Горячая башня
— Горячая башня это тропическое кучево-дождевое облако , которое простирается из самого нижнего слоя атмосферы, тропосферы , в стратосферу . [1] Эти образования называются «горячими» из-за большого количества скрытого тепла, выделяющегося при конденсации водяного пара в жидкость и замерзании в облаке в лед. Горячие башни в регионах с достаточной завихренностью могут иметь вращающиеся восходящие потоки; они известны как вихревые горячие башни. В некоторых случаях горячие башни приобретают характеристики суперячейки с глубоким и постоянным вращением, присутствующим в восходящем потоке. [2] Роль горячих башен в тропической погоде была впервые сформулирована Джоан Симпсон в 1958 году. Горячие башни доминировали в дискуссиях в тропической метеорологии в 1960-х годах и теперь считаются основными движущими силами подъема воздуха внутри тропических циклонов и основным компонентом циркуляции Хэдли . Хотя распространенность горячих башен в научной литературе снизилась в 1970-х годах, горячие башни остаются активной областью исследований. Наличие горячих башен в тропических циклонах коррелирует с увеличением интенсивности тропических циклонов. [3]
Наблюдение
[ редактировать ]Впервые горячие башни были обнаружены радаром в 1950-х годах. [1] Для исследования горячих башен использовалась воздушная разведка, хотя самолеты избегали наиболее опасных ядер горячих башен из соображений безопасности. [4] Запуск миссии по измерению тропических осадков (TRMM) в 1997 году обеспечил разрешение и охват, необходимые для систематической каталогизации горячих башен и точной оценки их конструкции во всем мире. [1] До 1997 года небольшой размер и короткий срок службы горячих башен ограничивали исследования горячих башен воздушными наблюдениями, поскольку разрешение спутниковых датчиков в микроволновом и инфракрасном диапазонах было слишком грубым для правильного разрешения деталей внутри горячих башен. [5]
Структура
[ редактировать ]Термин «горячая башня» применялся как к быстро поднимающимся потокам воздуха, так и к высоким кучево-дождевым облакам , которые их сопровождают. [1] [6] Области восходящего воздуха небольшие по горизонтали и имеют диаметр около 2–4 км (1,2–2,5 мили). [6] [4] Их наибольшая протяженность находится в вертикальном направлении: они достигают высоты до 18 км (11 миль) и обладают высокой отражательной способностью . [7] Горячие башни фактически не разбавляются; при подъеме окружающий воздух не смешивается с поднимающимися порциями воздуха. [8] [9] В результате эквивалентная потенциальная температура внутри горячей башни остается почти постоянной по всей ее вертикальной протяженности. Это позволяет эффективно переносить тепло из нижней тропосферы в стратосферу . Горячие башни, образующиеся в зонах вращения, могут иметь вращающиеся восходящие потоки ; они известны как вихревые горячие башни и связаны с локализованными областями аномальной вертикальной завихренности . [9]
Концептуальная разработка
[ редактировать ]
До 1950-х годов механизм, приводящий в движение атмосферные клетки Хэдли (циркуляция воздуха, переносящая тропическое тепло и влагу к полюсам), был плохо изучен. [10] Первоначально считалось, что ячейка Хэдли питается широким, диффузным и постепенным подъемом теплого и влажного воздуха вблизи экватора. Однако расчеты энергетического бюджета Земли с использованием данных Второй мировой войны показали, что средняя тропосфера представляет собой область дефицита энергии, а это указывает на то, что поддержание ячейки Хэдли не может быть объяснено широким подъемом воздуха. [4] Роль тропических регионов в глобальной климатической системе и развитие тропических возмущений также были плохо изучены. 1950-е годы ознаменовались поворотным десятилетием, которое ознаменовалось развитием тропической метеорологии , включая создание Национального проекта исследования ураганов США в 1956 году. [11] В 1958 году Герберт Риль и Джоан Симпсон предположили, что выделение скрытого тепла, вызванное конденсацией внутри горячих башен, обеспечивает энергию, необходимую для поддержания ячеек Хэдли и пассатов ; их гипотеза изначально была основана на воздушных наблюдениях, сделанных Симпсон во время ее пребывания в Океанографическом институте Вудс-Хоул . [10] Этот механизм требовал существования неразбавленных кучево-дождевых облаков, которые не увлекали окружающий воздух, что позволяло эффективно передавать тепло с поверхности океана в верхнюю тропосферу. [12] Существование 1500–2500 таких облаков требовалось, чтобы они поддерживали циркуляцию Хэдли. [4] Исследователи также утверждали, что горячие башни помогают поддерживать тепло, присутствующее в центре тропических циклонов , и что подъем влажного воздуха внутри тропических циклонов концентрируется вокруг горячих башен. [13] В своей оригинальной статье 1958 года, описывающей роль горячих башен, Риль и Симпсон описали эти облака как «узкие теплые башни», но к 1960 году начали называть эту идею «гипотезой горячей башни». [12] [10] В течение следующих двух десятилетий горячие башни доминировали в научных дискуссиях о взаимодействии кучевых облаков с их более масштабной тропической средой. [11]
Аэрофотонаблюдения за ураганом Дейзи в 1958 году показали, что конвекция внутри тропических циклонов ограничивалась несколькими областями кучево-дождевых облаков, что развеяло идею о том, что восходящий воздух распределялся по всей оболочке циклона, и подтвердило гипотезу горячей башни. [12] В случае с ураганом Дейзи конвективные кучево-дождевые облака составляли лишь около четырех процентов от общей площади осадков , связанных с ураганом. Анализ, проведенный Рилем и Симпсоном в 1961 году с использованием данных NHRP по урагану Дейзи, пришел к выводу, что горячие башни были основным механизмом, с помощью которого тропические циклоны перемещают теплый воздух в верхнюю тропосферу. Вновь обнаруженная важность горячих башен в тропических циклонах мотивировала развитие параметризации — представления мелкомасштабных явлений и взаимодействий, то есть отдельных кучевых облаков — в ранних моделях погоды . [14] Гипотеза горячей башни также вдохновила на разработку конвективной неустойчивости второго рода (CISK): концептуальной модели, которая подчеркивает обратные связи между скрытым теплом, выделяемым отдельными кучевыми облаками, и конвергенцией, связанной с тропическими циклонами. [15] К 1970-м годам многие идеи и предсказания, выдвинутые гипотезой горячей башни, были подтверждены эмпирическими наблюдениями. [9] Критики гипотезы горячей башни утверждали, что невероятно, чтобы кучево-дождевое облако могло быть свободным от увлечений. [10] Этот аспект гипотезы оставался непроверенным до тех пор, пока сбрасываемые зонды, запущенные в горячие башни в рамках эксперимента по конвекции и влажности в 1998 году, не обеспечили первые прямые измерения термодинамической структуры горячих башен. Данные показали, что эквивалентная потенциальная температура внутри горячих башен была практически постоянной по всей их вертикальной протяженности, что подтверждает отсутствие уноса. [9] Другие полевые наблюдения показали, что некоторые тропические восходящие потоки разбавляются окружающей средой на высотах ниже 5 км (3,1 мили), хотя сильного скрытого тепла, генерируемого льдом внутри облака, было достаточно, чтобы обеспечить необходимую входную энергию для циркуляции Хэдли. [16] Научные исследования горячих башен возобновились в 2000-х годах, когда вновь сосредоточилось внимание на их роли в тропическом циклогенезе и развитии тропических циклонов. [6]
Влияние на тропические циклоны
[ редактировать ]Вихревые горячие башни способствуют образованию тропических циклонов, создавая множество мелких положительных аномалий потенциальной завихренности , которые в конечном итоге сливаются, усиливая более широкий шторм. [17] Высокая завихренность, присутствующая в горячих башнях, удерживает скрытое тепло, выделяемое этими облаками, в то время как слияние горячих башен аккумулирует это повышенное тепло. [18] Эти процессы являются основной частью первоначального формирования теплого ядра тропического циклона — аномального тепла в центре такой системы — и увеличения углового момента ветров, окружающих развивающийся циклон. [17]
В 2007 году Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) выдвинуло гипотезу, что сдвиг ветра между глазом и стеной глаза может усилить восходящий поток через центр циклона и вызвать конвекцию. [19] Горячие башни могут появиться, когда циклон вот-вот усилится, возможно, быстро . Особенно высокая горячая башня выросла над ураганом «Бонни» в августе 1998 года, когда шторм усилился перед тем, как обрушиться на Северную Каролину . [20]
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Войланд, Адам (12 сентября 2012 г.). «Открытие горячих башен» . Земная обсерватория . НАСА . Проверено 16 марта 2021 г.
- ^ Войланд, Адам (12 сентября 2012 г.). «Открытие горячих башен» . НАСА . Проверено 16 марта 2021 г.
- ^ Чохан, Рани. «Ученые обнаружили ключ к разгадке того, что превращает ураган в монстра» . 12 января 2004 г.: НАСА . Проверено 16 марта 2021 г.
{{cite web}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с д Фиерро и др. (2009) , с. 2731.
- ^ Перкинс, Лори (15 сентября 2005 г.). «Горячие башни урагана Катрина» . Студия научной визуализации . НАСА . Проверено 16 марта 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с Гимонд и др. (2010) , с. 634.
- ^ Хеймсфилд и др. (2010) , с. 286.
- ^ Монтгомери и др. (2006) , с. 356.
- ^ Jump up to: а б с д Антес (2003) , с. 144.
- ^ Jump up to: а б с д Вейер, Джон (28 апреля 2004 г.). « Гипотеза «горячей башни»» . Земная обсерватория . НАСА . Проверено 16 марта 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Антес (2003) , с. 139.
- ^ Jump up to: а б с Антес (2003) , с. 140.
- ^ Вейер, Джон (28 апреля 2004 г.). «Тайна теплого ядра» . Земная обсерватория . НАСА . Проверено 16 марта 2021 г.
- ^ Антес (2003) , с. 141.
- ^ Антес (2003) , с. 143.
- ^ Фиерро и др. (2009) , с. 2745.
- ^ Jump up to: а б Хендрикс и др. (2004) , с. 1209.
- ^ Хендрикс и др. (2004) , с. 1229.
- ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (2007). «Моделирование горячих башен» . НОАА . Проверено 18 сентября 2009 г.
- ^ Национальный центр климатических данных (1998). «Бонни Баффетс в Северной Каролине!» . НОАА. Архивировано из оригинала 16 сентября 2008 г. Проверено 7 января 2009 г.
Библиография
[ редактировать ]- Антес, Ричард А. (2003). «Горячие башни и ураганы: ранние наблюдения, теории и модели». В Тао — Вэй-Гуо; Адлер, Роберт (ред.). Облачные системы, ураганы и миссия по измерению тропических осадков (TRMM) . Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество. стр. 139–148. дои : 10.1007/978-1-878220-63-9_10 . ISBN 978-1-878220-63-9 – через Springer Link.
- Фиерро, Александр О.; Симпсон, Джоан; ЛеМоун, Маргарет А.; Страка, Джерри М.; Смалл, Брэдли Ф. (сентябрь 2009 г.). «О том, как горячие башни питают ячейку Хэдли: наблюдение и моделирование линейно-организованной конвекции в экваториальной впадине от TOGA COARE» . Журнал атмосферных наук . 66 (9). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 27:30–27:46. дои : 10.1175/2009JAS3017.1 .
- Гимонд, Стивен Р.; Хеймсфилд, Джеральд М.; Терк, Ф. Джозеф (март 2010 г.). «Многомасштабные наблюдения за ураганом Деннис (2005 г.): влияние горячих башен на быстрое усиление» . Журнал атмосферных наук . 67 (3). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 633–654. дои : 10.1175/2009JAS3119.1 . hdl : 11603/28559 .
- Хендрикс, Эрик А.; Монтгомери, Майкл Т.; Дэвис, Кристофер А. (июнь 2004 г.). «Роль «вихревых» горячих башен в формировании тропического циклона Диана (1984)» . Журнал атмосферных наук . 61 (11). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 1209–1232. doi : 10.1175/1520-0469(2004)061<1209:TROVHT>2.0.CO;2 .
- Хеймсфилд, Джеральд М.; Тиан, Лин; Хеймсфилд, Эндрю Дж.; Ли, Лихуа; Гимонд, Стивен (1 февраля 2010 г.). «Характеристики глубокой тропической и субтропической конвекции по данным высотного воздушного доплеровского радара с обзором надира» . Журнал атмосферных наук . 67 (2). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 285–308. дои : 10.1175/2009JAS3132.1 . hdl : 11603/28558 . S2CID 54697840 .
- Хауз, Роберт А. младший (январь 2003 г.). «От горячих башен до TRMM: Джоан Симпсон и достижения в исследованиях тропической конвекции». Метеорологические монографии . 29 (51). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 37–47. doi : 10.1175/0065-9401(2003)029<0037:CFHTTT>2.0.CO;2 .
- Лепперт, Кеннет Д.; Петерсен, Уолтер А. (март 2010 г.). «Электрически активные горячие башни в восточных волнах Африки до тропического циклогенеза» . Ежемесячный обзор погоды . 138 (3). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 663–687. дои : 10.1175/2009MWR3048.1 .
- Малкус, Джоан С.; Ронне, Клод; Чафф, Маргарет (январь 1961 г.). «Облачные узоры во время урагана Дейзи» , Теллус . 13 (1): 8–30. doi : 10.3402/tellusa.v13i1.9439 – через Taylor & Francisco Online.
- Малкус, Джоан С.; Уильямс, RT (сентябрь 1963 г.). «О взаимодействии сильных штормов и больших кучевых облаков». Сильные локальные штормы . Том. 5. Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество. стр. 59–64. дои : 10.1007/978-1-940033-56-3_3 . ISBN 978-1-940033-56-3 – через Springer Link.
- Риль, Герберт; Малкус, Джоанна (январь 1961 г.). «Некоторые аспекты урагана Дейзи, 1958 год» . Теллус . 13 (2): 181–213. doi : 10.3402/tellusa.v13i2.9495 – через Taylor & Francisco Online.
- Монтгомери, Монтана; Николлс, Мэн; Крам, штат Калифорния; Сондерс, AB (январь 2006 г.). «Путь вихревой горячей башни к тропическому циклогенезу» . Журнал атмосферных наук . 63 (1). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 355–386. дои : 10.1175/JAS3604.1 . S2CID 20645674 .
- Тао, Ченг; Цзян, Хайян (февраль 2013 г.). «Глобальное распределение горячих башен в тропических циклонах на основе данных TRMM за 11 лет» . Журнал климата . 26 (4). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 1371–1386. дои : 10.1175/JCLI-D-12-00291.1 .
- Уильямс, скорая помощь; Геотис, С.Г.; Ренно, Н.; Ратледж, ЮАР; Расмуссен, Э.; Рикенбах, Т. (август 1992 г.). «Радарное и электрическое исследование тропических «горячих башен» » . Журнал атмосферных наук . 49 (15). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 1386–1395. doi : 10.1175/1520-0469(1992)049<1386:ARAESO>2.0.CO;2 .
- Чжугэ, Сяо-Юн; Мин, Цзе; Ван, Юань (октябрь 2015 г.). «Переоценка использования внутренних горячих башен для прогнозирования быстрой интенсификации тропических циклонов *» . Погода и прогнозирование . 30 (5). Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество: 1265–1279. дои : 10.1175/WAF-D-15-0024.1 .
- Зипсер, Эдвард Дж. (2003). «Некоторые взгляды на «горячие башни» после 50 лет тропических полевых программ и двух лет данных TRMM». В Тао — Вэй-Гуо; Адлер, Роберт (ред.). Облачные системы, ураганы и миссия по измерению тропических осадков (TRMM) . Бостон, Массачусетс: Американское метеорологическое общество. стр. 49–58. дои : 10.1007/978-1-878220-63-9_5 . ISBN 978-1-878220-63-9 – через Springer Link.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Мультимедийная галерея ураганов – мультимедийная страница ураганов.
- Слайды UCAR: «Горячие башни и ураганы: ранние наблюдения, теории и модели»