Tropischer Wirbelsturm - Wikipedia

Schnell rotierendes Sturmsystem

Ein tropischer Zyklon ist ein schnell rotierendes Sturmsystem, das sich durch ein Niederdruckzentrum, eine geschlossene atmosphärische Zirkulation auf niedrigem Niveau, starke Winde und eine spiralförmige Anordnung von Gewittern auszeichnet die starken Regen erzeugen. Je nach Standort und Stärke wird ein tropischer Zyklon mit verschiedenen Namen bezeichnet, darunter Hurrikan (), ^{[1] [2] [3]} Typhoon () ]), tropischer Sturm, Wirbelsturm, tropische Depression und einfach Zyklon. ^[4] Ein Hurrikan ist ein tropischer Wirbelsturm, der im Atlantik und im nordöstlichen Pazifik vorkommt, und ein Taifun im nordwestlichen Pazifik. während im Südpazifik oder im Indischen Ozean vergleichbare Stürme einfach als "tropische Wirbelstürme" oder "schwere Zyklonstürme" bezeichnet werden. ^[4]

"Tropisch" bezieht sich auf den geographischen Ursprung dieser Systeme, die sich bilden fast ausschließlich über tropischen Meeren. "Zyklon" bezieht sich auf ihre Winde, die sich im Kreis bewegen, ^[5] wirbeln um ihr zentrales klares Auge, wobei ihre Winde in der nördlichen Hemisphäre gegen den Uhrzeigersinn und in der südlichen Hemisphäre im Uhrzeigersinn blasen. Die entgegengesetzte Zirkulationsrichtung beruht auf dem Coriolis-Effekt. Tropische Zyklone bilden sich typischerweise über großen, relativ warmen Gewässern. Ihre Energie beziehen sie durch die Verdampfung von Wasser von der Meeresoberfläche, die sich schließlich in Wolken und Regen niederschlägt, wenn feuchte Luft aufsteigt und bis zur Sättigung abkühlt. Diese Energiequelle unterscheidet sich von zyklonischen Stürmen mittlerer Breite, wie z. B. Nordoststürmen und europäischen Windstürmen, die hauptsächlich durch horizontale Temperaturkontraste angetrieben werden. Tropische Zyklone haben typischerweise einen Durchmesser zwischen 100 und 2.000 km (62 und 1.243 mi).

Die starken rotierenden Winde eines tropischen Wirbelsturms sind das Ergebnis der Erhaltung des Drehimpulses, der durch die Erdrotation vermittelt wird, wenn Luft nach innen in Richtung der Rotationsachse strömt. Daher bilden sie sich selten innerhalb von 5 ° vom Äquator. ^[6] Tropische Wirbelstürme sind im Südatlantik aufgrund einer anhaltend starken Windscherung und einer schwachen intertropischen Konvergenzzone nahezu unbekannt. ^[7] Der östliche afrikanische Jet und Gebiete mit atmosphärischer Instabilität, die zu Zyklonen im Atlantik und in der Karibik führen, sowie der asiatische Monsun und der westliche Pazifik-Warm-Pool sind Merkmale der nördlichen Hemisphäre und Australiens.

Küstenregionen sind im Vergleich zu Binnenlandregionen besonders anfällig für die Auswirkungen eines tropischen Wirbelsturms. Die primäre Energiequelle für diese Stürme ist warmes Meereswasser. Daher sind diese Formen normalerweise am stärksten, wenn sie sich über oder in der Nähe von Wasser befinden, und schwächen sich über Land ziemlich schnell ab. Küstenschäden können durch starke Winde und Regen, starke Wellen (durch Wind), Sturmfluten (durch Wind und starke Druckänderungen) und die Möglichkeit von Tornados Laichen verursacht werden. Tropische Zyklone ziehen auch Luft aus einem großen Gebiet ein, das für die härtesten Zyklone ein weites Gebiet sein kann, und konzentrieren den Niederschlag des Wassergehalts in dieser Luft (zusammengesetzt aus der Luftfeuchtigkeit und der aus dem Wasser verdampften Feuchtigkeit) auf einen viel kleineren Bereich. Dieser ständige Ersatz von feuchtigkeitshaltiger Luft durch neue feuchtigkeitshaltige Luft, nachdem seine Feuchtigkeit als Regen gefallen ist, kann extrem starke Regenfälle und Flussüberschwemmungen bis zu 40 km von der Küste entfernt verursachen, weit über der Wassermenge die örtliche atmosphäre hält zu jeder zeit.

Obwohl ihre Auswirkungen auf die menschliche Bevölkerung oft verheerend sind, können tropische Wirbelstürme Dürrebedingungen lindern. Sie transportieren auch Wärmeenergie aus den Tropen und transportieren sie in gemäßigte Breiten, die eine wichtige Rolle bei der Regulierung des regionalen und globalen Klimas spielen können.

Physikalische Struktur

Diagramm eines Wirbelsturms der nördlichen Hemisphäre

Tropische Zyklone sind Gebiete mit relativ niedrigem Druck in der Troposphäre, wobei die größten Druckstörungen in niedrigen Höhen in der Nähe der Oberfläche auftreten. Auf der Erde gehören die in den Zentren tropischer Wirbelstürme gemessenen Drücke zu den niedrigsten, die jemals auf Meereshöhe beobachtet wurden. ^[8] Die Umgebung in der Nähe des Zentrums von tropischen Wirbelstürmen ist in allen Höhenlagen wärmer als die Umgebung und wird daher als "Warmkernsystem" bezeichnet. ^[9]

Windfeld

Das oberflächennahe Windfeld eines Tropischer Zyklon zeichnet sich dadurch aus, dass sich Luft schnell um ein Zirkulationszentrum dreht und auch radial nach innen strömt. Am äußeren Rand des Sturms kann die Luft fast ruhig sein; Aufgrund der Erdrotation hat die Luft jedoch keinen absoluten Drehimpuls. Wenn Luft radial nach innen strömt, beginnt sie sich zyklonisch zu drehen (gegen den Uhrzeigersinn in der nördlichen Hemisphäre und im Uhrzeigersinn in der südlichen Hemisphäre), um den Drehimpuls zu erhalten. In einem inneren Radius steigt die Luft an die Spitze der Troposphäre. Dieser Radius fällt typischerweise mit dem inneren Radius der Augenwand zusammen und hat die stärksten oberflächennahen Winde des Sturms; folglich ist es als Radius maximaler Winde bekannt. ^[10] In der Höhe strömt die Luft vom Sturmzentrum weg und erzeugt einen Schild mit Zirruswolken. ^[11]

Die zuvor erwähnten Vorgänge führen zu einem fast axialsymmetrischen Windfeld: Die Windgeschwindigkeit ist im Zentrum niedrig bewegt sich schnell nach außen bis zum Radius der maximalen Winde und zerfällt dann allmählich mit dem Radius zu großen Radien. Das Windfeld zeigt jedoch häufig zusätzliche räumliche und zeitliche Variabilität aufgrund der Auswirkungen von lokalisierten Prozessen wie Gewitteraktivität und horizontalen Strömungsinstabilitäten. In vertikaler Richtung sind die Winde in der Nähe der Oberfläche am stärksten und verfallen mit der Höhe in der Troposphäre. ^[12]

Auge und Zentrum

Im Zentrum eines reifen tropischen Wirbelsturms sinkt die Luft. Bei einem ausreichend starken Sturm kann Luft über einer Schicht tief genug sinken, um die Wolkenbildung zu unterdrücken, wodurch ein klares "Auge" entsteht. Das Wetter im Auge ist normalerweise ruhig und wolkenlos, obwohl das Meer extrem heftig sein kann. ^[13] Das Auge hat normalerweise eine kreisförmige Form und hat typischerweise einen Durchmesser von 30 bis 65 km, obwohl Augen mit einer Größe von 3 km und einer Länge von 370 km beobachtet wurden. ^{[14] [15]}

Die trübe Außenkante des Auges wird als "Augenwand" bezeichnet. Die Augenwand dehnt sich normalerweise mit der Höhe nach außen aus und erinnert an ein Fußballstadion in der Arena. Dieses Phänomen wird manchmal als "Stadioneffekt" bezeichnet. ^[15] In der Augenmauer sind die größten Windgeschwindigkeiten zu finden, die Luft steigt am schnellsten an, die Wolken erreichen ihre höchste Höhe und der Niederschlag ist der stärkste. Der schwerste Windschaden tritt auf, wenn die Augenwand eines tropischen Wirbelsturms über Land hinweggeht. ^[13]

Bei einem schwächeren Sturm kann das Auge durch den zentralen dichten Bewölkung, den damit verbundenen oberen Zirrusschild, verdeckt werden mit einem konzentrierten Gebiet mit starker Gewitteraktivität in der Nähe des Zentrums eines tropischen Wirbelsturms. ^[16]

Die Augenwand kann im Laufe der Zeit in Form von Augenwandersatzzyklen variieren, insbesondere in intensiven tropischen Wirbelstürmen. Äußere Regenbänder können sich zu einem äußeren Gewitterring organisieren, der sich langsam nach innen bewegt, was vermutlich die primäre Augenwand an Feuchtigkeit und Drehimpuls nimmt. Wenn die primäre Augenwand schwächer wird, wird der tropische Zyklon vorübergehend schwächer. Die äußere Augenwand ersetzt schließlich die primäre am Ende des Zyklus, zu welcher Zeit der Sturm zu seiner ursprünglichen Intensität zurückkehren kann. ^[17]

Schnelle Vertiefung

Gelegentlich können tropische Zyklone einen Prozess durchmachen bekannt als schnelle Vertiefung, eine Periode, in der der minimale Meeresspiegeldruck eines tropischen Zyklons innerhalb von 24 Stunden um 42 mb abnimmt. ^[18] Damit eine schnelle Vertiefung stattfinden kann, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. Die Wassertemperaturen müssen extrem hoch sein (in der Nähe von oder über 30 ° C), und das Wasser dieser Temperatur muss so tief sein, dass die Wellen keine kühleren Gewässer an die Oberfläche bringen. Windscherung muss niedrig sein; Bei hoher Windscherung wird die Konvektion und Zirkulation im Zyklon gestört. Normalerweise muss auch ein Antizyklon in den oberen Schichten der Troposphäre über dem Sturm vorhanden sein - für die Entwicklung extrem niedriger Oberflächendrucke muss die Luft in der Augenwand des Sturms sehr schnell ansteigen, und ein Antizyklon der oberen Ebene hilft dabei, dies zu kanalisieren Luft effizient vom Zyklon entfernt. ^[19]

Größe

Größenbeschreibungen tropischer Wirbelstürme
ROCI (Durchmesser)	Typ
Weniger als 2 Grad Breite	Sehr klein / klein
2 bis 3 Breitengrade	Klein
3 bis 6 Breitengrade	Mittel / Durchschnitt
6 bis 8 Breitengrade	Groß
Über 8 Breitengrade	Sehr groß [20]

Es gibt eine Vielzahl von Metriken, die üblicherweise zur Messung der Sturmgröße verwendet werden. Die gebräuchlichsten Metriken sind der Radius des maximalen Windes, der Radius des 34-Knoten-Windes (dh Sturmstärke), der Radius der äußersten geschlossenen Isobare (ROCI) und der Radius des verschwindenden Windes. ^{[21] [22]} Eine zusätzliche Metrik ist der Radius, bei dem das relative Wirbelfeld des Zyklons auf 1 × 10 abnimmt ^-5 s ^-1 . ^{[15] [1946950]}

Auf der Erde tropische Zyklone Das Spektrum reicht von 100 bis 2.000 km, gemessen am Radius des verschwindenden Windes. Sie sind im Durchschnitt im nordwestlichen Pazifikbecken am kleinsten und im nordöstlichen Pazifikbecken am kleinsten. ^[23] Wenn der Radius der äußersten geschlossenen Isobare weniger als zwei Breitengrade (222 km) beträgt, ist der Zyklon "sehr klein" oder ein "Zwerg". Ein Radius von 3–6 Breitengrad (333–670 km) wird als "durchschnittliche Größe" betrachtet. "Sehr große" tropische Wirbelstürme haben einen Radius von mehr als 8 Grad (888 km). ^[20] Beobachtungen zeigen, dass die Größe nur schwach mit Variablen wie Sturmintensität (dh maximale Windgeschwindigkeit), Radius des maximalen Windes, Breitengrad und maximaler potenzieller Intensität korreliert ist. ^{[22] [23]}

Größenspiele eine wichtige Rolle bei der Modulation des durch einen Sturm verursachten Schadens. Ansonsten ist ein größerer Sturm längere Zeit in einem größeren Gebiet zu sehen. Außerdem kann ein größeres oberflächennahes Windfeld aufgrund der Kombination aus längerem Windschlag, längerer Dauer und verbessertem Wellenaufbau eine höhere Sturmflut erzeugen. ^[24]

Die obere Zirkulation starker Hurrikane reicht in die Tropopause der Atmosphäre, die in niedrigen Breiten 15.000–18.000 Meter (50.000–60.000 ft) beträgt. ^[25]

Physik und Energie

Tropische Wirbelstürme weisen eine umwälzende Zirkulation auf, bei der Luft nahe an der Oberfläche einströmt , steigt in Gewitterwolken auf und strömt auf hohem Niveau in der Nähe der Tropopause ab. ^[26]

Das dreidimensionale Windfeld in einem tropischen Wirbelsturm kann in zwei Komponenten unterteilt werden: einen "Primärkreislauf" und eine "sekundäre Zirkulation". Der Primärkreislauf ist der rotierende Teil des Flusses; es ist rein kreisförmig. Der Sekundärkreislauf ist der Teil des Flusses, der umkippt. es ist in radialer und vertikaler Richtung. Die Primärzirkulation ist größer und dominiert das Oberflächenwindfeld. Sie ist für den Großteil des von einem Sturm verursachten Schadens verantwortlich, während die Sekundärzirkulation langsamer ist, aber die Energetik des Sturms bestimmt.

Sekundärzirkulation: eine Carnot-Wärmekraftmaschine

Die primäre Energiequelle eines tropischen Zyklons ist Wärme aus der Verdampfung von Wasser von der Oberfläche eines warmen Ozeans, die zuvor durch Sonnenschein erhitzt wurde. Die Energetik des Systems kann als atmosphärische Carnot-Wärmekraftmaschine idealisiert werden. ^[27] Erstens erhält das Einströmen von Luft in der Nähe der Oberfläche Wärme hauptsächlich durch Verdampfen von Wasser (d. H. Latente Wärme) bei der Temperatur der warmen Meeresoberfläche (während der Verdampfung kühlt sich der Ozean ab und die Luft erwärmt sich). Zweitens steigt und erwärmt sich die erwärmte Luft in der Augenwand, während der Gesamtwärmeinhalt erhalten bleibt (latente Wärme wird einfach während der Kondensation in fühlbare Wärme umgewandelt). Drittens strömt Luft aus und verliert bei der Temperatur der kalten Tropopause Wärme über Infrarotstrahlung in den Weltraum. Schließlich senkt und wärmt die Luft am äußeren Rand des Sturms, während der gesamte Wärmeinhalt erhalten bleibt. Das erste und das dritte Bein sind fast isotherm, während das zweite und vierte Bein fast isentropisch sind. Diese Aufwärts-Abwärts-Umstülpströmung wird als Sekundärzirkulation bezeichnet. Die Carnot-Perspektive bietet eine Obergrenze für die maximale Windgeschwindigkeit, die ein Sturm erreichen kann.

Wissenschaftler schätzen, dass ein tropischer Wirbelsturm Wärmeenergie mit einer Rate von 50 bis 200 Exajoule (10 ¹⁸ J) pro Tag abgibt, ^[28] entsprechend etwa 1 PW (10) ¹⁵ Watt). Diese Energiefreisetzungsrate entspricht dem 70-fachen des weltweiten Energieverbrauchs von Menschen und dem 200-fachen der weltweiten Stromerzeugungskapazität oder der Explosion einer 10-Megatonnen-Atombombe alle 20 Minuten. ^{[28] [29]}

Primärzirkulation: Rotierende Winde

Die Primärströmung in einem tropischen Zyklon resultiert aus der Erhaltung des Drehimpulses durch die Sekundärzirkulation. Absoluter Drehimpuls auf einem rotierenden Planeten ${ displaystyle M}$ ist gegeben von

${\displaystyle M=\frac{1}{2}f{r}^2+vrr}$

wobei ${ displaystyle r}$