Tropical Cyclone Forecasting je věda pro předpovídání vývoje tropických systémů a jejich vysídlení. Tropický cyklón je výkonný meteorologický prohlubeň , která se tvoří v tropických oblastech a poháněn atmosférickým konvekcí spíše než setkání různých vzduchových hmot jako ve vyšších zeměpisných šířkách. Tvorba těchto systémů závisí na různých pravidel je tropický cyklogeneze , které byly nalezeny od XIX th století . Výzkumníci v oblasti tropického meteorologie a meteorologové v oblasti předpovědi vyvinuli v průběhu let diagnostické techniky a numerické modely pro předvídání chování těchto systémů. Hlavní motivací pro tuto prognózu je minimalizovat dopady těchto systémů na obyvatelstvo, které produkují silný vítr, přívalové deště, bouřkové vlny zaplavující pobřeží a občas tornáda .
První známá předpověď pohybu tropického cyklónu na Západě byla dílem podplukovníka Williama Reeda z British Royal Corps of Engineers, který v roce 1847 pomocí měření atmosférického tlaku předpověděl průchod hurikánu na Barbadosu . Benito Vines představil cyklónový prognostický a varovný systém během 70. let 20. století v Havaně na Kubě. Až do začátku XX th století , hurikán prognóza byla extrapolace pohybových systémů analyzovány podle údajů telegraficky obdrželi z meteorologických stanic na souši. Od 20. let 20. století vývoj TSF umožnil přijímat pozorování z lodí a později radiosondeová data umožnila získat trojrozměrnou představu o atmosféře, ve které se cyklóny tvoří a pohybují.
V průběhu 40. let 20. století umožnilo letectví přijímat více dat přes velké oceánské oblasti a vojenské průzkumné lety tyto systémy hledaly. V roce 1943 provedl první let hurikánů americké letectvo . V roce 1944 byla část věnovaná této práci vytvořena letectvem USA, práce, kterou později převzala americká národní meteorologická služba a další meteorologické služby v tropech. V průběhu padesátých let umožnily meteorologické radarové sítě podél pobřeží sledovat vývoj srážek a americká vláda vytvořila předchůdce dnešního Národního hurikánového centra a jeho výzkumné divize (Atlantická oceánografická a meteorologická laboratoř). Příchod meteorologických satelitů od šedesátých let, z nichž první byl TIROS-I , a meteorologické bóje , umožnily získat ještě více údajů a lépe sledovat pohyb tropických cyklónů.
Jak byla do arzenálu meteorologů přidána nová data, objevilo se lepší pochopení struktury a podmínek formování tropického cyklónu. První diagnostické techniky odvozené z porozumění tropickému prostředí umožnily nejen extrapolovat jeho pohyb, ale také jeho vývoj. Tyto techniky dávají do souvislosti, před příchodem výkonných moderních počítačů, pozorování polohy systémů s umístěním příznivých a nepříznivých zón k jejich postupu v okolní atmosféře. Jednou z technik, která se dodnes používá, je metoda Dvořáka, která využívá vzhled systémů na satelitních fotografiích k určení a extrapolaci jejich vývojové fáze. Na druhou stranu vědci matematicky odvodili vývoj atmosférického toku a již v šedesátých letech se pokusili vypracovat výpočet jeho vývoje, který vyústil v numerické modely předpovědi počasí konkrétně předpovězené pro tropické cyklóny.
Motor tropických cyklónů je uvolňování latentního tepla podle bouřlivé srážek . Ve skutečnosti vodní pára, která kondenzuje v kapičkách mraků, uvolňuje určitou energii, která bude absorbována vodní parou během rozptylování oblaku. Energie použitá proti kapkám deště ohřívá vzduch nízké úrovně, čímž udržuje bouřlivý cyklus. Vzduch proto musí být ve spodní a střední úrovni troposféry velmi vlhký, aby poskytoval dostatek „ paliva “ pro hlubokou konvekci k udržení systému.
Na druhou stranu je vítr kritickým faktorem, který řídí organizaci bouřek v cyklonální rotaci. Jelikož existuje rovnováha mezi tlakovým spádem a Coriolisovou silou, aby byla dostatečná k vyvolání odchylky větrů, které způsobí cyklonální rotaci, je nutné se vzdálit od rovníku nejméně o 10 stupňů zeměpisné šířky nebo asi 500 km . V oblasti, kde je termodynamický potenciál poměrně vysoký, se začnou rozvíjet bouřky. Nejmenší dutý monzun , tropická vlna , velmi uvolněný povrch čela nebo zóna konvergence vlhkosti, kterou větrné vzory dostatečně víří , umožňují rotaci kolem tohoto ohniska. Bez toho druhého zůstane konvekce neuspořádaná a bez budoucnosti.
Změna ve větru s nadmořskou výškou, jak ve směru, tak v rychlosti, by měla být také malá mezi povrchem a tropopauzou . Je tomu tak proto, že intenzivnější střih přenáší vzduch v bouřkách nahoru , a proto srážky, pod proudem a vysychají průměrné úrovně atmosféry. Latentní teplo uvolňované bouřkami však musí zůstat ve vyvíjejícím se cyklónu, aby byl vzduch udržován teplý a vlhký, aby se udržovaly podmínky pro jejich neustálé reformování. Na druhou stranu, u začínajících cyklonů bude vývoj konvektivního komplexu mezoscale v silně střiženém prostředí mít za následek sestupné poryvy, které odříznou vstup vlhkého vzduchu, který jej odřízne od zdroje energie.
I když je tvorba tropických cyklónů stále rozsáhlým předmětem výzkumu, lze říci, že podle výše zmíněných spouštěčů existuje šest nezbytných faktorů pro jejich rozvoj, rozdělených do dvou kategorií:
Termodynamika
Dynamický
Síly ovládající cestu tropických cyklónů jsou především okolní nízkotlaké systémy a anticyklóny , stejně jako střih větru s nadmořskou výškou. Předpovídání polohy těchto prvků je proto při tropickém předpovídání zásadní. Obecně platí, že tok ve velkém měřítku (synoptická stupnice) řídí 70 až 90 procent dráhy.
Běžnou diagnostickou technikou je proto považovat střední vítr ve vrstvě pod 700 hPa (3000 metrů ) za okamžitý prediktor posunutí, ke kterému je přidán korekční faktor, který závisí na jeho poloze ve vztahu k okolním systémům a ke polokouli . považovány (faktor z Coriolisova síla ). Například vůle se mírně odchýlí od severní dráhy tropického cyklónu procházejícího jižně od jiho-tropického barometrického hřebene . Bouře směřující na severozápad se tedy pohybují rychleji a bouře směřující na severovýchod se zpomalují. Čím větší je cyklón, tím větší je jeho dopad .
Prognóza vytvořená touto technikou musí používat vyhlazenou historickou trajektorii systému, aby se zabránilo účinkům jeho malých změn. Pokud nejsou pásma bouřek rovnoměrně rozložena, skutečně existuje trochoidní precese středu cyklónu. To je obvykle způsobeno proměnlivým svislým smykem v systému. U zvláště intenzivního systému meteorologové někdy použijí i střední vítr ve silnější vrstvě atmosféry.
Tato technika a další jsou odvozeny ze znalostí sil, které působí na tropické cyklóny, ale jsou pouze diagnostické. Vývoj numerických modelů umožnil přesněji vypočítat interakce. Ty poskytují trajektorii, která bere v úvahu všechna kvantifikovaná pozorování, ale podléhají chybám spojeným s aproximacemi rovnic, které obsahují, v chybách měření dat a ve výpočetní síle počítačů.
Předpovídání intenzity tropických cyklónů je podle prognostiků obtížnější. To je způsobeno složitou povahou těchto systémů a jejich relativní izolací od obecné atmosférické cirkulace. Pro stanovení platné diagnózy je nutné znát trajektorii, kterou bude cyklón trvat, umět vypočítat termodynamický potenciál vzdušné hmoty podél ní a znát vertikální střih větru. Kromě toho bude třeba vzít v úvahu brzdný účinek tření, kterým procházejí pobřeží a ostrovy.
Pro posouzení fáze, ve které se cyklón nachází, byly vyvinuty různé techniky, včetně techniky Dvořak, která využívá snímky z meteorologických satelitů . V těchto hodnoceních by měla být zvážena obnova oka cyklónu , ke kterému dochází u silných hurikánů / tajfunů / cyklonů a dočasně oslabuje cyklón před opětovným zesílením.
D Dr. Kerry Emanuel , z Massachusetts Institute of Technology , který byl vypracován v roce 1988 index nazývá maximální index potenciální míra pro výpočet maximální proud, který může dosáhnout cyklon. Tento index je založen na teplotě povrchu moře a vertikálním teplotním profilu pomocí numerických modelů předpovědi počasí . Meteorolog může vytvořit mapy tohoto indexu, na které navrství dříve předpovídanou trajektorii a odvodit nejpravděpodobnější budoucí intenzitu systému. Tato metoda nebere v úvahu vertikální střih větru, který může zvýšit nebo snížit intenzitu.
Fenomén, který je třeba vzít v úvahu, a to jak pro trajektorii, tak pro intenzitu tropického cyklónu, je efekt Fujiwara . To popisuje interakci mezi dvěma cyklóny blížícími se do vzdálenosti 1450 km od sebe. Jedná se o poměrně běžný jev v severním Tichém oceánu kvůli jeho rozsahu.
Předpovídání množství deště, které padne s tropickým cyklónem, je obzvláště důležité, protože většina škod a úmrtí je skutečně způsobena tímto prvkem. Silné deště způsobují záplavy , sesuvy půdy a sesuvy půdy .
Deště jsou silnější s pomalými systémy. Tak pomalu se pohybující hurikánu Wilma způsobil více škody než ostatní hurikány se stejnou intenzitou, protože se vlije své deštích přes menší oblast. Na druhou stranu, místa jako Mexiko , Haiti , Dominikánská republika , většina Střední Ameriky , Madagaskar , Réunion , Čína a Japonsko jsou obecně zasažena více, protože hornatý terén dodává zemi další povzbuzení, což zvyšuje srážky. Pozdní zvýšení také zvýší horní barometrický žlab setkávající se s cyklonem ve středních zeměpisných šířkách.
Kombinace těchto faktorů může být obzvláště nebezpečná a vést ke katastrofickým účinkům, jako tomu bylo v případě hurikánu Mitch , který prošel Střední Amerikou, když zahynulo více než 10 000 lidí.
Pravidlo bylo nalezeno v padesátých letech minulého století RH Kraftem, aby předpovědělo množství deště s hurikánem. Měřením akumulace srážek (v palcích ) zanechaných různými tropickými systémy ve Spojených státech pomocí dat ze stanic v postižených oblastech zjistil, že úhrn se rovnal 100 děleno jejich rychlostí pohybu v uzlech . Pokud známe rychlost pohybu hurikánu, můžeme předpovídat srážky. Toto pravidlo funguje docela dobře, dokonce i v jiných zemích, pokud se cyklón pohybuje a jako celek se používají hlavní meteorologické stanice ( mezi stanicemi jsou vzdáleny 100 km ). Přirozeně toto pravidlo závisí na hustotě sítě meteorologických stanic, která může podceňovat maximální srážky, průměr systému a topografii terénu. V Kanadě bylo toto Kraftovo pravidlo upraveno tak, aby zohledňovalo teplotu hraničních vod atlantických provincií, která je nižší, a vertikální střih větru, který je větší. Výsledek vydělíme dvěma.
První semi-empirická metoda pro předpovídání akumulace srážek je metoda klimatologie a perzistence. V průběhu roku 1950, výzkumná služba Atlantického oceánografické a meteorologické laboratoře vyvinuli model nazvaný r-Cliper (za r ainfall CLI matology a za sistence), které extrapoluje množství aktuálně poznamenali v cyklonu a projektů je v době užívají pouze účet klimatologická země jako modulace. Výstupy tohoto modelu, až 120 hodin, jsou stále používány jako testovací pole pro meteorology a pro ověření adresy digitálních modelů vyvinutých později.
Další krátkodobé technika, tzv TRAP (pro T ropical Ra infall P otential technika), využívá satelitních odhady množství deště, který klesla a extrapoluje je na aktuální stopy po dobu 24 hodin. Jeho hlavní slabinou je, že nebere v úvahu vývoj tropického cyklónu, ale to je obecně minimální během 24 hodin.
Síla větru kolem tropických cyklónů závisí na tom, ve kterém kvadrantu jste vzhledem ke středu soustavy. Ve skutečnosti pro cyklon s průměrným větrem 90 km / h, který se začne pohybovat (bez ohledu na směr) rychlostí 10 km / h , budou naměřené větry 100 km / h na straně, kde jsou větry. Stejným směrem jako pohybující se a 80 km / h na druhé straně.
Jelikož se větry na severní polokouli otáčejí proti směru hodinových ručiček kolem minima, nachází se složka ve směru jízdy na pravé straně systému, což vede k nejsilnějším větrům. Na jižní polokouli se vítr otáčí opačným směrem a nejsilnější vítr má levá strana.
Námořníci nazývají tuto stranu „nebezpečným půlkruhem“ a snaží se jí vyhnout sledováním předpovědi počasí. K maximálnímu sčítání skutečně dochází v nejpřednějším kvadrantu systému, jako v opačném grafu, a právě zde jsou moře ještě drsnější. Naopak počasí je na druhé straně bouře zmírněno (subtraktivní).
Větry tlačí přes hladinu moře a zvyšují hladinu přílivu a vytvářejí velké vlny , což se nazývá nárůst bouře. To bude největší v severovýchodním kvadrantu na severní polokouli a v jihozápadním kvadrantu na jižní polokouli . Je to proto, že se větry kolem cyklónu a směr jeho pohybu v těchto oblastech sčítají, aby se zvýšil účinek.
Tornáda spojená s tropickými systémy se nacházejí ve stejných oblastech, jako jsou kvadranty, kde vzduch z vody obvykle vstupuje do půdy a je vychýlen třením. Tato výchylka způsobí, že se vzduch sbíhá směrem ke středu systému. Pokud existuje výšková rotace spojená s meso-víry oka , tato konvergence, která mu umožní dosáhnout na zem.
Pohyby vzduchu a vlhkosti v tropických cyklónech jsou řízeny primitivními atmosférickými rovnicemi , podobně jako zbytek atmosférické cirkulace. Jejich měřítka však leží mezi hodnotami synoptických depresí a měřítky systémů mesoscale , což znamená, že některé parametry těchto rovnic nejsou lineární. Kromě toho se tvoří nad oceány, kde jsou pozorovací údaje vzácné. Obecné numerické modely predikce počasí proto měly problémy s těmito systémy. Proto byly od 70. let 20. století vyvinuty modely s vyšším rozlišením včetně speciální parametrizace, aby bylo možné předpovědět jejich posunutí, intenzitu a srážky. Nárůst dat získaných meteorologickými satelity a lety pozorování v hurikánech umožnily lépe porozumět prostředí těchto systémů a vylepšit modely. Zejména uvolnění radiosond v tropických cyklónech snížilo chybu na trati o 15 až 20 procent. V poslední době umožňuje použití různých modelů, z nichž každý se několikrát převrátil s určitými odchylkami v počátečních datech, získat různá řešení. Porovnání těchto řešení poskytuje celkovou statistiku, která umožňuje najít nejpravděpodobnější řešení.
Zde je několik předpovědních modelů vyvinutých částečně nebo úplně pro tropické cyklóny:
Navzdory výše uvedené rozmanitosti cyklónových predikčních modelů tratí existuje pouze několik předpovědních modelů intenzity. V povodí Atlantiku zaznamenáváme:
Hlavní model používaný ve Spojených státech k předpovídání bouřkových rázů se nazývá SLOSH ( S ea, L ake, O verland, S urge from H urricanes. Využívá průměr systému, jeho intenzitu, rychlost pohybu a topografii. ohrožené pobřeží k předpovědi výšky vlny. Výstup silně závisí na predikci trajektorie, a proto dává pravděpodobnost těchto výšek zónami kolem trajektorie spíše přímé hodnoty.
D r Hassan Masquariqui ze State University of Louisiana vytvořil se svým týmem model, který byl použit při cyklonu Sidr , který pomohl výstrah orgány Bangladéše k možnosti zaplavení a ušetřit stovky tisíc života. Na obrázku vpravo jasně vidíme, že nejvyšší výšky se nacházejí v severovýchodním kvadrantu trajektorie (čára se šipkou), jak bylo popsáno výše.
Před 90. léty byly numerické předpovědi omezeny na 72 hodin (tři dny), protože numerické modely a techniky nebyly dostatečně přesné. V polovině 90. let 20. století prodloužilo prognózované období výzkum tropických systémů. V roce 2001 umožnilo snížení chyby ve stopě použitelnost výstupů modelu po dobu až pěti dnů. V některých případech mohla být tato předpověď prodloužena na šestý a dokonce sedmý den.
V poslední době vědci z Colorado State University zjistili statistické korelace mezi vývojem tropických cyklónů v severním Atlantiku a různými jevy počasí mezi západní Afrikou a západní Indií. Od roku 1984 vydává sezónní předpověď, jejíž výsledky se ukázaly být lepší než klimatologie . Od té doby následovaly další výzkumná centra pro další oblasti, jako jsou oblasti severozápadního Pacifiku a australské zóny. Prediktory těchto oblastí se týkají Walkerova oběhu , ENSO , oscilace v severním Atlantiku a Arktidě (podobně jako v jižní oscilaci ) a severoamerický vzor Pacifiku