Тропические циклоны: формирование и развитие, взаимодействие с океаном
Диссертация
Автор: Пермяков, Михаил Степанович
Название: Тропические циклоны: формирование и развитие, взаимодействие с океаном
Справка: Пермяков, Михаил Степанович. Тропические циклоны: формирование и развитие, взаимодействие с океаном : диссертация доктора физико-математических наук : 25.00.28 / Пермяков Михаил Степанович; [Место защиты: Тихоокеан. океанол. ин-т ДВО РАН] - Владивосток, 2007 - Количество страниц: 259 с. ил. Владивосток, 2007 259 c. :
Объем: 259 стр.
Информация: Владивосток, 2007
Содержание:
ГЛАВА 1 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
11 Общие сведения о тропических циклонах
12 Условия развития тропических циклонов и взаимодействие их с океаном по результатам натурных наблюдений, теоретических исследований и численного моделирования
ГЛАВА 2 ЭНЕРГЕТИКА ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ И МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКРГЕ МОДЕЛИ ИХ ЭВОЛЮЦИИ
21 Энергетический подход в моделировании тропических циклонов
22 Особенности энергетики тропических циклонов
23 Радиационные процессы в энергетике тропических циклонов
24 Полуэмпирическая модель эволюции тропического циклона
ГЛАВА 3 УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
31 Вторичная циркуляция
32 Тропический циклон как квазибалансный вихрь
33 Условия нагревания воздуха в ядре вихря
34 Характеристики развивающихся тропических циклонов
35 Связь параметров атмосферы с циклогенезом в тропиках
ГЛАВА 4 ФОРМИРОВАНИЕ ТРОПИЧЕСКИХ Ц Ж Л О Н О В
41 Пассаты и пассатная инверсия
42 Взаимодействие конвективного пограничного слоя и геострофического потока
43 Влияние пассатной инверсии на формирование тропических циклонов
44 Метеорологическая интерпретация
ГЛАВА 5 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОПОВ С ДЕЯТЕЛЬНЫМ СЛОЕМ ОКЕАНА
51 Особенности воздействия тропических циклонов на океан
52 Модель деятельного слоя океана
53 Параметризации взаимодействия тропических циклонов и океана
54 Влияние тропических циклонов на сезонные характеристики деятельного слоя океана
ГЛАВА 6 РЕАКЦИЯ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ОКЕАНА НА ТАЙФУНЫ
61 Данные гидрологических съемок и характеристики тайфунов
62 Методы обработки судовых данных
63 Изменчивость характеристик верхнего слоя океана, связанная с воздействием тропических циклонов
64 Оценки характеристик горизонтального турбулентного обмена
65 Взаимодействие атмосферы и океана в области тропических циклонов
ГЛАВА 7 ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ТРОПИЧЕСКИХ Ц Ж Л О Н О В И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКЕАН
71 Объективный анализ полей облачного ветра
72 Анализ структуры конвективного слоя над океаном в тропиках по данным лидарного зондирования
73 Влияние тайфунов на поля концентрации хлорофилла «а»
74 Возмущения поля температуры поверхности при прохождении тропического циклона в Охотском море
Введение:
Области зарождения и эволюции ТЦ ограничены примерно параллелями 35 с.ш. и 25 Ю.Ш., что составляет более 50% площади Мирового океана.Это обусловливает важность научных аспектов исследований самих ТЦ и взаимодействия их с океаном. Значительный материальный ущерб, наносимый при выходе интенсивных ТЦ на побережье, большое влияние их на хозяйственную деятельность в морях и океанах делают исследования ТЦ актуальными с практической точки зрения. При этом обычно целью исследований является решение задач прогноза интенсивности и перемещения ураганов и тайфунов, а также вызванных ими возмущений уровня моря, состояния поверхности, гидрологической структуры верхних слоев океана. Практическое значение в последние десятилетия вызывают вопросы межгодовой изменчивости числа и интенсивности ТЦ в связи с короткопериодной изменчивостью климата [116,180,202,267,273], при этом и сами ТЦ рассматриваются как компонента регионального климата [30].Случай тропического циклогенеза на широте 30*^ ю.ш., зарегистрированный в южной Атлантике [40], указывает на возможные изменения в географии районов зарождения ТЦ. Большой научный интерес ТЦ представляют для геофизической гидродинамики, в которой одним из основных объектов исследования являются вихревые образования в атмосфере и океане, процессы и механизмы их возникновения и эволюции. При этом многие черты ТЦ, а так же основные физические механизмы, определяюш;ие их структуру и эволюцию, можно найти и в других барических системах атмосферы и в океанских вихрях. Так, по структуре подобными ТЦ являются субтропические и зимние циклоны над океаном, полярные мезоциклоны [21,117,190,349], развивающиеся также над океаном. Кроме этого, в локализованных областях глубокой конвекции в океанах и морях развиваются вихревые структуры, напоминающие ТЦ [263,314]. Известные в геофизической гидродинамике разнообразные эффекты вращения могут проявляться в ТЦ в более широком диапазоне характерных чисел подобия, чем это обычно принято в приближениях динамики атмосферы и океана.Несмотря на практическое и научное значение исследований по ТЦ и большое число публикаций, в настоящее время отсутствуют общепринятые надежные обобщения данных наблюдений и теоретические концепции во взглядах на механизмы зарождения ТЦ, развития, связи их интенсивности или частоты с характеристиками атмосферы и океана. Это связано, прежде всего, с тем, что зарождаются и развиваются ТЦ над обширными тропическими районами океана, которые плохо освещены метеорологическими наблюдениями. Большое разнообразие самих ТЦ и внешних условий - региональных и синоптических, в которых они развиваются, делает неустойчивыми и ненадежными эмпирические зависимости или обобщения данных о структуре ТЦ, о фоновых условиях, о предикторах в статистических методах прогноза. Большое число существующих методов прогноза [127] и их результаты показывают, что еще не в полной мере изучены сложные и разномасштабные физические процессы в ТЦ, а их эмпирическое и теоретическое описание остается недостаточно точным для использования в схемах прогноза и математических моделях.Исследования ТЦ в настоящее время проводятся по многим направлениям: климатология, зарождение и развитие, структура и энергетика, перемещение и взаимодействие с океаном, численное моделирование эволюции и перемещения ТЦ. Задачи, решаемые при этом, тесно связаны с проблемами физики атмосферы и океана, метеорологии и океанологии, динамики системы океан-атмосфера и климата, проблемами интерпретации данных дистанционных методов зондирования атмосферы и океана, которые в последние десятилетия становятся основными в наблюдении и оценке характеристик ТЦ. Литература по ТЦ за период их активных исследований в течение более полувека обширна и в последнее десятилетие пополняется ежегодно на десятки наименований. Однако, следует отметить, что накопление данных натурных наблюдений достаточно высокого качества требует значительных материальных затрат и идет довольно медленно. Анализ литературы показывает определенные диспропорции в развитии исследований по ТЦ - значительно больше работ по численному моделированию в сравнении с количеством работ, обобщающих данные наблюдений, и теоретических. При этом примеров моделирования реальных циклонов - единицы [124,229]. Это отражает скорее успехи в развитии технологий численного решенрш уравнений гидротермодинамики атмосферы (и океана) и вычислительной техники, чем реальный прогресс в понимании сложных физических процессов в ТЦ, механизмов взаимодействия их с окружающей атмосферой и океаном [127,204,229].Целенаправленные и систематические исследования тропической атмосферы и ТЦ за рубежом проводятся с конца 30-х годов [66,81,119], а в России - с 60-70-х годов прошлого века, когда появились первые отечественные работы по отдельным вопросам теории и численного моделирования ТЦ [37, 154], были проведены первые в стране специализированные экспедиции «Тайфун-75» и «Тайфун-78» [129,130].Хотя в последующие десятилетия было выполнено большое количество работ [44,127,141], в концу 80-х годов прошлого века имело место более чем десятилетнее отставание отечественных исследований ТЦ от аналогичных работ в США, Австралии и Японии [187], которое сохраняется и в настоящее время в плане сбора данных наблюдений и технологий мониторинга, математического моделирования и прогноза.Цель настоящей работы - изучение основных механизмов формирования и развития тропических циклонов и изменчивости верхнего слоя океана и морей, связанной с их влиянием. Для этого решались следующие основные задачи: 1. Исследование основных физических процессов и условий формирования и развития тропических циклонов; 2. Разработка малопараметрической модели эволюции осесимметричного тропического циклона; 3. Изучение влияния тропических циклонов на климатические характеристики деятельного слоя океана и параметризация их взаимодействия с океаном в моделях сезонного хода верхнего квазиоднородного слоя океана; 4. По судовым гидрологическим данным и данным дистанционных методов зондирования атмосферы и океана изучить изменчивость верхнего слоя океана при прохождении тропических циклонов и оценить их вклад в основные характеристики энерго-массообмена атмосферы и океана.В качестве основных результатов работы можно выделить следующие; 1. Мелкая конвекция в пограничном слое атмосферы над океаном является одним из основных факторов в процессах формирования тропических циклонов в районах пассатов. Высота пограничного слоя и сила инверсии на его верхней границе, скорость фонового крупномасштабного потока и статическая устойчивость атмосферы, пространственный масштаб и интенсивность источника тепла в скоплениях пассатных облаков определяют условия и время формирования замкнутых циклонических циркуляции.2. Условия развития тропического циклона могут быть получены как условия образования ядра теплого воздуха. Это позволяет сформулировать критерии развития в виде соотношения безразмерных термодинамических и динамических параметров, характеризующие влажную стратифицированную атмосферу, интенсивность и масштаб циклона, его географическую широту.3. Показано, что в северо-западной части Тихого океана тропические циклоны в большинстве случаев формируются и развиваются при минимальных градиентах температуры поверхности океана и приземного давления.4. Разработана полуэмпирическая модель эволюции тропического циклона с минимальным числом основных динамических переменных максимальным ветром, его радиусом и возмущением температуры воздуха в центре. Предполагается подобие полей ветра и температуры, при этом их радиальные и вертикальные профили определяют значения интегральных величин, составляющих эмпирическую основу модели.5. На сезонных масштабах тропические циклоны влияют на толщину и температуру перемешанного слоя океана через большие потоки энергии ветра на поверхности. Предложен способ параметризации тропических циклонов в моделях сезонного хода деятельного слоя океана, основанный на том, что они с эффективностью, зависящей от температуры поверхности, преобразуют потоки скрытого тепла в энергию ветра.6. Согласно судовым гидрологическим данным «след» тайфуна в океане может быть теплым. На масштабах полигонов при прохождении тайфунов теплообмен возрастает не более чем в два раза, но потоки энергии ветра на поверхности могут превышать более чем на порядок их фоновые значения. Изменения теплосодержания и потенциальной энергии, соизмеримые с полной теплоотдачей и энергией ветра на поверхности за время воздействия тайфуна, прослеживаются только в верхнем перемешанном слое.7. По данным дистанционных наблюдений показано, что влияние тропических циклонов на приповерхностный слой океана проявляется в статистических характеристиках полей - гистограммах, пространственных корреляционных функциях и спектрах, степени анизотропии. После циклонов в ходе этих характеристик отмечаются переходные процессы, особенности которых существенно различаются в открытом океане, окраинных морях и в шельфовых водах.Результаты настоящей работы можно применить и развить в дальнейших исследованиях ТЦ, условий их зарождения и развития. синоптической изменчивости верхнего слоя океана и роли при этом ТЦ, а также в задачах параметризации влияния тропических циклонов на верхний слой океана в моделях сезонного хода, межгодовой и климатической изменчивости океана. Выделенные параметры, определяющие условия формирования и развития ТЦ, и подходы, реализованные при построении полуэмпирической интегральной модели эволюции циклона, могут иметь практическое значение при разработке методов диагностики и прогноза ТЦ. В ходе решения задач диссертационной работы были разработаны алгоритмы и программы для численного анализа данных наблюдений, которые могут быть применены в практических задачах комплексного анализа океанологических и метеорологических данных, данных дистанционного зондирования.Основные результаты по теме работы и вопросам, затронутым в ней опубликованы в [1,2,55,83-106,113-115,133-135,234,292,293,298,324].В первой главе даются общие сведения о ТЦ, их структуре и сделан краткий критический обзор современного состояния и результатов исследований тропических циклонов и их взаимодействия с океаном.Отмечаются недостаточно изученные вопросы и аспекты, формулируются нерешенные задачи.Во второй главе рассматриваются вопросы энергетики ТЦ и развивается энергетический подход в построении малопараметрической интегральной модели ТЦ. Рассмотрены вопросы преобразования тепла конденсации пара в доступную потенциальную энергию и роль при этом радиационных процессов. Приведены уравнения полуэмпирической интегральной модели эволюции ТЦ, в которой он описывается тремя параметрами - максимальной скоростью ветра, ее радиусом и возмущением температуры воздуха в ядре. Модель учитывает особенности энергетики ТЦ и наличие в них вторичной циркуляции. В модели используется гипотеза подобия и автомодельности полей ветра.Возможности интегральной модели иллюстрируют результаты численных экспериментов.В третьей главе рассматриваются основные процессы, определяющие изменение температуры воздуха в области ядра ТЦ и роль при этом вторичной циркуляции. С использованием модели осесимметричного вихря исследованы необходимые условия развития ТЦ, как условия нагревания воздуха в его ядре. Проводится сравнение характеристик развивающихся ТЦ с данными наблюдений. По архивным данным исследованы связи термодинамических параметров атмосферы, выявленных при анализе условий развития ТЦ, с циклогенезом в тропических широтах северо-западной части Тихого океана.В четвертой главе рассмотрены физические процессы формирования ТЦ при взаимодействии конвективного пограничного слоя атмосферы и фонового геострофического потока. Развиваются представления о роли мелкой конвекции, ограниченной инверсией, в формировании циклонической циркуляции в пограничном слое и в свободной атмосфере.Формулируются условия формирования ТЦ как условия образования замкнутой циклонической циркуляции. Дается интерпретация теоретическим результатам, проводится сравнение с данными наблюдений и результатами численного моделирования.В пятой главе проведены оценки влияния ТЦ на толщину верхнего квазиоднородного слоя океана в сезонном масштабе. ТЦ рассматриваются как элемент отрицательной обратной связи в системе океан-атмосфера.Предлагается способ параметризации ТЦ в моделях сезонного хода характеристик верхнего слоя океана, основанный на том, что ТЦ преобразуют скрытое тепло испарившейся с поверхности океана влаги в энергию ветра, часть которой служит дополнительным источником энергии турбулентности в океане и это приводит к увеличению толщины и охлаждению квазиоднородного слоя. В численных экспериментах с интегральной моделью деятельного слоя показано влияние ТЦ на климатический сезонный ход температуры и толщины квазиоднородного слоя океана.В шестой главе по данным судовых гидрологических съемок исследуется изменчивость верхнего слоя океана в районах прохождения тайфунов в северо-западной части Тихого океана. На примере ТЦ Норрис показаны возмущения гидрологической структуры верхнего слоя океана, возникающие под воздействием ТЦ. Проведены оценки характеристик горизонтального турбулентного обмена в верхнем слое океана и показана их изменчивость при прохождении ТЦ. Рассмотрены особенности мелкомасштабного взаимодействия атмосферы и океана в области ТЦ. В седьмой главе обсуждаются некоторые подходы, методы и результаты использования данных дистанционных методов в изучении динамики и вертикальной структуры тропической атмосферы, изменчивости приповерхностного слоя океана и морей при воздействии ТЦ, проявляющейся в полях температуры, восходящего от поверхности излучения и концентрации пигментов. На примере получаемых с геостационарного спутника GMS-5 данных рассмотрены методы объективного анализа полей «облачного ветра» или «ветра в поле водяного пара». На примере судовых измерений в тропиках Индийского океана показаны некоторые эффективные методы анализа структуры конвективного пограничного слоя по сигналам обратного рассеяния лидара. Приведены примеры оценок влияния ТЦ на статистические характеристики полей концентрации хлорофилла и температуры поверхности по данным сканера цвета SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-ofview Sensor) и спутников серии NOAA.
|