Aktuality SHMU

Hurikány

24.11.2017 | METEOROLÓGIA | ANALÝZA | MIROSLAV ŠINGER

Čo je hurikán? Ako vzniká? Môže sa dostať až do Európy?

Hurikán je tropická cyklóna v pokročilej fáze vývoja v Atlantiku a východnom Pacifiku (tropické cyklóny majú vo svete iné názvy, v západnom Pacifiku sú tajfúny, v Indickom oceáne zväčša len cyklóny...). V Atlantiku sa ich najviac vyskytuje od augusta do novembra. Hurikán sa formuje v tropických oblastiach nad oceánmi (a moriami). V priemere dosahuje okolo 600 km, výnimočne aj viac ako 1000 km, alebo naopak menej ako 200 km. Tlak vzduchu v jeho strede môže klesnúť pod 930 hPa (v extrémnych prípadoch aj pod 900 hPa), v dôsledku čoho vzduch okolo jeho stredu veľmi silno cyklonálne rotuje rýchlosťou viac ako 118 km/h. Dochádza v ňom k uvoľňovaniu mimoriadneho množstva skupenského tepla (kvôli kondenzácii), ktoré následne vyvoláva pokles tlaku vzduchu, silnú rotáciu a intenzívne zrážky. V nasledujúcich bodoch sú popísané črty a vhodné podmienky pre vývoj tropickej cyklóny a črty a vlastnosti hurikánov.

Vhodné podmienky pre vznik tropickej cyklóny v Atlantiku

Slabý vertikálny strih vetra (nevýrazný rozdiel prúdenia medzi vyššími hladinami a spodnou vrstvou):
- silný strih vetra totiž spôsobuje náklon búrok a roztrieštenie búrkového komplexu/rozpad tropickej cyklóny,
Teplota povrchu oceánu/mora nad 26,5 °C vo vrstve aspoň 70-80 m:
- teplá voda je zdrojom energie tropických cyklón (čím teplejšia, tým intenzívnejší vývoj),
Vznik vo vzdialenosti minimálne 5° od rovníka:
- rotáciu vyvoláva Coriolisova sila, ktorá je na rovníku nulová, narastá smerom od neho,
Vysoká vlhkosť vzduchu v spodnej a strednej troposfére:
- nutná na neustálu regeneráciu systému, zdroj energie,
Instabilná vzduchová hmota:
- čím vyššia instabilita v prostredí, tým rýchlejšie sa teplý a vlhký vzduch dostáva do vyšších hladín a urýchľuje vývoj systému,
Pre-existencia tlakovej poruchy (komplex búrok):
- najčastejšie sa dostáva nad oceán vo východnom prúdení z Afriky (takto vzniknuté hurikány sú tzv. kapverdského typu), no tropická búrka môže vzniknúť aj inde v tropickej, subtropickej oblasti, napr. v Mexickom zálive či v Karibskom mori.

Štádiá vývoja typickej tropickej cyklóny v Atlantiku

1. Vlna
- oblasť nižšieho tlaku vzduchu so zbiehavým cyklonálnym prúdením (v protismere hodinových ručičiek) v spodných hladinách v tropickej oblasti postupuje smerom na západ (severne od rovníka, prvé zárodky často v okolí západnej Afriky),
2. Tropická porucha
- teplý a vlhký vzduch nad oceánom/morom v oblasti nižšieho tlaku vzduchu stúpa do vyšších hladín a vznikajú mohutné kopovité oblaky a búrky (prebieha tzv. hlboká konvekcia), pri kondenzácii sa uvoľňuje skupenské teplo,
3. Tropická depresia
- uvoľňovanie skupenského tepla podporuje výstupné pohyby, čím zosilňuje konvekcia, ktorá podporuje ďalší vznik búrok (proces sa tak zacyklí - tzv. CISK teória) a oblasť nízkeho tlaku vzduchu sa prehlbuje, čím sa zvyšujú rozdiely v tlaku vzduchu, v dôsledku čoho narastá rýchlosť vetra a dosahuje (v priemere za jednu minútu) maximálne 61 km/h (maximálna rýchlosť vetra, pri ktorej ešte hovoríme o tropickej depresii),
4. Tropická búrka
- vývoj popísaný v bode 3 cyklicky pokračuje, tlak vzduchu pri povrchu klesá,
- priemerná rýchlosť cyklonálne prúdiaceho vzduchu okolo centra s najnižším tlakom vzduchu dosahuje 62-118 km/h,
- útvar v tejto fáze dostáva pomenovanie,
5. Hurikán
- vývoj pokračuje, tlak vzduchu pri povrchu ďalej klesá a priemerná rýchlosť vetra dosahuje viac ako 118 km/h,
- Saffir-Simpsonova škála delí hurikány podľa (minútovej) priemernej rýchlosti vetra na 5 kategórií (kategórie 3, 4, 5 sa považujú za veľmi silné ničivé hurikány):
  - kategória 1: 119 - 153 km/h,
  - kategória 2: 154 - 177 km/h,
  - kategória 3: 178 - 208 km/h,
  - kategória 4: 209 - 251 km/h,
  - kategória 5: 252 a viac km/h,
6. Slabnutie/zánik
- strata zdroja energie
  - prechod nad chladnejšiu vodu alebo pevninu,
- zosilnenie vertikálneho strihu vetra
  - spôsobí náklon búrok, oblasť najnižšieho tlaku vzduchu je na väčšej ploche, čím slabne tlakový gradient, a teda aj vietor, naruší sa štruktúra,
- nárast trenia
  - prechod hurikánu nad pevninu,
- ak cyklóna postupuje ponad Atlantický oceán na sever, teda vyhne sa pevnine, slabne pomalšie a postupne sa začleňuje do prevládajúcej západnej cirkulácie, kde sa typicky stáva súčasťou rozsiahlejšej oblasti nízkeho tlaku vzduchu, alebo sa pretransformuje na mimotropickú cyklónu (príklady ďalej v texte).

Štruktúra hurikánu a jeho črty na družicových snímkach a meteorologických mapách

Hurikán má tzv. oko, čo poznáme z družicových snímok ako oblasť, v ktorej je výrazne menej oblačnosti ako v jeho tesnom okolí. Práve na periférii oka je oblačnosť naopak najhustejšia, čo sa nazýva stena oka hurikánu, z ktorej do všetkých strán vyčnievajú špirály mohutnejšej kopovitej oblačnosti. Štruktúra hurikánu je na obr. 1, popis jednotlivých oblastí:

Oko hurikánu (Eye)
- v priemere 20-50 km,
- najnižší tlak vzduchu,
- oblasť zostupných pohybov,
- najteplejšia oblasť hurikánu,
  - zostupné pohyby otepľujú a vysušujú vzduch, a preto je tu teplejšie ako v okolí a okolo oka je ostrá hrana oblačnosti,
- bez zrážok,
- podstatne slabší vietor ako v okolí,
- výrazne menej oblačnosti, zväčša len plytká oblačnosť, prechodne aj malá oblačnosť.
Stena oka hurikánu (Eyewall)
- oblasť okolo oka hurikánu cca 10-20 km,
- vertikálne najmohutnejšia oblačnosť,
- najsilnejší vietor v rámci hurikánu,
  - v rámci steny najsilnejší v spodných hladinách a v pravom prednom kvadrante,
- najvýdatnejšie zrážky,
- najväčšie škody (najmä v oblasti, kde vietor fúka smerom na pevninu).
Pásma dažďa (Rain bands)
- mohutná oblačnosť špirálovito cyklonálne (v protismere hodinových ručičiek) zatočená okolo steny oka hurikánu,
  - nad ňou sa vysoká oblačnosť otáča naopak, teda anticyklonálne (v smere hodinových ručičiek),
- sprevádzané búrkami, nad pevninou vznikajú aj tornáda.

Obr. 1 - Štruktúra hurikánu (popis vyššie) a prúdenie v ňom - v spodných hladinách je cyklonálne (v protismere hodinových ručičiek), vo vyšších hladinách anticyklonálne (v smere hodinových ručičiek) - reálny prípad na obr. 2, ďalší popis TU.

Obr. 2 - Prúdenie v hurikáne na podklade snímky z družice GOES-16 (IR + VIS). Okolo oka oblačnosť rotuje cyklonálne (v protismere hodinových ručičiek - červené šípky), podobne aj jednotlivé ramená okolo steny hurikánu, na ktorých vznikajú nové búrky (modré šípky), no vysoká oblačnosť typu cirrus rotuje anticyklonálne (v smere hodinových ručičiek - žlté šípky), čo je najlepšie pozorovateľné vo väčšej vzdialenosti od oka hurikánu. Porovnaj s obr. 1. Popísanú rotáciu možno vidieť aj na videu 1.

Video 1 - Animácia snímok z družice GOES-16 v dňoch 2.9. - 11.9.2017 s popisom kategórie, maximálnej priemernej rýchlosti vetra a najnižšieho tlaku vzduchu v hurikáne Irma. Okrem vývoja hurikánu je možné si všimnúť, že vysoká oblačnosť typu cirrus v okolí hurikánu skutočne rotuje v opačnom smere ako mohutná kopovitá oblačnosť, najlepšie pozorovateľné v čase, keď je hurikán medzi Dominikánskou republikou a Floridou.

Obr. 3 - Fotografia hurikánu Irma z ISS - oko, najmohutnejšia oblačnosť okolo neho, teda stena, a špirálovito zatočené ramená tvorené mohutnou oblačnosťou, 7.9.2017, Sergey Ryazanskiy (twitter.com/SergeyISS).

Obr. 4 - Oko hurikánu Jose kategórie 4 nad Atlantickým oceánom, okolo mohutná stena oblačnosti, 9.9.2017, družica Sentinel-2A (flicrk.com - Antti Lipponen), detail na oko hurikánu TU.

Obr. 5 - Fotografie z oka hurikánu Irma zhotovené pilotmi lietadla NOAA (The NOAA Hurricane Hunters).

Video 2 - Let cez stenu do oka hurikánu Irma 5.9.2017, ďalší let TU.

Tropickú cyklónu (níž) zaraďujeme k tzv. barotropickým útvarom, teda v ňom nie je výrazný vertikálny strih vetra (ak je vo vyšších hladinách je vietor podobný ako pri povrchu = slabý strih). Z toho vyplýva, že tlak vzduchu závisí len od hustoty a teplota je v jeho okolí takmer konštantná. Samozrejme, neplatí to úplne, keďže do vývoja vstupujú aj ďalšie procesy, ktoré čiastočne deformujú pole vetra a teploty vzduchu. V oku hurikánu pozorujeme rozpad oblačnosti, čo zapríčiňujú zostupné prúdy, ktoré ohrievajú a vysúšajú vzduch. V strede hurikánu je teda teplejšie ako v okolitom prostredí, aj vo vyšších hladinách (obr. 6). Vzhľadom na relatívne homogénne teplotné pole tak v súvislosti s tropickou cyklónou nepozorujeme žiadne atmosférické fronty (obr. 7). V tropickej cyklóne je vietor najsilnejší v spodných hladinách, s rastúcou výškou čiastočne slabne. Toto sú zásadné rozdiely v porovnaní s mimotropickou cyklónou, ktoré sa bežne vyskytujú v miernych zemepisných šírkach (zhrnuté na obr. 8). Veľmi hlboké cyklóny sa však najmä v chladnom polroku vyskytujú aj v severnom Atlantiku. Ich vývoj môže prebiehať tzv. rapídnou cyklogenézou, no ide o mimotropické cyklóny. Rapídnu cyklogenézu sme podrobne písali článku na prípade z februára 2017, no jeden extrémny sa vyskytol už aj túto jeseň.

Obr. 6 - Teplota a geopotenciálna výška hladiny 500 hPa (nadmorská výška 5-6 km) z modelu ECMWF. Anticyklóny (tlakové výše) sú v tejto hladine v miernych zemepisných šírkach štandardne teplé, cyklóny studené. V prípade tropických cyklón to však neplatí, tie sú v tejto hladine teplejšie ako okolie (príčiny v texte vyššie) ešte aj vo fáze slabnutia, ako napr. koncom septembra v prípade ex-hurikánov Maria a Lee. Pôvodne tropické cyklóny sa v tomto prípade dostali nad chladnú vodu severného Atlantiku do oblasti so silným výškovým prúdením (teda aj strihom vetra), kvôli čomu rýchlo zoslabli a v západnom prúdení sa postupne stali súčasťou polárneho vortexu (oblasť nízkeho tlaku vzduchu vo vysokých zemepisných šírkach, príklady v tejto analýze). V tomto prípade sa pozostatky hurikánu Maria dali rozpoznať ešte v blízkosti Britských ostrovov, hurikán Lee úplne zanikol už skôr, čo vidieť na tejto tejto animácii. Taktiež vidieť, že v tropických cyklónach je v hladine 500 hPa niekoľko stupňov nad nulou, naopak v mimotropických je menej ako -20 °C, niekedy aj menej ako -40 °C.

Obr. 7 - Pole tlaku vzduchu prepočítané na hladinu mora a teplota v hladine 850 hPa (nadmorská výška cca 1500 m) z modelu ECMWF. Atmosférické fronty (modré, červené a fialové čiary v oblasti výrazných teplotných kontrastov) sú spojené len s mimotropickými cyklónami. V okolí tropických cyklón fronty nepozorujeme, pole teploty je homogénne (resp. v strede útvarov je trochu teplejší vzduch). Animácia.

Obr. 8 - Rozdiely medzi tropickou a mimotropickou cyklónou. Tropické cyklóny sú od fázy hurikánu viac-menej homogénne (ak je prostredie stále vhodné, neslabnú, ich životnosť je nad teplým oceánom v prostredí so slabým vertikálnym strihom v podstate neobmedzená). Mimotropické cyklóny sa budujú zo spodných vrstiev smerom nahor, preto ani prostredie nie je stále rovnaké, ale ho postupne modifikujú. Niektoré charakteristiky sa preto týkajú len prvý štádií vývoja - náklon osi útvaru sa časom úplne stráca, čím slabne aj vertikálny strih vetra, zanikajú teplotné kontrasty a atmosférické fronty. Ak teda nedôjde k opätovnému vývoju, mimotropická cyklóna postupne zaniká, teda jej životnosť je obmedzená na rádovo niekoľko dní. Taktiež vertikálne pohyby v mimotropickej cyklóne sa v rámci vývoja menia, spočiatku síce prevažujú výstupné, no postupne sú na zadnej strane prízemnej cyklóny v spodných hladinách podporované zostupné pohyby (vplyvom prúdenia chladného vzduchu).

Hurikán v Európe?

Vzhľadom na podmienky popísané vyššie musí byť evidentné, že hurikán má takmer nulovú pravdepodobnosť prežiť svoju púť skrz Atlantický oceán (nedostatočne teplá voda a silný vertikálny strih vetra). Nie je však ničím nezvyčajným, ak sa hurikán putujúci cez Atlantický oceán začlení do západnej cirkulácie a jeho pozostatky sa dostanú až k západnému pobrežiu Európy. Samozrejme, už nejde o hurikán či o tropickú búrku. Útvar sa typicky stáva súčasťou rozsiahlejšej oblasti nízkeho tlaku vzduchu (ktorá je rádovo väčšia), prípadne sa pretransformuje na mimotropickú cyklónu, ako napr. v tomto roku v prípade hurikánu Ophelia, ktorý sa k Európe blížil od Azorských ostrovov. Práve z tejto oblasti sa hurikány môžu k Európe najviac priblížiť, pretože tu majú najväčšiu šancu prežiť kvôli dostatočne teplej vode v blízkosti spomínaných ostrovov.

Zdroje:

Vhodné podmienky, vývoj a vlastnosti hurikánov:

https://climate.ncsu.edu/climate/hurricanes/development.php

https://climate.ncsu.edu/climate/hurricanes/structure.php

http://slideplayer.com/slide/7449292/

http://www.enchantedlearning.com/subjects/weather/hurricane/formation.shtml

http://www.indiana.edu/~geog109/topics/13_severe/13-Hurricanes_nf.pdf

http://www.theweatherprediction.com/habyhints2/416/

https://www.iblsoft.com/2017/09/06/hurricane-irma/

http://www.richhoffmanclass.com/images/chapter11/anatomyofcyclone.png

https://qz.com/1074212/hurricane-jose-high-res-satellite-images-through-the-eye-of-jose-the-atlantics-next-big-storm/

https://twitter.com/SergeyISS