

Historia

1966 zdjęcie załogi i personelu Projektu Stormfury.

Pierwszym zaobserwowanym systemem tropikalnym z koncentrycznymi ścianami oczu był Typhoon Sarah autorstwa Fortnera z 1956 roku, który opisał jako „oko w oku”. Burza została zaobserwowana przez samolot zwiadowczy, który miał wewnętrzną ścianę oczną na 6 km (3,7 mil) i zewnętrzną ścianę oczną na 28 km (17 mil). Podczas kolejnego lotu 8 godzin później wewnętrzna ściana oczna zniknęła, zewnętrzna ściana oczna zmniejszyła się do 16 kilometrów (9,9 mil), a maksymalne utrzymujące się wiatry i intensywność huraganów zmniejszyły się. Kolejnym zaobserwowanym huraganem z koncentrycznymi ścianami oczu był huragan Donna w 1960 roku. Radar z samolotu rozpoznawczego wykazał wewnętrzne oko, które zmieniało się od 10 mil (16 km) na małej wysokości do 13 mil (21 km) w pobliżu tropopauzy. Pomiędzy dwiema ścianami oczu znajdował się obszar czystego nieba, który rozciągał się w pionie od 3000 stóp (910 m) do 25 000 stóp (7600 m). Chmury niskiego poziomu na około 3000 stóp (910 m) zostały opisane jako stratocumulus z koncentrycznymi poziomymi rolkami. Zewnętrzna ściana oczna osiągnęła wysokość blisko 45 000 stóp (14 000 m), podczas gdy wewnętrzna ściana oczna sięgała tylko do 30 000 stóp (9100 m). 12 godzin po zidentyfikowaniu koncentrycznych ścian ocznych wewnętrzna ściana oka uległa rozproszeniu.

Huragan Beulah w 1967 roku był pierwszym cyklonem tropikalnym, w którym zaobserwowano cykl wymiany ściany oka od początku do końca. Wcześniejsze obserwacje koncentrycznych ścian oczu pochodziły z platform lotniczych. Beulah była obserwowana z naziemnego radaru Puerto Rico przez 34 godziny, podczas których utworzyła się i rozproszyła podwójna ściana oczna. Zauważono, że Beulah osiągnęła maksymalną intensywność tuż przed poddaniem się cyklowi wymiany ściany oka i że „prawdopodobnie było to więcej niż zbieg okoliczności”. Zaobserwowano, że poprzednie cykle wymiany ściany oka zmniejszały intensywność burzy, ale w tym czasie nie była znana dynamika przyczyny jej wystąpienia.

Już w 1946 r. wiedziano, że wprowadzenie lodu z dwutlenku węgla lub jodku srebra do chmur zawierających przechłodzoną wodę spowoduje przekształcenie niektórych kropelek w lód, a następnie proces wzrostu cząstek lodu według Bergerona-Findeisena kosztem kropel. , z których woda kończyłaby się w dużych cząsteczkach lodu. Zwiększone tempo opadów spowodowałoby rozproszenie burzy. Na początku 1960 roku robocza teoria głosiła, że ściana oka huraganu była inercyjnie niestabilna, a chmury miały dużą ilość przechłodzonej wody. Dlatego rozsiewanie burzy poza ścianę oka uwolniłoby więcej ciepła utajonego i spowodowało rozszerzenie się ściany oka. Poszerzeniu się ściany oka towarzyszyłoby zmniejszenie maksymalnej prędkości wiatru poprzez zachowanie momentu pędu .

Projekt Burzowa Furia

Projekt Stormfury była próba osłabienia tropikalne cyklony przez latający samolot na nich i wysianie z jodkiem srebra . Projekt był prowadzony przez rząd Stanów Zjednoczonych od 1962 do 1983 roku.

Postawiono hipotezę, że jodek srebra spowoduje zamarznięcie przechłodzonej wody podczas burzy, zakłócając wewnętrzną strukturę huraganu. Doprowadziło to do siewu kilku huraganów atlantyckich. Jednak później okazało się, że ta hipoteza była błędna. W rzeczywistości ustalono, że większość huraganów nie zawiera wystarczającej ilości przechłodzonej wody, aby zasiewanie chmur było skuteczne. Ponadto naukowcy odkryli, że nierozsiane huragany często przechodzą cykle wymiany ściany oka, których oczekiwano od huraganów z nasionami. To odkrycie postawiło pod znakiem zapytania sukcesy Stormfury, ponieważ zgłoszone zmiany mają teraz naturalne wytłumaczenie.

Ostatni eksperymentalny lot odbył się w 1971 r. z powodu braku kandydujących sztormów i zmiany we flocie NOAA . Ponad dekadę po ostatnim eksperymencie modyfikacji, Projekt Stormfury został oficjalnie anulowany. Mimo niepowodzenia w celu zmniejszenia niszczycielstwa huraganów, Projekt Stormfury nie był pozbawiony zasług. Dane obserwacyjne i badania cyklu życia burz wygenerowane przez Stormfury pomogły poprawić zdolność meteorologów do prognozowania ruchu i intensywności przyszłych huraganów.

Wtórna formacja ściany oka

Zdjęcia z misji Tropical Rainfall Measurement Mission pokazują początek cyklu wymiany oczodołu podczas huraganu Frances .

Wtórne ściany oka były kiedyś uważane za rzadkie zjawisko. Od czasu pojawienia się samolotów zwiadowczych i mikrofalowych danych satelitarnych zaobserwowano, że ponad połowa wszystkich głównych cyklonów tropikalnych ma co najmniej jedną wtórną ścianę oka. Istnieje wiele hipotez, które próbują wyjaśnić powstawanie wtórnych ścian ocznych. Powód, dla którego huragany tworzą wtórne ściany oczu, nie jest dobrze poznany.

Identyfikacja

Jakościowa identyfikacja wtórnych ścian oczu jest łatwa do wykonania przez analityka huraganów. Polega na oglądaniu zdjęć satelitarnych lub radarowych i sprawdzaniu, czy istnieją dwa koncentryczne pierścienie o wzmocnionej konwekcji. Zewnętrzna ściana oczna jest na ogół prawie okrągła i koncentryczna z wewnętrzną ścianą oczną. Analiza ilościowa jest trudniejsza, ponieważ nie istnieje obiektywna definicja tego, czym jest wtórna ściana oka. Kossin i in. . określił, że zewnętrzny pierścień musiał być wyraźnie oddzielony od wewnętrznego oka z co najmniej 75% zamkniętym obszarem fosy wolnym od chmur.

Podczas gdy wtórne ściany oka były postrzegane, gdy tropikalny cyklon zbliżał się do lądu, nie zaobserwowano żadnych, gdy oko nie znajduje się nad oceanem. Lipiec oferuje najlepsze warunki środowiskowe do rozwoju wtórnej ściany oka. Zmiany w intensywności silnych huraganów, takich jak Katrina, Ofelia i Rita, zachodziły jednocześnie z cyklami wymiany ścian oczu i obejmowały interakcje między ścianami oczu, pasmami deszczu i środowiskiem zewnętrznym. Cykle wymiany oczek, jakie miały miejsce w Ricie, gdy zbliżała się ona do wybrzeża Zatoki Meksykańskiej w Stanach Zjednoczonych , mogą znacznie zwiększyć rozmiar cyklonów tropikalnych, jednocześnie zmniejszając ich siłę.

W latach 1997–2006 w tropikalnym Północnym Oceanie Atlantyckim zaobserwowano 45 cykli wymiany oka, 12 na wschodnim północnym Pacyfiku i 2 na zachodnim północnym Pacyfiku. W tym okresie wymieniono 12% wszystkich sztormów na Atlantyku i 5% sztormów na Pacyfiku. Na Północnym Atlantyku 70% głównych huraganów miało co najmniej jedną wymianę oka, w porównaniu z 33% wszystkich burz. Na Pacyfiku 33% głównych huraganów i 16% wszystkich huraganów miało cykl wymiany oczu. Silniejsze burze mają większe prawdopodobieństwo utworzenia wtórnej ściany oka, przy czym 60% huraganów kategorii 5 przechodzi cykl wymiany ściany oka w ciągu 12 godzin.

W latach 1969-1971 na Pacyfiku 93 sztormy osiągnęły lub większą siłę tropikalnych sztormów. 8 z 15, które osiągnęły siłę supertajfunu (65 m/s), 11 z 49 burz, które osiągnęły siłę tajfunu (33 m/s), i żadna z 29 burz tropikalnych (<33 m/s) nie rozwinęła koncentrycznych ścian oczu. Autorzy zauważają, że ponieważ samoloty zwiadowcze nie szukały konkretnie cech podwójnych oczu, liczby te są prawdopodobnie zaniżone.

W latach 1949-1983 na zachodnim Pacyfiku zaobserwowano 1268 tajfunów. 76 z nich miało koncentryczne ściany oczu. Spośród wszystkich tajfunów, które poddano wymianie ściany oka, około 60% zrobiło to tylko raz; 40% miało więcej niż jeden cykl wymiany ściany oka, przy czym dwa z tajfunów doświadczyły pięciu wymiany ściany oka. Liczba burz z cyklami wymiany ściany oka była silnie skorelowana z siłą burzy. Silniejsze tajfuny znacznie częściej miały koncentryczne ściany oczu. Nie było przypadków podwójnych ścian ocznych, w których maksymalny utrzymujący się wiatr był mniejszy niż 45 m/s lub minimalne ciśnienie było wyższe niż 970 hPa. Ponad trzy czwarte tajfunów, które miały ciśnienie niższe niż 970 hPa, rozwinęło cechę podwójnej ściany oka. Większość tajfunów na zachodnim i środkowym Pacyfiku, które doświadczają podwójnych ścian ocznych, robi to w okolicach Guam.

Hipotezy wczesnej formacji

Koncentryczne ściany oczu widoczne w Tajfun Haima, gdy podróżuje na zachód przez Ocean Spokojny.

Odkąd odkryto, że cykle wymiany ściany oka są naturalne, istnieje duże zainteresowanie próbą zidentyfikowania ich przyczyny. Pojawiło się wiele hipotez, które teraz zostały porzucone. W 1980 roku huragan Allen przemierzył górzysty region Haiti i jednocześnie rozwinął wtórną ścianę oka. Hawkins zauważył to i postawił hipotezę, że wtórna ściana oka mogła być spowodowana wymuszeniem topograficznym. Willoughby zasugerował, że rezonans między okresem bezwładności a tarciem asymetrycznym może być przyczyną wtórnej ściany oka. Późniejsze badania modelowe i obserwacje wykazały, że zewnętrzne ściany oka mogą rozwijać się na obszarach, na które nie mają wpływu procesy lądowe.

Istnieje wiele hipotez sugerujących związek między cechami skali synoptycznej a wtórną wymianą ściany oka. Zaobserwowano, że zaburzenia podobne do fali biegnącej promieniowo do wewnątrz poprzedziły szybki rozwój zaburzeń tropikalnych w cyklony tropikalne. Postawiono hipotezę, że to wewnętrzne wymuszenie w skali synoptycznej może prowadzić do wtórnej ściany oka. Podczas wielu sztormów zaobserwowano gwałtowne pogłębianie się niżu tropikalnego w połączeniu z wymuszeniem skali synoptycznej, ale wykazano, że nie jest to warunek konieczny do powstania wtórnej ściany oka. Wymiany ciepła powierzchni wywołane przez wiatr (WISHE) jest dodatnie sprzężenie zwrotne mechanizm pomiędzy oceanu i atmosferą, w której Flux silniejsze ciepła morskie do atmosfery wyniki silniejszego obiegu powietrza, co prowadzi do silnego strumienia ciepła. WISHE został zaproponowany jako metoda generowania wtórnych ścian ocznych. Późniejsze prace wykazały, że chociaż WISHE jest warunkiem koniecznym do wzmocnienia zakłóceń, nie jest konieczne ich generowanie.

Hipoteza fali Vortex Rossby

W hipotezie wiru Rossby'ego fale przemieszczają się promieniowo na zewnątrz od wiru wewnętrznego. Fale wzmacniają moment pędu w promieniu zależnym od prędkości promieniowej odpowiadającej prędkości przepływu zewnętrznego. W tym momencie oba są skoordynowane fazowo i umożliwiają koalescencję fal tworząc wtórną ścianę oka.

Hipoteza β-symetryzacji osi spódnicy

W układzie płynowym β (beta) jest przestrzenną, zwykle poziomą zmianą pionowej wirowości środowiska. β jest zmaksymalizowany w ścianie oka cyklonu tropikalnego. Symetryzacja osi β-skirt (BSA) zakłada, że ​​cyklon tropikalny, w którym rozwinie się drugie oko, będzie miał malejącą, ale nieujemną wartość β, która rozciąga się od ściany oka do około 50 kilometrów (30 mil) do 100 kilometrów (60 mil) od ściany oka. W tym regionie występuje niewielka, ale ważna β. Ten obszar nazywa się spódnicą β. Na zewnątrz spódnicy β wynosi praktycznie zero.

Dostępna konwekcyjna energia potencjalna (CAPE) to ilość energii, jaką miałaby paczka powietrza, gdyby uniosła się na pewną odległość pionowo przez atmosferę. Im wyższy CAPE, tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia konwekcji. Jeśli obszary o wysokim CAPE istnieją w β-spódnicy, głęboka konwekcja, która się tworzy, działałaby jako źródło wirowości i energii kinetycznej turbulencji . Ta energia na małą skalę przeskaluje się w strumień wokół burzy. Strumień niskopoziomowy skupia energię stochastyczną w niemal osiowosymetrycznym pierścieniu wokół oka. Po uformowaniu się tego niskopoziomowego dżetu, cykl pozytywnego sprzężenia zwrotnego, taki jak WISHE, może wzmocnić początkowe zaburzenia do wtórnej ściany oka.

Śmierć wewnętrznej ściany oka

Profil huraganu.svg

Gdy druga ściana oka całkowicie otoczy wewnętrzną ścianę, zaczyna wpływać na dynamikę cyklonu tropikalnego. Huragany są napędzane wysoką temperaturą oceanu. Temperatury powierzchni morza bezpośrednio pod cyklonem tropikalnym mogą być o kilka stopni niższe niż te na obrzeżach burzy, dlatego cyklony są zależne od odbierania energii z oceanu od wewnętrznych, spiralnych wiatrów. Kiedy tworzy się zewnętrzna ściana oczna, wilgoć i moment pędu niezbędne do utrzymania wewnętrznej ściany oka są teraz wykorzystywane do podtrzymania zewnętrznej ściany oka, powodując osłabienie i rozproszenie wewnętrznego oka, pozostawiając tropikalny cyklon z jednym okiem, które jest większe w średnica niż poprzednie oko.

Mikrofalowe przejście Cyclone Phailin odsłaniające fosę między wewnętrzną i zewnętrzną ścianą oka.

W obszarze fosy pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną ścianą oka obserwacje dropsond wykazały wysokie temperatury i obniżenie punktu rosy. Ściana oka kurczy się z powodu niestabilności bezwładnościowej. Skurcz ściany oka występuje, gdy obszar konwekcji występuje poza promieniem maksymalnych wiatrów. Po uformowaniu się zewnętrznej ściany oka w rejonie fosy osiadanie gwałtownie wzrasta.

Gdy wewnętrzna ściana oka się rozproszy, burza słabnie; centralne ciśnienie wzrasta, a maksymalna utrzymująca się prędkość wiatru maleje. Gwałtowne zmiany natężenia cyklonów tropikalnych są typową cechą cykli wymiany oka. W porównaniu z procesami związanymi z tworzeniem się wtórnej ściany oka, śmierć wewnętrznej ściany oka jest dość dobrze poznana.

Niektóre cyklony tropikalne z wyjątkowo dużymi zewnętrznymi ścianami oka nie doświadczają skurczu zewnętrznego oka, a następnie rozproszenia oka wewnętrznego. Typhoon Winnie (1997) opracował zewnętrzną ścianę oka o średnicy 200 mil morskich (370 km), która nie rozpraszała się, dopóki nie dotarła do linii brzegowej. Czas potrzebny do zapadnięcia się ściany ocznej jest odwrotnie proporcjonalny do średnicy ściany ocznej, głównie dlatego, że wiatr skierowany do wewnątrz zmniejsza się asymptotycznie do zera wraz z odległością od promienia maksymalnych wiatrów, ale także z powodu odległości wymaganej do zapadnięcia się ściany ocznej.

Przez całą pionową warstwę fosy opada suche powietrze. Dynamika obszaru fosy jest zbliżona do oka, natomiast zewnętrzna ściana oczna przyjmuje dynamikę pierwotnej ściany oka. Pionowa struktura oka ma dwie warstwy. Największa warstwa to ta od wierzchołka tropopauzy do warstwy przykrywającej około 700 hPa, którą opisuje opadające ciepłe powietrze. Poniżej warstwy przykrywającej powietrze jest wilgotne i ma konwekcję z obecnością chmur stratocumulus. Fosa stopniowo nabiera cech oka, na którym wewnętrzna ściana oka może tylko rozpraszać swoją siłę, ponieważ większość dopływu jest obecnie wykorzystywana do utrzymania zewnętrznej ściany oka. Wewnętrzne oko jest ostatecznie odparowywane, gdy jest ogrzewane przez otaczające suche powietrze w fosie i oku. Modele i obserwacje pokazują, że gdy zewnętrzna ściana oka całkowicie otoczy oko wewnętrzne, całkowite rozproszenie wewnętrznej ściany oka zajmuje mniej niż 12 godzin. Wewnętrzna ściana oka żywi się głównie wilgotnym powietrzem w dolnej części oka przed odparowaniem.

Ewolucja w huragan pierścieniowy

Huragany pierścieniowe mają pojedynczą ścianę oka, która jest większa i kołowo symetryczna. Obserwacje pokazują, że cykl wymiany ściany oka może prowadzić do rozwoju huraganu pierścieniowego. Podczas gdy niektóre huragany rozwijają się w huragany pierścieniowe bez wymiany ściany oka, postawiono hipotezę, że dynamika prowadząca do powstania wtórnej ściany oka może być podobna do tej potrzebnej do rozwoju oka pierścieniowego. Hurricane Daniel (2006) i Typhoon Winnie (1997) były przykładami, w których burza miała cykl wymiany oczodołu, a następnie przekształciła się w huragan pierścieniowy. Symulowano huragany pierścieniowe, które przeszły cykl życia wymiany oka. Symulacje pokazują, że główne pasma deszczu będą rosły tak, że ramiona będą się nakładać, a następnie zwijają się, tworząc koncentryczną ścianę oka. Wewnętrzna ściana oka rozprasza się, pozostawiając huragan z pojedynczym dużym okiem bez opasek deszczu.

Bibliografia

Dalsza lektura

Książki

strony internetowe

artykuły prasowe