взаимодействие
тропического иикпона с сушей и окружающей атмосферой
Кандидат физико-математических наук А. Э. ПОХИЛ, кандидат географических наук Е. С. ГЛЕБОВА (ГУ "Гидрометцентр России")
Тайфуны и ураганы относятся к самым грозным стихиям на Земле. Пилот Молэн, проникший на самолёте в центр урагана, так пишет о нём: "У него нет отчётливых границ, это масса со смутными очертаниями в два раза выше Эвереста, с кратером в центре. Это мир неистовых сил, мир неотвратимой гибели. Мир с энергией, равной энергии трёх атомных бомб, выделяющейся в секунду".
При всём разнообразии путей движения тропических циклонов (ТЦ), они в своём большинстве подчиняются планетарным закономерностям. Тайфуны Тихого океана чаще всего зарождаются в районе острова Гуам и обычно достигают Японии, Кореи, Китая, Вьетнама, проходят над Филиппинскими островами. На Дальний Восток России эти вихри проникают сравнительно редко1. Энергия и разрушительная сила ураганов и тайфунов чрезвычайно велика. Подсчёты показали, что выделяемой ураганом за сутки энергии хватило бы для снабжения 8 электроэнергией США в течение полуго-™ да. А тепло, выделяемое большим ура-| ганом, равно теплу сгорания 2-3 млн т § угля. По другим оценкам, энергии, высво-2 бождающейся за 10 дней существования | ТЦ средней интенсивности, достаточно ^ для удовлетворения энергетических I потребностей, например США, в тече-§ ние 600 лет. Циклон за сутки выделяет £ примерно 5 х 1019 Дж. Это эквивалентно I энергии 500 тыс. атомных бомб, сбро-| шенных в конце второй мировой войны
1 Матвеев Л.Т. Динамика облаков. Л.: Гидроме-
теоиздат. 1981.
(август 1945 г.) американцами на города Хиросиму и Нагасаки.
Говоря о разрушениях, причиняемых тропическими циклонами, уместно привести отрывок из письма, командующего английским флотом адмирала Роднея: "Крепчайшие здания и целые кварталы домов, большинство которых из камня и отличалось своей солидностью, уступали ярости ветра и были сорваны с основания. Целые форты и крепости были уничтожены и многие тяжёлые пушки были перенесены с них более чем на сто футов. Число жертв этого урагана (1780 г.) считается равным 20 000 чел. Убытки от этого урагана составили миллионы долларов".
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 тропического циклона. В данной работе рассматривается влияние небольших участков суши на конфигурацию и структуру ТЦ, а также изменение различных его характеристик (полей ветра, кинетической энергии, завихренности) при прохождении ураганов и тайфунов над островами.
Можно ожидать, что при выходе тропического циклона на сушу усиливающееся приземное трение нарушит установившееся ранее равновесие между генерацией и диссипацией кинетической энергии, что приведёт к быстрому уменьшению этой величины, по крайней мере до тех пор, пока диссипация не замедлится в результате уменьшения скорости ветра.
40
© А. Э. Похил, Е. С. Глебова
Согласно результатам расчётов авторов статьи, при пересечении даже небольших по сравнению с размерами тайфуна участков суши (например, архипелагов или отдельных островов) происходит нарушение симметричной циркуляции в вихре, сопровождающееся значительными потерями кинетической энергии. Наиболее отчётливо нарушение симметричности замкнутой структуры ТЦ видно на картах завихренности на высоте 1000 гПа (где нередко наблюдается кольцо штормовых ветров) и кинетической энергии на изобарической поверхности 850 гПа.
Здесь представлены исследования эволюции тропических циклонов в Тихом и Атлантическом океанах. В Тихом океане были рассчитаны поля метеорологических величин тайфунов Кецана и Джанг-ми, прошедших над Филиппинами, а в Атлантическом - ураганов Густав и Ханна, которые пересекли Большие Антильские острова. Эволюция полей метеорологических величин в тропических циклонах рассчитывалась с помощью мезомасштабной численной модели атмосферы ЕТА2, адаптированной к северо-западной части Тихого океана и к Карибскому бассейну. Размер расчётных областей по широте и долготе достигал 40°х40°. Модель интегрировалась с пространственным шагом 22 км и шагом по времени 90 с. В качестве начальных данных и граничных условий использовались поля анализа NCEP (National Centers for Environmental Prediction, США) с разрешением 1°. Для задания температуры поверхности океана (ТПО) были выбраны поля фактической температуры поверхности воды с осреднением за 5 дней. Это позволило повысить качество расчётов, по сравнению с тем, когда в них принималась климатическая ТПО для данного месяца и региона.
Поскольку в настоящем исследовании затрагиваются вопросы влияния небольших участков суши со сложной орографией на структуру тропических циклонов, в модели ЕТА рельеф представлен в виде сеточных параллелепипедов.
Для визуализации рассчитанных полей метеорологических величин и анализа их
изменения при пересечении циклонами участков суши применялся графический пакет вгАйБ. Расчёт кинетической энергии на изобарической поверхности 850 гПа и завихренности на уровне 1000 гПа проводился по следующим формулам:
Е =—(и 2+ V2), 2
х = ди дЕ
ду дх
Здесь X - завихренность (с-1); Е - "кинетическая энергия"3 (м2/с2); и и V - зональная и меридиональная составляющие скорости ветра соответственно (м/с).
Эволюция полей в тропическом циклоне Кецана. Тайфун Кецана сформировался 25 сентября почти в центре Тихого океана и просуществовал до 29 сентября. 28 сентября в 12 СВГ4 циклон максимально усилился, в результате чего ему был присвоен статус урагана 2 категории со скоростью ветра более 45 м/с. Траектория вихря была квазиширотной. Сначала ТЦ перемещался по открытому океану, затем пересек Филиппины и вышел в Южно-Китайское море. На рис. 1а показаны фактическая и расчётная траектории ТЦ.
Эволюция полей ветра и кинетической энергии на уровне 850 гПа представлена на рис. 2: фактические (за 25 сентября на 00 ч. и 26 на 00 ч.) и расчёты на модели (на 25 сентября на 12 ч. и 26 на 12 ч.). На рисунке видно, как продвигается зона штормового ветра к Филиппинам (рис. 2а, б и в) и каким образом трансформируется поле "кинетической энергии" на изобарической поверхности 850 гПа (рис. 2г, д) при подходе к архипелагу и при прохождении над ним. В "хвосте" тайфуна наблюдается область затишья (практически нулевые ветры - рис. 2а, б, в). Из того же рисунка очевидно, что вдоль траектории вслед движущемуся вихрю образуются малые вихри. Этот эффект достаточно подробно исследован на численной модели5, однако
2 Mesinger F. Eta Model at NCEP: Challenges overcome and lessons learned. - Lecture notes, Workshop on "Design and Use of Regional Weather Prediction Models", The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, Miramare, Trieste, Italy, 11-19 April 2005.
3 Имеется в виду величина, пропорциональная кинетической энергии.
4 СВГ - среднее время по Гринвичу; 12 СВГ = 12 ч. по Гринвичу.
5 Похил А.Э. О некоторых условиях возникновения большого вихря и особенностях взаимодействия вихрей // МИГ. 1996. № 2; Похил А.Э. О необычном сезоне тайфунов в Тихом океане // МИГ. 1996. № 3.
110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160
Град. в. д,
70 65 60 Град. з. д.
Рис. 1.
Фактические и прогностические траектории тропических циклонов: а) Кецана и Джангми; б) Густав и Ханна.
при расчётах на модели эволюции реального тайфуна такие вихревые образования в следе тайфуна наблюдаются впервые.
При приближении тайфуна к Филиппинам и при прохождении его центра над сушей (рис. 2е-и) область максимальной завихренности на уровне 1000 гПа теряет свою симметричную форму, перестает быть замкнутой. Эта закономерность хорошо прослеживается на последовательных картах завихренности с интервалом в 6 ч. Над открытым океаном кольцо штормовых ветров имеет правильную концентрическую форму, при приближении к архипелагу отмечается размыкание кольца, затем его деформация и последующее расширение.
Над сушей область завихренности существенно ослабевает. В момент, когда область максимального ветра уже "перевалила" через Филиппины и часть вихря, соответствующая передней по движению области ТЦ, находится вблизи западного побережья островов, эта зона Кецаны практически сразу интенсифицируется на тёплой воде шельфа (рис. 2ж). Далее (26.09, 06 ч.) на карте завихренности на изобарической поверхности 1000 гПа видно, что часть острова оказывается
внутри расширившейся зоны максимальной завихренности. При этом над островом завихренность слабая (рис. 2з), и энергия в этой зоне существенно меньше, чем над морской поверхностью. Восточнее архипелага остаётся полоса с высокими значениями завихренности, что может быть связано с проявлением барьерного эффекта гор. Затем (26.09, 18 ч.) западная часть вихря усиливается, так как эта область циклона перемещается над тёплой поверхностью океана. Одновременно с этим восточная тыловая часть вихря ослабевает, замкнутая структура тайфуна разрушается вследствие уменьшения площади тёплого океана под зоной вихря (рис. 2и). Интересно отметить, что в определённый момент восточная часть вихря несколько вытягивается к востоку - это начало образования хвоста тропического циклона в сторону фронтальной области, приблизившейся на расстояние, при котором возможно взаи-модействие6. Тыловая часть поля относительного вихря в тайфуне искажается, что свидетельствует о начале вовлечении вихря в циркуляцию, связанную с полярным фронтом. В подобных ситуациях часто наблюдается взаимодействие вихря с фронтом, которое может привес-
6 Pokhil A., Margolin A. About possible variants of the development of the atmosphere unstable states. WMO Working Group on numerical experimentation. Research activities in atmospheric and oceanic modeling. Report # 39. 2009. WMO/TD.
ти к внезапному изменению траектории, а также к резкому усилению или ослаблению циклона, о чём свидетельствуют
Рис. 2.
Поля метеорологических величин тайфуна Кецана: поля ветра, приземного давления и "кинетической энергии " на изобарической поверхности 850 гПа: а, б - ветра фактические 0 СВГ 2
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.