УДК 551.515.2.001.572
Исследование взаимодействия тропических циклонов и струйных течений по данным расчетов на численных моделях
А. Э. Похил*, Е. С. Глебова*, А. В. Смирнов*
Обсуждаются результаты исследования эволюции тропических циклонов (ТЦ) в Тихом океане по данным расчетов мезомасштабных численных моделей атмосферы ЕТА и WRF NMM. Рассчитаны траектории ТЦ и поля метеорологических величин в тайфунах, скорости ветра и кинетической энергии в субтропическом струйном течении в период развития тайфунов Парма, Мелор, Лупит. Проведены анализ и сопоставление расчетных полей давления, ветра, кинетической энергии и траекторий ТЦ, полученных с помощью этих моделей, и сравнение их с реальными полями. Показано, что обе модели достаточно хорошо рассчитывают сложные траектории и меняющиеся в ходе взаимодействия поля ветра и кинетической энергии. Предлагается объяснение процессов, происходящих при взаимодействии вихрей с субтропическим струйным течением и полярным фронтом.
Введение
Общая циркуляция атмосферы является одним из основных факторов, способствующих возникновению, развитию или разрушению тропического возмущения как на ранней стадии развития, так и на стадии зрелого вихря. Исследования случаев необычного поведения тропического циклона (ТЦ) и его взаимодействия с ближайшей окружающей областью атмосферы и определенными течениями в ней дают дополнительные и зачастую новые знания об эволюции и динамике существующих структур.
В предыдущих работах авторов [5—7] представлены результаты исследования механизмов взаимодействия пары тропических циклонов, имеющих разную интенсивность, а также их трансформации и регенерации вследствие вхождения в область холодного фронта. Отдельно рассматривались случаи взаимодействия пары ТЦ и полярного фронта. Были предложены варианты объяснения изменения структуры полей метеорологических величин в тропических циклонах при данных процессах, а также появления петель, зигзагов и крутых поворотов в их траекториях при пере ме ще нии вих рей.
Известно, что основную роль в формировании траектории тропического циклона играет циркуляция на изобарических поверхностях 700—500 гПа.
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: AEPokhil@yandex. ru.
Однако верхние слои атмосферы также оказывают влияние на эволюцию и перемещение атмосферных вихрей, таких как тропические циклоны.
Впервые в работе [2] была отмечена связь между возникновением тайфунов и восточным струйным течением и высказано предположение об аналогичной роли струйных течений как в циклогенезе внетропических широт, так и в возникновении тайфунов. Авторами работ [1, 3] было сделано предположение о том, что фактором, обусловливающим возникновение восточного струйного течения, является тайфун. Анализ показал, что лю бой тай фун со про вож да ет ся воз никно ве ни ем струй но го тече ния в се ве-ро-западной части тропической зоны Тихого океана. После исчезновения тайфуна уменьшается и скорость восточного потока. Кроме того, такое взаимодействие воздушных потоков в верхней тропосфере отчасти управляет движением ТЦ [1, 3, 4, 9].
Цель и метод
В настоящей статье, как и в предыдущей [5], анализируются результаты расчетов сложных ситуаций, возникших в 2009 г. в Тихом океане при перемещении и эволюции тайфунов Парма, Мелор и Лупит. Авторов данного исследования интересовало взаимодействие тайфунов с окружающими атмосферными структурами, в частности, с полярно-фронтовым и субтропическим струйными течениями. Результатом должно было стать понимание процессов, происходящих при этих взаимодействиях.
Траектории исследуемых тропических циклонов представлены на рис. 1. Характеристики ТЦ приведены в табл. 1, 2 в работе [5].
Основным методом исследования процессов взаимодействия тропи чес ких цик ло нов меж ду со бой, а также с полярным фронтом и струй-ны ми тече ни я ми явля лось вос про из-веде ние со отве тству ю щих си ноп ти-чес ких си туа ций с помощью численных мезомасштабных моделей ат мос фе ры. В ра боте при ме ня лись модели WRF NMM и ЕТА. Обе мо -дели были адаптированы к северозападной части Тихого океана. Размер расчетных областей по широте и долготе составлял 40 х 40°. Модель ЕТА (подробно описана в работах [7, 8]) интегрировалась с пространственным шагом 22 км и шагом по времени 90 с. В качестве начальных данных и граничных условий ис поль зо вались поля анали за NCEP с пространственным разрешением 1°. Для визуализации рассчитан ных полей ме те о роло ги чес ких ве ли чин и анали за их изме не ния применялся графический пакет GrADS.
120° в. д. 140°
Рис. 1. Фактические траектории тропических циклонов Парма (1), Мелор (2) и Лупит (5) в октябре 2009 г.
Модель WRF — численная модель предсказания погоды, используемая для прогнозирования состояния атмосферы и научных исследований. Модель позволяет получать прогнозы погоды с разрешением сетки от 13 до 3 км на период до семи суток вперед с временным интервалом до одного часа. Расчеты проводили с новым негидростатическим ядром WRF КММ версии 3.3 [10]. В качестве вертикальных координат в модели используется смешанная сигма-изобарическая система: до изобарической поверхности 400 гПа — сигма-координаты, выше — изобарические поверхности (всего 27). Число рассчитываемых узлов по широте — 296, по меридиану - 444. Применены более совершенные модели адвекции динамических величин и силы Кориолиса. Модель WRF КММ способна не только реалистично прогнозировать тропические штормы, но и работать в глобальном ре жи ме. В сис те ме вы вода обес печи ва ет ся возмож ность ин тер поля ции переменных с модельных уровней на изобарические поверхности или геометрические высоты. Предусмотрена также возможность представления выходной продукции в коде GRIB для ее распространения по линиям связи. Главный недостаток модели — потребление огромного количества процессорного времени и преимущественная необходимость запуска на суперкомпьютерах, что мешает ее использованию в региональных отделениях метеослужбы.
Рассмотрим результаты расчетов перемещения и эволюции тайфунов Парма, Мелор и Лупит по двум моделям.
Эволюция ТЦ Парма и Мелор
На рис. 1 приведены фактические траектории трех тропических циклонов. Рассмотрим случай поворота ТЦ Мелор 5—7 октября 2009 г. Согласно анализу синоптических карт за 12 ч ВСВ 5 октября, когда этот поворот начался, к северу от вихря располагался обширный антициклон, попав в циркуляцию которого Мелор должен был начать движение на запад. Однако ТЦ Мелор "разорвал" антициклон на две области повышенного давления и начал поворот на широте 20° с. сначала на северо-запад, затем на север и далее круто на северо-восток.
Известно, что полярно-фронтовое струйное течение связано с полярным фронтом и вместе с ним меняет свое положение. Большие скорости ветра в тропосфере обусловлены температурным контрастом на фронте и связанным с ним увеличением барических градиентов и усилением ветра с высотой. Именно такая ситуация наблюдалась 5—6 октября 2009 г. Расчеты показали, что к северо-западу от ТЦ Мелор над опустившимся довольно низко в южные широты полярным фронтом располагалось полярно-фронтовое струйное течение западного направления. Взаимодействуя с полярным фронтом, циклон Мелор вовлекся в этот поток, ставший для него ведущим и оказавшийся более мощным, чем антициклоническая циркуля ция.
Трансформация облачных структур при эволюции и перемещении тропического циклона показана на рис. 2. В поле облачности хорошо прослеживаются трансформация ТЦ Мелор при попадании в зону полярного фронта и процесс образования в нем атмосферных фронтов, что связано с обострением температурного контраста. Заток холодного воздуха из уме-
Рис. 2. Спутниковые снимки в видимом диапазоне ТЦ Парма (на рисунке а западный вихрь), Мелор (восточный) и полярного фронта от 6 (а), 7 (б), 8 (в) и 9 октября (г) 2009 г. (см. также рис. 3а, в, д, е в работе [5]).
ренных широт способствовал увеличению бароклинности и трансформации ТЦ Мелор в полярно-фронтовой циклон. Подобная трансформация приводит к регенерации циклона и продлевает срок существования вихря.
Эволюция полей температуры и скорости ветра, а также поля кинетической энергии на изобарической поверхности 850 гПа представлена на рис. 3 и 4 соответственно. Отмечается формирование волны тепла в зоне нахождения тайфуна (рис. 3): в поле температуры воздуха на изобарической поверхности 850 гПа четко прослеживается соответствующее положению вихря углубление на границе тропического и умеренного воздуха, достаточно ровной в других районах.
Пред став ля ет ин те рес вза и моде йствие вих ря с силь ным суб тро пи чес-ким струйным течением, сопровождавшееся изменением конфигурации по след не го.
По фактическим данным и расчетам моделей, в слое 150—250 гПа прослеживалось мощное субтропическое струйное течение, которое обычно имеет субширотное направление, если только его структура не нарушается приближением интенсивных вихрей умеренных или тропических широт. 1 октября 2009 г. субтропическое струйное течение располагалось субши-ротно, и его ось находилась над 37—40° с. ш. Над теми же широтами располагались максимальные градиенты температуры на изобарической поверхности 850 гПа, что свидетельствует о наличии раздела между тропическим и умеренным воздухом. Кинетическая энергия в струйном течении превышала 3000 м2/с2 (согласно расчетам моделей ЕТА и WRF). Скорость ветра на высоте около 10,5 км, по расчетам WRF, достигала 70 м/с, по расчетам ЕТА — 55 м/с (на 20% меньше). При сравнении с фактической ско-
а) б) в)
100^д_120 _ J40 140 м/с 100° в- д- 120_ 140 м/с ШГ^д 120_ 140, -20 -10 0 10 20°С -20 -10 0 10 20°С -20 -10 0 10 20° С 40 м1с
Рис. 3. Поля температуры (°С) и ветра (м/с) на изобарической поверхности 850 гПа при эволюции ТЦ Парма и Мелор 6 (а), 7 (б) и 8 октября (в) 2009 г.
100° в. д. 120 140 160 100° в. д. 120 140 160
100° в. д. 120 140 160 100° в. д. 120 140 160
100 200 300 500 600 100 200 300 500 600
Рис. 4. Поля кинетической энергии (м2/с2) на изобарической поверхности 850 гПа при эволюции ТЦ Парма и Мелор 6 (а), 7 (б), 8 (в) и 9 октя
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.