ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 4, с. 409-413
УДК 551.515.2
О СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЯХ ИНТЕНСИВНОСТИ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ © 2013 г. М. И. Ярошевич, Л. Х. Ингель
Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: yarosh@typhoon.obninsk.ru, E-mail: ingeli@obninsk.ru Поступила в редакцию 15.06.2012 г., после доработки 02.10.2012 г.
На большом эмпирическом материале статистически изучаются суточные вариации максимальной скорости ветра в тропических циклонах. Обнаружены заметные колебания "ускорения вращения" (скорости изменения максимальной скорости ветра), наиболее выраженные в периоды интенсификации и затухания циклонов. Суточные колебания могут заметно различаться по фазе в разных географических условиях.
Ключевые слова: тропические циклоны, суточные вариации, статистический анализ.
Б01: 10.7868/80002351513040111
1. ВВЕДЕНИЕ
Радиационный баланс атмосферы в тропических циклонах (ТЦ) претерпевает существенные изменения в течение суток. Вопрос о влиянии этих вариаций на динамику и структуру ТЦ представляет определенный научный и практический интерес и давно обсуждается в литературе [1—12]. Реакция ТЦ на внешние воздействия несет информацию о его динамике и устойчивости. Суточные вариации ТЦ полезно учитывать при решении задач прогноза. Чувствительность циклонов по отношению к внешним воздействиям полезно знать и в контексте проблемы активных воздействий на атмосферные процессы. Еще начиная с 70-х годов был предложен и в какой-то степени теоретически проработан подход к активным воздействиям на ТЦ, предполагающий внесение в атмосферу примеси, меняющей радиационный баланс воздуха. Экспериментальные исследования подобных идей весьма трудоемки, затратны и экологически непривлекательны. Исследование суточных вариаций естественного происхождения может дать полезную информацию для оценки возможной эффективности искусственных "радиационных" воздействий.
В последние годы появились дополнительные мотивации для исследований внутрисуточной изменчивости ТЦ. В некоторых работах утверждается, что от времени суток зависит и перемещение ТЦ, в частности, их выход на сушу [7]. Сообщается также, что интенсивность и перемещение ураганов вблизи Атлантического побережья США
меняются также и с недельным периодом (связанным, видимо, с недельными изменениями интенсивности хозяйственной деятельности на материке и, следовательно, загрязнений воздуха); эти колебания взаимодействуют с суточными вариациями [10]. Обнаружена внутрисуточная изменчивость молниевой активности в ТЦ [13]; последняя, в свою очередь, видимо, может быть использована как предиктор изменений интенсивности ТЦ [13, 14]. Широко обсуждаемые изменения климата, как предполагается, по-разному влияют на ТЦ в дневное и ночное время [10, 11]. Кроме того, в недавней работе [15] сообщается о существенном отклике динамики ТЦ в дневное время на вариации солнечного ультрафиолетового излучения, а в только что вышедшей статье [16] — об обнаруженных в численной модели "автоколебаниях" структуры ТЦ, с периодом, близким к суточным.
Обсуждаются различные механизмы суточных вариаций динамики ТЦ. В частности, ночное выхолаживание верхнего слоя облаков должно приводить к интенсификации конвекции. На этом акцентируется, например, в работе [6]. С другой стороны, в ночное время меняются горизонтальные перепады температур, например, теплое ядро ТЦ может остывать быстрее периферии (обсуждаются и другие механизмы вариаций [10, 11]). Относительная роль разных факторов может, вообще говоря, меняться в различных географических условиях, в связи с изменениями климата или упомянутыми выше недельными вариациями ТЦ, а также на разных стадиях "жизни" циклона.
Наибольшее внимание в цитированных работах уделено суточным вариациям облачности, конвекции и осадков в ТЦ. Натурные данные, относящиеся к вариациям скорости ветра, исследовались значительно меньше. Имеющиеся результаты ограничены и весьма противоречивы. Краткие обзоры имеющихся в литературе неясностей и противоречий содержатся, например, в [10, 11].
В настоящей работе выполнен статистический анализ, который привел к ряду новых результатов. Изучаются суточные вариации скорости максимальных ветров Vm в достигших стадии урагана тропических циклонах трех регионов: северо-запад и северо-восток тропической зоны Тихого океана и северо-запад Атлантики.
Используется информация о конкретных ТЦ с Интернет-сайтов Unisys Weather (http://weather.uni-sys. c om/hurric ane/w_pac ific, http://weather. uni-sys.com/hurricane/e_pacific/index.php, http://weath-er.unisys.com/hurricane/atlantic/index.php). Данные о циклонах в этих источниках приведены для моментов времени 00, 06, 12 и 18 ч по Гринвичскому времени. Ниже в настоящей статье всюду произведен пересчет к местному — "географическому" времени. (Иногда это может приводить к небольшим неточностям: для циклонов, перемещающихся в зональном направлении, местное время постоянно меняется по отношению к Гринвичскому, и в массовых статистических расчетах такие детали иногда трудно учитывать. Но ошибки в определении местного времени чаще всего составляют не более часа.) Доверительные интервалы в приведенных ниже статистических расчетах определены при 95%-ной надежности.
2. СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ЗНАЧИМАЯ СУТОЧНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МАКСИМАЛЬНЫХ ВЕТРОВ?
Были проанализированы средние максимальные скорости ветра Vm в разное время суток для всех ТЦ, наблюдавшихся за последние 10 лет (2002—2011 гг.) в регионе Филиппинских островов, северной части Южно-Китайского, Восточно-Китайского морей и Японии в сезоны наибольшей активности ТЦ (с 1 июля по 31 октября). Значения Vm и доверительные интервалы для 08, 14, 20 и 02 часов (отличие от времени по Гринвичу на 8 часов) были рассчитаны соответственно по 711, 701, 701 и 684 значениям Vm. Соответствующий график, как и ряд других дополнительных материалов, содержится в расширенной версии настоящей статьи, которую предполагается разместить на сайте одного из авторов [17].
Средняя суточная изменчивость максимальных скоростей ветра при доверительном интервале около 5 м/с выглядит незначительной. Представляет интерес сопоставить это с ранее опубликованными результатами [1, 10], относящимся к
другим десятилетиям. В [1] сообщается, что существенные ("significant") суточные колебания скорости ветра не наблюдаются (упоминается амплитуда порядка 1 м/с, что не противоречит нашим результатам). Работа [10] относится к периоду 1970—2000 гг. и к другому региону (западной Атлантике). В ней сообщается о заметных суточных колебаниях максимального ветра в атлантических ураганах в указанный период (но также с амплитудой порядка 1 м/с и менее). Но и эти колебания, согласно [10], существенно ослабли к началу рассматриваемого нами периода.
3. СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ ВЕТРА
СТАНОВЯТСЯ ЗАМЕТНЫМИ, ЕСЛИ РАССМАТРИВАТЬ СТАДИЮ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ЦИКЛОНОВ
Отдельно были рассмотрены стадии интенсификации тайфунов 1997—2011 гг. (до момента начала уменьшения их интенсивности). Значения
Vm и их доверительные интервалы (они приблизительно такие же, как в предыдущем разделе) для 08, 14, 20 и 02 часов рассчитаны соответственно по 683, 655, 638 и 615 значениям Vm. Заметен слабый, но устойчивый рост значений Vm в течение дня [17]. К двум часам ночи эти значения увеличиваются примерно на 5%.
4. ВАРИАЦИИ УСКОРЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ЦИКЛОНОВ
Предыдущий результат наводит на мысль исследовать в чистом виде внутрисуточные вариации ускорений (или, в других переменных — приращений скорости максимальных ветров), т.е. в данном случае изменения величин
д v = (Vm+1 — (Vm
m ДТ '
где AT - продолжительность рассматриваемых интервалов времени, (Vm )i+1 — (Vm) i - приращение максимальной скорости ветра за предстоящий интервал времени. Поскольку все шаги по времени одинаковы (6 часов), можно (и это удобнее), изучать суточные вариации упомянутого приращения. На рис. 1 представлены результаты, относящиеся к стадиям интенсификации тайфунов того же региона за вышеупомянутый период. Для каждого из четырех интервалов времени по значениям AVm рассчитывались средние значения
AVm. Для интервалов 08-14 ч, 14-20 ч, 20-02 ч,
02-08 ч значения aV^ = 5.20, 5.88, 5.85, 6.83 рассчитаны соответственно по 724, 737, 722, 725 значениям AVm. Значение AVm в четвертом временном интервале превышает значение в третьем почти на 17%. С учетом принятых обозначений полученные результаты означают, что прираще-
О СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЯХ ИНТЕНСИВНОСТИ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
411
АУт, узлы 8
08-14
14-20
20-02
02-08 А?, ч
Рис. 1. Средние значения скорости изменений максимального ветра для интенсифицирующихся тайфунов в течение суток.
АЕ/102, узлы2 14
12
10
8
6
4
08-14
14-20
20-02
02-08 А?, ч
Рис. 2. Средние скорости изменений удельной кинетической энергии в течение суток.
ние скорости ветра в ночной период 02-08 ч примерно на 30% больше, чем в последующий 6-часовой период.
5. ВНУТРИСУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Насколько нам известно, ранее не исследовались суточные вариации удельной кинетической энергии максимальных ветров в ТЦ. Настоящее исследование показало, что как раз эти вариации выражены особенно сильно.
Линейное приращение удельной кинетической энергии пропорционально А(V2¡2) « УАУ. Статистический анализ показал, что соответствующая величина („)/ х [(т)+1 - („),], осредненная по интенсифицирующимся тайфунам, претерпевает суточные колебания столь большой амплитуды, что применимость вышеупомянутой линеаризации приращения небесспорна. Поэтому более корректно, избегая линеаризации, рассмотреть суточные
вариации величины АЕ = (у„) - (у„) , пропорциональной приращению удельной кинетической энергии. Результаты осреднения представлены на рис. 2. Он относится к стадии интенсификации циклонов, имеющих максимальную скорость ветра Ут > 30 узлов, за период 1987-2011 гг. Осреднение производится по 577 значениям АЕ для всех временных интервалов.
Как видно из рис. 2, суточные вариации скорости изменений кинетической энергии весьма существенны. Для интервалов времени 08-14, 1420, 20-02 и 02-08 ч
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.