Применение теории турбулентного вихревого динамо для ранней диагностики зарождения тропических циклонов

Все более очевидным становится изменение климата, которое приводит к увеличению числа интенсивных атмосферных вихрей (тропических и квазитропических циклонов, полярных ураганов, облачных смерчей-торнадо) и расширению географических и сезонных пределов их появления. Недавним примером стал черноморский квазитропический циклон 11–16 августа 2021 г. В этих условиях чрезвычайно важна точная диагностика циклогенеза и основанный на ней прогноз дальнейшей эволюции и траектории формирующегося вихря. Главным источником энергии для тропических, квазитропических и полярных ураганов является тепловая конвекция, вызванная значительной разностью температур между атмосферным слоем и подстилающей водной поверхностью. Это позволяет предложить единый подход для диагностики циклогенеза во всех трех случаях.

Впервые предложен оригинальный подход для определения точного времени начала тропического циклогенеза. Такой подход включает комбинированный анализ спутниковых изображений облачности и соответствующих данных облачно-разрешающего численного моделирования для области развивающегося вихревого возмущения. Теоретическим базисом является фундаментальная гипотеза о турбулентном вихревом динамо. Теория дает количественные критерии, определяющие возбуждение крупномасштабной вихревой неустойчивости в атмосфере. Атмосферное численное моделирование позволяет точно определить момент времени, в который реализуются необходимые условия для возникновения неустойчивости. Этот момент интерпретируется как начало циклогенеза. Найденные в работе специфические конфигурации вихревой облачной конвекции, соответствующие начальной стадии циклогенеза, могут быть использованы в оперативной метеодиагностике при анализе спутниковых изображений облачности. Иллюстрация подхода дана на примере диагностики тропического циклогенеза.

1. Beven II J.L. Tropical Cyclone Report: Hurricane Pablo. Miami, Florida: National Hurricane Center. 27 January 2020. URL: https://www.nhc.noaa.gov/data/tcr/AL182019_Pablo.pdf (дата обращения: 24.04.2022).

2. Emanuel K. 100 years of progress in tropical cyclone research // Meteorological Monographs. 2018. Vol. 59, N 1. P. 15.1–15.68.

3. Met Office. Miscellaneous Images. Black Sea Vortices. URL: https://web.archive.org/web/20070109143418/ http://www.metoffice.gov.uk/weather/tropicalcyclone/tcimages/Misc/blacksea1.gif (дата обращения: 24.04.2022).

4. Met Office. Miscellaneous Images. Black Sea Vortices. URL: https://web.archive.org/web/20070109143556/ http://www.metoffice.gov.uk/weather/tropicalcyclone/tcimages/Misc/blacksea2.gif (дата обращения: 24.04.2022).

5. Ефимов В.В., Шокуров М.В., Яровая Д.А. Численное моделирование квазитропического циклона над Черным морем // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43, № 6. С. 723–733.

6. Ефимов В.В., Станичный С.В., Шокуров М.В., Яровая Д.А. Наблюдение квазитропического циклона над Черным морем // Метеорология и гидрология. 2008. № 4. С. 53–62.

7. Gismeteo. Новости. 16 августа. URL: https://www.gismeteo.ru/news/weather/poltonny-vody-na-kvadratnyj-metrv-temrjuke-vypala-godovaya-norma-osadkov/?utm_source=gismeteo&utm_medium=rss_feed&utm_campaign=news (дата обращения: 24.04.2022).

8. Levina G.V. On the path from the turbulent vortex dynamo theory to diagnosis of tropical cyclogenesis // Open Journal of Fluid Dynamics. 2018. Vol. 8, N 1 P. 86–114. doi:10.4236/ojfd.2018.81008

9. Левина Г.В., Монтгомери М.Т. О первом исследовании спиральной природы тропического циклогенеза // Доклады АН. 2010. Т. 434, № 3. С. 401–406.

10. Левина Г.В., Монтгомери М.Т. Численная диагностика тропического циклогенеза на основе гипотезы о спиральной самоорганизации влажно-конвективной атмосферной турбулентности // Доклады АН. 2014. Т. 458, № 2. С. 214–219.

11. Levina G.V., Montgomery M.T. When will cyclogenesis commence given a favorable tropical environment? // Procedia IUTAM. 2015. Vol. 17. P. 59–68.

12. National Hurricane Center and Central Pacific Hurricane Center NOAA 2022; NHC Aircraft Reconnaissance. URL: https://www.nhc.noaa.gov/recon.php (дата обращения: 24.04.2022).

13. Levina G.V. Birth of a hurricane: early detection of large-scale vortex instability // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1640. 012023. doi:10.1088/1742–6596/1640/1/012023

14. Levina G.V. How does cyclogenesis commence given a favorable tropical environment? // Environmental Science Proceedings. 2021. Vol. 8, N 1:20. doi:10.3390/ecas2021–10320

15. Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Яновский В.В. Теория возникновения крупномасштабных структур в гидродинамической турбулентности // ЖЭТФ. 1983. Т. 85, Вып. 6(12). С. 1979–1987.

16. Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Шукуров А.М. Физический механизм усиления вихревых возмущений в атмосфере // Доклады АН СССР. 1983. Т. 273, № 3. С. 549–553.

17. Фриш У. Турбулентность. Наследие А.Н. Колмогорова / Пер. c англ. М: Фазис, 1998. 346 с.

18. Steenbeck M., Krause F., Rädler K.-H. A calculation of the mean electromotive force in an electrically conducting fluid in turbulent motion, under the influence of Coriolis forces // Zeitschrift für Naturforschung. 1966. Vol. 21A. P. 369–376.

19. Frisch U., She Z.S., Sulem P.L. Large-scale flow driven by the anisotropic kinetic alpha effect // Physica D: Nonlinear Phenomena. 1987. Vol. 28. P. 382–392.

20. Руткевич П.Б. Уравнение вихревой неустойчивости, вызванной конвективной турбулентностью и силой Кориолиса // ЖЭТФ. 1993. Т. 104. С. 4010–4020.

21. Hendricks E.A., Montgomery M.T., Davis C.A. The role of “vortical” hot towers in the formation of tropical cyclone Diana (1984) // Journal of the Atmospheric Sciences. 2004. Vol. 61. P. 1209–1232.

22. Reasor P.D., Montgomery M.T., Bosart L.F. Mesoscale observations of the genesis of Hurricane Dolly (1996) // Journal of the Atmospheric Sciences. 2005. Vol. 62, N 9. P. 3151–3171. doi:10.1175/JAS3540.1

23. Montgomery M.T., Nicholls M.E., Cram T.A., Saunders A.B. A vortical hot tower route to tropical cyclogenesis // Journal of the Atmospheric Sciences. 2006. Vol. 63. P. 355–386. doi:10.1175/JAS3604.1

24. Wikipedia 2021 The Free Encyclopedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Hot_tower (дата обращения: 24.04.2022).

25. Riehl H., Malkus J.S. On the heat balance in the equatorial trough zone // Geophysica. 1958. Vol. 6. P. 503–538.

26. Houze R.A. Jr., Lee W.C., Bell M.M. Convective contribution to the genesis of Hurricane Ophelia (2005) // Monthly Weather Review. 2009. Vol. 137. P. 2778–2800. doi:10.1175/2009MWR2727.1

27. Dunkerton T.J., Montgomery M.T., Wang Z. Tropical cyclogenesis in a tropical wave critical layer: easterly waves // Atmospheric Chemistry and Physics. 2009. Vol. 9. P. 5587–5646.

28. Molinari J., Vollaro D. Distribution of helicity, CAPE, and shear in tropical cyclones // Journal of the Atmospheric Sciences. 2010. Vol. 67. P. 274–284. doi:10.1175/2009JAS3090.1

29. Houze R.A. Jr. Clouds in tropical cyclones // Monthly Weather Review. 2010. Vol. 138. P. 293–344. doi:10.1175/2009MWR2989.1

30. Montgomery M.T. et al. The pre-depression investigation of cloud systems in the tropics (PREDICT) experiment: scientific basis, new analysis tools, and some first results // Bulletin of the American Meteorological Society. 2012. Vol. 93. P 153–172. doi:10.1175/BAMS-D-11–00046.1

31. Moffatt H.-K. The degree of knottedness of tangled vortex lines // Journal of Fluid Mechanics. 1969. Vol. 35. P. 117–129.

32. Moffatt H.-K. Helicity and singular structures in fluid dynamics // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2014. Vol. 111, N 10. P. 3663–3670. doi:10.1073/pnas.1400277111

33. National Hurricane Center and Central Pacific Hurricane Center NOAA 2022. URL: https://www.nhc.noaa.gov/data/tcr/index.php?season=2021&basin=atl (дата обращения: 24.04.2022).

34. Rotunno R. On the evolution of thunderstorm rotation // Monthly Weather Review. 1981. Vol. 109. P. 577–586. doi:10.1175/1520–0493(1981)109<0577: OTEOTR>2.0.CO;2

35. Левина Г.В. О параметризации спиральной турбулентности для численных моделей интенсивных атмосферных вихрей // Доклады АН. 2006. Т. 411, № 3. С. 400–404.

36. Levina G.V., Burylov I.A. Numerical simulation of helical-vortex effects in Rayleigh-Bénard convection // Nonlinear Processes in Geophysics. 2006. Vol. 13. P. 205–222. doi:10.5194/npg-13–205–2006

37. Emanuel K. Tropical cyclones // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2003. Vol. 31. P. 75–104. doi:10.1146/annurev.earth.31.100901.141259

38. Montgomery M.T., Smith R.K. Paradigms for tropical cyclone intensification // Australian Meteorological and Oceanographic Journal. 2014. Vol. 64. P. 37–66. doi:10.22499/2.6401.005

39. National Hurricane Center and Central Pacific Hurricane Center NOAA 2022. URL: https://www.nhc.noaa.gov/data/tcr/index.php?season=2020&basin=atl (дата обращения: 24.04.2022).

40. Яровая Д.А., Левина Г.В. Исследование вихревой конвекции квазитропического циклона над Черным морем на основе облачно-разрешающего численного моделирования // Тезисы Всероссийской конференции «Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования», 26–28 ноября 2019 года. Москва. М: Физматкнига, 2019. 132 c.