ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 3, с. 3-11
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ВОЗДЕЙСТВИЕ МЕЗОМАСШТАБНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ВИХРЕВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ВЕРХНЮЮ АТМОСФЕРУ И ИОНОСФЕРУ ЗЕМЛИ
© 2012 г. В. Г. Бондур*, С. А. Пулинец
ГУ Научный центр аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос" Минобрнауки России и РАН, Москва
*Е-таП: vgbondur@aerocosmos.info Поступила в редакцию 03.02.2012 г.
Рассматриваются механизмы зарождения и интенсификации таких опасных атмосферных вихревых явлений, как тропические циклоны (ТЦ), а также процессы их электромагнитного взаимодействия с ионосферой Земли. Приведен анализ различных моделей ТЦ, в том числе принимающих во внимание процессы ионизации. Проанализированы механизмы, учитывающие спиральное поле скоростей при формировании ТЦ, а также физический механизм, объясняющий установленную статистическую связь кратковременных вариаций галактических космических лучей (Форбуш-по-нижений) с частотой зарождения и усилением ТЦ. Показано, что такого рода воздействие обусловлено уменьшением ионообразования во время Форбуш-понижений на уровне тропопаузы, а соответственно, понижением температуры на уровне верхней кромки облаков за счет уменьшения выделения скрытой теплоты, связанной с конденсацией влаги на вновь образуемых ионах. Этот процесс приводит к увеличению разницы температур между поверхностью океана и верхней частью тропического циклона, и, соответственно, к увеличению вертикальной конвекции, что приводит к интенсификации циклона. Делается вывод о том, что при исследовании таких мезомасштабных вихревых процессов в атмосфере, как ТЦ, следует учитывать не только гидродинамические особенности, но также термодинамические и электромагнитные свойства этих структур. Полученные результаты важны для организации исследований и мониторинга ТЦ, в том числе космическими методами.
Ключевые слова: мезомасштабные атмосферные процессы, тропические циклоны, вихревые образования, атмосфера, ионосфера, космический мониторинг
ВВЕДЕНИЕ
Теория зарождения и развития тропических циклонов (ТЦ) формировалась вначале в рамках классической гидродинамики и термодинамики атмосферы (Голицын, 1973; Шулейкин, 1978). При этом моделирование осуществлялось с использованием заданных начальных параметров атмосферы, которые, на самом деле, не всегда известны на момент зарождения ТЦ. В дальнейшем были внесены элементы нелинейного моделирования (Ярошевич, Ингель, 2000; Ерохин и др., 2007). При этом путем выбора параметров обобщенной нелинейной модели появилась возможность анализировать временную динамику вихря, включая длительность стадий жизненного цикла ТЦ, максимальную скорость ветра и т.д. Использование мезомасштабных моделей атмосферы позволило значительно улучшить качество прогнозов динамики ТЦ (Hoffman et al., 2006; Kafatos et al., 2006) и, в частности, изменения направления их движений в присутствии пространственной анизотропии поля температур. В последнее время большое внимание уделяется роли ионизации как на поверхности Зем-
ли (естественная радиоактивность Земли) (Карелин, 2009; Бондур и др., 2009), так и на уровне тропопаузы (галактические космические лучи) (Бондур и др., 2008а; 2009).
Результаты экспериментальных исследований, полученных при полетах самолетов-лабораторий внутрь ТЦ, в процессе космического мониторинга этих природных катастроф, а также в результате моделирования, позволили ввести понятие спи-ральности атмосферных движений и развить нелинейную теорию обратного каскада (образование крупномасштабных структур из структур меньшего масштаба) для описания динамики развития этих опасных природных явлений (Левина, Монтгомери, 2010).
В настоящей работе делается попытка представить проблемы динамики ТЦ на основании результатов предыдущих исследований, а также работ авторов по исследованию воздействия ТЦ на атмосферу и ионосферу Земли с использованием космических данных (Бондур и др., 2008а, б; 2009; Бондур, Васякин, 2011; 2012; Пулинец и др. 1998; Pulinets, Liu, 2004; Pulinets et al., 2006).
80 60 40 20
10
15
20
28.0
27.5 27.0 26.5 26.0
25
30
Рис. 1. Динамика изменения скорости ветра с учетом фазы затухания ТЦ.
0
t, сут
10
15
20
25
30
Рис. 2. Динамика температуры поверхности океана с учетом фазы затухания урагана.
0
5
5
КЛАССИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ ОПИСАНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ УРАГАНОВ
В ранних работах (см. например (Шулейкин, 1978)), на основе результатов экспериментальных наблюдений были созданы математические модели, пригодные для расчетов параметров временной динамики ТЦ. Эти модели основаны на использовании уравнения
ау/а = (т — тп)У — аУ2,
где Т — температура поверхности океана в области ТЦ; ТП — пороговое значение этой температуры, выше которой происходит усиление возмущений; аУ2 — слагаемое, определяющее потери энергии, обусловленные диссипативными процессами, возрастающими с ростом интенсивности вихря.
Обычно КПД преобразования тепловой энергии в энергию движения воздуха в заданном направлении принимается равным (Голицын, 1973)
Ар/р,
где Ар — ускоряющий перепад давления, р — полное давление на поверхности океана.
В работе (Ярошевич, Ингель, 2000) по аналогии с моделями генерации излучения в лазерах была предложена нелинейная модель развития ТЦ, учитывающая накачку энергии в системе океан-атмосфера, пороговые условия для формирования мощного вихря, а также его взаимодействие с окружающей средой.
В работе (Ерохин и др., 2007) развита нелинейная модель (Ярошевич, Ингель, 2000), позволяющая описывать и стадию затухания ТЦ, связанную с выходом его на сушу или перемещением в область более холодной поверхности океана. Для этого в один из параметров окружающей среды, определяющий условия генерации вихря, вводилась зависимость от времени. Соответственно понижение величины этого параметра от порогового значения приводило к затуханию ТЦ.
На рис. 1 показано изменение скорости ветра в ТЦ, а на рис. 2 — изменение температуры поверхности океана с учетом затухания в соответствии с модифицированной нелинейной моделью (Ерохин и др., 2007). Как видно из приведенных рисунков, введение в модель свободных параметров (которые можно изменять) позволяет управлять описанием процесса образования и затухания ТЦ. В качестве свободных параметров можно вводить влияние солнечно-земных связей, роль которых статистически установлена в качестве одного из факторов регионального тропического циклогенеза (Perez-Peraza et al., 2008).
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕЗОМАСШТАБНЫХ
ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
В численных расчетах атмосферных процессов, в том числе ТЦ, наиболее часто используется мезомасштабная модель NCAR пятого поколения MM5 (Grell et al., 1994). Это ассимилятивная модель, позволяющая вводить в расчеты данные экспериментальных наблюдений практически в реальном масштабе времени. Модель работает на площади 3000 х 4000 км2 на десяти уровнях в диапазоне давлений от давления на поверхности суши до уровня 50 гПа.
В последнее время успешно применяется методика, позволяющая рассчитывать динамику ТЦ в рамках модели MM5 путем введения малых конечных изменений параметров, в том числе и времени, называемая 4D-VAR (Hoffman et al., 2006). С помощью этого подхода удалось определить наиболее чувствительные параметры, влияющие на динамику ТЦ. В частности, в работе (Kafatos etal., 2006) с использованием результатов расчетов по модели MM5 продемонстрирована роль высокой температуры поверхности океана в Мекси-
канском заливе в резком усилении интенсивности урагана Ка^та в августе 2005 г. Результаты моделирования подтверждаются экспериментальными данными, полученными в работах (Бондур, Вася-кин, 2011; 2012) на основании анализа спутниковой информации.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ С УЧЕТОМ ПРОЦЕССОВ ИОНИЗАЦИИ
В работе (Карелин, 2009) делается попытка обосновать необходимость наличия определенного уровня ионизации для формирования достаточного количества центров конденсации. Модельные расчеты, в которых в качестве исходного уравнения использовалось модифицированное уравнение Шулейкина (Шулейкин, 1978), показали, что в обычных условиях при невысокой скорости ионизации в атмосфере, независимо от начальной скорости и температуры среды даже при высокой относительной влажности воздуха, не происходит развития мощного ТЦ, в котором максимальная скорость ветра превышает 60 м/с или 200 км/ч (Шулейкин, 1978). Но при увеличении уровня ионизации происходит резкое усиление скорости ветра, также как и при увеличении поверхностной температуры (см. рис. 3). Это свидетельствует о необходимости учета процессов ионизации пограничного слоя атмосферы при моделировании зарождения и развития ТЦ.
Роль ионизации существенна и на больших высотах, вблизи верхней кромки облаков. В работе (Бондур и др., 2008а) описан физический механизм усиления ТЦ, связанный с изменением уровня ионизации на высоте тропопаузы во время кратковременного уменьшения потоков галактических космических лучей при развитии магнитной бури (Форбуш-понижение). Воздействие вариаций потоков космических лучей на интенсивность ТЦ в Атлантике установлено путем статистического анализа многолетнего ряда данных (Реге2-Рега2а й а1., 2008). Механизм усиления ТЦ связан с уменьшением температуры на уровне тропопаузы, вызванным уменьшением выделения скрытой теплоты испарения и соответственно увеличением перепада температур между поверхностью океана и тропопаузой, приводящим к усилению вертикальной конвекции.
На рис. 4 показаны вариации атмосферных параметров во время магнитной бури, происходившей в конце августа 2005 г., которая привела к усилению урагана Ка1хта (Бондур и др., 2008а; 2009).
Таким образом, установлено, что при моделировании динамики ТЦ необходимо учитывать уровень ионизации как вблизи поверхности океана, так и в верхней части урагана, поскольку термо-
V, м/с х, сут
X, сут
Рис. 3. а — Скорость ветра в зависимости от времени при У0 = 5 м/с, Н = 95%, Tg = 18°С; б — скорость ветра при Tg = 28°С и макс. скорости ионизации /1: 1 — 26 см-3 с-1; 2 - 52 см-3 с-1; 3 - 104 см-3 с-1.
динамические процессы, связанные с ионизацией, оказывают
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.