CC BY
38
Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 483-485
УДК 551.515.2
СПИРАЛЬНЫЙ СЦЕНАРИЙ ТРОПИЧЕСКОГО ЦИКЛОГЕНЕЗА
© 2011 г. Г.В. Левина11, М. Т. Монтгомери3’4
'Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь 2Институт космических исследований РАН, Москва 3Naval Postgraduate School’ Monterey (CA, USA)
4NOAA-Hurricane Research Division, Miami (FL, USA)
Поступила в редакцию 15.06.2011
Проведено исследование тропического циклогенеза с акцентом на спиральные свойства атмосферных движений разного масштаба, участвующих в образовании крупномасштабного вихря. На основе американских данных прямого численного моделирования атмосферных турбулентных движений (с шагами 2-3 км по горизонтали) рассчитаны и проанализированы спиральные и интегральные характеристики поля скорости. Практическая значимость полученных результатов связана с применением анализа спиральности для диагностики и прогноза зарождения тропических циклонов.
Ключевые слова: тропический циклогенез, трехмерное прямое численное моделирование атмосферных движений, анализ спиральности.
Самоорганизация вихревой конвекции при тропическом циклогенезе
Основным источником энергии для тропических циклонов (ТЦ) являются конвективные движения, осуществляющие перенос явного и скрытого тепла от подстилающей поверхности океана. В [1] был предложен новый сценарий формирования тропического циклона, основанный на самоорганизации конвективных процессов в тропической атмосфере при благоприятствующих циклогенезу кинематических и термодинамических условиях в окружающей среде, создаваемых слабым «затравочным» циклоническим вихрем в средней тропосфере. С использованием «почти облачно-разрешающего» численного моделирования (2-3 км по горизонтали) авторами [1] было показано, как образуется интенсивный сконцентрированный у поверхности мезомасштабный вихрь тропической депрессии (ТД) путем самоорганизации влажноконвективной вихревой атмосферной турбулентности. Согласно результатам моделирования в рассматриваемой области пространства основными конвективными структурами являлись восходящие конвективные струи, обладающие интенсивной вертикальной завихренностью в ядре (вращающиеся кучевые облака). В результате взаимодействия конвективных струй генерировались многочисленные мелкомасштабные (10-30 км) интенсивные циклоничес-
кие вихревые трубки, которые в тропической метеорологии получили название вихревых горячих башен (например, в [1] - vortical hot towers), чтобы подчеркнуть вихревую природу этих когерентных структур. Такие структуры были локализованы в горизонтальных направлениях и имели характерное время жизни порядка одного часа. Вихревые горячие башни противостояли воздействию нисходящих потоков за счет подпитки конвективной доступной потенциальной энергией из окружающего пространства в местах их локализации. Они также увлажняли среднюю и верхнюю тропосферу. Наблюдавшееся укрупнение масштабов движений происходило путем слияния модельных вихревых структур — конвективных струй и го -рячих башен. Это создавало концентрацию абсолютного углового момента на масштабах циркуляции системы и усиливало крупномасштабную циркуляцию. Обнаруженный механизм увеличения размеров структур оказался способным привести к формированию мезомасштаб-ного вихря тропической депрессии.
О спиральной природе тропического циклогенеза
В [2] впервые в мировой практике изучения тропических циклонов были выполнены расчеты и анализ спиральных характеристик поля скорости развивающегося ураганного вих-
ря на основе данных [1], полученных при прямом численном моделировании влажно-конвективных атмосферных турбулентных движений, с помощью региональной численной модели атмосферы RAMS. Основным итогом исследований, проведенных в [2], стал вывод о возможном использовании интегральной спираль-ности вихревой системы в качестве индикатора крупномасштабной неустойчивости. Действительно, в отличие от кинетической энергии и энстрофии спиральность является знакопеременной величиной. И момент времени, когда интегральная спиральность становится существенно положительной и нарастающей, может быть сопоставлен с образованием вихря тропической депрессии.
В настоящем исследовании проводится сравнительный анализ эволюции интегральных характеристик (интегральных значений энстро-фии, кинетической энергии и спиральности, нормированных на число узлов разностной сетки — рис. 1) для трех сценариев тропического циклогенеза, назовем их условно — «УСПЕШНЫЙ», «ПОГРАНИЧНЫЙ» и «НЕУСПЕШНЫЙ».
Результатом «УСПЕШНОГО» сценария является формирование ТД через 20—25 часов после начала численного эксперимента и вихря ураганной силы через 72 часа. В «ПОГРАНИЧНОМ» случае также происходит формирование ТД к концу первых суток, но дальнейшее усиление ТД не наблюдается, и ураган не возникает. В «НЕУСПЕШНОМ» сценарии имеет место некоторое усиление атмосферной конвекции в первые сутки эксперимента, однако не наблюдается каких-либо признаков ее самоорганизации, и ТД не формируется. На рис. 1 видно, что полная спиральность системы обнаруживает качественно различное поведение в изученных сценариях циклогенеза и имеет существенно отличающиеся значения.
Обсуждаются возможности для применения концепции спиральности при диагностике и оперативном прогнозе зарождения ТЦ, инициированные предварительным анализом наблюдений в ходе натурного эксперимента американских ученых в Карибском море — NSF-PREDICT 2010 (National Science Foundation-Pre-Depression Investigation of Cloud-systems in the Tropics) в августе-сентябре 2010 года.
Рис. 1
Работа выполнена при поддержке Российского Список литературы
фонда фундаментальных исследований (проект №1005-00100), Национального научного фонда США по 1. Montgomery M.T. et al. // J. Atmos. Sci. 2006. V. 63.
гранту ATM-0733380 и Международного научно-тех- 2. Левина Г.В., Монтгомери М.Т. // Докл. РАН.
нического центра (проект №3726). 2010. Т. 434, №3. С. 401-406.
A HELICAL SCENARIO OF TROPICAL CYCLOGENESIS G. V. Levina, M. T. Montgomery
Tropical cyclogenesis is investigated with the emphasis on helical features of atmospheric flows of different scales which contribute into the formation of a large-scale vortex. Based on the American data on direct numerical simulation of atmospheric turbulent flows (with horizontal grid increments of 2-3 km), helical and integral characteristics of the velocity field have been calculated and analyzed. The practical significance of the obtained results is connected with using the helicity analysis for the diagnostics and forecasting of tropical cyclogenesis.
Keywords: tropical cyclogenesis, 3D direct numerical simulation of atmospheric flows, helicity analysis.
