Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Климатология тайфунов и супертайфунов . 27
1.1. Районы и частота зарождения тайфунов. 27
1.2. Перемещение тайфунов и супертайфунов над океанам. 30
1.3. Эволюция тайфунов и супертайфунов . 32
1.4. Влагосодержание, турбулентные потоки тепла и влаги, вертикальная структура атмосферы в зонах деятельности тайфунов. 55
Глава 2. Крупномасштабная циркуляция атмосферы в тропической зоне Северо-западной части Тихого океана и роль океана в зарождении тайфунов . 75
2.1. Критерии эволюции облачных скоплений во внутри тропической зоне конвергенции (ВЗК) и роль океана в зарождении тайфунов. 75
2.2. Воздухообмен между полушариями экваториальной тропосфере и зарождение тайфунов. 85
2.3. Квазидвухлетняя цикличность ветра в экваториальной страпосфере, явление Эль-ниньо, интенсивность циркуляции атмосферы и зарождение тайфунов. 93
2.4. Волновые процессы в тропической сфере и частота зарождения тайфунов. 111
Глава 3. Крупномасштабный механизм интенсификации тайфунов и роль океана в их эволюции . 120
3.1. Критерии генезиса тайфунов и роль океана в их эволюции. 120
3.2. Лабораторное моделирование влияние температуры поверхности океана на эволюции тайфунов . 124
3.3. Лабораторное моделирование когерентной вертикальной структуры вихря типа тайфун - верхнетропосферный антициклон. 139
3.4. Лабораторное моделирование структуры центральной зоны тайфуна. 144
Глава 4. Перемещение тайфунов над океаном и роль Северотихоокеанского антициклона в выходе тайфунов в умеренные широты . 150
4.1. Роль океанических центров действия атмосферы (ЦДА) и полярной ложбины в формировании "ведущего" потока и выходе тайфунов в умеренные широты. 150
4.2. Сложные траектории тайфунов и их моделирование. 153
4.3. Взаимодействие бинарных тайфунов над океаном. 160
Глава 5. Краткосрочный синоптико-статистический прогноз зарождения, перемещения и эволюции тайфунов . 164
5.1. Прогноз зарождения тайфунов с заблаговременностью 24 часа. 164
5.2. Прогноз перемещения тайфунов с заблаговременностью 1-3 суток. 170
5.3. Прогноз эволюции тайфунов с заблаговременностью 24 часа 185
Глава 6. Влияние космических факторов и океана на колебания повторяемости и интенсивности тайфунов и долгосрочный прогноз тайфунов . 191
6.1. Связь солнечной активности с числом тайфунов за год. 191
6.2. Совместное влияние 11 летнего солнечного цикла и 18,6 летнего лунного цикла на колебания повторяемости тайфунов. 199
6.3. Взаимодействие 14,3 месячных колебаний земной оси с квазигодовыми колебаниями океанских ЦДА. 204
6.4. Статистический способ долгосрочного прогноза числа тайфунов в северо-западной части Тихого океана. 209
6.5. Статистический способ долгосрочного прогноза числа тайфунов за год и месяц, оказывающих влияние на российский Дальний Восток. 215
6.6. Возможное изменение интенсивности тайфунов и катастрофичности наводнений в Приморском крае при сценарии глобального потепления климата и повыщения температуры поверхности океана . 223
Заключение 255
Литература 256
- Эволюция тайфунов и супертайфунов
- Лабораторное моделирование влияние температуры поверхности океана на эволюции тайфунов
- Прогноз эволюции тайфунов с заблаговременностью 24 часа
- Возможное изменение интенсивности тайфунов и катастрофичности наводнений в Приморском крае при сценарии глобального потепления климата и повыщения температуры поверхности океана
Введение к работе
Актуальность. Работа посвящена тайфунам северо-западной части Тихого океана. За последние 30 лег па основе авиационных наблюдений и композиционного анализа легально исследована структура тропических циклонов (ТЦ) и их эволюция. В большинстве случаев при теоретическом подходе основное внимание направлено на описание внутренней структуры тайфуна, а не на области синоптического масштаба, окружающие тропический циклон. Комплексные морские экспедиции "Тайфун-75", "Тайфун-78", "Тайфун-90" частично-восполнили этот пробел. С помощью судовых наблюдений детально исследована структура атмосферы на периферии тайфуна, а также взаимодействие океана и атмосферы в зонах прохождения тайфунов.
Риль в своих исследованиях всегда подчеркивал, что одной из важных характеристик ТЦ является теплое ядро и необходимо понять те процессы, которые поддерживают эту особенность в течение жизненного цикла ТЦ.
Одним из наиболее сложных и спорных вопросов тропической метеорологии является проблема зарождения ТЦ. До сих пор нет единого мнения в том, как крупномасштабные циркуляционные механизмы приводят к образованию тропического пиклоиа. Краткосрочный прогноз зарождения, эволюции и перемещения тайфунов является сложной и пока еще не решенной задачей. Еще более трудные задачи стоят на пути решения проблемы долгосрочного и сверхдолгосрочного прогноза тайфунов. Эти проблемы являются приоритетными для многих программ, развивающихся под эгидой Всемирной Климатической программы.
Главная ііель работы - получение физически обоснованного механизма крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы в тропической зоне в процессе зарождения, эволюции и перемещения тайфунов, оценка роли различных факторов и разработка способов краткосрочного и долгосрочного прогноза отдельных характеристик тайфунов. Для достижения этой цели в работе решаются следующие основные задачи:
получение климатологических характеристик зарождения, эволюции и перемещения супер-тайфупы (давление в центре 900 Гпа и ниже);
количественная оценка общего влагосодержания атмосферы и турбулентных потоков тепла и влаги на границе океан-атмосфера в зонах деятельности тайфунов, получение опенки
влияния океана на интенсификацию внутритропической зоны конвергенции и концептуальной модели зарождения тайфунов;
экспериментальное количественное описание влияния температуры поверхности воды и верхнеуровсшюго оттока массы воздуха на эволюцию тайфунов;
количественный анализ совместного влияния параметров субтропических антициклонов, полярной ложбины и тайфуна на траекторию его движения и выход в умеренные широты;
количественное описание перемещения тайфунов по сложным траекториям, а также взаимодействия бинарных тайфунов;
разработка методов краткосрочного прогноза зарождения эволюции и перемещения тайфунов над океаном;
разработка методов долгосрочного прогноза числа тайфунов за год в северо-западной части Тихого океана, а также числа тайфунов за месяц и сезон, оказывающих влияние на российский Дальний Восток;
получение методологии решения задачи сверхдолгосрочного прогноза тайфунов и вызываемых ими наводнений в Приморском крае и Сахалинской области.
Предметом защиты является разработка и решение
фундаментальной проблемы - получение количественных и
качественных оценок процессов крупномасштабного
взаимодействия океана и атмосферы при зарождении, эволюции и перемещении тайфунов. Основные положения, выносимые на защиту, содержат результаты, полученные автором впервые, что определяет новизну результатов диссертации:
оценку климатологических характеристик зарождения, эволюции и перемещения супер-тайфунов (давление в центре 900 ГПа);
оценка общего влагосодержания атмосферы и турбулентных потоков тепла и влаги на границе океан-атмосфера в зонах деятельности тайфунов;
оценка комплексного влияния верхнеуровсшюго оттока воздушных масс и температуры поверхности океана на интенсификацию внутритропической зоны конвергенции, а также на зарождение и эволюцию тайфунов;
количественный анализ совместного влияния параметров субтропических антициклонов полярной ложбины и тайфуна на траекторию тайфуна и выход его в умеренные широты;
количественный анализ перемещения тайфунов по сложным (трохоидальным и петлеобразным) траекториям, а также взаимодействия бинарных тайфунов;
>
методы краткосрочного прогноза зарождения, эволюции и перемещения тайфунов;
методы долгосрочного прогноза числа тайфунов за год в северозападной части Тихого океана, а также числа тайфунов за год и месяц, оказывающих влияние на российский Дальний Восток;
методология решения задачи сверхдолгосрочного прогноза тайфунов и вызываемых ими наводнений в Приморском крае и Сахалинской области.
Практическая ценность результатов состоит в возможности использования полученных оценок в практике климатических расчетов, составлении атласов и навигационных пособий и при решении прикладных задач оперативного прогнозирования тайфунов и наводнений, а также при решении задач комплексной защиты территории Приморского края от катастрофических наводнений.
Ряд работ автора, каталоги тайфунов используются для обучения студентов по специальностям океанология, метеорология и климатология на геофизическом факультете ДВГУ и по специальности безопасность жизнедеятельности в институтах ДВГТУ.
Личное участие автора в получении научных результатов.
Выполненная работа основана на личных исследованиях в период 1970 - 1993 гг. в Дальневосточном научно-исследовательском гидрометеорологическом институте (с 1994 г. в Дальневосточном государственном техническом университете). В этих работах соискатель участвовал в качестве руководителя или ответственного исполнителя.
В диссертации изложены результаты исследований, которые автор выполнил непосредственно сам, в том числе:
идея и направленность работы, постановка задач исследований, методологии их решения;
организация, планирование и проведение экспериментальных и экспедиционных исследований;
обобщение данных экспериментальных и натурных исследований;
участие в составлении научных программ по изучению тайфунов в комплексных морских экспедициях "Тайфун-75", "Тайфун-80", "Тайфун-90";
участие в проектировании, изготовлении оборудования, монтаже и испытаниях экспериментальных вихревых установках;
разработке методов краткосрочного и долгосрочного прогноза
тайфунов.
Публикации по теме диссертации.
Материалы диссертации полно опубликованы в 71 работах, из них одно авторское свидетельство, две брошюры и монография.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Тихоокеанском конгрессе (Хабаровск, 1979), на международных симпозиумах по тропической метеорологии (Нальчик, 1981; Гавана, 1982; Ялта, 1985; Гавана, 1987; Обнинск, 1990), на научной конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья (Владивосток. 1991), на научной конференции но проблемам гидрологии рек зона БАМ и Дальнего Востока (Владивосток, 1986), на первой и второй международных конференциях по экологии и безопасности жизнедеятельности (Владивосток, ДВГТУ, 1994, 1996), на международной научно-практической конференции "Социально-экономические и политические процессы в странах АТР" (Владивосток, 1997), на международной конференции "Стихия, строительство, безопасность" (Владивосток, 1997). В полном объеме диссертация докладывалась на научном семинаре ТОЙ ДВО РАН, на научно-методическом экологическом семинаре ДВГТУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, описания основных результатов, выводов и списка литературы из 302 наименований. Работа содержит 295 страниц текста, включая 38 таблиц и 37 рисунков.
Эволюция тайфунов и супертайфунов
Интенсивные тайфуны с давлением в центре 960 гПа и менее, 940 гПа и менее, 920 гПа и менее, 900 гПа и менее чаще всего отмечаются в сентябре. Интенсивные тайны всех градаций в 83,1% случаев наблюдаются в период июль-ноябрь случаях. В течение года градации давления в центре тайфуна 960 гПа и менее, 940 гПа и менее и 920 гПа и менее отмечаются в 91,9% случаях на супер-тайфуны (давление в центре 9000 гПа и менее) приходится всего 7,6% тайфунов. Глубина тайфунов колеблется от 870 гПа до 1005 гПа. Около 82,3% числа тайфунов имеют давление 930 гПа и 17,7% тайфунов давление в центре ГЦ составляет 930 гПа и менее. Минимальное давление 870 гПа было зафиксировано в тайфуне ТИП, в октябре 1979 г. Минимальное давление 873 гПа отмечались в тайфуне ИДА в сентябре 1958г. За период 1951-1988 гг. число супер-тайфунов было равно 46. Максимальное число супер-тайфунов за год составляет 3, а минимальное -0. Повторяемость супер-тайфунов, равное 3 тайфуна в год, в среднем наблюдается через 6,5 лет. Минимальная повторяемость (отсутствие супертайфунов) наблюдается в среднем через 4,6 года. Супер-тайфуны наблюдаются в апреле и июне-декабре. Зарождаются они в зоне 12-25 с.ш. 125-145 в.д. Экстремальное давление в центре тайфуна, как правило, наблюдается на оси северного пассатного течения (19-20 с.ш.). Средняя продолжительность существования супер-тайфунов составляет 8 суток а максимальная - 14 суток.
Продолжительность существования тайфунов (включая период существования тайфуна в качестве трансформированного полярно-фронтового циклона) колеблется от суток до 23 дней. У 91,4% тайфунов жизненный цикл составляет от 4 до 16 суток. Максимум плотности вероятности продолжительности существования тайфунов падает на 7 суток.
В период наименьшей активности, т.е. зимой и ранней весной, районы локализации тайфунов концентрируются приблизительно в 200 милях от Филиппин с центром очага в районе 12,6 с.ш. и 137,5 в.д. К сентябрю центр активности тайфунов перемещается на 650 миль к северу, в точку 21,4 с.ш. и 131,7 в.д. После сентября эпицентр локализации тайфунов смещается на юг.
Тайфуны чаще всего наблюдаются в широтной зоне 6-22 с.ш. Если разграничивать район деятельности тайфунов меридианами, го наибольшее количество тайфунов (71%) наблюдается в зоне 126-155 в.д. Средняя скорость перемещения тайфунов в районе точки поворота колеблется от 10 узлов и менее до 23 узлов. Наибольшие скорости перемещения тайфунов в точке поворота имеют место в осенний период. После точки поворота скорость перемещения тайфунов с увеличением расстояния от нее увеличивается. В конкретных условиях скорость перемещения тайфуна на различных участках траектории зависит от синоптической ситуации.
В январе и феврале области минимального давления "прижаты" ближе к экватору до 7-8 с.ш. В марте имеются отдельные очаги с тайфунами, давление в центре которых составляет 980 гПа. В январе и феврале оси областей с минимальным давлением вытянуты в широтном направлении. У Филиппин в марте ось минимального давления вытягивается к северо-западу. В марте область с изолиниями минимального давления вытянута в меридиональном направлении. Изолиния 980 гПа берет начало на 8 с.ш. и достигает берегов Японии. Минимальное давление в марте достигает 880 гПа, в январе - 940 гПа, а в феврале только 960 гПа. Площадь, оконтуриваемая изолинией 980 гПа, в январе-марте невелика. Имеются большие районы, где тайфуны интенсивностью 980 гПа и менее не отмечаются.
В анреле-июне площадь, оконтуриваемая изолинией 980 гПа заметно расширяется. Изолиния 980 гПа в апреле и мае опускается на юг до 5 - 6 С.Щ., а в июне до 12 с.ш. Наибольшее продвижение на север изолиния 980 гПа имеет место в мае, где она достигает юга Камчатки. В апреле область с тайфунами 980 гПа и менее удалена от Японии к югу и юго-востоку. В мае тайфуны интенсивностью 960 гПа достигают восточного побережья Японии. В апреле-июне в Филиппинском море отмечаются тайфуны интенсивностью 900 гПа. В Южно-Китайском море наблюдаются более слабые тайфуны, интенсивность которых достигает 960 гПа. Изолиния 980 гПа в апреле и мае распространяется на восток до 155-160 в.д. В июне наиболее интенсивная тайфунная деятельность перемещается к району восточнее о. Лусон. В апреле и мае наиболее интенсивные тайфуны (920 гПа и менее) отмечаются на востоке Филиппинского моря в районе Марианских островов. В мае очаг интенсивной тайфунной деятельности (940 гПа и менее) ориентирован с юго-востока на северо-запад. В июне область интенсивной тайфунной деятельности в соответствии с генеральным перемещением тайфунов направлена с юго-запада на северо-восток.
В июле-сентябре (рис. 1.1) значительно расширяется по площади область, оконтуриваемая изолинией 980 гПа. На севере она достигает Приморского края, Сахалина и Курильских островов. Наиболее мощные тайфуны (900 гПа) в июле наблюдаются к востоку от островов Лусон и Тайвань. В августе (рис. 1.1) тайфуны несколько слабее - 920 гПа. Три изолированных очага интенсивности тайфунов (920) наблюдаются в зоне 120-145 в.д. и 15-27 с.ш. В сентябре (рис. 1.1) площадь, оконтуриваемая изолинией 900 гПа, заметно расширяется по площади. Внутри ее имеется очаг интенсивностью 880 гПа, координаты которого 20 с.ш., 135 в.д. В сентябре тайфуны с давлением в центре 960 гПа проникают в Японское и Охотское моря. Наиболее низкое давление воздуха (873 гПа) наблюдалось в тайфун "Ида" 23 сентября 1958 года.
В октябре (рис. 1.1) тайфуны интенсивностью 980 гПа и менее встречаются на большой площади. Изолиния 980 гПа распространяется на юг до 5 с.ш. и на север до 5 с.ш., на западе изолиния 980 гПа направлена от о. Тайвань, вдоль восточных берегов Японии и далее на юг Охотского моря. На восток изолиния 980 гПа распространяется до 167 в.д. на 10 с.ш. и до 180 на 40 с.ш. Наиболее мощные тайфуны (900 гПа) сконцентрированы в зоне северного пассатного течения в начале течения Куросио. Внутри этой зоны имеются два очага, где тайфуны достигают интенсивности 880 гПа. Другой очаг тайфунов с давлением в центре 900 гПа располагается вблизи точки с координатами 20 с.ш., 140 в.д. В Южно-Китайском море имеют место тайфуны с давлением в центре 940 гПа.
В ноябре площадь, оконтуриваемая изолинией 980 гПа, заметно уменьшается. На восток она распространяется преимущественно до 155 в.д., а на юг - до 5 с.ш. На западе изолиния 980 гПа проходит от о. Тайвань на северо-восток на небольшом удалении от Японских островов. Наиболее мощные тайфуны (920 гПа) в виде отдельных изолированных очагов располагаются в Филиппипском море. Тайфуны интенсивностью 960 гПа отмечаются на востоке Южно-Китайского моря.
В декабре тайфунная деятельность заметно ослабевает. Тайфуны интенсивностью 980 гПа отмечаются преимущественно в Филиппинском море. Изолиния 980 гПа распространяется на юг до 5 с.ш., на север до 25 с,ш. Узкая область тайфунов с давлением в центре 980 гПа вытянута на северо-восток до 32 с.ш. Наиболее мощные тайфуны (900 гПа) наблюдаются восточнее Филиппин. Координаты центра очага тайфунов с давлением 900 гПа - 10 с.ш., 132 в.д. Изолированный очаг тайфунов с давлением в центре 940 гПа располагается северо-восточнее Филиппин. Координаты центра этого очага -17 с.ш., 140 в.д.
Брэнд, Родевальд [23] определили районы в Тихом океане, где происходило возрастание скорости ветра в тайфунах не менее чем на 25 м/с за сутки. Такое редкое увеличение скорости ветра наблюдалось в 5% всех случаев, причем в сентябре такие тайфуны в среднем ежегодно. Район усиления тайфунов находится в Тихом океане восточнее и северо-восточнее Филиппин.
По данным Холидея [23] наиболее часто углубление тайфунов составляет 10-20 гПа/24ч. В 10% случаев интенсивность углубления превышала 70 гПа/24ч, а в 25% случаев скорость углубления составляла 42 гПа и более за 24 часа. Быстрое углубление тайфунов ( 42 гПа/24ч) наблюдалось летом и ранней осенью в зоне 15-20 с.ш. восточнее Филиппин до Марианских островов. В 75%о случаев очень низкое давление (920 гПа и менее) достигается в процессе быстрого углубления тайфунов. Развитие ТЦ до стадии супер-тайфуна происходит при температуре воды в слое О - 30 м. от 28С до 31С. В начале быстрого углубления тайфуна часто образуется "глаз" радиусом около 15-20 км. Быстрое углубление тайфунов чаще всего происходит ночью. Это связано с тем, что ночное излучение понижает температуру верхней границы кучево-дождевых облаков конвекцию.
В работе [22] выявлены зоны с различной интенсивностью заполнения и углубления тайфунов в северо-западной части Тихого океана.
Лабораторное моделирование влияние температуры поверхности океана на эволюции тайфунов
Физическому моделированию вихревых образований типа смерчей, торнадо, тропических циклонов посвящено большое число исследований [125-156].
Применение метода лабораторного моделирования в практике геофизической гидродинамики не ново, но использование лабораторных вихрей для изучения ТЦ имеет пока еще небольшую историю. Состояние и перспективы развития исследований по физическому моделированию тропических циклонов рассмотрены в работе [129]. Применительно к тропическим циклонам эффективной оказалась модель, впервые разработанная в 1973 г. американским ученым Фитцжеральдом [157]. В дальнейшем эта модель была существенно дополнена измерительной техникой и усовершенствована [128 .
Эволюция ТЦ определяется влиянием многих факторов, одним из которых является температура поверхности океана. Многие исследователи отмечали связь между интенсивностью ТЦ и температурой поверхности океана. Существует значительная корреляционная связь между температурой поверхности океана и временем, необходимым для развития ТЦ. Чем выше температура поверхности океана, тем меньше времени требуется для интенсификации ТЦ. Численные модели ТЦ показывали, что скорость роста или затухания интенсивности ТЦ в значительной мере определяется температурой поверхности океана.
Лабораторные эксперименты показали, что большое влияние на интенсивность вихревого образования при прочих равных условиях оказывает температура поверхности воды. При увеличении температуры поверхностного слоя воды увеличивается кинетическая энергия вращательного движения и максимальная скорость потока, при этом радиус максимального потока уменьшается (рис. 3.1).
С увеличением интенсивности вихря радиус глаза вихря стремится к радиусу максимальной скорости горизонтального потока.
При ориентации тангенциальных окон перпендикулярно боковой поверхности вихревая структура не образуется, а имеют место свободно-конвективные движения. Увеличение угла раскрытия тангенциальных окон до оптимальных значений при заданных параметрах установки вызывает образование вихря с когерентной структурой.
Для оценки эволюции тайфуна можно использовать параметры стабильности (8) и вентиляции (ц), которые можно записать в виде
Н - высота тайфуна. При углублении тайфуна параметр стабильности увеличивается, а параметр вентиляции уменьшается. В стадии супер-тайфуна, когда интенсивность теплого ядра достигает 25С, параметр стабильности увеличивается до 138,10. По сравнению со стадией Д1 параметр S1 увеличивается в 17 раз. Параметр ц, напротив, при этом уменьшается в 9 раз (табл. 3.3).
Температура поверхности океана входит в потенциал генезиса ТЦ в неявной форме. Океан оказывает влияние не только на приводный слой атмосферы, но и на весь пограничный слой, высота которого над океаном составляет 400-500 м.
Трение о поверхность океана приводит к отклонению ветра от изобары во всем пограничном слое на 20-25. Это способствует притоку водяного пара в ТЦ по всей поверхности втока. Наибольший "вклад" океан оказывает в завихренность воздуха на уровне 900 гПа.
Процессы, протекающие в верхней тропосфере, зависят от океана только в неявной форме в результате крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы. Об этом свидетельствуют и результаты лабораторных экспериментов. "Взрывной" процесс интенсификации вихря с образованием глаза происходит при создании системы оттока воздуха из пограничного слоя атмосферы. В реальных условиях отток воздуха из ТЦ осуществляется верхнетроносферным антипиклоном. При наличии двух каналов оттока (к северо-востоку и юго-западу) эволюция ТЦ по схеме тропическая депрессия - тропический шторм - тайфун - тропический шторм - разрушающийся тайфун. При наличии только одного канала оттока к юго-западу в процессе эволюции ТЦ, как правило, достигает только стадии тропического шторма. В результате проведения лабораторных экспериментов показано, что при наличии оттока воздушных масс из пограничного слоя увеличение температуры поверхности воды приводило к более быстрому (в 2-3 раза) возникновению интенсивного вихря с глазом. Тайфуны достигают стадии супер-тайфуна (давление в центре 900 гПа и менее) в зоне 18-25 с.ш., 125-145 в.д.. В марте, мае, июне, сентябре, ноябре, декабре супер-тайфуны с вероятностью 87-100% смещаются по параболическим траекториям. Интенсивное углубление тайфунов (48 гПа и более за сутки) в 70% случаев происходит при температуре поверхности океана 28-30С. В супер-тайфунах наибольшая скорость падения давления за сутки составляет ПО гПа и наблюдается в случаях, когда момент точки поворота траектории совпадает с моментом максимального развития ТЦ.
Наибольшая продолжительность существования супер-тайфунов наблюдается в тех случаях, когда максимальное развитие ТЦ происходит до точки поворота или в точке поворота. Минимальная продолжительность существования супер-тайфунов имеет место при отсутствии точки поворота на траектории движения ТЦ. Для тайфунов с давлением в центре 930 гПа и менее момент максимального развития ТЦ происходит до точки поворотов 63,9% случаев, а после точки поворота только 8,2% случаев. Интенсивность ТЦ зависит также от относительно холодных вод, которые поднимаются на поверхность посредством апвелинга и турбулентного перемешивания в результате циркуляции, вызванной ТЦ.
Сила реакции тайфуна на океан зависит от скорости перемещения и интенсивности ТЦ, потенциала генезиса ТЦ и термической структуры океана. Заметного ослабления тайфуна не происходит, если время взаимодействия его с океаном в данном районе меньше одних суток.
Многими исследователями было установлено, что тайфуны и ураганы в процессе эволюции и перемещения над океаном оказывают значительное влияние на течения и термическую структуру деятельного слоя океана. Было замечено, что после прохождения тайфуна заметно понижается температура поверхности океана и уменьшается толщина однородного слоя в результате подъема вод под перемещающимися ТЦ. Максимальное понижение температуры морокой поверхности достигало 3-6С. Результаты исследований в экспедициях "Тайфун-75", "Тайфун-78" и других экспедициях подтвердили ранее полученные закономерности в реакции океана на циркуляцию ТЦ. Теплопотери океана за сутки достигали 2500 вт/м2, а температурные возмущения распространялись до глубины 400 м и более. В следе тайфунов понижается не только температура поверхности океана но и тепловой потенциал океана в слое до глубины залегания изотермы 26С. Так в следе тайфуна Тесс 2-10.09.75 г. тепловой потенциал уменьшился до 0,3-0,7 ккал/см (рис. 3.2).
Прогноз эволюции тайфунов с заблаговременностью 24 часа
Вопросы исследования и прогнозирования эволюции тайфунов синонтическими, статистическими, гидродинамическими и физическими методами рассматривались в работах [173-186 .
В работе [173] для прогноза эволюции тайфунов в качестве предсказателей использовались первые девять коэффициентов разложения геопотенциала поля Н по нормированным ортогональным полиномам Чебышева. Были составлены уравнения регрессии для прогноза эволюции тайфунов на одни и трое суток.
В другой схеме [183] для прогноза эволюции тайфунов на 1-3 суток использовался динамический ряд характеристик, определяющих особенности строения поля давления и геопотенциала в тайфуне. В качестве таких характеристик были взяты:
1. Барический градиент на уровне AT над центром тайфуна.
2. Вертикальный градиент вихря скорости (лапласиана давления) относительно вертикальной оси тайфуна.
3. Лапласиана относительно геопотенциала ОТ над центром тайфуна.
4. Лапласиана приземного давления относительно центра тайфуна.
Первый фактор характеризует пространственный наклон оси вращения тайфуна. При квазивертикальной оси тайфуна барический градиент на уровне AT будет равен нулю. Второй фактор характеризует вертикальное развитие вихря. Третий и четвертый факторы дают представление о термических условиях развития тайфуна и его интенсивности.
Для прогноза максимальной скорости ветра в тайфуне построены уравнения регрессии, где в качестве предикторов использовали динамические и термодинамические характеристики атмосферы [76].
Для проверки эффективности некоторых уравнений использовалась информация с сбрасываемых с самолета парашютных зондов и метеорологических спутников. В работе приведены карты относительной завихренности и дивергенции ветра в области урагана Дебби в 00 часов 16 сентября 1982 года. Используя эти данные нами были рассчитаны параметры Xi, Х2, Хз, Х4, и по уравнениям (5.68-5.73) был дан расчет максимальной скорости ветра в тропическом циклоне. Расчетная ошибка максимальной скорости ветра для уравнений составила 1,6-5 м/с.
Температура облачных вершин, определяемая со спутников, является хорошим предсказателем для прогноза эволюции тайфунов [193-196] существует хорошая корреляция между эквивалентной температурой облачных вершин и максимальными скоростями ветра в тайфуне. При этом наблюдается запаздывание между экстремальной минимальной эквивалентной температурой облачных вершин и максимальной скоростью ветра в тайфуне (период запаздывания или временного лага составляет 24-36 часов).
Температура облачных вершин (верхней границы облаков), определяемая со спутника, тесно связанна с давлением в центре тропического тайфуна и максимальными скоростями ветра. Имеется временный лаг (запаздывание) между максимумом конвекции и активностью облаков (низкие значения температуры облачных вершин) и минимальным давлением в центре тропического циклона [194 .
В стадии тропической депрессии в облачном массиве отсутствует значение эквивалентных температур черного тела 213 К и ниже. В стадии тропического шторма область температур, ограниченная изотермой 213 К, увеличивается по площади и приобретает организованную структуру. В стадии тайфуна область низких температур приобретает круговую форму и максимальную площадь. В центре тропического циклона отмечается значение температуры 198 К и ниже. Границей центрального облачного массива тропического циклона может служить изотерма 243 К.
Среднюю эквивалентную температуру абсолютно черного тела облачных верщин в радиусе 3 щироты от центра вихря можно использовать в качестве предиктора для прогноза максимальной скорости ветра в тайфуне на 24 часа.
Возможное изменение интенсивности тайфунов и катастрофичности наводнений в Приморском крае при сценарии глобального потепления климата и повыщения температуры поверхности океана
Прогнозы погоды на долгие сроки и климатические прогнозы должны включать не только прогноз климатического фона, но и прогноз крупных климатических аномалий. Принципиальная возможность прогнозов на долгие сроки связана с учетом внешних климатообразуюших факторов так и антропогенных факторов. К внешним факторам относятся солнечная активность и связанная с ней фотохимия атмосферы, изменение параметров земной орбиты. Важную роль в прогнозе погоды на долгие сроки играет выявление циклических и квазипериодических составляющих, аналогичности и сопряженности атмосферных и океанических процессов в различных районах земного шара. Динамика ультрадлипных волн, атмосферных фронтов, ВЗК и центров действия атмосферы над сушей и океаном оказывает влияние на сопряженность атмосферных процессов. Развитие физической теории климата способствует повышению оправдываемости как долгосрочных, так и климатических прогнозов.
М. Шлезингер (1983) разработал климатический прогноз с заблаговременностью от года до десятилетий, основанный на сценариях воздействующих механизмов и учете обратный связей.
Проблема климата и его изменений вызывает повышенный интерес ученых разных специальностей. За ее решения взялись специалисты в области атмосферы, гидросферы и криосферы, специалисты по численному моделированию атмосферных и океанических процессов.
В программе ПИГАП-Климат ставится задача долгосрочного прогноза погоды на сроки от нескольких месяцев до 2-3 лет.
Прогнозирование антропогенных изменений климата, не имеющих в прошлом аналогов, может выполняться как путем математического моделирования, так и с использованием упрощенных полуэмпирических моделей. С помощью этих моделей исследовался механизм антропогенных изменений климата, и давалась оценка их средних планетарных и поясных величин. В последние 30 лет разрабатываются более сложные модели, позволяющие прогнозировать температуру воздуха и количество осадков в различных районах Земли. Эти модели имитируют циркуляцию атмосферы и гидросферы с учетом распределения и физических свойств сущи, океана, рельефа, ледников, морских льдов. Эти модели включают множество нроцессов, протекающих в климатической системе: солнечная и тепловая энергия, конденсация водяного пара, динамика облачности. Следует отметить, что хотя некоторые модели достаточно точно «воспроизводят» современный климат, использование их в режиме прогноза антропогенных изменений климата еще проблематично. Результаты расчетов на основе наиболее сложных математических моделей показывают правильные тенденции и порядок величин возможных антропогенных изменений климата.
В последние 25-30 лет делались многочисленные попытки найти четко выраженные детерминированные закономерности многолетних колебаний гидрометеорологических характеристик. На основе этой концепции разрабатывались методы сверхдолгосрочных прогнозов различных гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений (годовой сток рек, атмосферные осадки, температура поверхности моря, запасы влаги в почве, даты ледовых явлений, землетрясения и т.д.). Циклические колебания многих гидрометеорологических характеристик в настоящее время можно считать общепризнанными. Однако физическая природа этих колебаний объясняется по-разному. Некоторые авторы считают, что циклические колебания свойственны любым случайным процессам. Другие авторы объясняют эти колебания исходя из тех или иных теоретических представлений При использовании понятия «динамического тренда» (Алехин Ю.М., 1961) удается обнаружить в рядах метеорологических процессов плавные циклические колебания с разными периодами и амплитудой.
В колебаниях природных процессов в диапазоне 2-12 лет периодические колебания с циклами 2-4 года наблюдаются почти повсеместно (табл. 6.6). Циклы продолжительностью 5-6 лет наблюдаются в колебаниях атмосферной циркуляции, течения Куросио, тропическом циклогенезе, ледовитости арктических морей, колебаниях температуры воздуха и т.д. Циклы продолжительностью 6-8 лет наблюдаются в колебаниях интенсивности и меандрирования течения Куросио, температуры воздуха возле Земли, температуры и теплосодержания вод в океане, в колебаниях стока рек, индекса колебания и явления Эль-ниньо, в колебаниях положения и интенсивности действия центров атмосферы (субтропических антициклонов), атмосферных зонах колебания интенсивности тайфунов и т. д.
Катастрофические наводнения в Приморском крае чаще всего повторяются через 3, 5 лет (54,6% случаев). Катастрофические и умеренные наводнения наблюдаются в среднем через 4 года. Все наводнения независимо от интенсивности наблюдаются в среднем через 2 года.
Циклы нродолжительностью 18-19 лет; 22 года; 27 лет; 37 лет обнаруживаются в колебаниях многих геофизических процессов. 22-летняя цикличность хорощо проявляется в колебаниях температуры воздуха, основных центров действия атмосферы, осадков, зональных и меридиональных типов циркуляции атмосферы, атмосферных засух, ледовитости морей. Циклические колебания с периодом в 30-35 лет хорощо обнаруживаются в многолетнем ходе количества осадков, уровня озер и морей, движения горных ледников и других аномалий. В колебаниях озера Ханка обнаруживаются циклы продолжительностью 31, 30, 29, 27, 26, 22 года. В среднем продолжительность цикла равна 27,5 года. 26-29 летняя цикличность хорошо проявляется в колебаниях уровня бессточных озер северо-западной части Тихого океана, а также тропических циклонов Бенгальского залива имеется 27-летняя цикличность. При увеличении периода солнечной активности до 12 лет, период модулированных колебаний также увеличивается и составляет 33,8 и 7,3 года. Напротив, при уменьшении периода солнечной активности до 10 лет, период модулированных колебаний уменьшается и становится равным 21,6 и 6,5 лет.
Используя только «фундаментальные» частоты, обусловленные колебаниями солнечной активности долгопериодных приливообразующих сил Луны, можно объяснить появлением большого числа «вторичных» циклов, имеющих место в короткопериодных колебаниях климата и других геофизических процессов. Таким образом, силы с «фундаментальными» частотами, обусловлены физическими процессами, при взаимодействии на нелинейную климатическую систему, «порождают» множество других "вторичных" циклов.
"Предсказательная" способность различных циклов для сверхдолгосрочного прогноза числа тайфунов за год является неодинаковой для различных циклов. Так при допустимой ошибке ±3 тайфуна в год наиболее эффективным оказался двухлетний и четырехлетний цикл. Для 27-летнего цикла оправдываемость прогнозов числа тайфунов составила 70%. Для циклов 9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 лет оправдываемость прогнозов была крайне низкой и составила всего 10-20%. В эти «неэффективные» циклы попали и «фундаментальные» циклы - 11, 18, 19 летние циклы (рис. 6.2).
