การกำเนิดพายุหมุนเขตร้อน

การกำเนิดพายุหมุนเขตร้อน คือการพัฒนาและทวีกำลังแรงขึ้นของพายุหมุนเขตร้อนในบรรยากาศ โดยกลไกที่เกิดขึ้นของการกำเนิดพายุหมุนเขตร้อน มีความแตกต่างกับกลไกการเกิดของการกำเนิดพายุหมุนละติจูดกลาง โดยการกำเนิดพายุหมุนเขตร้อนจะเกี่ยวข้องกับแกนอบอุ่น เนื่องจากการพาความร้อนอย่างมีนัยสำคัญในสภาวะแวดล้อมที่เหมาะสม ซึ่งต้องการความต้องการหลักหกประการ ได้แก่ อุณหภูมิพื้นผิวน้ำทะเลที่อบอุ่นพอ ความไม่แน่นอนในชั้นบรรยากาศ ความชื้นสูงในโทรโพสเฟียร์ระดับต่ำถึงกลาง มีแรงคอริโอลิสอย่างเพียงพอในการพัฒนาของศูนย์กลางความกดอากาศต่ำ พื้นที่ระดับต่ำหรือหย่อมความกดอากาศต่ำที่มีอยู่เดิม และลมเฉือนแนวตั้งระดับต่ำ
พายุหมุนเขตร้อนมีแนวโน้มที่จะพัฒนาในช่วงฤดูร้อน แต่ก็ยังได้รับการตั้งข้อสังเกตกับแอ่งที่มีพายุเกิดมากที่สุด ซึ่งมีแนวโน้มในทุกเดือน วัฎจักรภูมิอากาศ อย่างเช่น ความผันแปรของระบบอากาศในซีกโลกใต้-เอลนีโญ (ENSO) และ ความผันแปรของแมดเดน-จูเลียน สามารถปรับระยะเวลาและความถี่ในการพัฒนาของพายุหมุนเขตร้อนได้ ข้อจำกัดความรุนแรงของพายุหมุนเขตร้อน เกี่ยวข้องอย่างยิ่งกับอุณหภูมิของน้ำในระหว่างทางที่พายุเคลื่อนผ่าน โดยเฉลี่ยทั่วโลก มีพายุหมุนเขตร้อนในระดับพายุโซนร้อน 86 ลูกทุกปี ในจำนวนนั้นทวีกำลังเป็นพายุไต้ฝุ่น/พายุเฮอร์ริเคน 47 ลูก และ 20 ลูกเป็นพายุหมุนเขตร้อนที่มีความรุนแรง (อย่างน้อยมีความรุนแรงระดับ 3 ตามมาตราเฮอร์ริเคนแซฟเฟอร์–ซิมป์สัน)
ความต้องการสำหรับการก่อตัวของพายุหมุนเขตร้อน.
มีความต้องการหลักหกประการ ได้แก่ อุณหภูมิพื้นผิวน้ำทะเลที่อบอุ่นพอ ความไม่แน่นอนในชั้นบรรยากาศ ความชื้นสูงในโทรโพสเฟียร์ระดับต่ำถึงกลาง มีแรงคอริโอลิสอย่างเพียงพอในการพัฒนาของศูนย์กลางความกดอากาศต่ำ พื้นที่ระดับต่ำหรือหย่อมความกดอากาศต่ำที่มีอยู่เดิม และลมเฉือนแนวตั้งระดับต่ำ แม้เงื่อนไขเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการก่อตัวของพายุหมุนเขตร้อน พวกมันก็ไม่ได้รับประกันว่าจะมีพายุหมุนเขตร้อนก่อตัวขึ้นเสมอไป
น้ำอุ่น การไร้เสถียรภาพ และความชื้นที่ความสูงระดับกลาง.
โดยปกติ น้ำทะเลที่อุณหภูมิ 26.5 °ซ (79.7 °ฟ) ที่ทอดตัวตลอดแนวและมีความลึกอย่างน้อย 50 เมตร ถือว่าเป็นขั้นต่ำของการบำรุงรักษาเมโซไซโคลน (ระบบอากาศแบบหมุนวน) แบบพิเศษ นั้นคือพายุหมุนเขตร้อน น้ำอุ่นเหล่านี้มีความจำเป็นในการใช้บำรุงรักษาแกนอบอุ่นในฐานะเชื้อเพลิงของระบบ ซึ่งอุณหภูมินี้ดีกว่า 16.1 °ซ (60.9 °ฟ) ที่เป็นอุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นผิวมหาสมุทรทั่วโลก อย่างไรก็ตาม ความต้องการเหล่านี้เป็นเพียงพื้นฐานทั่วไป เพราะถือว่าสภาพแวดล้อมโดยรอบบริเวณเป็นตัวเสนอโดยเฉลี่ย
พายุหมุนเขตร้อนรู้จักจัดรูปแบบแม้ในสภาวะปกติที่ไม่อาจพบได้ ตัวอย่าง อากาศที่มีอุณหภูมิเย็นที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น (เช่น ณ ระดับความสูง 500 hPa หรือ 5.9 กม.) สามารถก่อให้เกิดการกำเนิดพายุหมุนเขตร้อนที่อุณหภูมิน้ำทะเลต่ำกว่า ในขณะที่อัตราการลดลงของอุณหภูมิแน่นอน เป็นสิ่งจำเป็นที่จะทำให้ชั้นบรรยากาศเกิดความไม่เสถียรอย่างเพียงพอสำหรับการพาความร้อน ในชั้นบรรยากาศที่ชื้น อัตราการลดลงของอุณหภูมิคือ 6.5 °ซ/กม. ขณะที่ในชั้นบรรยากาศมีความชื้นสัมพัทธ์ต่ำกว่า 100% ความต้องการอัตราการลดลงของอุณหภูมิคือ 9.8 °ซ/กม.
ที่ระดับความสูง 500 hPa อุณหภูมิเฉลี่ยในชั้นบรรยากาศภายในเขตร้อนคือ −7°ซ (18°ฟ) แต่อากาศในเขตร้อนโดยปกติมักจะแห้งที่ระดับความสูงนี้ ทำให้อากาศปกติเป็นอุณหภูมิกระเปาะเปียก หรือเย็นจนมันชื้น เพื่อเป็นอุณหภูมิที่ดีขึ้นนั้นสามารถรองรับการพาความร้อนได้ อุณหภูมิกระเปาะเปียกที่ความสูง 500 hPa ในเขตร้อนคือ 26.5°ซ และอุณหภูมินี้ต้องการการเพิ่มขึ้นหรือลงลงตามส่วน 1°ซ ในอุณหภูมิพื้นผิวน้ำทะเล สำหรับ 1°ซ การเปลี่ยนแปลงที่ 500 hPa ภายใต้ไซโคลนอันหนาวเย็น อุณหภูมิที่ 500 hPa สามารถลดลงต่ำสุดไปได้ที่ −30°ซ ซึ่งสามารถชักนำการพาความร้อน แม้อยู่ในบรรยากาศที่แห้งแล้งที่สุด นอกจากนี้ยังอธิบายว่าทำไมความขื้นในระดับกลางของโทรโพสเฟียร์ ประมาณ 500 hPa นั้นเป็นความจำเป็นปกติสำหรับการพัฒนาพายุหมุน อย่างไรก็ตาม เมื่อพบอากาศแห้งที่ความสูงเดียวกัน อุณหภูมิที่ระดับ 500 hPa นั้นต้องการที่จะเย็นลงเป็นบรรยากาศที่แห้ง เพื่อให้เกิดอัตราการลดลงของอุณหภูมิ (Lapse rate) ขนาดใหญ่สำหรับความไม่แน่นอนกว่าบรรยากาศที่ชื้น ที่ความสูงใกล้กับโทรโพพอส ค่าอุณหภูมิโดยเฉลี่ย 30 ปี (ในการตรวจวัดในช่วงที่ครอบคลุมตั้งแต่ปี 2504 ถึง 2533) คือ −77°ซ (−132°ฟ) ตัวอย่างของพายุหมุนเขตร้อนในปัจจุบันที่รักษาตัวมันเองไว้บนน้ำที่เย็นได้คือ พายุเฮอร์ริเคนเอ็ปไซลอน ในฤดูพายุเฮอร์ริเคนแอตแลนติก พ.ศ. 2549
บทบาทของความรุนแรงสูงสุดที่อาจจะเกิดขึ้น (MPI).
เคอร์รี เอมานูเอล ศาสตราจารย์ด้านอุตุนิยมวิทยาชาวอเมริกัน ได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ขึ้นเมื่อราวปี 2531 ในการคำนวณขีดจำกัดสูงสุดของความรุนแรงพายุหมุนเขตร้อน โดยตั้งอยู่บนอุณหภูมิพื้นผิวน้ำทะเลและโครงร่างเกี่ยวกับบรรยากาศ จากการดำเนินแบบจำลองโลกล่าสุด แบบจำลองของเอมานูเอลนี้เรียกว่า "ความรุนแรงสูงสุดที่อาจจะเกิดขึ้น" (Maximum potential intensity) หรือ MPI ซึ่งแผนที่ที่ถูกสร้างขึ้นจากสมการนั้น แสดงภูมิภาคที่พายุโซนร้อนและพายุหมุนเขตร้อนมีความเป็นไปได้ว่าจะก่อตัวขึ้น ขึ้นอยู่กับอุณหพลศาสตร์ของบรรยากาศในเวลาของการดำเนินแบบจำลองล่าสุด (เช่น 0000 หรือ 1200 UTC) โดยไม่ได้คำนึงถึงลมเฉือนแนวตั้ง
แรงคอริออลิส.
ระยะห่างน้อยที่สุด 500 กิโลเมตร (310 ไมล์) จากเส้นศูนย์สูตรนั้นเป็นปกติสำหรับความต้องการในการกำเนิดพายุหมุนเขตร้อน แรงคอริออลิสบอกให้รู้การหมุนบนกระแสอากาศ และเกิดเป็นลมเพื่อไหลไปทางความกดอากาศต่ำที่ถูกสร้างขึ้นโดยความหย่อมความกดอากาศต่ำที่มีอยู่ก่อน (Pre-existing disturbance) ในพื้นที่ขนาดเล็กมากหรือไม่มีแรงคอริออลิสอยู่ (เช่น ใกล้กับเส้นศูนย์สูตร) เฉพาะแรงบรรยากาศนัยสำคัญเท่านั้นที่สามารถเล่นกับ"แรงความดันลาดชัน" (Pressure gradient force) ได้ (ความกดอากาศที่ต่างกันนั้นเป็นสาเหตุให้ลมพัดจากความกดอากาศสูงไปหาต่ำ) และแรงเสียดทานขนาดเล็ก ทั้งสองนี้อย่างใดอย่างหนึ่งจะไม่เป็นสาเหตุให้เกิดการหมุนในขนาดใหญ่สำหรับการก่อตัวของพายุหมุนเขตร้อน การดำรงอยู่ของแรงคอริออลิสอย่างมีนัยสำคัญจะเปิดทางให้เกิดการก่อตัวลมหมุนวนเพื่อให้บรรลุผลความสมดุลลมแนวลาด ความสมดุลเงื่อนไขนี้พบได้ในพายุหมุนเขตร้อนที่เจริญเต็มที่ นั่นจะช่วยความร้อนแฝงจำเพาะมุ่งไปใกล้กับแกนของพายุ นี่เป็นผลในบำรุงรักษาหรือการเพิ่มความรุนแรงของลมหมุนวน ถ้าปัจจัยในการก่อตัวอื่น ๆ นั้นว่าง
ลมเฉือนแนวตั้งกำลังอ่อน.
ลมเฉือนแนวตั้งที่มีความเร็วน้อยกว่า 10 ม./ว. (20 นอต) ระหว่างพื้นผิวกับโทรโพพอสนั้นเหมาะกับการก่อตัวของพายุหมุนเขตร้อน โดยลมเฉือนแนวตั้งที่มีกำลังอ่อนนี้จะทำให้พายุเติบโตได้อย่างรวดเร็วในแนวตั้งในอากาศ ซึ่งจะช่วยให้พายุก่อตัวและแข็งแรงขึ้น ถ้าลมเฉือนแนวตั้งมีกำลังแรงเกินไป พายุจะไม่สามารถโตขึ้นได้อย่างเต็มศักยภาพและพลังงานของมันจะเริ่มแผ่ขยายออกไป จนพื้นที่นั้นกว้างเกินกว่าที่พายุจะมีกำลังมากขึ้นได้ ลมเฉือนสามารถ "พัด" ให้พายุหมุนเขตร้อนแยกออกจากกันได้ เนื่องจากมันจะไปแทนที่แกนอบอุ่นระดับกลางจากการหมุนเวียนที่พื้นผิว และหยุดระดับกลางของโทรโพพอสซึ่งจะหยุดการพัฒนาของพายุ ในระบบขนาดเล็กกว่า การพัฒนาของการพาความร้อนซับซ้อนเมโซสเกล (Mesoscale convective complex) นัยสำคัญในสิ่งแวดล้อมที่ขาด สามารถส่งขอบเขตการไหลออกขนาดใหญ่พอออกไปเพื่อทำลายพื้นผิวของพายุหมุนได้ โดยลมเฉือนกำลังปานกลางนั้นสามารถนำไปสู่การพัฒนาทั้งขั้นต้นของการพาความร้อนซับซ้อน และความกดอากาศต่ำพื้นผิวคล้ายกับมิดละติจูดได้ แต่มันต้องลดความตึงลงเพื่อเปิดทางให้การกำเนิดพายุหมุนเขตร้อนนั้นดำเนินต่อ
ปฏิกิริยาร่องความกดอากาศต่ำที่เป็นประโยชน์.
แรงเฉือนของลมเฉือนแนวตั้งที่อยู่ในระดับจำกัด อาจส่งผลดีต่อการก่อตัวของพายุหมุนเขตร้อนได้ เมื่อร่องความกดอากาศต่ำชั้นบนหรือหย่อมความกดอากาศชั้นบนที่มีขนาดใกล้เคียงกับหย่อมความกดอากาศต่ำกำลังแรง ซึ่งระบบจะสามารถถูกคัดท้าย (steered) โดยระบบที่อยู่ในชั้นบนให้เข้าสู่พื้นที่ที่มีการลู่ออกขึ้นสู่ด้านบนที่ดีกว่าได้ ซึ่งสามารถทำให้เกิดการพัฒนาขึ้นของพายุต่อไป โดยลมหมุนชั้นบนที่มีกำลังอ่อนจะเป็นผลที่ดีในปฏิกิริยาที่เป็นประโยชน์นี้ ทั้งนี้มีหลักฐานว่าพายุหมุนเขตร้อนที่ถูกกระทำโดยลมเฉือนกำลังอ่อนในตอนแรก จะพัฒนาได้รวดเร็วกว่าพายุหมุนเขตร้อนที่ไม่ถูกพัดเฉือน แม้ว่าการนั้นจะนำมาซึ่งความรุนแรงสูงสุดโดยความเร็วลมสูงสุดที่อ่อนกว่า และความกดอากาศต่ำที่สุดที่สูงกว่าก็ตาม กระบวนการเช่นนี้ยังเป็นที่รู้จักในชื่อ "การบารอคลินิกอินิชิเอชัน" (baroclinic initiation) ของพายุหมุนเขตร้อนอีกด้วย โดยเป็นการเคลื่อนอย่างช้า ๆ (trailing) ของลมหมุนชั้นบนและร่องความกดอากาศต่ำชั้นบน ซึ่งสามารถทำให้เกิดช่องกระแสอากาศไหลออกเพิ่มเติมได้ และช่วยให้เกิดกระบวนการการทวีกำลังแรงขึ้น การพัฒนาของหย่อมความกดอากาศต่ำนี้ สามารถช่วยสร้างหรือทำให้ร่องหรือหย่อมความกดอากาศต่ำชั้นบนลึกขึ้นได้ เนื่องจากกระแสอากาศไหลออกที่ออกมาจากการพัฒนาของตัวหย่อมความกดอากาศต่ำหรือพายุหมุนเขตร้อนเอง
มีหลายกรณีที่ร่องความกดอากาศต่ำละติจูดกลางขนาดใหญ่ สามารถช่วยในการก่อตัวของพายุหมุนเขตร้อนได้ เมื่อกระแสลมกรดชั้นบนผ่านไปทางด้านตะวันตกเฉียงเหนือของการพัฒนาของระบบ ซึ่งจะช่วยให้เกิดการลู่ออกขึ้นสู่ด้านบน และการไหลเข้าที่พื้นผิวเพื่อหมุนพายุหมุนเขตร้อน ปฏิสัมพันธ์ประเภทนี้มักเกี่ยวข้องกับความกดอากาศต่ำที่มีอยู่แล้วในกระบวนการเลี้ยวกลับ (recurvature)
เวลาในการก่อตัว.
ในทั่วโลก กิจกรรมพายุหมุนเขตร้อนจะถึงค่าสูงสุดในช่วงฤดูร้อน เมื่ออุณหภูมิของน้ำทะเลอุ่นที่สุดในแต่ละแอ่ง อย่างไรก็ตาม แต่ละแอ่งจะมีรูปแบบฤดูกาลเป็นของตัวเอง ในระดับโลก เดือนพฤษภาคมเป็นเดือนที่มีกิจกรรมน้อยที่สุด ขณะที่เดือนกันยายนจะเป็นช่วงที่มีกิจกรรมมากที่สุด
ในมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ ฤดูพายุเฮอร์ริเคนจะปรากฏขึ้นอย่างชัดเจนตั้งแต่วันที่ 1 มิถุนายน ถึง 30 พฤศจิกายน โดยมีช่วงที่มีกิจกรรมมากสุดในปลายเดือนสิงหาคมถึงเดือนตุลาคม ค่าสูงสุดทางสถิติของฤดูพายุเฮอร์ริเคนแอตแลนติกอยู่ในวันที่ 10 กันยายน ส่วนในมหาสมุทรแปซิฟิกตะวันออกเฉียงเหนือ มีกรอบเวลาของกิจกรรมที่กว้างกว่า แต่ก็อยู่ในช่วงเวลาอันใกล้เคียงกับมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ ส่วนในมหาสมุทรแปซิฟิกตะวันตกสามารถเห็นพายุหมุนเขตร้อนได้ตลอดทั้งปี มีค่ากิจกรรมน้อยที่สุดในเดือนกุมภาพันธ์ และค่ามากสุดในเดือนกันยายน ส่วนในแอ่งมหาสมุทรอินเดียเหนือ โดยทั่วไปแล้วจะมีพายุได้ในช่วงเดือนเมษายนถึงธันวาคม โดยมีค่ามากสุดในเดือนพฤษภาคมและพฤศจิกายน
ในซีกโลกใต้ กิจกรรมพายุหมุนเขตร้อนโดยทั่วไปจะเริ่มขึ้นในเดือนพฤศจิกายน และจะจบลงในวันที่ 30 เมษายน กิจกรรมของซีกโลกใต้จะมากที่สุดในช่วงกลางเดือนกุมภาพันธ์ถึงต้นเดือนมีนาคม กิจกรรมของพายุหมุนเขตร้อนในซีกโลกใต้จะอยู่บริเวณตั้งแต่แนวชายฝั่งทวีปแอฟริกาตอนใต้ไปทางตะวันออก จนถึงทวีปอเมริกาใต้ แต่พายุหมุนเขตร้อนเป็นเหตุการณ์ที่หาพบได้ยากในมหาสมุทรแปซิฟิกใต้ และในมหาสมุทรแปซิฟิกตะวันออกเฉียงใต้ไกล