CC BY
38
Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 564-566
УДК 551.515.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
© 2011 г. Б.Я. Шмерлин1, М.Б. Шмерлин2
1НПО «Тайфун» Института экспериментальной метеорологии, Обнинск 2Геофизическая служба РАН, Обнинск
Поступила в редакцию 16.06.2011
Приводятся результаты диагностических, квазипрогностических и прогностических расчетов перемещения тропических циклонов (ТЦ) в рамках гидромеханической модели (ГММ). Показано, что в диагностическом режиме ГММ достаточно корректно описывает перемещение ТЦ. Параметры ГММ (константы для каждого ТЦ) могут быть определены на предпрогностическом периоде: средние ошибки квазипрогнозов по северо-западной части Тихого океана составляют 217, 272, 258, 257, 267 км на 3, 4, ..., 7 суток соответственно. Средняя по сезону ТЦ 2010 года ошибка прогнозов ГММ на трое суток составила 350 км по указанному региону, что незначительно (на 35 км) превышает ошибку официальных американских прогнозов и находится на уровне ошибок прогнозов наиболее развитых зарубежных динамических методов прогнозирования.
Ключевые слова: тропический циклон, гидромеханическая модель, прогноз перемещения тропических циклонов, ошибки прогноза.
Введение
На основе анализа достаточно простых баро-тропных и бароклинных моделей, игнорирующих трение тропических циклонов (ТЦ) о подстилающую поверхность (ПП), сложилось мнение, что ТЦ лишь незначительно отклоняются от окружающего крупномасштабного течения, называемого ведущим потоком (ВП). Поскольку зачастую это противоречит данным наблюдений, усилия исследователей направлены на поиск возможных причин существенного отклонения ТЦ от ВП в рамках указанных моделей. Между тем, трение ТЦ о ПП является, по нашему мнению, фактором, обеспечивающим эффективное торможение ТЦ как целого и приводящим к значительному отклонению ТЦ от ВП.
Простые оценки показывают, что характерное время торможения ТЦ вследствие трения о ПП порядка 0.5 суток, характерное время увлечения ТЦ ведущим потоком вследствие лобового сопротивления порядка 2.5 суток. Поскольку время торможения ТЦ существенно меньше времени увлечения его ведущим потоком, то, на первый взгляд, ТЦ должен почти покоиться. При этом, в отличие от традиционного подхода, следует искать причины, по которым ТЦ в тех или иных случаях движется со скоростью, близкой к скорости ВП.
В такой ситуации имеет смысл использовать для описания перемещения ТЦ общие выражения для сил, действующих на круговой цилиндр, движущийся произвольным образом в произвольном двухмерном вихревом потоке [1]. Этот подход реализован в ГММ. Подробное описание уравнений ГММ можно найти, например, в [2]. Здесь лишь отметим, что закономерности отклонения ТЦ от ВП в рамках ГММ оказываются совершенно иными, чем в моделях, игнорирующих трение ТЦ о ПП.
Перемещение конкретного ТЦ в рамках ГММ определяется полем скорости ВП, а также интенсивностью (максимальной скоростью ветра) ТЦ. В качестве объективного анализа и прогноза полей скорости ВП используется объективный анализ и прогноз крупномасштабных полей ветра глобальной оперативной модели ГМЦ РФ. Объективный анализ и прогноз интенсивности ТЦ извлекается из телеграмм — штормовых предупреждений, которые передаются Национальным центром ураганов в Майами (МЫС) для Атлантики и северо-востока Тихого океана и Объединенным центром предупреждения тайфунов на о. Гуам (GTWC) для северо-запада Тихого океана. Кроме того, ГММ содержит параметры (константы для каждого ТЦ), характеризующие размер ТЦ и распределение тангенциального ветра ТЦ.
Диагностические расчеты перемещения ТЦ
сезонов 2001, 2003 и 2010 годов
Под диагностическими имеются в виду расчеты, в которых в течение всего времени жизни ТЦ в качестве полей скорости ВП и интенсивности ТЦ используется объективный анализ соответствующих величин. При этом параметры модели (константы для каждого ТЦ) подбираются из условия наилучшего совпадения расчетной и фактической траектории в течение всего времени жизни ТЦ . В указанных сезонах оказалось порядка 90 ТЦ со временем жизни от 4 до 15 суток, для которых проводились диагностические расчеты. Для всех этих ТЦ среднее вдоль траектории отклонение расчетного положения от фактического не превышает 150 км, для большинства ТЦ оно меньше 100 км, что сравнимо с точностью определения фактического положения ТЦ. Диагностические расчеты воспроизводят не только общий характер траекторий ТЦ, но также характерные особенности большинства траекторий: характерную форму той или иной траектории в окрестности точек поворота, петли, топтание на месте и т. д. Таким образом, ГММ достаточно корректно описывает перемещение ТЦ.
Квазипрогностические расчеты перемещения ТЦ сезонов 2003 и 2010 годов
Под квазипрогностическими имеются в виду расчеты, в которых по-прежнему в течение всего времени жизни ТЦ в качестве полей скорости ВП и интенсивности ТЦ используется объективный анализ соответствующих величин. При этом, однако, параметры модели (константы для каждого ТЦ) подбираются из условия наилучшего совпадения расчетной и фактической траектории на протяжении предпрогностического периода, длительность которого в случае реального прогноза определяется имеющейся на момент прогноза информацией о предшествующем перемещении ТЦ. Таким образом, квазипрогностические расчеты отличаются от прогностических тем, что в случае реального прогноза на прогностическом периоде вместо объективного анализа полей скорости ВП и интенсивности ТЦ используется прогноз соответствующих величин. Средние по сезону 2010 года ошибки квазипрогнозов по северо-западной части Тихого океана составляют 217, 272, 258, 257, 267 км на 3, 4, ..., 7 суток соответственно, что существенно меньше средних ошибок официальных американских прогнозов (315, 450, 540 км на 3, 4 и 5 суток). В целом, квазипрогности-
ческие расчеты демонстрируют возможность кор -ректного определения параметров модели по части траектории ТЦ, соответствующей предпрогно-стическому периоду.
На рис. 1 приведен квазипрогноз на 8 суток для ТЦ 212003^^ (ошибки (33), 95, 241, 150, 89, 157, 43, 137, 24 км).
140 145 150 155 160 165 170
140 145 150 155 160 165 170
Рис. 1
На рис. 2 представлен квазипрогноз на 9 суток ТЦ 102003а (ошибки (26), 164, 203, 289, 386, 523, 346, 105, 101, 216 км). Длительность пред-прогностического периода двое суток, квазипрог-ностический период охватывает оставшееся время жизни ТЦ. Метки проставлены через 12 часов, траектории с кружками — расчетные. Первые две цифры у ТЦ — порядковый региональный номер ТЦ в сезоне 2003 года, символ <т» соответствует северо-западу Тихого океана, символ «а» — северо-западу Атлантического океана. В скобках приведена ошибка положения ТЦ на момент начала квазипрогноза и далее ошибки квазипрогноза на первые, вторые, третьи и т. д. сутки.
70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30
70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30
Рис. 2
Прогностические расчеты перемещения ТЦ сезона 2010 года
В сезоне ТЦ 2010 года проведены оперативные испытания ГММ в прогностическом режиме.
Средняя по сезону ТЦ 2010 года ошибка прогнозов ГММ на трое суток составляет 350 км по северо-западной части Тихого океана, что незначительно (на 35 км) превышает ошибку официальных американских прогнозов и находится на уровне ошибок прогнозов наиболее развитых зарубежных динамических методов прогноза. Вместе с тем, ошибка прогнозов почти на 130 км больше ошибки квазипрогнозов. Это связано только с тем, что прогнозы крупномасштабного поля ветра и интенсивности ТЦ значительно отличаются от соответ-
ствующего объективного анализа. По мере того, как прогнозы крупномасштабных полей ветра и интенсивности ТЦ будут приближаться к объективному анализу, ошибки прогнозов ГММ будут приближаться к ошибкам квазипрогнозов.
Список литературы
1. Петров А.Г. // ДАН СССР. 1978. Т. 238, №1. С. 33—35.
2. Шмерлин Б.Я. и др. // Украинский гидрометеорологический журнал. 2009. №4. С. 67—74.
APPLICATION OF THE HYDROMECHANICAL MODEL FOR A DESCRIPTION OF TROPICAL CYCLONES MOTION
B. Ya. Shmerlin, M.B. Shmerlin
Within the frameworks of the hydromechanical model (HMM) the diagnostic, quasi-prognostic and prognostic calculations of TC movement are carried out. Diagnostic calculations show that the HMM rather correctly describes peculiarities of TC motion during the whole TC lifetime. Quasi-prognostic calculations show that model parameters may be rather correctly defined during the preliminary «preprognostic» period. Mean forecast errors of the quasi-prognostic calculations for the North-West Pacific are: 217, 272, 258, 257, 267 km for 3, 4, ..., 7 days correspondingly in the TC season of 2010. The mean forecast error of the prognostic calculations for this region and the season is 350 km for 72 hours, that insignificantly (about 35 km) exceeds the official error and is within the limits of the forecast errors of the most developed dynamical prediction models.
Keywords: tropical cyclone, hydromechanical model, tropical cyclone track forecast, track forecast errors.
