Смерчи на линиях шквалов: коварные, опасные и трудно предсказуемые.

Метеоролог Теа Сандмаэль наблюдала за приближением шторма. Он был уже так близко, что она различила вращающийся купол облаков, проступающий из тёмного брюха тучи — предвестие торнадо. Когда вращающейся массе оставалось лететь десять минут, Сандмаэль и её коллеги свернули радарное оборудование и покинули позицию.

Этот смерч на линии шквалов появился возле Херингтона, штат Канзас, 29 апреля 2022 года. Новые исследования раскрывают секреты этих разрушительных вихрей, которые ускользают от радаров и часто формируются по ночам.

«Просто продолжай ехать», — посоветовала она коллеге за рулём, который был полностью сосредоточен на том, чтобы маневрировать на внедорожнике по пустынной дороге Алабамы. Решение эвакуироваться оказалось верным: «Мы стояли на западной обочине, и торнадо опустился ровно в том месте, где мы находились».

Для Сандмаэль, сотрудницы Кооперативного института по изучению суровой и опасной погоды (CIWRO) в Нормане, Оклахома, это была не просто очередная погоня за смерчем. В тот день она и её команда охотились за кое-чем необычным: за коварной разновидностью вихря, называемой смерчем на линии шквалов.

Большинство торнадо рождаются в изолированных штормах, известных как суперъячейки. Это самый распространённый, самый разрушительный и наиболее изученный класс смерчей. Смерчи на линиях шквалов, напротив, развиваются вдоль фронта длинных гряд гроз, называемых квазилинейными конвективными системами, или линиями шквалов. Как правило, они слабее суперъячейковых торнадо, говорит атмосферный учёный Карен Косиба из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. Но, добавляет она, «это не значит, что они не опасны».

Смерчи на линиях шквалов, обрушившиеся на Миссисипи в марте 2022 года, вырвали с корнем и уничтожили строение, закреплённое на земле.

Смерчи на линиях шквалов склонны заставать врасплох. Они эфемерны и часто ускользают от обнаружения, формируясь и умирая в минутные промежутки между сканированиями большинства радарных систем. Их трудно предвидеть: они внезапно появляются вдоль цепочек штормов, которые могут растягиваться на сотни километров. А по сравнению с суперъячейковыми вихрями, шкваловые смерчи чаще случаются в прохладные месяцы, весной или даже зимой, и в тёмные часы ночи, когда торнадо ждут меньше всего.

Более того, смерчи на линиях шквалов непропорционально чаще встречаются на юго-востоке Соединённых Штатов — в регионе, который особенно уязвим для ураганов. За последние 70 лет центр торнадо-активности страны — как суперъячейковой, так и шкваловой — сместился с Великих равнин на юго-восток. Это вызывает беспокойство, потому что регион не только более густонаселён, чем равнины, но и содержит куда больше мобильных домов и трейлеров, которые легко сносит ветром.

В новой столице американских торнадо шкваловому смерчу не нужно быть чрезвычайно мощным, чтобы представлять смертельную угрозу. Осознав необходимость снизить этот риск, Сандмаэль, Косиба и десятки других исследователей объединили усилия в полевой кампании PERiLS («Распространение, эволюция и вращение в линейных штормах»). Поздней зимой и весной 2022 и 2023 годов команды, развёрнутые по всему юго-востоку, собрали беспрецедентный массив данных.

Их работа уже показала, что смерчи на линиях шквалов могут быть более распространёнными и опасными, чем считалось ранее. К счастью, исследователям, возможно, удалось найти ключи, которые помогут сделать эти вихри чуть менее внезапными.

Смерчи в Миссисипи в марте 2022 выкорчевали обширную полосу леса. Такие вихри непропорционально часто встречаются на юго-востоке США и в прохладный сезон.

Рецепт торнадо с изюминкой

Чтобы «взбить» торнадо, требуются определённые атмосферные ингредиенты: источник вращения, подъёмный механизм для запуска восходящего потока воздуха и нечто, что поддержит этот подъём.

Представьте наступающий холодный фронт, который, словно клин, поднимает воздух перед собой. Это запускает восходящий поток. Чтобы сохраниться, ему понадобится, чтобы воздух у земли обладал плавучестью — тем, что метеорологи называют неустойчивостью. А в чём секрет, заставляющий всё вращаться? Это вертикальный сдвиг ветра, изменение скорости ветра с высотой. Представьте вертикальное гребное колесо: если ветры наверху движутся быстрее и сильнее давят на верхние лопасти, колесо начинает вращаться.

Недавние наблюдения показывают, что на линиях шквалов эти ингредиенты могут смешиваться по-разному, создавая смерчи, говорит Энтони Лиза, атмосферный учёный из NOAA, работающий в CIWRO. Возьмём неустойчивость, часто измеряемую как доступная конвективная потенциальная энергия (CAPE). CAPE иногда описывают как количество топлива, доступного растущему шторму.

Значений CAPE в 1000 джоулей на килограмм обычно достаточно, чтобы питать мощные штормы. Но «многие из этих линий шквалов возникают в среде с низким CAPE и сильным сдвигом», — говорит атмосферный ученый Александра Андерсон-Фрей из Вашингтонского университета в Сиэтле.

Например, в марте 2022 года исследователи PERiLS измерили CAPE всего около 500 джоулей на килограмм в линии шквалов над Миссисипи и Алабамой, которая породила десятки торнадо. Э. Лиза говорит, что видел шкваловые смерчи, поддерживаемые значениями CAPE до 100 джоулей на килограмм. По словам Андерсон-Фрей, такие условия с низким CAPE — пример недостаточно изученной среды.

В то же время новые технологии раскрывают всё больше шкваловых торнадо. В отличие от старых доплеровских радаров, которые сканируют только в горизонтальной плоскости, новые радары с двойной поляризацией сканируют и вертикаль, и горизонталь. За последнее десятилетие распространение новых технологий увеличило обнаружение шкваловых вихрей.

Всё это говорит о том, что смерчи на линиях шквалов встречаются чаще, чем считали исследователи раньше. Возможно, тогда менее удивителен и тот факт, что они могут быть опаснее, чем предполагалось.

Торнадо внутри торнадо

Спокойным днём в марте 2022 года Лиза с коллегами прибыли на сельскую ферму в округе Ноксуби, штат Миссисипи. Днём ранее по этой местности пронёсся шкваловой торнадо, и Лиза приехал помочь оценить ущерб для проекта PERiLS.

Что-то в этой картине показалось ему странным. Оперативный радар не указывал на то, что смерч был особенно сильным. Но Лиза обнаружил значительные повреждения дома на участке.

«Приличный кусок настила крыши был снесён, а целую восточную внешнюю стену выбило из дома», — рассказывает Лиза. Неподалёку покоились останки навеса для техники, который был вырван с корнем и разорван на части. Навес крепился к земле бетонными столбами длиной полтора метра, вспоминает он.

«Мы были в шоке, — говорит он. — Мы ехали в округ Ноксуби, не думая, что найдём там такие сильные разрушения от торнадо».

Обширный ущерб был не единственным сюрпризом: «Мы заметили, что торнадо зашёл на участок с юго-запада», — рассказывает Лиза. Но след из поваленных деревьев, казалось, указывал, что затем вихрь отклонился строго на восток на пару сотен ярдов, после чего снова повернул на северо-восток.

Для торнадо менять направление — не редкость, но на высоких скоростях их повороты становятся широкими, словно у автомобилей на шоссе. Этот же смерч двигался со скоростью около 100 километров в час, и всё же его траектория, похоже, резко изгибалась.

К счастью, всего в четырёх километрах к югу был развёрнут мобильный радар. Его лучи запечатлели странный танец вихря вместе с доказательством того, что его причудливый путь был сформирован множеством воронок: торнадо внутри торнадо. «Насколько я знаю — и насколько знают все здесь — это первый подобный случай для шквалового торнадо», — говорит Энтони Лиза.

Субвихри появлялись и исчезали так быстро, что за их эволюцией было трудно уследить по прерывистым снимкам радара. Но «в одном скане, кажется, больше всего я мог уверенно идентифицировать четыре одновременно», — рассказывает Лиза. «Именно эти отдельные вихри нанесли большую часть ущерба, — говорит он, — а сам основной торнадо был довольно слабым».

Исследователи замечали, что шкваловые торнадо обычно шире суперъячейковых; возможно, предполагает Лиза, это потому, что они вмещают множество субвихрей. Ещё шкваловые смерчи, как правило, хуже поднимают обломки высоко в небо, чем суперъячейковые. Возможно, причина в том, что субвихри живут так недолго, что «у них просто нет возможности поднять мусор достаточно высоко», объясняет он.

Субвихри «вероятно, увеличивают максимальную интенсивность торнадо», — говорит инженер-ветровик Фрэнк Ломбардо из Иллинойсского университета, оценивавший ущерб на месте вместе с Лиза. Скорость ветра в субвихре может суммироваться со скоростью ветра материнского торнадо.

Сложно сказать, распространены ли субвихри в шкваловых смерчах, основываясь на единственном случае. Но если да, «возможно, нам придётся пересмотреть наши расчёты рисков торнадо, — добавляет Ломбардо. — Мы могли полностью недооценить их силу».

Как улучшить прогнозы вихрей

Открытие того, что смерчи на линиях шквалов могут быть одновременно более частыми и более свирепыми, чем считалось, делает их прогнозирование ещё более насущной задачей. К счастью, атмосферный учёный проекта PERiLS Тодд Мёрфи из Университета Луизианы в Монро и его коллеги, возможно, нашли столь необходимые ключи к разгадке.

Исследователи полагают, что необычные ветровые узоры внутри линий шквалов могут помочь предсказывать смерчи. Особый интерес вызывают вихри, называемые мезоциклонами малого масштаба (мезовортексы), диаметр которых может колебаться от менее километра до десятков километров. Мезовортексы часто возникают в местах, где у наступающей линии шквалов образуются выпуклости в форме лука (bow echo). Десятилетиями учёные наблюдали, что торнадо часто формируются внутри этих «луков».

Мы умеем хорошо предсказывать линии шквалов — обычно точнее, чем другие типы гроз, говорит атмосферный учёный Патрик Скиннер из CIWRO. Но прогнозирование встроенных в них мезовортексов — задача крайне сложная. Более того, лишь некоторые мезовортексы порождают торнадо, и исследователи не знают, почему так происходит.

Во время полевой кампании PERiLS Мёрфи и его команда использовали лидары — инструменты светового обнаружения и дальнометрии, чтобы следить за атмосферой за часы до прибытия линии шквалов. Эти приборы сканируют небо тонкими, как карандаш, лазерными лучами, которые отражаются от аэрозолей, служащих трассерами для ветра.

«В подавляющем большинстве наших случаев лидарные данные показывали довольно резкие изменения профиля ветра примерно за 90 минут до того, как линия шквалов достигала места», — говорит Мёрфи. На разных уровнях нижних слоёв атмосферы вертикальный сдвиг ветра усиливался, вызывая большее вращение внутри линии шквалов.

Драматически менялся не только сдвиг ветра; все ключевые ингредиенты для образования торнадо «могут меняться очень быстро, за час или два до прихода линии шквалов», — говорит Лиза.

Используя данные, собранные во время PERiLS, а также около десяти лет радарных данных от Национальной метеорологической службы, Федерального авиационного управления и ВВС США, Мёрфи с коллегами проанализировали скорости ветра на разных высотах перед мезовортексами, которые породили торнадо, и перед теми, что не породили.

Идентификация мезовортексов на линии шквалов помогает экспертам прогнозировать смерчи. На этом радарном снимке показан фронт линии шквалов (вблизи пунктирной линии), проходившей над Техасом в феврале 2017 года. Зелёные оттенки — ветры, дующие к радару; красные — от него. Там, где соприкасаются противоположные потоки, можно предположить наличие мезовортексов (обведены кружками). Их также можно выявить там, где соприкасаются сильные и слабые ветры одного направления (тёмные и яркие оттенки).

Перед «торнадическими» мезовортексами, по словам Мёрфи, наблюдался несколько больший сдвиг ветра. Что более важно, там было больше вращения, и этот признак был сильнее выражен перед линиями шквалов, породившими как минимум пять смерчей.

Вдоль линии шквалов мезовортексы кружатся внутри восходящих потоков, которые постоянно формируются и рассеиваются. Перед торнадоопасными мезовортексами эти восходящие потоки могут совпадать с воздухом, циркулирующим у земли. Когда это происходит, восходящий поток вытягивает циркуляцию вверх, сужая её диаметр, подобно тому как растянутое тесто становится тоньше, и заставляя её вращаться быстрее.

«Мы называем это эффектом фигуриста», — говорит Мёрфи, имея в виду знаменитый пример, когда фигурист вращается быстрее, прижимая руки к телу. «Если вы растягиваете это вращение вверх, — поясняет он, — радиус становится меньше, но вращение усиливается».

Если метеорологи следят за условиями за 60–90 минут до подхода линии шквалов и профиль ветра начинает демонстрировать этот ярко выраженный признак сдвига и вращения, то, возможно, им стоит задуматься о выпуске предупреждений, считает Мёрфи.

Некоторые линии шквалов выгибаются дугой по мере продвижения, как видно на примере этого шторма 2016 года над Южной Дакотой. Радарный признак таких дуг называется «луковым эхом», и они часто связаны со смерчами на линиях шквалов.

Он надеется, что проверка другими исследователями подтвердит ценность этого сигнала как надёжного индикатора риска. Если всё пойдёт хорошо, это может случиться в ближайшие пару лет. Тем временем разрабатываются и другие проекты, способные улучшить прогнозы. Скиннер работает над проектом NOAA «Warn-on-Forecast» («Предупреждение по прогнозу»), который призван увеличить заблаговременность предсказаний торнадо и другой суровой погоды. Он будет использовать данные PERiLS, чтобы определить, какое разрешение необходимо современным погодным симуляциям для точного отображения мезовортексов на линиях шквалов.

Потребуются огромные улучшения в наших погодных моделях, чтобы научиться предсказывать смерчи на линиях шквалов так же хорошо, как мы предсказываем суперъячейковые торнадо, заключает Мёрфи. Но в конце концов, говорит он, «я думаю, мы к этому придём».

Источник: Nikk Ogasa, Science News, 2024. Vol.206 #4

Предыдущая статья:
Сельское хозяйство в солоноватой почве. Что выращивают в засоленной земле?