Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Результаты исследований тропических циклонов 13
1.1. Общие сведения о тропических циклонах 13
1.2. Условия развития тропических циклонов и взаимодействие их с океаном по результатам натурных наблюдений, теоретических исследований и численного моделирования 23
ГЛАВА 2. Энергетика тропических циклонов и малопараметрические модели их эволюции 44
2.1. Энергетический подход в моделировании тропических циклонов...44
2.2. Особенности энергетики тропических циклонов 51
2.3. Радиационные процессы в энергетике тропических циклонов 58
2.4. Полуэмпирическая модель эволюции тропического циклона 60
ГЛАВА 3. Условия развития тропических циклонов 71
3.1. Вторичная циркуляция 71
3.2. Тропический циклон как квазибалансный вихрь 76
3.3.Условия нагревания воздуха в ядре вихря 80
3.4. Характеристики развивающихся тропических циклонов 87
3.5. Связь параметров атмосферы с циклогенезом в тропиках 91
ГЛАВА 4. Формирование тропических циклонов 97
4.1. Пассаты и пассатная инверсия 97
4.2. Взаимодействие конвективного пограничного слоя и геострофического потока 101
4.3. Влияние пассатной инверсии на формирование тропических циклонов 114
4.4. Метеорологическая интерпретация 124
ГЛАВА 5. Взаимодействие тропических циклонов с деятельным слоем океана 133
5.1. Особенности воздействия тропических циклонов на океан 133
5.2. Модель деятельного слоя океана 138
5.3 Параметризации взаимодействия тропических циклонов и океана.. 143
5.4. Влияние тропических циклонов на сезонные характеристики деятельного слоя океана 146
ГЛАВА 6. Реакция верхнего слоя океана на тайфуны 150
6.1. Данные гидрологических съемок и характеристики тайфунов 151
6.2. Методы обработки судовых данных 154
6.3. Изменчивость характеристик верхнего слоя океана, связанная с воздействием тропических циклонов 157
6.4. Оценки характеристик горизонтального турбулентного обмена 165
6.5. Взаимодействие атмосферы и океана
в области тропических циклонов 173
ГЛАВА 7. Дистанционные методы в исследованиях тропических циклонов и их воздействия на океан 183
7.1. Объективный анализ полей облачного ветра 183
7.2. Анализ структуры конвективного слоя над океаном в тропиках по данным лидарного зондирования 193
7.3. Влияние тайфунов на поля концентрации хлорофилла «а» 203
7.4. Возмущения поля температуры поверхности при прохождении тропического циклона в Охотском море 211
Заключение 216
Литература 220
Приложение 256
- Условия развития тропических циклонов и взаимодействие их с океаном по результатам натурных наблюдений, теоретических исследований и численного моделирования
- Полуэмпирическая модель эволюции тропического циклона
- Характеристики развивающихся тропических циклонов
- Влияние пассатной инверсии на формирование тропических циклонов
Введение к работе
Актуальность темы
Тропі.чгские циклоны (ТЦ) относятся к погодным системам
синоптического мзсшгрба с циклоническим вращение".; гоздуха на нижних
уровня* ашосферы ТЦ возникают и развиваются в тропических широтах над
океаном и четко рьщеляюгсч как отдельные перемещающиеся оорд'.ования в
полах облачности, остра, приземного давления, температуры и влажности
воздуха, осадков Полперкивая их существенные отличия от циклонов средних
широт, часто указывают на и> нефронтальное происхождение н зарождение
только нглд океанами, близкую к концентрической форму и относительно малые
размеры Во поем дчгпазоче ичтенсивности - от бесформенных облачных
схоплений с ветром менее 10 м/с до супер-тайфунов с ветром более 60 м'с - ТЦ
постоянно наблюдаются над океаном в тропиках, а отдельные, проході тысячи
километров, поднимаются до широт 50-60 с ш, возмушая циркуляцию
атмосферы средним широт и оказывая значительное воздействие на Японское и
СНотсюз моря, воды Курнло-Камчатского района ТЦ являют.сч неотъемлемым
зтсментеч картины общей циркуляции атмосферы, определяя в значительной
мере взанчодейсятмс аімосферьі с океаном и тидролопічеекие характеристики
верхних его слоев в районах их перемещения, меридионалышЛ перенос тепла и
прра в атмосфере Области зарождения и эволюции ТЦ ограничены примерно
паралгетямк 35 с ш и 25 ю ш, что составляет более 50% площадь Мирового
океан? Это обусловливает важность научных аспектов исследований самих ТЦ
и взаимодействие и\ с океаном Значительный материальный ущерб,
наносимый при еыодл і'' ієнсиьньіх ТЦ на побережье, большое глиянче их на
хозяйственную деятельность в морях и океанах дегают исследс-чаиня ТЦ
актуальными с практической точки зрения При этом обычно целью
исследований является решение задач прогноза интенсивности и перемещения
ураганов и ч іфунов, а тркжє вызванных ими возмущений уровня моря,
состояни" поверхности, гидрологической структуры верхнич стсев океана
Практическое значение в последние десятилетия вызывают вопросы чсл-сгодозоіі изменчивости числа и интенсивности ТЦ в свчзи с короткопериоцпо'" изменчивостью климата [36, 27, 37, 16], при эюм и саки ТЦ рассматрипюгся кач юмпонента регионального климата [6] Сличай тропического ииі іогене і.і на широте 30 ю ш зарегистрированный в южной Атлантике [7], уі-ззп^дзг ні возможные изменения в географии районов заро-*денич ТЦ
Большой научный интерес ТЦ представляют для геофизической підродинами,, и, в которой одним из оснорных объектов исследования являются вихревые образование г. атмосфере и океане, процессы и механизмы их возникновения и л>о'1'ощш При этом многие черты ТЦ, а так ке основные физические механизмы, определяющие их структуру и эволюцию, можно найти и в других бтричесьг.х системах атмосферы и в окевнскнч вихрях Так, но структуре подобными ТЦ являются субтропические и зимни? циклоны над океаном, пол^рньч мссоннклої ы [3, 17, 26, 43], развивающиеся над океаном В локализованных областіі пубокой конвекции в океанах и моря\ развиваются вихревые структуры, с точностью до подобия напоминающие ТЦ [35, 39] Известные в іео'Лнзнчсс- он гидродинамике разнообразные эсЬфеиы вращения могут проявлял мл в ТЦ в более широком диапазоне характерных чисел подобия, чем это обыч"о принято в приближениях динамики атмосферы и океана
Несмотря на no.4iTsji,ccvoe и научное значение исследований по ТЦ и большое чисто nvoj'i-, гіічГі, в настоящее время отс>істьуют общепринятые юде^гые обобіїїсн!'-1 данных наблюдений и теоретические концепции во взглядах ні мс\зш.і
иеуїдоишвчч.! л кен.щез.чыми эмпирические зависимости или обобщения данные о структур; ТІД, о фоновых условиях, о предикторах в статистических методах проноза Бо'тьчюе число существующих методов прогноза [19] и их рез)ляагь, по; дзивяют, что еше не в полной мере изучены СТОАНЫе и разномР",лтдГчьс физические процессы в ТЦ, а их эмпирическое и теоретическое огнсач.іе является недостаточно ТОЧНЫМ ДЛЯ ИСПОЛЕЛОВЗНГЯ в схемах прогноза и математических модетах
Цели и зяятчг исследования
Ш'ль рвбогы - изучение основных механизмов формирования и развития ' тропических цикл-шов и чзменчивосги верхнего слоя океана и морей. связанной с и* влчяніїем Длч этого решались следующие основные задач;» і Нссшедогані'е основных физических процессов и условий формирования
и ргзіїития тропических циклонов, 1 Разргботгі малопарлметрическои модели эволюции осссиммегричіюго тропического циклона
-
Изучен"; влияния тропических циклонов на кпимагичесміе хзракіерїчтики де^гельього слоя океана и параметризация их взаимодействие с оьеаном в моделях сезонного хода верхнего крззиоднородого слоя океана,
-
По с\дои.ім індротопіческим данным и данным дистанционны> методов зондирования атмосферы и океана изучить изменчивость верхнего слоя океана при прохо/.дешш тропических циклонов и оценить ьх вклад в основные хар іктеристикн онерго-массообмена атмосферы и океана
Шучняг НОПИЧНЯ
Вошедшие ч диссертацию результаты получены ьпервые Новизну полученных гезультглов составпяют
норый ме\анчг< формирования тропических циклонов в результате процессов меткой -.онвечцией в пограничном слое атмосферы и взаимодействия его с пассатным потоком,
впервые усторчя формирования и развития тропических циклонов исследованы как услоьи? почгления их структурных признаков - замкнутих циклонических циркуле ни и ядра теплого воздуха,
-регульгаты анализа связи тропического циклогенеза в северо-западной чггти Гичого океана и < реднемесячных харистеркстик атмосферы и океана,
-модель эзо"ощ'н тропического циклона, в которой его состояние представляете? мини^ат;* ным набором его основных характеристик,
- способ параметризации эффектов взаимодействия океана и тропических
возмушенгй и циклонов в моделям сезонного хода деятельною стоя океана.
-ргсупьтатн иеследсьінпя изменчивости верхнею стоя океана при прохождении троппиесклх циклонов по судовым гидрочоптческим данным и данным дистанционного зондчропни?
На зашшу выносятся следующие положения и научные выводы
-
Мелка? конвекция о пограничном слое атмосферы над океаном является одним из осно;«ьр факторов в процесса^ формирования трспически> шіклонов г. районах пассатов Высота пограничного слоя и сила инверсии на ею верхней гг)ітщр, скорость фочового крупномасштабного потока и статическая устойчивость атмосферы, пространственный масштаб и интенсивность источника тепп в скоплениях пассатных облаков определяют услория к время фермировш"-! замкнутые циктонических циркуляции
-
Условия р»з?!тп тропического циклона получены как >словия оОргадаант ядра ттмго гоздуха Это позволяет сформулировать критерии 0«ізрнтпя н імм: соїльошсічн безразмерных термодинамически?, и динамінескз"" параметр-»!,, характеризующих влажную стратифицированную атмосфер}, иптеьснвьо^ть и мдештао циклона, его геогрпфичосьую широту
J По лчнч'.'ч а северо-западной части Тихого океана показано, что гропичесчие чи» почм к большинстве случаев формируются ч развиваются при мингматьних градчешал температуры поверхности океана и приземного
ДаВЛСНИЧ
5 Разработана полуэмпирическая модель эволюции тропического
циклона с минимальным числом оснопных динамически'1 переменных -
максимальным ьегром, его радиусом и возмущением температуря воздуха в
ueiirpt- Предчо їлгасгет подобие потей ветра и температури, при этом их
раднагнше и еергичатьные профили определяют значения ичгегральных
величин, составіяюап'х эмпирическую основу модели
4 Ча сезонных масштабах тропические циклоны влияют на толщину и температуру П"рсчіешакного слоя океана через бочьшие потоли энергии ветра на поверхности Предложен способ параметризации тропических циклонов в .моделях сезоньсо хода деятетьного слоя океана, основанный на том что они с эффс!- гмпкостыо, мрисяшей от температуры поверхности, преобразуют потоки скрыт о. о тепла г эчерпно ветра Показано, что тропические циклоны рредставтгюг 'теменг отрицательной обратной срязн в системе океан-атмосфера, ограни'-ичая п период прогрева на ~2С максимальные значения темпераї; p^i перемешанного слоя и увеличивая почти в два раза его толщину
6 По судовым гидрологическим данным показано, что лелсд» тайфуна в
океане молет бьш> теплым На масштабах полигоне 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
шачения Изменения теплосодержания и потенциальной онергш*. соизмеримые
с полной теплоотдачей и энергией ветра на поверхности за время г-е.иеГклзня
тайфуна, прослел;кп',к"псл только в верхнем перемешанном слое
7 По данным дистанционных наблюдений показно, то пияиье
тропических цичлочо1, на приповерхностный слой океана проявляется в
стшісті'чесмїх характеристиках по іей - гистограммах, пространственных
ьоррелтшюнных функциях и спектрах, степени анизотропии После циклонов в
хоче этих характерне пік отмечаются переходные процессы, особенности которь'х с;^.ксгвенно различаются в открытом океане, окраинных морях и в шельфовых водах
Достоверность результатов
Обо«!0чанно(ть попорений и выводог работы обусловлена использованием тщетных в динамике атмосферы и океана теоретических пололечий методо" и эмпирических сведений Достоверность реіультагов —б иепротироречи^осгн и\ с шествующим представлениям об объектах исследования и чан гмч "агарных наблюдений
Научная и практическая зіілчнмость работы
Результаты ра^оіь' могут быть применены и развиты в дальнейших исследованиях 1И, условий их зарождения и развития, синоптической изменчиво л и верхнею елея океана и роти при тгом ТЦ, в задачах параметризации влияния гропичемях циклонов на герхний слой океана в моделях сезонного хода, межюдочой и климатической изменчи»остн океана Выделенные параметре' огфгдедяющне услочия формирования и развития ТЦ, а так же подхода ресторанные при построении nojiy эмпирической иьгегралькон моле/! ?ротчо!імі циклона, могут иметь практическое значение при рафабот^е меюдов диагностики и прогноза ТЦ В ходе решения задач работы были реальзоі-ань1 разнообразные подходы и методи, разработаны алгоритмы и проіра-'мч ins "челенно^о анализа дачных наблюдении, которые могут вить ьрим^ленп s практических задачах комплексного анализа оічЄ'іиілоп'чєсиіх її "^серологических данных, дачны> дистанционного чондирорамич Pcvihun работы вошли р материалы от»етов по темам ФЦП .<Миро"ой о) єл-j > и ijo ргту проенов РФФИ
Апробация работы и публикации
Результаты работы неоднократно докладывались на конференциях различного уровн0 VI ме кдународном симпозиуме по тропической метеорологии (Обнинск, 1991), II Китайско-Советском симпозиуме по океанолон'н (Далянь Китай, 1992), VI международном научном симпозиуме WESTP4C (Окинава, Японии, 1998), Международной конференции «Стихия Строитегчегво Безопасность» (Владивосток, 1997) «Internationa! symposium on North Pacific transitional areas» (La Paz, Mexico, 2002), Второй Третьей и Четвертой всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва. ИКИ РАН, 2001, 2005, 2006), Всероссийской научной конференции «Сергей Петрович Хромов и синопги"ескчп метеорологит>> (Москва, МГУ, 2004) По материалам работы были сделаны доклады на семинарах по нелинейной динамике ТОЙ ДВО РАН и лаборатории снутниюрого мониторинга ИАПУ ДВО РАН В полном объеме работ.; представлялись на океанологическом семинаре ТОЙ ДВО РАН
Результаты работы гошли в отчеты по темам ФЦП «Мировой океан», выполняемых в ТОП ДВО РАН, и е отчеты по проектам РФФИ (45-05-15217а, 96-01-00184а, 02-05-б^27?а, 03-05-65219а, 06-05-б4749а), выполненных под руководством автора или при его участии По теме работы и вопросам, затронутым в ней, опубликована 41 работа, в том числе 1! ъ рецензируемых научных журналах
Личный вклрд автора
Все положенні выносимые на защиту, основаны на результатах исследований, проведенные непосредственно и лично автором В публ іканчях, солерлаїщг ссногчыс результаты диссертационной р-too і и эдиору принадле/\ат идеи исследовагич, формулировка проблем, постановка залач и интерпретация лол>че"им\ рьзультаюв Выбор подходов ' решению (адач, разработка методов и алюрнгчос расчетов проведены автором лично
Структур" і: оСч.є',; диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы Обший объем работы составляет255 стр, включая 63 рисунка, 10 таблиц, список литераторы, содержащей 357 наименований, из которых 201 -зарубежных акторов
Во введении 1план»атся общие прецпосыжи исследования, обсуждается актуальность темі/, ^орм'/лируются основные цели и задачи исследования, и слагают сч основные результаты и поло <сення, выносимые на защиту
Пермп глппя «'Результаты исследований іропнчссілп цгклонов>» носит обзорный хартегер В разделе 1 1 приводятся общче сведения о структуре, стадиях ра «вкгия, климатологии ТЦ В разделе 12 проведен краткий критический обзор имеющихся представ тений о физических процессах d T1J и ме^аш'лмач их зарождения и развития, взаимодействия с океаном Отмечаются перочинные проблемы и задачи Отмечается, в частности, что отсутствуют обоснованные критерии развития или усиления отдельного ТЦ, учитываюшяе бо плаче рлзггсобразиг как самич тропических возмущений по интенсивности н размера» , та!- и внешних условии Кроме этою, в эмпирических шслсдогіішчл, как правило, изучаются условия усиление депрессий и переході их в стадию шторма, при этом негтользуктгеч термины 'ЗррсАдение формирован"."-) ТЦ, а сами ТЦ определяются как возмущения с ветром более 17 м/с [?3, Зі, 34] Однако, учитывая, что деппесепя с таким ветре" ч - ло достмс'.'о ии1С"сивный циклон, имеющий устойчивую цны"н«чсскук> ї.'шкул«ичп> R этом случае уже нельзч говорить о его з:'р^")ідс!лі" или ! орм^оа-іпіч Зго относите!1 и к анализу условий усиления начальїі"^ аь, рея ^ р/мк,і\ осеснмччлрнчных моделей, как нтпричіер, в работах [1 ?]
В настоян ее время перспективы в прогнозе и исследованиях проблем тропическою циклогенеза связываются исключительно с использованием глобальных и региональных модглей высокого разрешения [24, 30] Однако погречтнесш tic годных данных, нелинейный и турбутентный характер чодечируечых дрнженчй, ограниченная (а часто и неопределенная) точность параметризаций мелкомасштабных, конвективных и тепловых процессов, невозможность с полном объеме сопоставить результаты моделирования с наблюдениями с необходимостью приводят к ряду практически важных вопросов Прелде всего, сколько и какие переменные необходимы для описания состояния ГЦ, а также - какая модель оптимальна для его диагностики или прогноза7 Поэтому остается важной задача разработки «минимальных') моделей ТЦ [44] Тем более чте существующие методы диагностики ииклоное, основанные на анализе облачных полей, дают лишь некоторые их параметры приводимые обычно в ипорч-сводках и характеризующие интенсивность, масштабы области штормовых ветров и перемещение Он!1 имеют большие погрешности и могут не соответствовать реальным ситуациям [12, 13]
До сих пор остается недостаточно надежной в эмпирическом плане и неясной по физическим механизмам упоминаемая многими авторами связь сезонной частоты TU с такими характеристиками верхнего слоя оі-е.ша, как температура и толщина верхнего квазиоднородного слоя или термический потениихт. океана Грея [29, 20] Здесь возникают вопросы если это не просто геоі рлфическии феномен, го на каких пространственно-временных масштабах эта срязь с)шилвует (у Грея - это климатический сезон), диагностическая она или мозьег быть исчочьзовача как прогностическая для сезонной частоты или о пильного ТЦ7
Интеьлншое развитие технологий дистанционного зондирования атмосферы и очеана [12 13, 22, 32] выдвигает задачи разработки эффективных v.toiob .інтерпреігцчи спутниковых активных и пассивных измерений в различных спектральных каналах для диагностики ТЦ и окружающей их
атмосферы, конвективною пограничною слоя в тропиках, изучения р^іпичннк аспектов рт.'?ние Щ на верхний слои океана и морей
Во второе паве «Энергетика тропических циклонов и мадопартліетричептіе модели их эвочюцни» рассматриваются подходы в моделировании -"залюцим ТЦ, в которых его состояние опредеіяется небольшим числом основные параметров В разделе 2 1 развивается энергетический под\о,т, в основе когорого лежат представления о ТЦ, как о термодинамичес'гои системе, преобразующей тепло конденсации водяного пара в механическую энеопчо движения воздуха Осесичмегричный циклон радиусом R в атмлеф.рс высотой Н описывается максимальной скоростью тінгєнциальноіо vzvpa V, ее радиусом гт и возмущением темперагуры в центре 7" Исходными являются уравнения баланса полных кинетической энергии
Ч f>' 2 (R rF
[ pv r&dz v I'owewia количества движения Д/а = 2/т| J ptirdi dz, rue
n = vr + jr2>2 - удедыый абсолютный момент копнчеггва движения,
статичесюГі энергч; воздуха 5 = 2/т[ Г (с Т + gz)prdrcb области ядра где v-
скорэсть ветра, р - пл .ті,ост» воздуха, гиг- радиальная и вертикальная і оординаты Диссипацч" энергии D и момента Dm определяются трением о поверхность, генерация энергии задается термодинамической формулой J7-A
G = f](Q\ = a('r'/l)' О), где 7і~а(Т'/Т) коэффициент полезного действия ГЦ как іепдороь машины, Т~250К и 7'- осредненные по массе столба атмосферы температура воздуха и ее возмущение в ядре ТЦ, ш\~2т[\ Г pQrdrdz -подчат мощность vcro' ітча тепла с удельной интенсивностью Q Нагревание воздуха р япре сг'ч \ << тс-- с притоком водяною пара в пограничном счое Qc, а охлаждение - с iVh-j.o1" тепла тг.кчм же по массе оттоком воздуха Qu и турбудентчыи покиоч Q на вертикальной границе ядра на радиусе МсЧ-сималі ю:о ісц,а <т При заданных радиальных профилях ветра и
возмущения трмперл,рч все Интегральные характеристики б)дут функциями
параметров состсчния К = К(У,гт,Г), Л/„ = Ma(V,rm,T'), S----S{V,rm,T') и др Для вектора состояния X = (V,rm,T)T получаем систему обыкновенных нелинейны* дифференциальных уравнений, которую можно записать в ьиде
MD — = G-D, (2 1)
где вектср-Ауккшш G -G(V,rm,V) и D = D(V,rm,7") - источники и сгоки для
соответстьующих интегральных величин, a MD = MD(V,гт,Т') - матрица
производнмх от К, hfa v S по компонентам вектора состояния X Приводятся
результат численных расчетов, показывающие, что модель воспроизводит
некоторые характерные особенности эволюции реальных циклонов
В разделе 2 2 обсулдаются некоторые особенности энергетики ТЦ Так коэффициент попезчого действия ТЦ как тепловой машины уменьшается в 2-3 раза от депрессии к тайфуну Показано, что это может быть связано с влиянием врашени? роздуха и изменений в горизонтальном распределении источника тепла и возмущений температуры воздуха на генерацию доступной потенциальной энергии (ДПЭ), а эффективность преобразования тепла конденсации в ДПЭ может уменьшаться при их интенсификации в ~2 раза только за счет изменения положения зоны интенсивных осадков По оценкам, проведенным в разделе 2 3 , учет горизонтальной изменчивости рачишионного баланса приводит к увеличению генерации ДПЭ в 1,3 - 2,2 раза
В раздете 2 і з интегральной модели учитываются особенности
энергетики ТЦ к наличие в нем вторичной циркуляции Используется
уравнение механической энергии — суммы кинетической К и потенциальной П,
связанной с розмушеїп-.еч приземного давления, для которого применяйся
соотношение градиентного ветра Система (2 1) дополняется уравнением
сохранение v'cclt гозтуха в циклоне М, а в вектор есеїсті* ьключіется
радиус внеііінеи границы R Масштабы радиальных скоростей в пограничном
слое и в голлдг атмосферы определяются из диагностических соотношений и
позволяют рассчитав баланс статической энергии области ядра циклона
Включена гак ле внутреннчя диссипация энергии вследствие горчзочгального
сдвига ветро Сообра^еніїя подобия позволяют представить поле ветты в виде v(x z,a,p), где >--r>rm, а~ ftJlV и p-gHT'JlTV1 - параметры подобия Использованы линейчые но параметрам подоби? соотношения для \(x,z,a,p), учитывающие, что но"г гетра формируется под влиянием вторичной циркупяцчи и гориэо>,т<инл!ого градиента температуры, и отражающие такие черты поля ЕСфз ргатышх ТЦ, как области антициклонпчесьих дви>чений в верхних сло«> атмосферы По заданному потк» рассчиїьшаются ві е интегральные величины р системе уравнений Их, чспочыуя параметры а, р. X - Rjr„ и ё -і'/gf!,,, мол'но записать в виде K~KL) К'(а,р,5 X), П = ПП П'(а,5,Х) М = МГ АҐ(а.8,Х), U0--\fBD M'0(a,P,S,X) и Mf-Mn М'г[а,р,о,Х) M^-M^-rMf и тд, где подстрочный символ ф)
указыЕпс1 на рчзмеринъ множитель, а (*) отмечает безразмерные ф\икции, конкретный Е!'д лоторых определяйся полем ветра \{x,z,a,P) При этом ннгегратл по вертикапи дают набор констант, л расчет инте! радов по радиать'юА 'оорді'ішіе для всех величин в системе уравнений модели сводится к вычислению vomchtol различного порядка от заданных функций v*(x), u'(>), Т (х) Эти моменты оСразугт эмпирическую основу модели Результаты численных экспериментов, показывают, что модель качественно правильно воспроизводит основные v^u в лволюшш реальных ТЦ (рис 1) В связи с этим обсултаютс? го'ложности использования таких моделей для исследования условие pdj-ития и характера эволюции ТЦ а так же в задачах прогьота !інтенсч"нзсли реатьпмх ТЦ
I? третьей jv.v ч 'Л'слоаия развития тропических циклонов^ Р'.есматр'паетсч > ил; (>б условиях чатрсвачик воздуха в центральной области тропического u<"."v i\ которл стедует из его определения как системы с ядром теплою і зл.у\а и іі'.ь-;р"ьиои області» (14]
/к r„ rw U4l »tfc КГД %
Рис 1 Эголкишя моделируемого циклопа при температур'» поверхности океана 30ЭС (1 Hi 2fiC (2) U,j - скорость втока в среднем сіое атмосферы
В раздеае 3 1 обсуждается роль вторичной циркуляции в процессах нагрсрзпия воздуха и центральной области ТЦ Прозодятсл оценки соотношения нагрег^нич теплом конденсации и адиабатического охлалсдення воздуха длч і-оппозиционных ТЦ, которые позволяют оценить минимальные іпгокносзь воз»'г>>а у поверхности д0 и температуру поверхности океана (ТПО) 7",, необхоаимые ьля развития ТЦ Так, оценки дают для депрессий //-22,5 г/кг и 7>27ПС, а для тайфунов qr -19 і/кг и />24С
В раздет? 3 2 рассмотрена простая квазибалансо'зач (выполнение cooiношений градиентного ветра) модель осесимметричного ТЦ, позроляющая получить уравнение длч пторнчной циркуляции, возникающей иод действием стационарного источника тепла С использованием решений для этой модели в разделе 3 3 формулируются условия нагревания в виде соотношений безразмерные п іраметрои двух термодинамических, »ард'<',ср<'іуіоіі,і.х влажную стріітлі','ііци|Пі!^нную атмосферу, и двух динамнчесчгч опредетлєчм< размером ядра вихря, его интенсивностью, географической широтой и бароклипностью Первый термодинамический тріметр у определяет относите тъну 'о роль тепла конденсации и адиабатического
охдаждеикя y=--Lar,cr6:H0j где q<> - влажноегь в пограничном слое атмосферы, Qz - вертикачьнмп грднигш потенциальной температуры в свободной атмосфере, L - удельная теплота конденсации, Но - высота однородной атмосферы с приземной плотностью гоздуга р0 Второй параметр є зависит от распределения влажности в толще атмосферы E-Af/pnq0H0, где М - влагосодержание атмосферы интенсивность вихря определяют отноикение статической устойчивости и инерционной в ядре вихря a=R(f^2V/R)'NH и параметр бароклннности в~9'''(\Н, равный отношению масштабов горизонтального и вертикачьиого перепадов потенциальной температуры, іде V и R - максимум ветра и его радиус./- параметр Ксриолиса, /V - частота Брента-Вяйсяля, 0' -возмущение температуры воздуха в цент, ре вихря Для нейтральной кривой у (а), выше которой легчит область нагревания, получено трансцендентное соотношение
>,
х = аЦ{1-(РІа)-\{і-єу)
где F(a)~2K](,m) I,(ra), К; (x) и І\(х) - модифицированные функции Бесселя первого порядка Характер срлзи критических для нагревания параметров у па иллюстрируют неР грати, чпе кривые у (а) на рис 2 для баротропного и бароклинчого вихрей Для бірогропного вихря существует пороговое значение 7=1 При средних значениях і и максимальном для тропиков у ~2.1 развитие вихря с гепль'м ядром возможно, если он имеет интенсивность шторма Бароілинность сникэет пороювые значения у и є, но приводит к развитию вихрей масштаба сбллкоз
В разделе 3 4 по условиям н?грсЕания оцениваются характеристики разпиррюичгкея цпклоьот Показано, что критерии развития ч целом отражают известные дрнные н'-оч'оденин
В раздеч? 3 5 пригод-iTCF результаты анализа связи циклогенеза в тропиках сечеро-западчой части Тихого океана и термодинамических
параметров а'лпсфгры Гистограммы параметра у (рис?) демонстрируют наличие порогочото л ал развития ТЦ значения близкого :< 1
Обтачн кіастер депрессия ураган, тайфун
Рпс 2 Нейтрашлітле хрчгые длч баротропното /? =0 (пунктир, є =0, 0,35, 0,4, 0,5) и блроклннио.о ш'\ря (гипошнь.е. f=0,4 /? -0,02, 0,04, 0,06, 0,08 0,12, 0,16,0,2)
~^75-
г. J
X
/ \>
-12 03 -04 0 01 05 II
Рис і Гистогрпммь' распределения термодинамического Ha;;av прг /и
меридионального гпадиеніа дапления для координат точек х-заро мтечич,
о-формирогшьтч, О-мткскмальной скорости углубления, е- Mat снмальноп
интенсивности ТЦ
Пол? у для orrt їьнмк v;cui;a ш-сазывагот, что области зарождения н рагвития ТЦ отл' і їснгі і'золі'Нг.с' /- 1, а області1 его больших значений почрътогег райони высокой itio^ юсті, ТЦ Кроме того, для развитие ТЦ нседпочтительин области >Ч'н:гчалшь\ пр.. емных скоростей ветра, фэдиечтов ТПО и лзелєш.ч (рис 3)
I!a Epeafdiib'v Кисгглбвх чарядкэ месяца определяющим фактором для частоти ТЦ яр 'Гіг и те '^ература поверхности С ней связаны ст . тичесчд? ^сточ^-иес/п, v рл<> мюеч:. атмосферы, я ее градиенты р значительной мере определит №\->я ьетрг ь р—> гсрпк-итонне сдчнги Это приводит к заключению, что герм дачjav!H-.e.
В чегворто'1 г.: а г? «Формирование тропических циклоне?» рассмотрены Tiponeccui сзанмодейстрия конрєктивчого атмосферного погріги'пгаго сло 'МІС) и фонового іеострофического потока, которые могут привести ь фор> 4nor>jr!iiio ТЦ, как системы замкнутых ииркулчшш Раз г чр.а^-сп upt^cnv- ,е>:ші о рочи мелюй главной конвенции р знде скотенпй пассажных (1fi-,-, лг1) „,-, -1, < vr;-м cr-a'crope формирования 1Ц
В розчет-.. 4 і ІГЧ4 крапая характеристика структуры атмосферы в рі'Г.иг.Т1 пассата "і-> оче~,-ч сухач своботная атмосфера л конрсктивныи тетпй и плйанты АПГ, ограниченный инверсией на высоте -15-2 км Пнверечи нл'"гіісдік)Ті,ч <-^\ в фонических возмущениях, так и р области '<глазз>-ураг.ї"ос!ітанф\ііОЕ [""Я, "?]
D рапсі; л Г соощ.чруетг? модель вз .ичодействия: конвективного \Г.С чнсл >ч / ч ' ^i л г/г," теплэ q и свободно,"» атмосферы с вертикальным ггадиечго»- пп>.'і':іі,".-.іП'л"' т^мперг.туры у при наличии фонового зонального ieocrpovji i-.^>-cr"i riC.t4 < Основні іч фоістором юторый иодсг принести к гоз.чіччсїєі "<: )'' ..v.i'f іч/р'^л'ции г. v одел и, является горизонтальная чеодюро гнсст- "cid'vv.» ізпла w-q(rу) и, ка>- следствие, гысоты АПС
Л-/-(і, і ^ v'o і<ло включает уравнения гидростатика, гсострогіические
СООЗНОШСІїН." V ЬОЗМуНП'ЧЯГ ІСЧПСратуріЛ В СЬОбоДНОЙ аТМОСфсрЗ, ЩУк'-^ДПШГС
v і эзч* цсшчч поки негра, связываются с вертикальными дс"»'еч!*?ми,
ГЛ VxIIK 'Ч)ЩЧМІІ пря ГОріІЗОїПа WCU ИЧМеНЧИВОСТИ ВЫСОТЫ АПС И КОН'ЧТ.гЄНцИИ
ірг^.'і АПС л;."\лсті<пя ;сч как перемешанный стационарами згчачоясчий ел о і с ч5-др.г и-шьч ipePHt'>* up. поверхности, высота которого сгячывоетс! с qr -ц> v/("""рчьросаи a p~#t) и градиентом 7 соотношением /Г ~ /tf - (Zqi'y), іде /;и нгчп:„ия чьтооїа [40] Масштабы геострофнчесчо'о югокз L ньтенснйисети с? п р'ччер.і источника тепла /, времен» L Ь OiiO'Ve^ioi тря параметра за" "пт
*-*-?-, /? = 2А<^Г ^/.;, (4 1)
где r~}/&j I, - ""l '//'„- малый параметр (к2 - число Зкчаї а) В уравнениях дат ЛИС сохраняется аольго члены порядка к Рассматривается эволюция полей при вчлю . іїі'.и в мо^ечг 7-0 постоянною нагревания При ^.длыч / для фу'»кци»" tcv в А.ПГ (оср?днег>ное по вертикали давченче г \ПС) j/, и в верхнем сл^е (на їмсоїе 2/і0) у2 можно записать
i,/l = -y+cxtq/2, (4 2)
y2---y*A(dqldy)-B42q, (4 3)
гле Л - ріг і Л у] п и /3 = сгЯ.' Vv/4 ' в (4 2) опущено чалое слащеное, связанное с bojmvjich^cm поточа к герхиеч слое) Структура (4 2) и (4 3) ааьова, что при іоаагш t/Auv р гиде, например унимодальной функции, при геюторілх ееошошени^, г.арзчегров дол'охно образование зрччяуїнх линчй геча. а >сл')іі}і« хіо'о - натлч;ге гнперболгічесі их точеь в нолях фуіи„мГі і о і. Нлр"с4 для '}{ х j )-емЛ -(-7 - >')\ показана кривая pfa\ рала мічюгчач оСлаии
значеним г^рммезрог с гнутыми и незамкнутыми линиями гоча р герхнеч саое Ир!' злагчьо" і вьчт\лі"оас? четыре области параметров с различным релчма^ I цир .ул?ц"и отсутствуют, II - возможна точы.о в АПС, III -
toe а
возникает в обоих слоях и ]V - только в верхнем слое. Характер образующихся потокий приведен на ряс.5, 0
Рис. 4, Нейтральные кривые Д«) з нижнем (1) и верхнем (2) слое для >}-1
Рж'.5, Поля фуйнаии ток» з пограничном слое (снизу) и в свободной атмосфере (сверху) при различных сочетаниях а и/f (7 и 0,5; 7 и1.5: 2 и 4,5).
vt!yp.i"?H4t "і зіьііой толщины А.ПС приводит к снчаони'о пороговых зісенкЛ а и /?, а "ро"я формирования сокращается Взлтю отмети rt, чіо врсм« вчод'іт в юмтексм -' и Л г, (4 3), и это позволяет оценит;- рремч фор'.інр>.'РГ'!ти і. зависимость его сг других параметров
В разлете 4 3 XI, высоты лПС использовано ургвнеькг перемененного слоя с чнгерснен на pepviefi граьнце [40] h~k0-ii>q/-\, где Л - перепад потечце.гкно! гс іпергдлра гі инверсии, є~0,2 - параметр г стечения П<зрамеірпіи "«аде4- ї'пн „ми (4 1) в этом случае буду г
z S QI< а , Z2KQT * и *и
/ Л-L'3 / Д(У2 5- J {9L
Дл* viipouzer»? причяіи, чго ситі инверсии не изменяется, а параметр o-iSJyl'j - коиоі.ччт; [40] В тех ас приближениях, что и (4 2, I 1), в этом с:; «-с гл< ф^ькаиИ roiv по гучеяы следующие уравнения
i,"c --- -у >- aipq/4 + at2q2J8, (4 5)
1-,---4 \dqlcy>)-BV2q, (4 6)
где 1 = fir/2 и 'J ~cifirjlt'/3, ьоіорьіс на малых временах ь качественном отношении потопы (4 2) и ('г 3) Это указывает на то, что " од ель взіимоісисгсч" геострО'Ьического потока и конвективного гсгранл-iuoro слоя ягт\;тся лоетточьо чгрубои» v детали параметризации ЛПС не с}щеетвешю влияют in t- ; .,аче„ігені!че характеристики Оба варианта колени дают типично дт! птач гччресбр-азования в динамике атмосферы и оьеана структур) фоновый пот г к и розчугаение
В рс"де!Є 4 4 в рдмь.'х предлагаемой модели д^етс? imicpiv^eu'is: из'-січьіч факгои о рг>;\т\ лсііияч і-р?дшествующи\ ТЦ r!pe>v,'e есе1 .і ^п.ічиг обі.стсі1 паогметрай, разделении;-, нейтральными гр іььічи >,ц pj'i, 4, еоогчпгеп'лп пзье:пн>ч из нябдюденин фактам суіцеиро-1 де"! Гари іесм. і
СИСГЄ" ^'-Є ТОДЬЮ "рОПИ'^С ,'Ч) В РКДе прИЗеМНЫХ И ВЫСШГМЧ і.іікдонОГ, с
чотмішм ядром бо'иідря ч"і ть мггорых развиваете в интсіігнрчрс ТЦ [11, М, 'О]
Благопр.іи >--''. : п формирования циклона в \'овелч оі-аіьімоісч міь'с с -о? чсги фо.іь. опі п^ока U, н эю объгсняет годовой ход частоти ГЦ -
пна V3v."^'i4Ki4. В Г Г< і-ССННИи П"рИОЛ, К0ГД1 ЗОНаЛЬНЫе ВСТр Л \Г»ШИМГ,ЛТНЫ
В прг.к- яке чрмпч _v 'ик > с известно, что возмущения, предшествующие TU, возни,,?,*'»! nj'/'ол с ''.'^ п ргйонгч затишья в іоне пассатов Это кг ^огїОї'"тр»р\ч'Г г" "urp'f'r' скорости ветра и мерианочальгого граднечіа ла^тс-чч? ? "ч тич:\ <".р.'",з;'П"! ТЦ в ссьсро-западнон части Гилого оьеанл Ср'т. 3) г> ррчкл'с модели Ні" ід п обьпснспі є «нарадою4/ ь облачных соїлсші/х, прсдгі-ч/*т}і>>ч,и< TU, сгдтичесгля устойчивость выше, чем в безеблічно" гж.псфп < [5, Ь, 21} Зависимость парачетпа /^ модели or ; пог.ннїкчч ")г м:,і'"і'і(є статической устойчисости у верхнего едоч спос(бсггуег фн]"",;!."''»,"'-) циклопической циркупмцин в свободной йтигол} ер: и"ч<\> *-'" v ,?і'і ^.лрт-ц и paCom [ЇО] Наличие ооластеп еосхоцлших верпікаїинь \ ,а>п' " дії' і» модели приводит к появіен»іК> относительно хочедчыч області*" ' свободной атмосфере В св*зи с гш it ебс^даеюч влдяч"г і;> ьг рчічн-и*' ю^гоьции и формирование ТЦ часто упоминаемых в
ЧЇГГЄ(Г'Тур2 ч'-'ОЧОЛі'Ч* /' <~рУ> '«ХОЛОДЬЬІЧ МЄЗОШЧоЮНОР», ЛХОЛОЦНЫХ
рюрхсні'Г v Оцг"!ч .'с.',' ,,-ріОі, чю при изменении темнєртгурь; повер ШОСТІЇ of 20 д' 3<"<"С ур^-і (''^"".родатн ТИ, уменьшіеіс; ь -6 ps Это о5>сияег f "б'іі'.д сак' ф.і> гр ' >i_-fifiA переходов возмущений в сфоочнрозагшкйсч никлої [151
Угйччи.'с »к і? v по' ізьісап! что разбивающаяся картина потоков суше;л,-е >п -їт)' г. от л; -трачгт?-дчгаго распределения тгревчния и дая є іірі» j"і,і",ч' его п, '->'і",і іі vj тчім", можез иметь cto'thvio структуру Тац, Р"іСіЄі'г) і. ! сто'ч;1 < -> v>r j в чіідє плато (рис б) гюказыпа'ог образование на со нр^'^сл/п -,"'Л!)'! tivofjept" узкого кольца циклоническою гетра, о-'р}>-<гччд'Ч' ''"г. л .-" )М> зічичі» г.очичееких діша-єний В ЛПС при згоч чод боч'гс ! "Л "! ", ,1, пггчс„'п"ци? циклоническая Ачалочнчічю иртиьу orvc4J>cT г рсчл >р« т,] [;] _ при развитии никгона чаапіие дарлечи? "ронзхс і п " г"с ^>\о , '-о .-чти п радиусе 4-8 широты, но 'в?кручиваетсч>
только периферия зозмуіцеішя; внутри - область затишья, где могут наблюдаться даже антишклонкческие ветры. Наблюдения так же похазываюг, что ««глаз» бури может стать различимым задолго до того, как возмущение достигнет интенсивности урагана» [14},
Рис 6. Поля функций тока при t-д.З в пограничном слое и в свободной атмосфере при функции тока в виде плато радиуса I. се^ 2, ft= 2, ц=2
Структура на рис.6 очень близка к структуре вихрей с кольцевыми ионами в поле завихренности, которые через полигональную структуру -- «вихревой кристалл», распадаются на отдельные мезомасштабные вихри [8, 33]. Предложенная модель дает один из механизмов образования таких кольцевых «нхрей в атмосфере, Для баро тройного кольцевого вихря с параметрами близкими к тем. что полечены для поля на рис,6 (радиус кольца 200 км, максимум скорости 6 м/с), приводятся результаты расчета временной эволюции, показывающие переход к «вихревому кристаллу», его распад на мезоачхри и возможность их слияние и один. Явление дробления тропических облачных систем синоптического масштаба на Мезовяхри, при объединении которых образуются ГЦ, отмечается в [18], а в [4S] возможность слияния наблюдаемых со спутников вихрей в средней атмосфере положено в основу метода прогноза формирования ТЦ.
В пяпні ь ,і і оГ'-мгм'тнч'кгЕие тропических; цнклочоп с дтегелїдіьгм ело**1' о»с*.ін?*> г?сс"огр'„-;» один и? механчччоъ етзяч! циклогенеза г тропиках с темпер .турой n^ef, 'oessi и стр}турой делгеїьчого слоя океана на ссонны;--vac'ii п-олх
в рдідо s" ^ 1 об%.,'сдг'отся особенности воздействия тропччгаих циклонов н . (і'"ті По* 2 г* о чго вч,.ад ТЦ в климатические оценки теплового баланса ро-ерч^э-п; іісгкя сравнительно мал, но их вклад в поточи зчзрп'н иетр-, , >е(пЕҐ' i',-<,
В рут/ї'-л f Г -5 <' < ікчнне ТЦ на температуру и голшнчу гег>унего ьрг,_ні.)дч(/гчідНііго fj:rt -ме иак'ноі;>) слое нзучаеіся е подели сезонного лоза Чнкдопч в і _>") "р-дст ^ tj ДіСі кдк элемент обратной сьязи в системе океан -?гмос|ерт ji\ "(.»10'.'" и интенешмостг. определяются TtvnsparvpoH моъер'чес'!», а сь<>\ і >v и оагр;пь через потоки энергии Еетрі влияюг на тотцину !' iev ;ерз ; р> перемешанного соя В разделе 5 2 приводится урав< енич ичигра'чисГ модели дгчтетьчого слоя, вчлючаюшего icpcit*'.-!riPMt; ело,' с го;го/чьо1 по глубина температурой и терчочлнн Поток і ігг^7" на її )ь-,т^<і/'Тії рясідчгшваютсч пс защнно\іу годовому ходу чо'Д' нл< ft"p? ї>\<') " об іашосп-5, іоторьте определяются процессями плз і "гг.р1" го м;ч_ч'<..\' и до значению температуры поверхности /(
Пс.р'мсц4.'ицч- і'З ь',следствия тропических циклонов и океана ргес преит - р'".\-,е -' На сезочнчх мясшт^Сах етаяние ТЦ учитывается чесез jh .-;,>.<> liw/f.D сбитого тепла LF'-1 Е(7Г,Д'), чясть которого с Ю?']\*ч;аЧЄ>ПО ! ' ,/\ 3 ,Ч11С"ЩЧМ от темпера гурп поверхности, греоироучед з з Л--Д. .і с г :">иап циклонах fi't
п, --кjts) и:,
где ^f'-. N„ <./,) л , -п,ООГ, A'^7J-ф/н.\иия iCMiiepaTj-ры поурчностії К? OvH .ест и д^'чи г - і ]. а срасти углубления и частоты різвивакяшн.ся тихоо „-гч ,s \ тії, ;,,'/_; \л-..тсл е виде A'(r) = [«/c/g2(7; - 27,5)-;r/2]/r
1Тол"п<- s'OH'irci'. ветра п чодрлн представляется суччоч кт\"\тчп,гой и
f-ап"
ірі'їзодятсг результаты чнелеш:г>'\ т'.терччеигов,
h'jhj3h:,\r
ОЛОІ ЄЮ ТСМПір'іпрвІ I! ПОТОКОВ тепла В Период ГфОГреЕ^ ІОГаЗЛО 6'ПіЖЄ к
ниблюлгсл'чч ;р'іс 7) Сзліь интенсивности ТЦ и кх "пела с іхчпгр.ггуроч гіО'тргносиі npeoiitTRveT ьерегрег-у перемешанного по' зз счет > сличения погодо') tenia п ьетрогзго nepf мешииания Таким о^стюч, в счегече г-тмоіфе'а оьгат ГЦ я^-тяю^с* ?леченточ отрицательной обратил* с.б"и Это, рсрэпнс, ср'Ъчтог и климатические значения сезонного іентозс о поіСі'цнала океані в paiioi а\ 7Т'0,шч.і.кого ци^гагенеза [20, 29]
З а і 5 7 3 9 10 .1 '2
Рч: 7 Готовой v\n іечпературьі (спега) итодіш'ни 'enpv:^ перемешанного слоя океана Г'плошныг- с учетом Ш, пункте - без ТЦ, точки лзчьь; нлг'пдеьий
В SiffCICff ЇЛЛіМ1 <і?ЄГ»"Ш«Г Г^рхнего СЛОЯ OrfCKHJi ... ~ >Ь, !!"'> но ДО' H.I суЛОИ > Ї-Пр ІЛСП'ЧССКИЧ СЪСМОл ИССЮДуеГСЧ 113%'Є <Ч> '»j."T[, г^умісго
ело? ПйЄ'Чі . -> pe^ofix прочол'іения танфунов р северо-'гнадп' н Чсі.,;* іїчого океана Дс'іїиьіє >\г 12 стг-іп^з преасіаеісньї в разделе ЛІ . ь }ачеле 6 2 кратно rpi'tt r.etb! ітсі.епьз'пашініь методы их обработку
В разделе: f і. проводится анализ изменчивости гидрологической
структуры верхнего слоя океана, связанной с прохождением ТЦ Норрис (1980
г), ,іля которого БІ но наибольшее число станций - 210 до и НІ после
ТЦ. Максимальные возмущения толщины верхнего кваз и однородно го слоя (ВКС) И значительная отрицательная аномалия ТГЮ отмечаются в районе, где ТЦ достиг интенсивности тайфуна (рис.8). На большей части акватории в следе температура поверхности повысилась, а максимальные положительные аномалии достигали 2С, что связывается с выносом дрейфовыми течениями теплых вод из зоны конвергенции Куросио. Меридиональные разрезы показывают довольно пеструю картину возмущений температуры, которые отмечаются до глубин С00 - 1000 м. Для примера на рис,9 показаны структура аномалий температуры воды на разрезе вдоль 130я в.д. В целом «след» ТЦ в верхних 400 м оказался теплым - ано малий теплосодержания здесь положит*.
Рис.8 \ нома.іі гс - ' і: і:; - лту р ы п о верхности (с лева, IJC) и гл у б и н ы ве р х н с го -ого слоя (справа, м) после ТЦ Норрис
Рие.Э. Меридиональный разрез () 30 и,д) аномалий температуры воды (С)
после ТЦ Норрис
В разделе 6.4. данные гидрологических съемок для .1 полигонов используются для опенок характеристик горизонтального обмена и возможного влияния на них возмущений, связанных с ТЦ. Оценки включают возмущения геосгроф и ческой скорости, их горизонтальный масштаб, Коэффициент обмена (К). Значения Показались в диапазоне от 1,4'10і м2/с в районе Куросио южнее Японских островоЕ до 510'1 м'/с восточнее Куросио- Проведено сравнение их с оценками по данным дрифтерных измерений за период 199Ы997 г.г. [38], В оценках после ТЦ можно отметить тенденцию к снижению коэффициентов обмена. Значимые максимальные изменения К с -5-ІО3 до -3T0J мг'с получены в районе ь о сто ч нее Куросио после супер-тайфуна Винни.
В разделе 6.5. приведены оценки потоков импульса, тепля, влаги и энергии ветра по судовым гидрсмегеорологическим данным до и после ТЦ и во время прохождения ТЦ, которые сравниваются со среднемесячными из атласа морской метеорологии [25!. Результаты показывают, что суммарная теплоотдача по району во время действия тайфуна Норрис превышает в 1.1-1.3 раза фоновые ?ничеиия, полученные по судовым данным, и а 1.5-!.5 раз значения из атласа, но потоки энергии аегра превышают в 6 рз-j оценки по судовым данным и р 5-7 раз среднемесячные из атласа. По всем ТЦ poor теплоотдачи был не более чем в 2 раза относительно фононых и среднемесячных, но потоки энергии ве7ра могут превышать более чем в 30 раз фоновые и среднемесячные. При этом, например, в ТЦ Норрис изменения
теплосодержгннч а потенциальной энергии, соизмеримые с полной теплоотдачей ь энергией ветра на поверхности океана за время воздействия прослеживаются только в верхнем перемешанном слое до глубины -75 метров
В седьмое главе «Дистанционные методы в исследованиях тропических цикли»ог. і! их поздействия на океан» обсуждаются некоторые подходы, методы и результаты использования данных дистанционных методов в изуении динамик» и вертикалі.чой структуры тропической атмосферы, изменчивости приповерхностного слоя океана и морей при воздействии ТЦ
В разделе 7 і рассмотрены некоторые алгоритмы восстановления полей ветра по хаотично распределенным спутниковым данным об <'облачном ветре» или ретре в «поле ровного пара» Реализуются два подхода скалярный, в котором состаплягопи? ветра представляются как скалярные, независимые велич»ны, и гидродинамический, где Бетер находится из решения уравнений Пуассона длч гнхресой и дивергентной составтяющих Используются различные методы аппроксимации на конечных элементах, образуемых при триангуляции области данных Алгоритмы включают процедуры іеомстриисС!-оіо Э'(3лшар1спр.деленив данных, оценки качества триангуляции и ее оптимизации, /сі отъзчщего контроля», при котором из данных поочередно удаляюгс точки, пс-рес шшйрю^ся поля, а в точках данных проводятся оценки разброса По! азано чю для данных японского геостаиионарного спутника GVSS-5 оба подхода да от одинаково большие погрешности -15-25%, но гидродинамический метод позволяет сохранять при этом некоторые качест,.»нчые ссобеьн- гтл полей Приводятся примеры восстановленных полей и; данных по «облапошу чегр>ч> для северо-западной части Тихого океана при прохождении гргн 4t'„K>"v циклонов Из-за малой плотности данных в і»ентратьной об '„сій ТИ, их ассичетричного распределения, бодыиого разброса обпаиі'і'х марыроч по . ертжяли, в целом поля ветра в Щ восстанавливались недостаточно точчп д "і ои-лю-с ею хараїтернстик
В разделе 7,2. на примере судовых лидарных измерений в тропиках Индийского океана показаны некоторые аффективные методы анализа структуры пограничного слоя. Границам структурных элементов соответствуют локальные максимумы относительной изменчивости сигналов обратного рассеяния. Они хорошо вьшеляются и дают надежные оценки высоты инверсин, толщины инверсионного слоя, высоту уровня конденсации даже в условиях сильной зашумленности данных и при малом диапазоне регистрации сигналов. Тонкие детали в структуре проявляются в отклонениях сигнала рассеяния от сглаженного по времени. На рис.10 приведен пример, результатов обработки лидарных сигналов для трехчасовою фрагмента в ясную ночь $.03.03 года, когдз в исходных сигналах не просматривались какие либо слои: слеза - после удаления минимального для каждой высоты сигнала, справа - вертикальный профиль изменчивости (гистограмма распределения локальных максимумов по высоте) Максимумы изменчивости четко выделяют уровни -1700 м и -500 м, соответствующие инверсии и уровню конденсации. Эти результаты показывают, что предложенные подходы могут быть применены в перспективных методах анализа данных лидарного зондирования со спутников при диагностике пограничного слоя атмосферы я тропиках [22).
Рис, 10. Пример обработки данных лидарного зондирования пограничного
слоя атмосферы е тропиках Индийского океана
:!9
Вые ста, и
В разделе 7 3 по данным спутникового сканера црэта морской поверхности SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-vie\\ Sensor) проведен анализ изменчивости полей концентрации хлорофилла "ал при прохождения трех тропических итпо"ос г северо-западной части Тихого оеана - Цимарон (2001 г), Пабук (2001г), Р>са (2002 г) Выбор ТЦ и районов ограничивался натичием достаточно кс-зичества данных сканера и возможностью проведения сравнительного ачатінг поіеи а океане и в окраинных морях, в шельфокых водах и в открытой <- гсш морей Отклик па тайфуны проявляется в изменениях формы гистог'ра'(А< гончстрлций и пространственных спектров во временном ходе средних зк?ченіій Посіє ТЦ в просгрднстренных спектрах концентрации хлорофилла в диапазоне от 8 до 60 км появляются пики, связанные с инерционными лрчжсннкми в приповерхностном стое и наличием зон апг.еллинга и дзунвелчйнга Показзно, что в течение первой недгли после ТЦ, во всех слуи^ях, нгилі'ідпся poor средних концентраций, а в течение Еторой они обычно Еозвріч'аліігь к непозчущенным значениям Но особенности такого «переходного процесса» существенно зависят от географических уповий Так в огьрытых о,\Єяннчесх;>х во № изменения коьцентрании происходят медленнее, чем на коктнчеитагл.чо'і шельфе, а па шельфе Сахалина во временном ходе набтюдаются колебания
В разделе 7 4 приведены результаты оценок віікния ГЦ на статистические характеристики полей температуры поверхности в Охотском море по данным спужиьоз сірий NOAA На рис, 11 показан пример изменений во времени гистограмм температуры поверхности и корреляционных эллипсов при про>о>\деж'и ТЦ Руса в 2002 г После циклона проявляется "ногомодозос.ь ги.л^ц\^м (рч"11,а) Со временем отмечается смещение іистограмч и со"",1" >к » од в них, что отражает процессы восстановления полей в вермісм 'ліо. мор ( Рис 11 б демонстрирует изменения в размерах и ориентации юррглчц;;р»'Чі„\. этлипсов и указывает на увеличение масштабов неоднородносгей и інменение их ориентации, определяемой скоростью и направлением дрейфеч і\ те^єчий
Р'іс 11 Гпогегря,*'?1о( температуры поверхности и короечяці'сіиісіе > vamcii до
и после ТЦ Руса 2002 г
Условия развития тропических циклонов и взаимодействие их с океаном по результатам натурных наблюдений, теоретических исследований и численного моделирования
Целенаправленные исследования ТЦ, как и в целом тропическая метеорология, начали развиваться сравнительно поздно - только в конце тридцатых годов прошлого века [67,66,81], когда в тропиках возникла очень редкая сеть метеорологических станций. Эти исследования в то время стимулировались необходимостью обеспечения метеорологической информацией и прогнозом гражданской и военной авиации. Достаточно полное представление о направлениях и результатах исследований тропической атмосферы и ТЦ, их истории и современном состоянии дают материалы и труды международных симпозиумов [47,137-140], монографии [24,29,76,144,146], главы обзорного характера в работах [81,80,117,118,119], обзоры [44,127,120,152] и отдельные работы [79,107,124-126]. Цель настоящего обзора - кратко рассмотреть некоторые результаты исследований, имеющие отношение к вопросам условий зарождения, формирования, развития ТЦ и взаимодействия их с верхним слоем океана.
Один из фундаментальных и практически важных вопросов изучения ТЦ - почему из нескольких сотен тропических возмущений синоптического масштаба появляющихся в течение года в тропических широтах океанов [216,217,310], только несколько десятков развиваются в ТЦ и едва более десятка достигают интенсивности ураганов и тайфунов? Какие географические условия, параметры атмосферы и океана определяют частоту и интенсивность ТЦ? Найти ответ на этот вопрос было основной целью большого числа исследований ТЦ климатического характера. Климатические особенности тропических районов океанов в разные сезоны в связи с повторяемостью ТЦ изучались Греем [216,217] на основе 20-летнего ряда данных за 1952-1971 годы. В качестве параметров, определяющих частоту ТЦ, были выбраны: относительная завихренность на нижних уровнях атмосферы, параметр Кориолиса, вертикальный сдвиг ветра, градиент эквивалентно-потенциальной температуры в нижнем слое атмосферы от поверхности до уровня 500 мб, средняя относительная влажность в тропосфере, термический потенциал океана, определяемый превышением температуры воды в верхнем слое океана глубиной 60 м критического значения 26С. Эти параметры были сведены в один -сезонный потенциал генезиса (СПГ), таким образом, что бы его численные значения были близки к наблюдаемому числу ТЦ за 20-летний период. Выбор параметров основан на качественных рассуждениях о механизмах влияния того или иного параметра. Для разных сезонов были построены карты параметров и частоты зарождения ТЦ, осредненные по 5-градусным квадратам, на которых отмечается некоторое подобие изолиний параметров и частоты ТЦ, что было расценено как подтверждение правильности выбора параметров в СПГ.
В работах [41,274-276] был проведен анализ параметров, входящих в СПГ. Показано, что термодинамические характеристики мало изменяются от циклона к циклону, практически не отличаются в развивающихся и неразвивающихся возмущениях, а различия в значениях СПГ полностью определяются динамическими характеристиками (параметром Кориолиса, завихренностью, вертикальным сдвигом ветра). При этом развивающиеся возмущения существенно отличаются значениями потенциала генезиса, равного разнице завихренности на уровне 900 мб и 200 мб. В работах [41-43,146] критически проанализирована роль каждого из параметров в СПГ и предложено исключить из определяющих вертикальный градиент эквивалентно-потенциальной температуры и термический потенциал океана, а относительную влажность заменить приведенной относительной при температуре поверхности океана (ТПО) равной 29С. На основании результатов численных экспериментов с осесимметричнои моделью ТЦ [144,146] вместо линейной зависимости СПГ от параметра Кориолиса предложена более сложная, отражающая связь минимального давления в центре моделируемого ТЦ с широтой, которая изменялась в ходе расчетов смещением ТЦ на север или на юг со скоростью 5 м/с (заметим, что движение задавалось после выхода моделируемого ТЦ на квазистационарный режим на широте 20ш.).
Поскольку параметры, входящие в СПГ, часто используются и как определяющие условия для зарождения или развития отдельных ТЦ, необходимо заметить, что климатический подход, использованный Греем, дает лишь указание на статистическую связь между частотой ТЦ и тем или иным параметром. Однако, сама сезонная частота ТЦ является климатической характеристикой сложной системы океан-атмосфера планетарного масштаба и поэтому наличие в ней ТЦ, их частота могут в свою очередь влиять на любой другой климатический параметр атмосферы или океана. С этой точки зрения, представляется некорректным введение каких либо поправок в эмпирические формулы связи климатических параметров и частоты зарождения ТЦ на основании результатов численных экспериментов с моделями отдельных ТЦ [144,146], так как каждая модель будет давать свои «эмпирические» связи и поправки. Необходимо обратить внимание и на то, как понимается термин «зарождение». По Грею это первое сообщение о ТЦ с ветром более 17 м/с, который затем развивается в шторм или ураган. Если же считать зарождением ТЦ образование облачных скоплений, 8-10% которых превращается в интенсивные ТЦ [216,217], то карты сезонной частоты значительно изменятся, сместятся и зоны максимальных частот. Так, по данным спутниковых наблюдений [310] большинство облачных скоплений, наблюдаемых в районе Карибского моря, образуются далеко на востоке, а 50% возникают над Африкой. По данным [274-276] большинство ТЦ западной части австралийского региона возникли как муссонные депрессии над материком. Важным оказывается и размер начальных возмущений. По результатам сравнения размеров облачных полей по спутниковым изображениям развивающихся и неразвивающихся кластеров, отмечено [205], что средний диаметр первых на 15-30 %. больше чем вторых.
Полуэмпирическая модель эволюции тропического циклона
Проведенный краткий обзор показывает, что, несмотря на большое число исследований по ТЦ, многие важные вопросы и задачи еще далеки от глубокого понимания и удовлетворительного решения. В частности, отсутствуют достаточно обоснованные теоретические представления и комплексные критерии формирования и развития тропических возмущений в штормы, ураганы и тайфуны. Остаются недостаточно ясными механизмы климатической связи интенсивности циклогенеза в тропиках с температурой поверхности и структурой деятельного слоя океана. При существующей неопределенности в описании и параметризации источников (стоков) тепла и мелкомасштабных процессов в современных многоуровневых численных моделях атмосферы, представляется не лишенной смысла и практического значения задача разработки простых моделей, в которых эволюция циклона описывается небольшим числом переменных, определяющих его интенсивность и структуру. Такие простые модели могут найти применение в «ансамблевых» прогнозах, когда требуется многократно проводить расчеты при различных начальных условиях или плохо определенных параметрах. Подобные модели могут быть полезными также в исследовании взаимодействия ТЦ с океаном, примером чего является работа [156], в которой использована простейшая модель эволюции ТЦ Щулейкина [154]. Разработка таких моделей требует изучения вопросов преобразования в ТЦ тепловой энергии в кинетическую, параметризации источников и стоков тепла и турбулентности. Остаются актуальными вопросы использования в задачах диагностики ТЦ и изучения их воздействия на океан современных технологий дистанционного зондирования атмосферы и поверхности океана со спутников. Подходы к решению указанных вопросов и задач и полученные результаты обсуждаются в следующих главах работы.
В главе рассматриваются модели эволюции ТЦ, в которых состояние циклона описывается минимальным набором основных переменных -максимальным ветром и его радиусом, возмущением температуры воздуха в центре. Для параметризации процессов перехода энергии источников тепла в энергию движения воздуха в циклоне развивается энергетический подход, в котором циклон рассматривается как термодинамическая система (тепловая машина), преобразующая тепло в механическую энергию.
Феноменологические представления о ТЦ, как тепловой машине, преобразующей энергию конденсации водяного пара в энергию вращения воздуха, были высказаны еще Рилем ВІ954 [119], использовались в работе [201] для анализа стационарного ТЦ и реализованы в простейшей модели эволюции ТЦ Шулейкиным В.В. [154]. В таком подходе (далее -энергетический) основное - уравнение баланса полной кинетической энергии вращения воздуха где G и D - скорости генерации и диссипации кинетической энергии. G определяется коэффициентом полезного действия (КПД) Г] и мощностью источника тепла (О) по известной термодинамической формуле: где rj = a{T m/T), а - эмпирический коэффициент, ш) = 2п Г [ pQrdrdz, с Q - удельным нагревание (здесь и далее черта над символом означает интегрирование или осреднение по массе столба атмосферы, а угловые скобки - интегрирование по площади); Г 250К и Т т - осредненные по массе столба атмосферы температура воздуха и ее возмущение в ядре ТЦ; г и z - радиальная и вертикальная координаты, R - внешний радиус ТЦ, Н -высота атмосферы. При заданном распределении ветра v(r) = V v„ (г), где V- максимальная скорость, v,(r)- заданная функция, после интегрирования по г определяются K=K{V), G=G(V), D=D(V), а (2.1) дает простое дифференциальное уравнение для V(f), которое решается аналитически. Модель [154] содержит ряд недостаточно обоснованных предположений и сильных упрощений. Так, кинетическая энергия в (2.1) связывается с вращением воздуха, а растущие решения получаются с начальным значением F(0)=0. Но вращение требует наличия начального момента количества движения или его источников. Оказались исключенными такие важные для эволюции синоптических систем факторы как вращение Земли, стратификация атмосферы, адиабатические изменения температуры при вертикальных движениях. В модели жестко задана структура тайфуна - постоянные радиус глаза и угол поворота ветра в пограничном слое. Тем не менее, представляется что, рассматривая соотношение (2.2) как способ параметризации сложных процессов преобразования энергии в ТЦ, можно строить простые и довольно реалистичные модели эволюции ТЦ с несколькими переменными. Здесь возникает вопрос о параметрах, наиболее полно характеризующих состояние ТЦ. Очевидно, что кроме максимальной скорости ветра, нужно рассматривать ее радиус гт, который изменяется в широких пределах от 10 до 300 км. Важной характеристикой ТЦ является возмущение температуры воздуха в центре, определяющее не только его КПД в (2.2), но через соотношения термического ветра и структуру поля ветра. Таким образом, максимальный ветер V, его радиус гт и возмущение температуры воздуха Тт в центральной области образуют минимальный вектор состояния ТЦ. Для этого вектора ниже выводится система уравнений.
Характеристики развивающихся тропических циклонов
Прежде всего, оценим диапазоны изменчивости параметров у и а по известным характеристикам тропической атмосферы и циклонов. Данные из [118,211,250] для тропической атмосферы дают значения y=8Q/dz от 3,7 10"3 К/м до 4,3-10"3 К/м, а для тихоокеанских облачных скоплений по данным [211] у=4,0-10"3 К/м. В районах активности ТЦ данные из [6] показывают, что сезонная изменчивость у по. превышает 10% от 3,7-10 30К/м (ноябрь) до 4,0-10"3 К/м (август). Влажность воздуха qo на верхней границе пограничного слоя (уровень 900 мб) можно принять пропорциональной ее приводному значению q0s. с коэффициентом от 0,75 для средних условий до -0,87 в центре тайфунов [211]. qos определяются температурой воздуха Tas по насыщающему значению удельной влажности q (T) и относительной rh, которая над океаном в тропиках изменяются от -80% в безоблачных условиях до -95% в «глазе» тайфуна [211]. Температура Tas определяется значениями ТПО Ts. Примем для тропических широт значение разности температуры вода-воздух Tsas—lC 101,135,164], максимальные ТПО на синоптических масштабах осреднения 31С [232], а минимальные 20С. При rh=95% , q0-0, l-q0s , 7=3,7 10"3 К/м и 7 =31 С получаем максимальную оценку /=2,0. Даже при 100%-й влажности значения / не превосходят 2,1. Минимальное /=0,7 получаем при rh=S0%, q0=0,75-qos, 7=4,0-10 3 К/м и Г,=200С. Таким образом, для тропической атмосферы диапазон значений /=0,7 - 2,1. Для сезона ураганов в Атлантике и Тихом океане по данным [211] получаем оценку у =1,3. Сезонные изменения у связаны, прежде всего, с влажностью, которая в районах активности ТЦ в Атлантике и Тихом океане меняется на -25% - от минимальных значений в феврале до максимальных в августе, при этом на -30% изменяется параметр є , оцененный нами по данным о влагосодержании атмосферы из [6].
При оценках параметра а, учтем, что ТЦ наблюдается на широтах 3-35 ш. Максимальные значения а =1,3 соответствуют супер-тайфунам с F=100 м/с, а минимальные а =0,05 облачным кластерам при V-5 м/с и Д=250 км.
Оценки условий образования теплого ядра для ТЦ проведем при =0,4 и /Г=0. Предельное значение /=1 дает минимальную температуру поверхности 7 20,5С (гА=100%, q0=0,87-q0S, 4,0 10"3 КУм). Максимальное для ТЦ значение а =1,3 дает у =1,2 и Г,,=23,5 С. Известно, что углубляющиеся ТЦ не наблюдаются при ТПО менее 23С [90,286]. Большое число работ по анализу условий развития ТЦ касаются, по существу, условий превращения депрессий в штормы, поэтому оценим минимальные ТПО для них. При верхней оценке для депрессий а =0,5 получаем минимальное критическое значение /=1,55 и влажность qo=\9 г/кг (т=4,0-10" К/м), а у поверхности g0s=g0/0,87=22 г/кг. Это превышает среднюю влажность 17-19 г/кг [118,211] в сезоны активности ТЦ. Однако, аномалии влажности в пограничном слое слабых ТЦ достигают 3-4 г/кг, а в интенсивных - 4-6 г/кг [245]. В [144,146] моделируемый циклон начинал развиваться лишь после того, как влажность достигала 20-22 г/кг. Для #05=22 г/кг минимальная температура воды TS=27,5C. Температура 26-28 С часто указываются как пороговая для развития ТЦ [127,80,118,216,217]. Из монотонности у {а) следует, что при развитии ТЦ с увеличением а критические значения у понижаются, а с ними и влажность и ТПО. Из этого следует, что, начав развитие при достаточно высоких ТПО, ТЦ далее может развиваться при более низких, но выше 20,5С.
Фиксируя максимальное для тропиков значении /=2,0, получаем условие развития # 0,22, что позволяет оценить минимальные широты или скорости максимального ветра развивающихся возмущений. Прежде всего, отметим, что это условие формально может быть выполнено на экваторе (/=0), но при этом необходима скорость ветра более 17 м/с. У экватора возмущения масштаба ТЦ с такими ветрами практически не наблюдаются [80,118,216,217]. Облачный кластер с максимальными для него R=500 км и Р=10 м/с будет развиваться на широтах более 9ш. Минимальную широту развития штормов, ураганов и тайфунов из депрессий получаем, полагая Р=17 м/с, а радиус ядра R равным расстоянию до экватора. Условие а =0,22 дает широту 4 ш. Реальные штормы, ураганы и тайфуны наблюдаются на широтах более 3-4 ш. По результатам численных экспериментов в [144,146] делается вывод о возможности развития ТЦ при нулевом начальном вихре (при этом, однако, в начальный момент задавалось возмущение поля температуры воздуха с аномалией в центре 1С, либо радиальная скорость 2,5 м/с). Полученные условия развития отражают такую возможность, но при этом необходимо наличие положительной аномалии притока тепла и достаточно большие широты. В этом случае R имеет смысл горизонтального масштаба аномалии притока тепла, при которой развивается вторичная циркуляция и часть абсолютного момента покоящегося в начальный момент воздуха будет переходить в относительный. Если считать, что источник тепла и в этом случае связан с конденсацией, то выражения (3.31) и (3.33) при Г=0 показывают, что для развития необходимы большие широты или размеры возмущения. Так, при максимальном /=2,1 из условия ее =0,22 с i?=500 км и V=0 получаем широты более 30 , но реальные значения у в этих широтах не превышают 1,5.
Рис.3.4 показывает, что бароклинность снижает на 5-10% критические значения у и тем самым способствует развитию ТЦ. Сопоставить это с ролью бароклинности в развитии реальных ТЦ довольно сложно. Так, в [274-276] лишь отмечено, что развивающиеся возмущения имеют более четко выраженное и обширное теплое ядро, чем неразвивающиеся. В соответствие с уравнением термического ветра бароклинность связана с вертикальным сдвигом ветра. Известно [111,217,275], что развивающиеся возмущения отличаются от неразвивающихся большим сдвигом ветра между уровнями 900 и 200 мб. Это косвенно подтверждает правильность учета бароклинности в условиях нагревания (3.33).
Влияние пассатной инверсии на формирование тропических циклонов
Довольно широко распространенным является представление об определяющей роли глубокой влажной конвекции как источника тепла в формировании ТЦ, однако известно, что наличие глубокой конвекции не является обязательным на ранних стадиях зарождения циклона [119]. В данной главе развиваются представления о мелкой конвекции, как об основном факторе формирования ТЦ. При мелкой конвекции источник тепла локализован в конвективном пограничном слое атмосферы. Необходимо отметить, что часто в работах, посвященных «возникновению» [82], «образованию» [70], «зарождению» [11,101], «формированию» [279] ТЦ, их «самоорганизации» [3], перечисленные термины (в основном из названий работ) чётко не определяются и с ними связывается усиление начального возмущения. Далее термины «формирование» или «зарождение» ТЦ означают появление в потоке замкнутой циклонической циркуляции или замкнутых изобар, что входит в определение ТЦ [148] и соответствует определению вихрей в геофизической гидродинамике, как структурных образований, характеризующихся наличием замкнутых линий тока [39,57,65].
Развиваемые в работе представления о формировании и развитии ТЦ в значительной степени основываются на существовании в тропиках устойчивых элементов крупномасштабной циркуляции, которые формируются процессами планетарного масштаба и на синоптических масштабах определяют фоновые условия развития возмущений. Это, прежде всего, система пассатных ветров с характерной для них структурой нижней атмосферы над океаном: конвективный теплый и влажный атмосферный пограничный слой (АПС), ограниченный на высоте -1,5 - 2 км четко выраженной инверсией с перепадом температуры в несколько градусов, и сравнительно сухая атмосфера выше [66,118,119]. То, что ТЦ развиваются и перемещаются в пассатах, отмечается уже в ранних исследованиях тропической атмосферы [81,119]. В связи с этим отметим, что в исследованиях ТЦ и в численном моделировании широко используются осредненные климатические вертикальные профили температуры и влажности в тропиках (обычно из [211]). При этом инверсия теряется, существенно искажаются характеристики АПС и атмосферы над ним, такие как градиенты температуры и влажности, которые могут не соответствовать реальным на синоптических масштабах.
В большинстве работ по условиям развития ТЦ используются представления в духе гипотезы конвективной неустойчивости второго рода (CISK) и используется экмановская теория пограничного слоя, связывающая источник тепла конденсации в мощных кучевых облаках (глубокая конвекция) и вертикальные скорости с вихрем геострофического ветра [186,208,269,289]. Но АПС в тропиках в области пассатов существенно отличается от классического экмановского [311,]. Это устойчивый хорошо перемешанный и влажный ПС, ограниченный инверсией. Он формируется процессами конвекции, а не ветровым трением [311]. Структура потоков в нем отличается от таковой в нейтральном экмановском слое. Известные параметризации, основанные на гипотезе CISK и ее вариантах, не учитывают этого обстоятельства. Таким образом, из анализа условий формирования и развития ТЦ исключается важный элемент в структуре атмосферы.
В районах пассатов АПС формируется при влиянии процессов крупномасштабного оседания связанного с крупномасштабной горизонтальной неоднородностью температуры поверхности океана [311,343]. С учетом крупномасштабных вертикальных движений со скоростью w для высоты h, температуры в перемешанного слоя и силы инверсии А можно записать систему эволюционных уравнений [311,325] где у - градиент потенциальной температуры в свободной атмосфере выше АПС, Q0 - поток тепла на поверхности океана, Qt - поток на уровне инверсии. Система замыкается соотношением между поверхностным потоком и потоком на уровне инверсии Qi = - 20, где є « 0,2 - параметр вовлечения. Важно, что при отрицательных скоростях вертикальных движений (оседание) система (4.1-4.3) имеет стационарное решение, а именно:
При этом характерное для тропиков время установления этих равновесных значений составляет порядка 15 минут [311]. Таким образом, локальные возмущения нагревания или вертикальные движения приводят к возмущению основных характеристик АПС. Неоднородности рельефа высоты АПС в свою очередь могут вызывать возмущения в фоновых полях ветра в свободной атмосфере, что аналогично орографическим или топографическим эффектам в динамике атмосферы и океана [33-35, 39,57]. Перемешанный конвективный слой и инверсия, ограничивающая его, наблюдается не только в невозмущенных пассатах, но и четко выделяется в центральной части синоптических возмущений в тропиках и даже в области «глаза» ураганов и тайфунов [212,333]. Так в [212] по данным дропзондов, выпущенных с самолета в «глазе» урагана, в профилях температуры и влажности хорошо выделялась инверсия, высота которой при эволюции урагана изменялась от -1500 м до —3100 м с перепадом относительной влажности от 100% до 33%. В диагностическом анализе структуры урагана в [333] в центральной области тайфуна так же отмечалась интенсивная термическая инверсия на высотах 2500-3000 м.
