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)

มีความต้องการหลักหกประการ ได้แก่ อุณหภูมิพื้นผิวน้ำทะเลที่อบอุ่นพอ ความไม่แน่นอนในชั้นบรรยากาศ ความชื้นสูงในโทรโพสเฟียร์ระดับต่ำถึงกลาง มีแรงคอริโอลิสอย่างเพียงพอในการพัฒนาของศูนย์กลางความกดอากาศต่ำ พื้นที่ระดับต่ำหรือหย่อมความกดอากาศต่ำที่มีอยู่เดิม และลมเฉือนแนวตั้งระดับต่ำ แม้เงื่อนไขเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการก่อตัวของพายุหมุนเขตร้อน พวกมันก็ไม่ได้รับประกันว่าจะมีพายุหมุนเขตร้อนก่อตัวขึ้นเสมอไป

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

เคอร์รี เอมานูเอล ศาสตราจารย์ด้านอุตุนิยมวิทยาชาวอเมริกัน ได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ขึ้นเมื่อราวปี 2531 ในการคำนวนขีดจำกัดสูงสุดของความรุนแรงพายุหมุนเขตร้อน โดยตั้งอยู่บนอุณหภูมิพื้นผิวน้ำทะเลและโครงร่างเกี่ยวกับบรรยากาศ จากการดำเนินแบบจำลองโลกล่าสุด แบบจำลองของเอมานูเอลนี้เรียกว่า "ความรุนแรงสูงสุดที่อาจจะเกิดขึ้น" (Maximum potential intensity) หรือ MPI ซึ่งแผนที่ที่ถูกสร้างขึ้นจากสมการนั้น แสดงภูมิภาคที่พายุโซนร้อนและพายุหมุนเขตร้อนมีความเป็นไปได้ว่าจะก่อตัวขึ้น ขึ้นอยู่กับอุณหพลศาสตร์ของบรรยากาศในเวลาของการดำเนินแบบจำลองล่าสุด (เช่น 0000 หรือ 1200 UTC) โดยไม่ได้คำนึงถึงลมเฉือนแนวตั้ง

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

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