причины возникновения. эволюции
и йинвмики тропических
циклонов
Кандидат физико-математических наук А.Э. ПОХИЛ (Гидрометеорологический научно-исследовательский центр РФ),
А.А. СПЕРАНСКАЯ (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова)
Среди процессов и явлений, оказывающих непосредственное влияние на перемещение воздушных масс в глобальных масштабах, на формирование погоды на Земле, тропическим циклонам (ТЦ) принадлежит весьма заметная роль. Они относятся к числу наиболее интенсивных вихрей синоптического масштаба1 тропической атмосферы и играют неоднозначную роль в жизни планеты, являясь одновременно и важным элементом циркуляции атмосферы, и одним из опасных природных явлений. Тропические циклоны оказывают огромное влияние на население и хозяйство стран Карибского бассейна, Индии, Австралии, Мадагаскара и Юго-Восточной Азии2. С выходом тайфунов на сушу в районе российского Дальнего Востока и при их регенерации на полярном фронте связаны интенсивные осадки, вызывающие наводнения 2и оползни, штормовой ветер и волнение
0 на море, а также засоление почв на при® брежных территориях.
1 Тайфуны и ураганы - одно из самых § грозных стихий на Земле. Энергия и раз" рушительная сила ураганов и тайфунов II чрезвычайно велика. Она эквивалентна | мощности сотен водородных бомб. Под-
^ счёты показали, что выделяемой ура-
^ _
5 1 Масштаб атмосферных возмущений или движе-» ний, изучаемых с помощью синоптических карт | (циклоны, антициклоны и связанные с ними воз® душные течения).
<р 2Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат., 1973; Похил А.Э. Вихри в глазе урагана Изабель // Метеорология и гидрология. 2005. № 11.
ганом за сутки энергии хватило бы для снабжения электроэнергией США в течение полугода. А тепло, выделяемое большим ураганом, равно теплу, связанному со сгоранием 2-3 млн т угля, и только 2-4% тепловой энергии переходит в кинетическую энергию ветра. Исследование причин возникновения, эволюции и динамики тропических циклонов, диагностика и анализ особенностей и закономерностей поведения является насущной проблемой человечества.
В современной геофизической гидродинамике пристальное внимание сконцентрировано на изучении вихревых структур синоптического масштаба. Наиболее яркие и грозные представители вихрей этого класса - тайфуны, возникающие в результате энергетического обмена в системе океан-атмосфера. Решение задачи предупреждения тяжёлых стихийных бедствий, являющихся последствиями ТЦ, находится в прямой зависимости от понимания процессов, происходящих в ТЦ3. Данная работа направлена на изучение "глаза" тропического циклона. Наблюдение за эволюцией глаза ТЦ проводилось в Тихом и Атлантическом океанах на базе информации стационарных спутников.
На основе исследований на физической модели интенсивного конвективного вихря предлагается вариант объясне-
3 Ситников И.Г., Похил А.Э, Тунеголовец В.П. Тайфуны: Монография "Природные опасности России", т. 5 "Гидрометеорологические опасности" /ред. акад. Г.С. Голицина. Гп. 3, 96 с. М. 2001.
62
© А.Э. Похил, А.А. Сперанская
Развитие
£ Ж 30.00
и >) 25.00
а го 20.00
а.
15.00
10.00
5.00
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00 100.00 [1013-Р], гПа
| Тихий □ Атлантика - Полиномиальный (Атлантика) -Полиномиальный (Тихий)
7 50.00
X
45.00
40.00
§ а. 35.00
30.00
25.00
20.00
25.00
10.00
5.00
0.00
Затухание
□
1
® 1 /
Я □
И □
я ■ ■ ■ п
■ □
40.00 50.00 60.00
1 Тихий Атлантика
70.00 80.00 90.00 100.00 [1013-Р], гПа
-Полиномиальный (Тихий)
■>0.00
ее 45.00
ее 40.00
35.00
30.00
25.00
20.00
25.00
10.00
5.00
0.00
■
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00
\12/Яс*д
■Развитие □ Атлантический (развитие) 'Затухание Граничные □ Доп. Атл. (развитие) *ФРОНТ х Атлантический (затухание) * Доп. Атл. (затухание)
г ж 50
^ 45
ее 40
35
30
25
20
25
10
5
0
10
15
20
> Ырй: (28/00-29/12)р-930 гПа
ч (1 деление - 3 часа)
• КеЬапа (21/12-22/18)р-940 гПа
ния причин пульсации глаза тайфуна. Подобие структуры полеИ температуры и влажности в природных тайфунах и влажного интенсивного конвективного вихря (ИКВ) на физической модели даёт основания допустить, что колебания диаметра "глаза" реальных ТЦ имеют ту же природу, что и в модели конвективного вихря. Они связаны с тепловыми пробоями, свойственными взрывному механизму тепло- и влаго-отвода: увеличение диаметра "глаза" соответствует накоплению плотност-ной неустойчивости в ядре вихря, а его уменьшение есть результат прорыва тёплого воздуха во "взрывном" механизме тепло- и влагоотвода. Исследовались изменения размеров глаза тропических циклонов в зависимости от давления в центре ТЦ и максимальной скорости в них. Авторов интересовало также, как влияет (и влияет ли) на изменение размера глаза стадия эволюции ТЦ - развитие и затухание4. Для исследований были выбраны тайфуны, перемещавшиеся
4Добрышман Е.М. О нестационарной модели глаза тайфуна // Метеорология и гидрология. 1995. № 12.
Рис. 1.
Зависимости радиуса Я1 глаза ТЦ от (1013 - Р) для стадий развития (а) и затухания (б) и зависимость безразмерного радиуса глаза Я1/Яс" от безразмерной величины ]/2/Яс"д (в), а также изменение радиуса (Я1) глаза ТЦ во времени при постоянном давлении Р в центре ТЦ (г).
по акваториям открытых океанов. В результате наблюдений за ТЦ были построены графики зависимости радиуса максимальных ветров (радиуса глаза ТЦ R1) в км от (1013 - P) в гПа (Р - давление в центре вихря) и R1/Rc* от V2/Rc*g (безразмерная величина) для разных стадий его эволюции (развитие - затухание). Rc* - величина пикселя на спутниковом снимке в км, V^fc) - скорость на радиусе максимальных ветров, g - ускорение свободного падения.
На рис. 1а, б и в видно, что эти зависимости характеризуются областями точек. Однако тенденция существует: более мощному вихрю (с более низким давлением и большей скоростью) соответствует больший радиус глаза. При этом область точек, относящаяся к стадии затухания ТЦ, имеет более крутой тренд (особенно при низких давлениях), чем область точек, принадлежащих стадии развития ТЦ. То есть процесс изменения размера глаза вихря при развитии ТЦ в среднем происходит медленнее, чем при затухании.
Нужно сказать, что большой разброс точек обусловлен как самой физикой процесса образования глаза, так и точностью определения размера глаза и максимальных скоростей ветра. При наблюдениях за эволюцией ТЦ нами были отмечены определённые временные интервалы 40-60 часов, в течение которых величина давления в центре ТЦ оставалась неизменной, в то время как размер глаза (R1) тропического циклона менялся значительно. По этим данным построены кривые изменения R1 во времени (рис. 1г). Наблюдения показали, что при одном и том же давлении и скорости в центре ТЦ размер глаза может изменяться в 3-4 раза. Авторы 12предположили, что в глазе мощного вих-| ря (возможно и во всём вихре) имеют мес-
1 то колебания с характерными периодами, | которые определяются параметрами Тц, а S возможно и внешними воздействиями.
2 Некоторое подтверждение этому было 1 найдено в работе5, в которой содержит® ся материал наблюдений за пульсациями § глаза интенсивных ТЦ. Среднее значение | периода таких пульсаций составляет 24 S часа. Заметим, что это естественный пе-* риод для многих явлений на планете, оп-§■ ределяемый суточным ходом температу-
X
о -
5 Shimada K. On the periodic changes in hurricane eye characteristics / Geophys. Mag. 1976. v. 37. № 4.
ры. Однако в динамике ТЦ существуют и другие периоды, которые невозможно объяснить суточными изменениями. Причину, обусловливающую эти колебания, не удаётся выявить по современным данным наблюдений в природе. Попытаемся заполнить этот пробел, используя результаты, полученные в процессе изучения ТЦ с помощью лабораторной модели воздушного интенсивного конвективного вихря (ИКВ) влажного типа. Лабораторное моделирование позволяет исследовать структуру ИКВ, понять физические процессы и механизмы, работающие во внешних и внутренних областях вихря.
Использовавшаяся в работе экспериментальная установка представляет собой усовершенствованную вихревую камеру Фитцджеральда6, где реализуются необходимые условия существования концентрированных вихрей - наличие фоновой завихренности и её концентрация. Установка представляет собой круглый бассейн диаметром 1 м и глубиной 10 см, заполненный водой, температура которой задаётся и поддерживается постоянной. В исследованиях рассматривался интервал температур 20-80 °С. Для формирования углового момента в воздухе по периферии бассейна устанавливаются вертикальные пластины высотой 1 м. Последние могут крепиться под заданным углом к радиусу установки. Это так называемые тангенциальные окна, позволяющие изменять угол входа воздушного потока в установку. Над нагретой водой возникает влажная конвекция. При этом реализуется механизм, создающий подъёмную силу, а следовательно, и горизонтальный градиент давления.
В модели возникает вихревая структура, по основным критериям подобия соответствующая центральной части нижней тропосферы развитого тропического циклона7. Определяющим критерием подобия для вихрей такого класса является
6 FitzjarraldD.E. A laboratories simulation of convec-tive Vortices // J. Atm. Sci. 1973, v. 30.
7 Анисимова Е.П. Конвективный тепло-и влагооб-мен в системе вода-воздух:Докт. диссертация. М.1990; Анисимова Е.П., Милехин Л.И., Сперанская А.А., Шандин В.С. Физическая модель интенсивного атмосферного вихря // Труды ИЭМ. 1999. Вып.39 (122); Anisimova E.P., Sperans-kaya A.A. Study of Hurricanes Using Methods of Laboratory Simulation // International Conference "Fluxes and Structures in Fluids", Sanct-Peters-burg, June 23-26, 2003.
Рис. 2.
Распределение относительной влажности (а) и температуры (б) по вертикали в модельном вихре для различных относительных расстояний от центра вихря (от 0.5 до 7.5).
Распределение относительной влажности по вертикали
0.000 0.100
0.200
0.300 0.400 0.500 0.60 Относительная влажность
Распределение
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.