ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 1, с. 61-68
УДК 551.511.2
НЕКОТОРЫЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ ТРОПИЧЕСКИХ
ЦИКЛОНОВ
© 2007 г. М. И. Ярошевич
Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 г. Обнинск, Калужская обл., просп. Ленина, 82 E-mail: yarosh@typhoon.obninsk.ru Поступила в редакцию 03.08.2005 г., после доработки 25.04.2006 г.
Исследуется энергетическая взаимозависимость между группами тропических циклонов, разделенных временными интервалами циклонического "затишья". Выявлена линейная, отрицательная взаимосвязь между суммарными мощностями таких групп. Группы состоят из реальных тропических циклонов активной циклонической зоны северо-западной части Тихого океана. Получены соответствующие регрессионные соотношения. Выявлена взаимосвязь между этапами развития сезонной циклонической активности. В качестве "операционных" объектов, с помощью которых устанавливается искомая взаимосвязь, избраны полусуточные суммарные мощности - элементы мощности. Отдельно по каждому сезону были получены регрессии: число "элементов" и их мощности связаны отрицательной степенной связью. Предполагается, что полученный результат может служить определенной основой вероятностного прогнозирования циклонической активности в течение сезона.
Тропические циклоны (ТЦ) являются элементами системы "атмосфера-океан". Энергия, затрачиваемая системой на тропические циклоны, ограничена. Это позволяет предполагать, что между ТЦ или этапами циклонической активности, по крайней мере в определенных пространственных и временных границах, должна существовать взаимосвязь. Закономерности таких связей важны для исследований циклонического режима и могут служить определенной основой прогноза циклонической ситуации.
В ряде работ [1, 2 и др.] показаны некоторые признаки взаимного влияния близких по пространству и времени тропических циклонов. Однако это признаки качественного характера. Насколько известно, аналитического или статистического выражения энергетической связи между циклонами или этапами циклонической активности пока нет. В данной работе предпринята попытка начала решения этой задачи.
Рассматривались циклонически активные зоны северо-западной части Тихого океана. Для этого района наиболее характерны два типа хронологического следования ТЦ: это либо почти непрерывное во времени следование циклонов, либо в течение сезона формируются несколько отдельных групп циклонов. В обоих случаях часто фрагменты разных циклонов совпадают по времени. Поэтому в исследованиях циклоническая ситуация рассматривается как результат совместного влияния нескольких тропических циклонов. (Ниже будет показано, как учитывается вклад каждого ТЦ в зависимости от его интенсив-
ности и его удаленности по времени и пространству). Рассматривались только циклоны (или их фрагменты), действовавшие в период с 1.07 по 31.10 - период наибольшей циклонической активности и примерно идентичных условий для развития циклонов. Этот период далее определяется как сезон. Исследования - модельные.
1. В модели траектории реальных циклонов представлены точками. Это точки, в которых в 00 и в 12 часов по Гринвичу экспериментально определены параметры циклонов. Каждая такая точка рассматривается в качестве отдельного источника ветрового поля. Ветровое поле представляется в виде круга с центром в центре циклона. Скорость ветра, по мере удаления от центра циклона, определенным образом падает.
В [3] получено аналитическое выражение кинетической энергии среднего циклона - Ек = црг2т У2т, в котором гт и Ут - соответственно радиус и скорость максимальных ветров ТЦ. Метеопараметры характеризуют циклоны в фиксированные, дискретные моменты времени, т.е. это "мгновенные" значения параметров. Поэтому далее исходным параметром будет мощность. Из приведенного выражения кинетической энергии получаем мощность Ж = крг2т У2т (к, кг/м2 с - коэффициент, полученный от деления коэффициента q на длительность среднего ТЦ). (Строго - это некая мера мощности, но далее, для краткости, будем использовать - "мощность").
Циклонические ветры не ограничиваются зоной максимальных ветров и достигают расстоя-
ний г > гт. Для рассматриваемой части Тихого океана, для значений г > гт получено экспериментальное соотношение У(г) = Ут(гт/г)05, где г - расстояние от центра циклона, а У(г) - соответствующая этому расстоянию скорость ветра [4]. Таким образом, для г > гт мощность рассчитывается по Ж = кргтгУ2(г). Однако при неизменных значениях гт и Ут как бы ни менялось значение г, меняется только площадь круга, для которого ведется расчет, мощность же, из-за равенства У(г) = Ут(гт/г)05, остается величиной постоянной, что нелогично. Эта ситуация исправляется введением плотности мощности (Жпг2), которая с удалением от центра ослабляется. Поэтому в модели все базовые расчеты - это расчеты плотности мощности. Плотность мощности для расстояния г и времени, совпадающего со временем в источнике, рассчитывается по I = к(гт/г)У2 (г).
Как уже говорилось выше, в модели учитываются все циклоны. Поэтому в уравнение плотности мощности должна быть внесена поправка, учитывающая разницу во времени между временем в источнике и рассматриваемым моментом времени. Не располагая достоверными данными о скоростях ослабления ветровой энергии в источнике, пришлось идти по опосредованному пути.
Натурные измерения показывают, что после прошедшего циклона температура поверхности океана восстанавливается в течение 10-50 суток [5]. В большинстве случаев на это уходит примерно две-три недели. Исходя из этого, было сделано предположение, что мощность в источнике в течение 8-15 суток снижается до 0.02-0.07 ее первоначального значения. Как оказалось, лучше всего это достигается, когда ослабление идет по экспоненте. В итоге в модели плотность мощности (интенсивность) одного источника в рассматриваемой точке определяется выражением
I = к(гт/г)У2(г)е-в" (1)
(г - расстояние от рассматриваемой точки до источника, п - число полусуток между временем в источнике и временем определения интенсивности, в < 1; в используемых здесь расчетах в = 0.125).
В эксперименте точка, для которой определяется интенсивность - это центр элементарного квадрата размером 1° х 1° или 2° х 2° широты. Рассчитанная интенсивность относится ко всему элементарному квадрату. Для каждого такого квадрата рассчитываются интенсивности от каждого точечного источника каждого ТЦ, действовавшего в этом сезоне до данного момента времени. В результате в каждом элементарном квадрате формируется суперпозиция интенсивностей. Понятно, что основной вклад в суперпозицию интенсивностей привносят ближние, по пространству и времени, ТЦ. В исследованиях наибольший интерес представляла динамика циклонической активности на определенной площади. Как пра-
вило, такие площади задавались в виде квадратов с размерами не менее 10° х 10°. Площадь делилась на элементарные квадраты. В результате каждому фиксированному моменту времени (начало полусуток) соответствовало свое значение мощности - сумма суперпозиций интенсивностей всех элементарных квадратов рассматриваемой площади. Кроме того, для каждого фиксированного момента времени можно получить картину изолиний распределений интенсивностей по всей рассматриваемой площади. Таким образом, для каждого обозначенного сезона мы получаем 246 (число полусуток сезона) значений мощностей и столько же кадров распределений суперпозиций интенсивностей по пространству.
В [6] было отмечено удовлетворительное отражение моделью некоторых сторон динамики циклонической активности. Здесь мы приведем дополнительные подтверждения приемлемости основ модели.
На трех левых фрагментах рис.1 представлены наиболее характерные схемы следования тропических циклонов в квадрате [(5-35)°К - (120-150)°Е]. Каждый прямоугольник отображает циклон или фрагмент циклона. Ширина прямоугольника - это длительность существования циклона (фрагмента циклона) в пределах рассматриваемого квадрата, а высота - его кинетическая энергия. Правые рисунки - модельные мощности (Ж) циклонов по тому же сезону и по той же площади. На горизонтальных осях - полусутки сезонов.
Подчеркнем, что если в левых фрагментах рис. 1 показаны только те циклоны, которые оказались в рассматриваемом квадрате, то в правых фрагментах - это суммарные мощности этих же циклонов и циклонов, действовавших за пределами квадрата. Тем не менее модельные графики мощностей удовлетворительно отображают поток реальных циклонов, как во времени, так и по их силе. Показанные и предыдущие результаты [6] послужили определенным основанием для развития исследований в рамках этой модели.
2. Изначально нами были проведены статистические исследования возможной энергетической взаимозависимости двух близких по времени циклонов. Однако такой взаимосвязи не удалось установить. Казалось, что в силу ограниченности энергетических (циклонических) ресурсов системы сразу или почти сразу за крупным циклоном должен бы следовать, в крайнем случае, лишь слабый циклон. В реальности этого нет, за любым циклоном может следовать любой по силе циклон.
В этой ситуации было обращено внимание на группы ТЦ. Возникновение серии циклонов близких или даже пересекающихся во времени представлялось как групповой сброс системой циклонической энергии. Как правило, такие сбросы пе-
£У1018, Дж 5
. 1 Л
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
П
1955 г. 20
15 10 5
1989 г. 20
15
10
5
50
100
150
200
п/с 1997 г.
Рис. 1. Характерные примеры хронологического следования циклонов в течение сезона и его модельные представления. Левые рисунки: высота прямоугольников - кинетическая энергия циклона (фрагмента циклона), ширина прямоугольников - длительность циклона. Рисунки справа: модельная циклоническая мощность для этой же площади. По горизонтальным осям - нумерация полусуток с 1 июля по 31 октября.
d
риодичны и, стало быть, можно предположить, что их распределения будут характеризоваться определенной закономерностью.
Для исследования возможной энергетической связи между группами циклонов были отобраны сезоны, в которых относительно четко выделяются эти группы. В течение
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.