Aktuality SHMU
Tropické cyklóny v meniacom sa svete
24.8.2010 | KLIMATOLÓGIA | ANALÝZA | JOZEF PECHO
Západne od Kapverdských ostrovov vznikol včera v poradí už druhý tohtoročný hurikán a štvrtá pomenovaná tropická búrka, Danielle. Zaradil sa tak medzi klasické hurikány kapverdského typu, ktoré sú typické pre oblasť Atlantického oceánu v období vrcholiacej hurikánovej sezóny. „Kapverdské“ hurikány majú svoj pôvod v tropických vlnách a neskôr depresiách, ktorá vznikajú nad pobrežím západnej Afriky a ďalej putujú po južnom okraji rozsiahlej Azorskej tlakovej výše, popod Kapverdské ostrovy. Štádium tropickej búrky a hurikánu najčastejšie dosahujú v priestore medzi Kapverdskými ostrovmi a Malými Antilami. Keďže sa zvyknú pohybovať po veľmi pretiahnutých „parabolických“ dráhach a väčšiu časť svojho života strávia na teplým oceánom, majú vždy dostatok času sa rozvinúť do skutočne obrovských rozmerov. Aj keď len málokedy dosiahnu severoamerické pobrežie, hurikány tohto typu patria medzi najobávanejšie tropické poruchy v Atlantickom oceáne. Tento osud zrejme stretne aj Danielle, keďže sa zdá, že ešte predtým ako sa priblíži k východnému pobrežiu USA, stočí sa po parabole na severovýchod a rozplynie sa nad severným Atlantikom. Už teraz sa však pohybuje v oblasti s mimoriadne teplou povrchovou vodou oceánu (> 28°C) a veľmi priaznivými cirkulačnými podmienkami (malý vertikálny strih vetra), ktoré nahrávajú ďalšiemu, veľmi rýchlemu rozvoju Danielle do štádiu silného hurikánu. Potvrdzujú to aj predpovedné modely, ktoré očakávajú, že v rámci najbližších 24 hodín hurikán zosilnie na 3. stupeň intenzity.
Aj napriek nie príliš presvedčivému začiatku tohtoročnej hurikánovej sezóny, ktorá trvá zvyčajne od 1. júna do 30. novembra, Klimatické predpovedné centrum NOAA stále počíta s nadnormálne aktívnou sezónou. V priebehu tohto roku by malo vzniknúť nad Atlantickým oceánom 14 až 20 pomenovaných tropických búrok (dlhodobý priemer je 11), a to s pravdepodobnosťou okolo 70 %. Pritom 8 až 12 tropickým porúch by malo dosiahnuť silu hurikánu a maximálne 6 z nich by mohlo prerásť až do štádia silného hurikánu (minimálne 3. stupeň intenzity).
Tropické cyklóny, tiež nazývané hurikány či tajfúny, patria medzi najnebezpečnejšie prírodné živly na našej planéte. Každý rok ich nad teplými tropickými oceánmi vznikne v priemere asi osemdesiat. Pre svoju ničivú silu sú schopné pri postupe nad pevninu vymazať zo zemského povrchu celé mestá a pripraviť o život desiatky tisíc ľudí. Aj napriek svojim, prevažne negatívnym dopadom, predstavujú významný prvok v zložitom mechanizme fungovania globálnej klímy. Tropické cyklóny si možno v jednoduchosti predstaviť ako obrovské tepelné stroje, ktoré pomáhajú udržiavať zemskú atmosféru v tepelnej rovnováhe. Tieto výrazné atmosférické javy predstavujú jeden zo spôsobov, akým sa „prehriate“ trópy zbavujú prebytočného tepla, ktoré sa hromadí v povrchových vrstvách oceánov. Množstvo tepla vytvorené jedným priemerným hurikánom je obrovské a jeho celkový energetický výkon (~ 5,2×1019 J/deň alebo ~ 6,0×1014 W) presahuje dvestonásobok výkonu všetkých elektrární sveta (pričom celkový veterný výkon predstavuje ~ 1,5×1012 W). V súvislosti s globálnym otepľovaním sa čoraz častejšie diskutuje o tom, či ľuďmi podmienená klimatická zmena vedie k nárastu intenzity, počtu a zmenám výskytu tropických cyklón alebo nie. Bez ohľadu na to, akú odpoveď nám výskum možno už onedlho prinesie, isté je jedno. Hurikány podobné Katrine z roku 2005 (Obr. 6) nás budú ohrozovať aj naďalej a je len otázkou času, kedy niektorý z nich zasiahne oveľa väčšie mesto ako New Orleans.
Obr. 3 Hurikán Danielle na záberoch družice GOES-EAST na kanáloch vlnových dĺžok vodnej pary WV (hore) a infračerveného žiarenia IR (dole) dňa 24. augusta 2010 (11:45 UTC; Zdroj:
http://www.nhc.noaa.gov/satellite.shtml)
Anatómia „katastrofy“
Tropické cyklóny (TC) sa líšia od cyklón, ktoré sa vyskytujú v našich zemepisných šírkach, veľkými horizontálnymi rozdielmi tlaku vzduchu (12 až 20 hPa na 100 km) a predovšetkým oveľa menšími rozmermi (do 1000 km) a značnými rýchlosťami vetra (118 až 350 km/h). Tropické cyklóny sú cyklonálne víry vznikajúce nad teplými tropickými oceánmi (s teplotou aspoň 26-27°C) v blízkosti rovníka, prevažne medzi 5° a 20° severnej a južnej z. š., v tzv. tropickej zóne konvergencie (TZK), v ktorej sa prejavuje zbiehanie (konvergencia) prízemného prúdenia a výstup vzduchu vedúci k vzniku bohatej kopovitej oblačnosti. Na severnej pologuli vznikajú od júla do novembra, s maximom pripadajúce na august až september, a na južnej pologuli od novembra do apríla s maximom v januári až februári. Po sformovaní sa začínajú TC pohybovať smerom na západ a neskôr sa po parabole stáčajú na severozápad, sever až severovýchod (severná pologuľa; Obr. 5).
Charakteristickou vlastnosťou TC je ich symetrická stavba, tak vertikálna ako aj horizontálna, a popri klasickej špirálovej štruktúre oblačných pásov je zrejme najpozoruhodnejším znakom TC tzv. oko cyklóny. Ide o „zónu ticha“ v strede oblačného víru s priemerom ~ 40 až 100 km, kde prevláda len slabý vietor alebo bezvetrie a takmer bezoblačná obloha. Prítomnosť oka je znakom toho, že TC dosiahla silu orkánu a jeho vznik a s tým spojený aj vzostup teploty, je kulminačným bodom vo vývoji TC. Bezprostredne k oku TC prilieha tzv. oblasť maximálnych vetrov a intenzívnych prívalových zrážok (spadne tu aj viac ako 25 mm/hod). V tejto mimoriadne dynamickej, v priemere 40 km širokej oblasti, prebiehajú procesy spojené s výstupom a kondenzáciou teplého a vlhkého vzduchu najintenzívnejšie, čo znamená, že sa tu uvoľňuje aj najväčšie množstvo tepelnej energie vytvorené v rámci TC. Mohutná kopovitá oblačnosť v tejto zóne dosahuje až k tropopauze, čo v tropických šírkach znamená výšku úctyhodných 18 km. Prílev vzduchu do TC podmieňuje výrazný rozdiel tlaku medzi jeho stredom a perifériou, pričom sa realizuje zásadne v spodnej trojkilometrovej vrstve cyklóny. V horných vrstvách, prevažne nad 11 km, je možné už pozorovať odtekanie vzduchu von z cyklóny.
Obrovské tepelné stroje
Ako vlastne tieto systémy fungujú? Všeobecne možno povedať, že hnacou silou cyklóny je latentné teplo transportované z teplých povrchových vrstiev oceánu prostredníctvom intenzívneho výparu a následnej kondenzácie vodnej pary vo väčších výškach, čo je sprevádzané vznikom bohatej kopovitej oblačnosti (týmto sa TC výrazne odlišujú od mimotropických cyklón, ktorých energia pochádza najmä z meridionálneho gradientu teploty vzduchu) Pri kondenzácii sa uvoľňuje teplo, spotrebované pri výpare z hladiny oceánu. Toto teplo ohrieva vzduch vo výške, čo vedie k rýchlejšiemu výstupu teplejšieho vzduchu. Chýbajúci vzduch v tejto výške stále rýchlejšie nahradzuje vlhký vzduch z priestoru nad hladinou oceánu, kde sa vytvára jeho nedostatok. Ten je zase kompenzovaný vzduchom prúdiacim v prízemnej vrstve zo širšieho okolia. Tak sa vytvára v rámci rodiacej sa TC uzavretá cirkulácia vzduchu (Obr. 4), ktorej intenzita závisí najmä od množstva dostupnej vlhkosti a tepla, ktoré poskytuje teplý oceán. Vplyvom Coriolisovej sily sa vzduch pritekajúci do jadra TC nepohybuje priamo, ale opisuje veľkú špirálu (tzv. cyklonálne zakrivenie trajektórie), pričom na severnej pologuli sa stáča proti smeru hodinových ručičiek, a na južnej je to prirodzene naopak.
Z tohto vyplýva, že čím má TC viac dostupnej energie z teplejšieho oceánu, tým celý búrkový systém funguje lepšie, cirkulácia vzduchu je rozvinutejšia a zasahuje širší priestor. V týchto podmienkach má TC lepšie predpoklady dosiahnuť intenzitu najničivejšej, piatej kategórie tropických búrok s priemernou rýchlosťou vetra presahujúcou 250 km/h. Aby však z obyčajného a menej organizovaného zhluku búrkových oblakov vznikla plno rozvinutá TC, je potrebné, okrem vysokej povrchovej teploty oceánu a mimoriadnej vzdušnej vlhkosti splniť ešte ďalšie podmienky. Tou najvýznamnejšou je existencia len slabého horizontálneho prúdenia vzduchu, ktorého rýchlosť a smer sa s výškou menia len nepatrne (absencia výrazného strihu vetra). Vyššia rýchlosť tohto prúdenia by pôsobila na celý systém skôr deštruktívne, z čoho vyplývajú len minimálne šance na vznik viac organizovaného systému, akým bezpochyby TC je. Táto podmienka je v súčasnom modelovaní vplyvu globálneho otepľovania na intenzitu výskyt TC vo vybraných oceánskych regiónoch zdrojom značných neistôt.
Ako ich možno predpovedať?
Keďže TC patria medzi najkomplexnejšie búrkové systémy našej planéty, ktorých existencia a životný cyklus ovplyvňuje veľké množstvo podmienok, predpovedanie ich výskytu a očakávanej trajektórie pohybu je hotovou vedou, na ktorej sa uživia tie najvýkonnejšie počítače sveta. Vzhľadom na obrovský rozsah škôd, ktoré cyklóny so sebou každoročne prinášajú sa ani nemožno čudovať, že ich numerická a synoptická predpoveď je jednou s najrýchlejšie sa rozvíjajúcich oblastí meteorológie. Akonáhle je zdanlivo nesúrodá oblasť zvýšenej búrkovej činnosti nad oceánom, nazývaná aj ako tropická depresia, označená za potenciálne nebezpečnú s možnosťou dosiahnutia sily orkánu, je jej ďalší vývoj nepretržite monitorovaný pomocou meteorologických družíc, radarov, pozemných meraní ako aj špecializovaných lietadiel. Snahou je dozvedieť sa o rodiacej sa cyklóne čo najviac informácií. Tie ďalej vstupujú do prepracovaných počítačových modelov, ktoré pomerne presne dokážu odhadnúť ďalší vývoj TC až na päť dní dopredu. Okrem samotnej trajektórie postupu sa odhadujú aj ďalšie dôležité parametre, akými sú napríklad rýchlosť maximálnych nárazov vetra, množstvo a intenzita zrážok, prízemný tlak vzduchu a pod.
V súčasnej dobe je dokonca možné, okrem krátkodobých a strednodobých predpovedí, vykonávať aj odhady cyklonálnej aktivity na rok dopredu, čo je už oblasť, do ktorej je potrebné zahrnúť aj také faktory, akými sú napríklad dlhodobé oscilácie atmosférickej a oceánskej cirkulácie. Pre oblasť Atlantiku sa zohľadňujú fázy tzv. Kvázi dvojročnej oscilácie (QBO), ktorá zahŕňa zmeny rovníkovej cirkulácie vzduchu v hornej troposfére a spodnej stratosfére. Rovnako dôležitú úlohu zohráva aj vplyv Južnej oscilácie ENSO, ktorá prostredníctvom svojich dvoch fáz, El Niño a La Niña, významne ovplyvňuje úroveň aktivity atlantických hurikánov (v čase vrcholenia El Niña je dosiahnuté minimum aktivity, a naopak). Rovnako detailne sú do predpovedí zahrnuté aj analýzy atmosférických podmienok, najmä z hľadiska zrážok, v oblasti západnej Afriky a Guinejského zálivu, kde sa tvoria zárodky potenciálnych hurikánov. Až 40 % atmosférických porúch tvoriacich sa v tejto oblasti vedie neskôr k vzniku plno rozvinutých hurikánov v Karibiku. Z tohto vyplýva aj priama súvislosť medzi poklesom aktivity hurikánov a výskytom rozsiahleho sucha v oblasti Sahelu v období 60. až 80. rokov minulého storočia.
Obr. 8 Vývoj indexu PDI (Power Dissipation Index - kombinuje parametre frekvencie, intenzity a trvania TC) signalizuje významný nárast deštruktívnej sily tropických cyklón v Atlantickom oceáne v období posledných 30 rokov (Zdroj: Emanuel, 2005)
Tropické cyklóny a globálna zmena klímy
Celosvetová debata o možnom vplyve globálneho otepľovania na nárast intenzity a počtu TC nabrala na vážnosti najmä po katastrofálnej hurikánovej sezóne z roku 2005, počas ktorej dosiahlo sedem tropických búrok v Atlantiku kategóriu tzv. silných hurikánov, a štyri z nich, Emily, Katrina, Rita a Wilma to dokonca dotiahli až na piaty, najvyšší stupeň intenzity. V čerstvej pamäti máme určite aj cyklón Nargis, ktorý zasiahol Mjanmarsko na prelome apríla a mája 2008. Zanechal za sebou spúšť nepredstaviteľných rozmerov a najmenej 146 tisíc mŕtvych a tisíce nezvestných. Ani v súčasnosti však v tejto oblasti nepanuje zatiaľ jednoznačná zhoda. Všeobecne je však prijímaný názor, podľa ktorého je ešte zatiaľ predčasné tvrdiť, že globálne otepľovanie a predovšetkým nárast teploty oceánov má zásadný vplyv na nárast intenzity TC, a to aj napriek tomu, že v prípade atlantických hurikánov bola objavená významná spojitosť medzi nárastom ich deštruktívnej sily (pomocou tzv. PDI indexu; Obr. 8) a vyššou povrchovou teplotou oceánu. Je ale vysoko pravdepodobné, že pokračujúce otepľovanie planéty povedie k vzniku silnejších cyklón (odhad rastu intenzity cyklón o ~ 1-8 % pri raste povrchovej teploty oceánov o 1°C, pri zrážkach to bude nárast o ~ 6-18 % na 1°C). Väčšie neistoty však panujú v otázke frekvencie výskytu TC. Podľa najnovších štúdií však možno očakávať mierny nárast počtu silných TC, pričom však celkový počet cyklón bude skôr bez významnejších zmien, prípadne bude mierne klesať (najmä vzhľadom na predpoklad existencie výraznejšieho strihu vetra a rastúcej teploty hornej troposféry).
Referencie
Camargo, S.J., Sobel, A.H., Barnston, A.G., Emanuel, K., 2007. Tropical cyclone genesis potential in climate models. Tellus A 59, 428–443.
Elsner, J. B. 2006. The increasing intensity of the strongest tropical cyclones, Nature, v455, 92-95, September 2008.
Elsner, J. B., Tsonis, A. A., and Jagger, T. H,. 2006, High frequency variability in hurricane power dissipation and its relationship to global
temperature, Bull. Am. Meteorol. Soc., 87, 763– 768.
Elsner, J. B., Jagger, T. H., 2009. Hurricanes and climate change. Springer, NY. 2009. 419 p.
Emanuel, K., 1999. Thermodynamic contro; of hurricane intensity. Nature, 401, 665-669.
Emanuel, K. A. 2005. Increasing destructiveness of tropical cyclones over the past 30 years, Nature, 436, 686– 688.
Emanuel, K., 2007. Environmental factors affecting tropical cyclone power dissipation. J. Climate, 22, 5497–5509.
Emanuel, K., Sundararjan, R., Williams, J., 2008. Hurricanes and global warming: results from downscaling IPCC AR4 simulations. Bull. Amer. Meteorol. Soc., submitted.
IPCC, 2001. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J. T., Y. Ding, D. J. Griggs, M. Noguer, P. J. van der Linden, X.Dai, K. Maskell, Johnson, C. A. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge,United Kingdom and New York, NY, USA, 881pp.
Holland, G.J., 1997. The maximum potential intensity of tropical cyclones. J. Atmos. Sci., 54, 2519-2541.
Chu., P.-S, 2005. ENSO and tropical cyclone activity, in Hurricanes and Typhoons: Past, Present, and Potential, edited by R.J. Murnane and K.B. Liu, pp297-332, Columbia University press, New York.
Chan, J.C.L., 1985. Tropical cyclone activity in the Northwest Pacific in relation to the El Nino/Southern Oscillation phenomenon. Mon. Wea. Rev., 113, 599-606.
Chan, J. C. L., 2000. Tropical cyclone activity over the western North Pacific associated with El Niño and La Niña events. J. Climate, 13, 2960-2972.
Chan, J.C.L., Liu, K.S., 2004. Global Warming and Western North Pacific Typhoon Activity from an Observational Perspective. J. Clim., 17, 4590-4602.
Chan, J.C.L., 2006. Comment on “changes in tropical cyclone number, duration and intensity in a warming environment, Science, 311, p1713.
Landsea, C. W., 2005. Hurricanes and global warming. Nature, 438, doi:10.1038/nature04477.
Mann, M., Emanuel, K. 2006. Atlantic hurricane trends linked to climate change. EOS, 87, 233-241. McBride, J.L., 1995: Tropical Cyclone Formation. Global perspectives on tropical cyclones, WMO/TD-No. 693, 289 pp.
Iné zdroje
Analýzu pripravil: Mgr. Jozef Pecho
