ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 4, с. 3-15
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
РОЛЬ ТРОПОСФЕРНЫХ АДВЕКТИВНЫХ ПОТОКОВ СКРЫТОГО ТЕПЛА В ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
© 2014 г. Д. М. Ермаков1, 2, Е. А. Шарков2*, А. П. Чернушич1
Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинский филиал, Фрязино, Московская обл. 2Институт космических исследований РАН, Москва *Е-таИ: e.sharkov@mail.ru Поступила в редакцию 06.02.2014 г.
Средствами анимационного анализа данных глобального радиотеплового спутникового мониторинга за август 2000 г. исследованы процессы эволюции тропических циклонов Северного полушария. Выявлена и подтверждена на имеющихся примерах важнейшая роль адвективных тропосферных потоков скрытого тепла при быстрой интенсификации тропического циклона. Основным мешающим фактором, вносящим существенные погрешности в оценки по примененной методике, является близость больших массивов суши, поэтому более глубокий анализ требует предварительного отбора в качестве объектов исследования тропических циклонов, двигавшихся над открытыми акваториями на удалении от береговой линии. Сформулированы предложения по дальнейшему совершенствованию представленной методики анализа с целью детального изучения отдельных фаз эволюции тропических циклонов на больших массивах радиотепловых дистанционных данных.
Ключевые слова: тропический циклогенез, анимационный анализ, адвективные потоки, скрытое тепло
DOI: 10.7868/S0205961414040046
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время прогнозирование эволюции тропических циклонов (ТЦ), в частности, их быстрой интенсификации, является серьезной и нерешенной проблемой физики генезиса атмосферных катастроф. В отсутствие полностью удовлетворительной модели явления предлагаются различные эмпирические подходы, основанные на накоплении и анализе статистики дистанционных наблюдений, например (Kaplan et al., 2010; Ростовцева, Гончаренко, 2010; Шарков и др., 2011а; 20116; 2011в; 2012). Наибольшие успехи достигнуты именно при статистической постановке задачи для глобального тропического циклогенеза, который с точки зрения стохастического процесса является высокостабильным генератором пуассоновского процесса (Sharkov, 2000; Шарков, 2009).
В целом ряде работ сделаны попытки перехода к детерминистическому подходу, т.е. применения выработанных статистических правил и критериев для прогнозирования развития индивидуальных ТЦ. Однако достигнутые здесь успехи значительно скромнее. Так, описанный в работе (Kaplan et al., 2010) подход, принятый Национальным агентством по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) за основу
алгоритма оперативного прогноза быстрой интенсификации ТЦ, содержит 8—9 параметров, характеризующих текущее состояние системы "атмосфера—океан" в окрестности ТЦ или области его зарождения, а также некоторую "предысторию" развития процесса. Тем не менее представления о физике генезиса и прогноз быстрой интенсификации ТЦ по-прежнему недостаточно удовлетворительны и нуждаются в существенном уточнении.
Одна из причин возникновения проблем прогностических моделей — необходимость многопараметрического описания сложного многофакторного процесса. Число значимых параметров пытаются снизить, например, путем статистического анализа для определения их сравнительной "предсказательной силы". При этом оказывается (Kaplan et al., 2010), что на рассматриваемых выборках данных один и тот же параметр может иметь существенно различную значимость, в зависимости от дополнительных условий (например, от акватории наблюдения), формальный учет которых, вероятно, потребует не упрощения, а дальнейшего усложнения эмпирической модели и дополнительных усилий по ее физической интерпретации.
Большое число публикаций посвящено связи так называемого "холодного следа" ТЦ (отрица-
тельной температурной аномалии, возникающей на поверхности океана после прохождения ТЦ) с его интенсификацией. В ряде публикаций предлагается интерпретация холодного следа как индикатора активного теплообмена, направленного от океана к ТЦ и вызывающего его усиление. Следует отметить, что такая трактовка, безусловно, не является однозначной. Так, например, в работах (Zheng, Tang, 2007; Zhao et al., 2008) конкретные экспериментальные данные позволяют трактовать возникающие аномалии как результат локального апвеллинга, сопровождающегося развитием вихря в океане, вызванного временной остановкой или замедлением дрейфа ТЦ. В таком случае речь идет фактически об обратном направлении передачи энергии. Статистика экспериментальных исследований как на глобальном, так и на региональном масштабах наблюдений, например (Пермяков, 2007; Ali et al., 2013), также не позволяет выявить однозначной причинно-следственной связи между "холодным следом" и интенсификацией ТЦ.
В связи с этим наряду с влиянием "прямой" вертикальной передачи тепла от океана к ТЦ следует детально проанализировать процесс горизонтального теплообмена, связанного, прежде всего, с адвективными потоками скрытого тепла в насыщенной водяными парами нижней тропосфере, которые названы "важнейшим источником полной энергии" ТЦ в разделе 15.6 монографии (Паль-мен, Ньютон, 1973). Нужно иметь в виду, что значимость вертикального и горизонтального переносов тепла может быть принципиально разной при формировании ТЦ из начального возмущения и при быстрой интенсификации зрелого ТЦ.
Предпосылки для создания методики расчета адвективных тропосферных потоков скрытого тепла возникли в связи с развитием специфического подхода к обработке и анализу данных спутникового мониторинга Земли, который авторы называют "анимационным". Общая суть анимационного подхода заключается в реализации схемы пространственно-временной интерполяции спутниковых данных, позволяющей детализировать фазы развития процесса по нескольким его наблюдаемым состояниям. Способы реализации такой схемы могут отличаться не только в деталях, но и концептуально (Wimmers, Velden, 2007; 2011; Нерушев, Крамчанинова, 2011; Ермаков и др., 2007; 2011; 2012б; 2013а), но в любом случае последовательность дистанционных наблюдений объединяется в рамках простого динамического представления, позволяющего описать пространственно-временные изменения восстанавливаемых по этим наблюдениям геофизических полей с помощью преобразований некоторого заранее определенного класса. Подход предполагает (или делает возможным) вычисление векторных полей смещений всех малых элементов восстанавливае-
мых геофизических полей, которые произошли в интервале между последовательными наблюдениями. Поскольку исходные данные географически привязаны и хронометрированы, открывается возможность пересчета указанных полей смещений в поля скоростей адвекции над поверхностью Земли и дальнейшего расчета потоков производных величин через произвольно заданные границы (контуры). Такая возможность в рамках анимационного подхода впервые обсуждена авторами настоящей работы в (Ермаков и др., 20136) и подробно рассмотрена в (Ермаков и др., 2014).
Для целей настоящей работы интерес представляет расчет адвективных потоков Q скрытого тепла через контуры, окружающие действующие ТЦ, на основе анимационного анализа полей интегрального паросодержания атмосферы, восстановленных по данным спутникового радиотеплового мониторинга. Такой расчет позволяет дать физически обоснованную количественную характеристику Q динамики процесса эволюции ТЦ на всем интервале наблюдения, что является существенным шагом вперед по сравнению с более ранними работами (Ермаков и др., 2012а; 2013в). Предлагаемая концепция обеспечивает единообразный подход к детерминистическому анализу связи между изменчивостью потоков Q и эволюцией индивидуального ТЦ, что позволяет оценить конвергентный поток как определяющий фактор в интенсификации ТЦ. Аналогичный результат может быть получен и при статистическом анализе этой связи по совокупности ТЦ (множественный циклогенез). В настоящей работе средствами анимационного анализа исследованы процессы эволюции ТЦ, сформировавшихся в интервале 27 июля—26 августа 2000 г. над циклоногенерирующими акваториями Северного полушария, где в летний период концентрируется основная масса водяного пара внутритропи-ческой зоны конвергенции ячейки Хэдли и соответственно активно функционирует тропический циклогенез (Шарков и др., 2012).
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
В качестве входных данных для расчета адвективных потоков скрытого тепла в работе использованы анимированные поля интегрального па-росодержания атмосферы, построенные на глобальной сетке координат с шагом 0.2° по широте и долготе в интервале 27 июля—26 августа 2000 г. с шагом по времени 1.5 ч. Под "анимированными полями" подразумеваются не только скалярные поля собственно интегрального паросодержания, но и соответствующие им векторные поля смещений, которые были пересчитаны в поля скоростей адвекции и использованы для расчета потоков скрытого тепла, как описано в (Ермаков и др., 2014).
Тропические циклоны августа 2000 г.
№ Имя ТЦ Даты существования Акватория
1 Alberto 03.08-23.08 Северо-запад Атлантического океана
2 Debby 16.08-25.08 Там же
3 Bilis 15.08-24.08 Северо-запад Тихого океана
4 Ewiniar 05.08-19.08 Там же
5 Jelawat 31.07-12.08 »
6 Giema 04.08-11.08 Северо-восток Тихого океана
7 Hector 10.08-20.08 Там же
Выбор интервала времени был сделан для более строгой проверки некоторых частных результатов (Ермаков и др., 2013в; 2014), полученных при обработке данных за указанный интервал времени и связанных с исследованием эволюции ТЦ Alberto. Он позволил провести анализ на наборе ТЦ с различной картиной эволюции, не отобранных каким-либо специальным образом, существенно сэкономив при этом вычислительные ресурсы, так как трудоемкая операция предварительной подготовки данных для анимационного анализа (Ермаков и др., 2013а) была уже выполнена в рамках цитированных выше работ.
В августе 2000 г. активность тропического циклогенеза была сравнительно высока. Зарегистрировано несколько десятков тропических возмущений (Покровская, Шарков, 2006), из которых семь, достигших зрелой формы ТЦ (ураган, тайфун), были отобраны для анализа (см.
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.