Характеристики ураганов, бурь, смерчей
Ураганы, бури, смерчи - это ветровые метеорологические явления, относятся к природным стихийным бедствиям, способны нанести большой материальный ущерб и привести к гибели людей.
Ветер — движение воздуха относительно земной поверхности, возникающее в результате неравномерного распределения тепла и атмосферного давления. Основные показатели ветра — направление (из зоны высокого давления в зоною низкого давления) и скорость (измеряется в метрах в секунду (м/с; км/ч; милях/час).
Для обозначения движения ветра используют много слов: ураган, буря, шторм, смерч... Чтобы их систематизировать, пользуются шкалой Бофорта (разработана английским адмиралом Ф. Бофортом в 1806 г.), которая позволяет весьма точно оценить силу ветра в баллах (от 0 до 12) по его действию на наземные предметы или на волнение в море. Удобна эта шкала еще и тем, что она позволяет по описанным в ней признакам довольно точно определить скорость ветра без приборов.
Шкала Бофорта (табл. 1)
| Баллы Бофор-та | Словесное определение силы ветра | Скорость ветра, м/с (км/ч) | Действие ветра на суше | |
| На суше | На море | |||
| Штиль | 0,0 – 0,2 (0,00-0,72) | Штиль. Дым поднимается вертикально | Зеркально гладкое море | |
| Тихий ветерок | 0,3 –1,5 (1,08-5,40) | Направление ветра заметно по относу дыма, | Рябь, пены на гребнях нет | |
| Легкий бриз | 1,6 – 3,3 5,76-11,88) | Движение ветра ощущается лицом, шелестят листья, движется флюгер | Короткие волны, гребни не опрокидываются и кажутся стекловидными | |
| Слабый бриз | 3,4 – 5,4 (12,24-19,44) | Листья и тонкие ветви деревьев колышутся, ветер развевает верхние флаги | Короткие хорошо выраженные волны. Гребни, опрокидываясь, образуют пену, изредка образуются маленькие белые барашки. | |
| Умеренный бриз | 5,5 –7,9 (19,8-28,44) | Ветер поднимает пыль и бумажки, приводит в движение тонкие ветви деревьев | Волны удлиненные, белые барашки видны во многих местах. | |
| Свежий бриз | 8,0 –10,7 (28,80-38,52) | Качаются тонкие стволы деревьев, на воде появляются волны с гребнями | Хорошо развитые в длину, но не очень крупные волны, повсюду видны белые барашки. | |
| Сильный бриз | 10,8 – 13,8 (38,88-49,68) | Качаются толстые сучья деревьев, гудят провода | Начинают образовываться крупные волны. Белые пенистые гребни занимают значительные площади. | |
| Крепкий ветер | 13,9 – 17,1 (50,04-61,56) | Качаются стволы деревьев, идти против ветра трудно | Волны громоздятся, гребни срываются, пена ложится полосами по ветру | |
| Очень крепкий ветер (буря) | 17,2 – 20,7 (61,92-74,52) | Ветер ломает сучья деревьев, идти против ветра очень трудно | Умеренно высокие, длинные волны. По краям гребней начинают взлетать брызги. Полосы пены ложатся рядами по ветру. | |
| Шторм (сильная буря) | 20,8 –24,4 (74,88-87,84) | Небольшие повреждения; ветер срывает дымовые колпаки и черепицу | Высокие волны. Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Гребни волн опрокидываются и рассыпаются в брызги. | |
| Сильный шторм (полная буря) | 24,5 –28,4 (88,2-102,2) | Значительные разрушения строений, деревья вырываются с корнем. На суше бывает редко | Очень высокие волны с длинными загибающими вниз гребнями. Пена вздувается ветром большими хлопьями в виде густых полос. Поверхность моря белая от пены. Грохот волн подобен ударам. Видимость плохая. | |
| Жестокий шторм (жесткая буря) | 28,5 – 32,6 (102,6-117,3) | Большие разрушения на значительном пространстве. На суше наблюдается очень редко | Исключительно высокие волны. Суда временами скрываются из вида. Море все покрыто длинными хлопьями пены. Края волн повсюду сдуваются в пену. Видимость плохая. | |
| Ураган | 32,7 и более (117,7 и более) | Тяжелые предметы переносятся ветром на значительные расстояния | Воздух наполнен пеной и брызгами. Море все покрыто полосами пены. Очень плохая видимость. |
Характеристика атмосферных вихрей
| Атмосферные вихри | Местное название | Характеристика |
| Циклон (тропический и внетропический) - вихри, в центре которых низкое давление | Тайфун (Китай, Япония) Бэгвиз (Филлипины) Вилли-Вилли (Австралия) Ураган (Сев. Америка) | Диаметр вихря 500-1000 км Высота 1-12 км Диаметр области затишья ("глаз бури") 10-30 км Скорость ветра до 120 м/с Время действия - 9-12 суток |
| Смерч - восходящий вихрь, состоящий из быстро вращающего воздуха, смешанного с частицами влаги, песка, пыли и других взвесей, воздушная воронка, спускающаяся из низкого облака на водную поверхность или сушу | Торнадо (США, Мексика) Тромб (Зап. Европа) | Высота - несколько сот метров. Диаметр - несколько сот метров. Скорость перемещения до 150-200 км/ч Скорость вращения вихрей в воронке до 330 м/с |
| Шквал - кратковременные вихри, возникающие перед холодными атмосферными фронтами, нередко сопровождаемые ливнем или градом и возникающие во все сезоны года и в любое время суток. | Буря | Скорость ветра 50-60 м/с Время действия до 1 часа |
| Ураган - ветер большой разрушительной силы и значительной продолжительности, возникающие в основном с июля по октябрь в зонах сближения циклона и антициклона. Иногда сопровождается ливнями. | Тайфун (Тихий океан) | Скорость ветра более 29 м/с Продолжительность 9-12 дней Ширина - до 1000 км |
| Буря - ветер, скорость которого меньше ураганного. | Шторм | Продолжительность - от нескольких часов до нескольких суток Скорость ветра 15-20 м/с Ширина - до нескольких сот километров |
Ураган
Ураган – это быстрое движение ветра, со скорость 32,7 м/с (117 км/час), хотя может превышать и 200 км/час (12 баллов по шкале Бофорта) (табл. 1), со значительной продолжительностью в несколько суток (9—12 суток), непрерывно движущейся над океанами, морями и материками и обладающий большой разрушительной силы. За ширину урагана принимают ширину зоны катастрофических разрушений. Часто к этой зоне прибавляют территорию ветров штормовой силы со сравнительно небольшими разрушениями. Тогда ширина урагана измеряется сотнями километров, достигая иногда 1000 км. Ураганы возникают в любое время года, но наиболее часто с июля по октябрь. В остальные 8 месяцев они редки, пути их коротки.
Ураган одно из самых мощных проявлений природы, по своим последствиям сравним с землетрясением. Ураганы сопровождаются выпадением большого количества осадков и понижением температуры воздуха. Ширина урагана составляет от 20 до 200 километров. Чаще всего ураганы проносятся над США, Бангладеш, Кубой, Японией, Антильскими островами, Сахалином, Дальним Востоком.
В половине случаев скорость ветра при урагане превышает 35 м/сек, доходя до 40-60 м/сек, а иногда и до 100 м/сек. В зависимости от скорости ветра ураганы классифицируются на три типа:
- ураган (32 м/с и более),
- сильный ураган (39,2 м/с и более)
- жестокий ураган (48,6 м/с и более).
Причиной подобных ураганных ветров является возникновение, как правило, на линии столкновения фронтов теплых и холодных воздушных масс, мощных циклонов с резким перепадом давления от периферии к центру и с созданием вихревого воздушного потока, движущегося в нижних слоях (3-5 км) по спирали к середине и вверх, в северном полушарии – против часовой стрелки. Каждому урагану синоптики присваивают имя или четырехзначный номер.
Циклоны [1], в зависимости от места их возникновения и структуры подразделять на:
1) Тропические циклоны встречаются над теплыми тропическими океанами, в стадии формирования обычно движется на запад, а после окончания формирования изгибаются к полюсам. Тропический циклон, достигший необычной силы, называется:
- тропическимураганом, если он рождается в Атлантическом океане и примыкающих к нему морям. Северная и Южная Америка. Ураган (исп. huracán, англ. hurricane) по имени майянского бога ветра Хуракана;
- тайфуном – если он зародился над Тихим океаном. Дальний Восток, Юго-Восточная Азия;
- циклоном – в регионе Индийского океана.
Рис. Структура тропического циклона
Глаз - центральная часть циклона, в которой воздух опускается вниз.
Стеной глаза - называют кольцо плотных грозовых кучевых облаков, окружающих глаз.
Внешняя часть тропического циклона организована в дождевые полосы — полосы плотных грозовых кучевых туч, которые медленно движутся к центру циклона и сливаются со стеной глаза.
Одним из наиболее распространенных определений размера циклона, которое применяется в различных базах данных, является расстояние от центра циркуляции до наиболее внешней замкнутой изобары, это расстояние имеет название радиуса внешней замкнутой изобары.
2) Циклоны умеренных широт могут формироваться как над сушей так и над водой. Обычно они движутся с запада на восток. Характерной особенностью таких циклонов является их большая «сухость». Количество осадков при их прохождении значительно меньше, чем в зоне тропических циклонов.
3) На Европейский материк воздействуют как тропические ураганы, зарождающиеся в центральной Атлантике, так и циклоны умеренных широт.
Рис. Ураган Изабель 2003 года, фотография с МКС — можно четко увидеть характерные для тропических циклонов глаз, стену глаза и окружающие дождевые полосы.
Буря (шторм)
Буря (шторм) – разновидность урагана, уступающая ему по силе. Ураганы и бури различаются только скоростью ветра. Буря — сильный, длительный ветер, но его скорость меньше, чем при урагане 62 - 117 км/час, (8 – 11 баллов по шкале Бофорта). Буря может длиться от 2—3 ч до нескольких суток, охватывая расстояние (ширину) от десятков до нескольких сотен километров. Буря, разыгравшаяся на море, называется штормом.
В зависимости от окраски частиц, вовлеченных в движение, различают: черные, красные, желто-красные и белые бури.
В зависимости от скорости ветра бури классифицируются:
| Баллы Бофор-та | Словесное определение силы ветра | Скорость ветра, м/с (км/ч) | Действие ветра на суше | |
| На суше | На море | |||
| Очень крепкий ветер (буря) | 17,2 – 20,7 (61,92-74,52) | Ветер ломает сучья деревьев, идти против ветра очень трудно | Умеренно высокие, длинные волны. По краям гребней начинают взлетать брызги. Полосы пены ложатся рядами по ветру. | |
| Шторм (сильная буря) | 20,8 –24,4 (74,88-87,84) | Небольшие повреждения; ветер срывает дымовые колпаки и черепицу | Высокие волны. Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Гребни волн опрокидываются и рассыпаются в брызги. | |
| Сильный шторм (полная буря) | 24,5 –28,4 (88,2-102,2) | Значительные разрушения строений, деревья вырываются с корнем. На суше бывает редко | Очень высокие волны с длинными загибающими вниз гребнями. Пена вздувается ветром большими хлопьями в виде густых полос. Поверхность моря белая от пены. Грохот волн подобен ударам. Видимость плохая. | |
| Жестокий шторм (жесткая буря) | 28,5 – 32,6 (102,6-117,3) | Большие разрушения на значительном пространстве. На суше наблюдается очень редко | Исключительно высокие волны. Суда временами скрываются из вида. Море все покрыто длинными хлопьями пены. Края волн повсюду сдуваются в пену. Видимость плохая. |
Бури подразделяются:
1) Вихревые – представляют собой сложные вихревые образования, обусловленные циклонической деятельностью и распространяющиеся на большие площади. Они бывают:
- Песчаные бури (пыльные) – которые разыгрываются в пустынях, переносят тысячи тонн песка и пыли. Кроме резкого ухудшения видимости, они опасны еще и высокой температурой воздуха. Пыльные бури вызывают удушье и приводят к болезням (переносят различных паразитов), в значительной мере страдает техника.
- Снежные бури (зимние) образуются зимой. Такие бури называют пургой, бураном, метелью. Сопровождаются сильным морозом и вьюгой, они могут перемещать огромные массы снега на большие расстояния, что приводит к обильным снегопадам, метелям, снежным заносам. Снежные бури парализуют движение транспорта, нарушают энергоснабжение, приводят к трагическим последствиям. Ветер способствует охлаждению организма, обморожению.
- Шквальные бури – возникают внезапно, а по времени крайне не продолжительные (несколько минут). Например, в течение 10 минут скорость ветра может возрасти с 3 до 31 м/сек.
2) Потоковые бури – это местные явления небольшого распространения, слабее, чем вихревые бури. Проходят чаще всего между цепями гор, соединяющих долины. Подразделяются на:
- Стоковые – поток воздуха движется по склону сверху вниз.
- Струевые – поток воздуха движется горизонтально или вверх по склону.
Рис. Буря (шторм.) Работа на мачтах парусного судна в шторм.
Смерч (торнадо)
Смерчи (в англоязычной терминологии торна́до от исп. tornar «вертеть, крутить») - это атмосферный вихрь в виде темного рукава с вертикальной изогнутой осью и воронкообразным расширением в верхней и нижней частях. Воздух вращается со скоростью 50-300 км/ час против часовой стрелки и поднимается вверх по спирали. Внутри потока скорость может достигать 200 км/час. Внутри столба пониженное давление (разрежение), обусловливающее всасывание, поднимая вверх всего встречающегося на пути (земля, песок, вода, иногда очень тяжелые предметы). Высота рукава может достигать 800 — 1500 метров, диаметр — от нескольких десятков над водой до сотен метров над сушей. Длина пути смерча составляет от нескольких сотен метров до десятков километров (40 – 60 км.). Смерч распространяется, следуя рельефу местности, скорость перемещения смерча 50 — 60 км/час.
Смерч возникает в грозовом облаке (в верхней части имеет воронкообразное расширение, сливающееся с облаками) насыщенном заряженными ионами и затем распространяется в виде тёмного рукава или хобота по направлению к поверхности суши или моря. Когда смерч опускается до поверхности земли или воды, нижняя часть его тоже становится расширенной, похожей на опрокинутую воронку. Смерчи возникают как над водной поверхность, так и над сушей, значительно чаще, чем ураганы, обычно в тёплом секторе циклона, чаще перед холодным фронтом. Образование его связано с особо сильной неустойчивостью закономерного распределения по высоте температур атмосферного воздуха (стратификации атмосферы). Он часто сопровождается грозой, дождем, градом, резким усилением ветра.
Смерчи наблюдаются во всех районах земного шара. Чаще всего они возникают в Австралии, Северо-Восточной Африке наиболее распространены в Америке (США), в теплом секторе циклона перед холодным фронтом. Смерч движется в том же направлении, что и циклон. В год их случается более 900, причем большинство их зарождается и приносит наибольший ущерб в «Долине торнадо».
«Долине торнадо» простирается от Западного Техаса до Дакоты на 100 миль с севера на юг и на 60 миль с востока на запад. Тёплый влажный воздух, идущий с севера от Мексиканского залива встречается с сухим, холодным ветром, движущимся с юга из Канады. Начинают образовываться огромные скопления грозовых туч. Воздух резко поднимается вверх внутри облаков, там остывает и спускается вниз. Эти потоки сталкиваются и вращаются друг относительно друга. Возникает грозовой циклон, в котором зарождается смерч.
Классификация смерчей
Бичеподобные - это наиболее распространённый тип смерчей. Воронка выглядит гладкой, тонкой, может быть весьма извилистой. Длина воронки значительно превосходит её радиус. Слабые смерчи и опускающиеся на воду смерчевые воронки, как правило, являются бичеподобными смерчами.
Расплывчатые - выглядят как лохматые, вращающиеся, достигающие земли облака. Иногда диаметр такого смерча даже превосходит его высоту. Все воронки большого диаметра (более 0,5 км) являются расплывчатыми. Обычно это очень мощные вихри, часто составные. Наносят огромный ущерб ввиду больших размеров и очень высокой скорости ветра.
Составные - составной торнадо в Далласе 1957 г. Могут состоять из двух и более отдельных тромбов вокруг главного центрального смерча. Подобные торнадо могут быть практически любой мощности, однако, чаще всего это очень мощные смерчи. Они наносят значительный ущерб на обширных территориях. Чаще формируются на воде. Эти воронки немного связаны друг с другом, но бывают и исключения.
Огненные - это обычные смерчи, порождаемые облаком, образованным в результате сильного пожара или извержения вулкана. Именно такие смерчи впервые были искусственно созданы человеком (опыты Дж. Дессена (Dessens, 1962) в Сахаре, которые продолжались в 1960—1962 гг.). «Впитывают» в себя языки пламени, которые вытягиваются к материнскому облаку, образуя огненный смерч. Может разносить пожар на десятки километров. Бывают бичеподобными. Не могут быть расплывчатыми (огонь не находится под давлением, как у бичеподобных смерчей).
Водяные - это смерчи, которые образовались над поверхностью океанов, морей, в редком случае озёр. Они «впитывают» в себя волны и воду, образовывая, в некоторых случаях, водовороты, которые вытягиваются к материнскому облаку, образуя водный смерч. Бывают бичеподобными. Также как и огненные, не могут быть расплывчатыми (вода не находится под давлением, как у бичеподобных смерчей).
Земляные - эти смерчи очень редкие, образовываются во время разрушительных катаклизмов или оползней, иногда землетрясений выше 7 баллов по шкале Рихтера, очень высокие перепады давления, сильно разрежен воздух. Бичеподобный смерч расположен «морковкой» (толстой частью) к земле, внутри плотной воронки, тонкая струйка земли внутри, «вторая оболочка» из земляной жижи (если оползень). В случае с землетрясениями поднимает камни, что очень опасно.
Снежные - это снежные торнадо во время сильной метели.
Рис. Смерч и кавитационный шнур за радиально-осевой турбиной и распределения скорости и давления в поперечных сечениях этих вихревых образований.