УДК 551.515.2:551,465.71
Некоторые особенности мелкомасштабного взаимодействия атмосферы и океана в области тропических циклонов
Т. И. Тархова*, М. С. Пермяков*, А. С. Сергиенко*
Проведены оценки потоков импульса, тепла, влаги и механической энергии ветра до и после прохождения тайфуна Норрис по судовым гидрометеорологическим данным, а также с использованием модели ветра в движущемся тайфуне. Показано, что вклад тропических циклонов на синоптических масштабах в осредненные потоки импульса, тепла и влаги незначителен и сравним с погрешностями их оценок, а влияние их на океан связано прежде всего со значительным вкладом в потоки механической энергии ветра на поверхности. Оценки показывают, что потоки энергии ветра при прохождении тайфунов могут превышать более чем в шесть раз фоновые, оцененные по судовым данным, и почти на порядок среднемесячные климатические значения. При наличии мощного верхнего квазиоднородного слоя океана влияние процессов вертикального обмена на изменение теплосодержания и потенциальной энергии верхнего слоя океана проявляется только в областях максимальных скоростей ветра в стадиях максимальной интенсивности ТЦ.
Введение
Изучение характеристик мелкомасштабного взаимодействия атмосферы и океана является важной составной частью исследования воздействия тропических циклонов (тайфунов, ураганов) на подстилающую поверхность. При этом обычно оценивают потоки тепла и влаги, определяющие термодинамическое взаимодействие атмосферы и океана, потоки количества движения (напряжение трения), с которыми связано динамическое воздействие атмосферы на океан. Практически отсутствуют оценки потоков механической энергии ветра, определяющих ветровое перемешивание в верхнем слое океана. Прямое измерение перечисленных потоков в зоне штормовых ветров практически невозможно. Оценки, полученные косвенным путем, дают представление об увеличении интенсивности энерго- и массообмена в области тропического циклона (ТЦ) почти на порядок, что связывается с ураганными ветрами [1, 2, 4, 7]. Однако высокая пространственно-временная изменчивость метеорологических полей в ТЦ, нелинейный характер зависимости потоков от метеовеличин требуют дальнейшего изучения особенностей энерго- и массообмена системы океан — атмосфера в ТЦ.
* Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук.
Данные наблюдений и методы расчета
В настоящей работе проведены оценки потоков импульса, тепла, влаги и механической энергии ветра по судовым гидрометеорологическим данным, полученным в экспедиции ДВНИИ-КИСЗ-80 до, после и во время прохождения ТЦ Норрис (8012). Из имеющегося у авторов архива судовых данных по акваториям северо-западной части Тихого океана, которые пересекались отдельными ТЦ, Норрис оказался самым освещенным: 210 станций до прохождения этого тайфуна и 141 станция после (рис. 1). ТЦ Норрис пересекал район полигонных съемок с 23 по 28 августа: 23 он находился на стадии тропической депрессии, 24 развился в тропический шторм, 26 августа достиг стадии тайфуна с максимальной скоростью ветра 33 м/с, который 28 августа усилился до 37 м/с. Мощность верхнего квазиоднородного слоя воды до прохождения ТЦ Норрис составляла 75—100 м. Для периода прохождения ТЦ над полигоном оценки проводятся с использованием модельного поля ветра в тайфуне, в котором учитывается собственное перемещение ТЦ и тангенциальный относительный осесимметрич-
Рис. 1. Расположение станций до (/) и после (2) прохождения тайфуна Норрис в августе 1980 г, (в) и гистограммы распределения разностей температуры Г„ - Т„ (б) и удельной влажности £/„ - д„ вода — воздух (в).
3 — траектория ТЦ. Цифры сверху обозначают дату его прохождения.
иый ветер. Для сравнения были сделаны выборки среднемесячных значений из атласа морской метеорологии ([8, 9], далее АБМВ). По данным гидрологических станций были также проведены оценки изменения теплосодержания и потенциальной энергии верхнего слоя океана в следе тайфуна.
Потоки рассчитывались в соответствии с общепринятой методикой параметризации мелкомасштабного взаимодействия океана и атмосферы [6, 10—13, 15] по следующим формулам:
Здесь "г — поток количества движения, Н/м2\ Н — турбулентный поток тепла, Вт/м2; ЬЕ — затраты тепла на испарение, Вт/м2; р — плотность воздуха, кг/мъ; ср — удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж!{кг ■ град); С0, Сц, СЕ — соответственно безразмерные коэффициенты сопротивления (трения) морской поверхности, теплообмена и влагообмена; V— скорость ветра, м/с\ Та — температура воздуха, °С; Т, — температура поверхности моря, °С; ца — удельная влажность воздуха над поверхностью моря на уровне измерения; д., — насыщающая удельная влажность при температуре поверхности; Ь — скрытая теплота испарения, Дж/кг; коэффициент 0,98 в (3) учитывает поправку на соленость морской воды. Та, ца и V в (1)—(3) приводятся к стандартному уровню атмосферы 10 м. Следует отметить, что интегральные формулы типа (1)—(3) применимы для горизонтально однородных условий и не учитывают возможных особенностей тепло- и массообмена при штормовых ветрах. При обычно применяемых методах расчета коэффициентов обмена они дают величины значительно ниже оценок, полученных, например, Р. С. Бортковским [1], который при расчетах учитывал влияние на потоки тепла брызг при штормовых ветрах и использовал модельное поле скорости ветра. По его оценкам, вблизи центра ТЦ при скорости ветра 30 м/с теплопотери не ниже 1944 Вт/м2, а при ветре 45 м/с — 2430—4374 Вт/м2. Однако подобные расчеты носят оценочный характер, так как гипотезы, формулы, эмпирические соотношения и константы, использованные в модели тепломассообмена при шторме [10, 13], требуют дальнейших исследований и уточнений. Следует отметить и значительную неопределенность оценок потоков по интегральным формулам, которая связана с выбором метода расчета коэффициентов обмена и может составлять 100% и более [10]. Поэтому в работе расчеты потоков произведены по двум известным методикам: [12] и Кондо, модифицированной в [15]. Первая выбрана, потому что она широко применяется в океанологической практике и именно эта методика используется в атласе морской метеорологии [11], с данными которого сравниваются результаты проведенных нами расчетов. Вторая также часто используется, и в ней применены параметризации для широкого диапазона скоростей ветра (до 50 м/с).
Поток механической энергии ветра, непосредственно переданной от атмосферы к океану, рассчитывался по формуле
г=рС0\У\У;
Н=срРсн(Т,-ТЙ)\У\;
ЬЕ = ЬрСЕ (0,98^1 - Яв) У\.
(1) (2) (3)
метеорология и гидрология 2002 n» ii
W = ти(4)
где iuw = {\r\ipj2 — скорость трения в воде, pw — плотность морской воды. В [11] поток механической энергии ветра выражен через куб скорости трения в воде, поэтому для сравнения далее используются и оценки u?w.
Поскольку для периода прохождения тайфуна метеорологические данные отсутствуют, оценки потоков проводились с использованием модельного поля ветра в тайфуне и средних перепадов температуры и удельной влажности, полученных по всем судовым данным до и после прохождения ТЦ Норрис. На рис. 1 б представлены гистограммы распределений перепадов температуры и удельной влажности вода — воздух и их аппроксимации гауссовыми распределениями со средними значениями AT = 0,6°С и Дq = 0,005 кг/кг, которые используются далее в расчетах. Приведенные гистограммы являются типичными для тропических районов открытого океана [14]. Здесь необходимо отметить, что при оценках потоков в [4] принята разность температур 3°С. Это привело, на наш взгляд, к нереально большим значениям суммарных потоков тепла от океана в [4].
Поле скорости ветра V в движущемся тропическом циклоне является результатом сложения скорости его перемещения Vn и относительной скорости ветра VB в ТЦ
V = Vn +va. (5)
Относительная скорость ветра в расчетах представляется тангенциальной составляющей, зависящей только от расстояния г до центра ТЦ
v0 = v(rj = Kmaxv>, гпи>), (6)
где Fmax — скорость максимального ветра в ТЦ, м/с; v*(r, rmax) — распределение скорости ветра в ТЦ; гтш — радиус максимального ветра ТЦ, км. По расстоянию от центра ТЦ некоторой точки (je, у) в любой момент времени t можно рассчитать в ней полную скорость ветра по формуле ($). Радиальное распределение скорости ветра в ТЦ задавалось в виде
v % (1 - e~ßx,+a)
v {х) = ^-(7)
(1-е р)х
где х = г/гтах, параметры а и ß (а также гтт) определяются методом наименьших квадратов по средним за период перемещения над полигоном характеристикам ТЦ (скорость максимального ветра, радиусы ветра в 30 и 50 узлов) при условии v*(l) = 1. Для ТЦ Норрис а =0,8, ß = 1,45. Скорость перемещения определялась по каталогу [3].
Все потоки рассчитывались на регулярной сетке с шагом 50 км в синоптические сроки и усреднялись за время прохождения тайфуна через выделенный район.
Результаты расчетов
Рассчитанные средние по площади потоки, оцененные по судовым и модельным данным, представлены в таблице. В ней же даны оценки пото-
Средние по площади значения потоков г, Н+ЬЕ, IVж рассчитанные по модельному полю ветра в ТЦ Норрнс, по судовым и данным АвМВ
Период расчета Метод расчета г>, Н/м Н + ЬЕ, Вт/м2 (л /с3) -10"6 Вт/м1
Фон АЭМЮ 0,3 • 10-' 102 0,8 —
(июль — август) [12] 0,8 ■ 1<Г' 136 0,8 0,00083
[15] 0,8 • 10~1 119 0,9 0,00095
Прохождение ТЦ [12] 0,19 180 5,3 0,005
(модельный ветер) [15] 0,18 167 4,5 0,0046
След АвМБ 0,2 • 10 1 124 1,1 —
(август — сентябрь) [12] 0,8 • 10"' 161 0,8 0,0008
[15] 0,8 • 10"' 140 0,9 0,00089
ков для съемки до (фон) и после (след) прохождения ТЦ, полученные как взвешенные по времени выполнения судовых наблюдений значения, взятые из АЗМБ за июль, август и сентябрь 1980 г. Пространственные распределения потоков суммарной теплоотдачи Н + ЬЕ и механической энергии ветра IV для движущегося тайфуна представлены на рис. 2 и рис. 3 соответственно.
Анализ результатов расчетов показывает, что суммарная теплоотдача Н + ЬЕ в среднем по району во время действия тайфуна Нор-рис превышает в 1,1—1,3 раза фоновые значения, полученные по
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.