Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 4. С. 213-222
Облачно-разрешающий численный анализ процесса генерации спиральности в условиях тропического циклогенеза
Г.В. Левина
1 , Н.Н. Зольникова
1 , Л.А. Михайловская
1 1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 21.06.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-4-213-222
Проведен численный анализ процесса генерации спиральности в тропической атмосфере Земли. Исследование выполнено обработкой (post-processing) американских данных облачно-разрешающего численного моделирования тропических циклонов, полученных с помощью региональной модели атмосферы RAMS — Regional Atmospheric Modeling System (Montgomery et al., 2006). Обсуждается механизм, генерирующий вертикальную завихренность и спиральность в тропической атмосфере при взаимодействии облачной конвекции и вертикального сдвига горизонтальной скорости. В связи с тем, что во всех известных примерах крупномасштабных неустойчивостей, обнаруженных в спиральных турбулентных средах, существуют пороги возбуждения, зависящие от величины спиральности, в данной работе пристальное внимание уделено влиянию начальных условий на генерацию спиральности в первые часы экспериментов. Рассчитаны спиральные характеристики течений и проведено их сравнение для двух численных экспериментов, в одном из которых задавалось начальное слабое крупномасштабное вихревое возмущение в средней тропосфере, а в другом оно отсутствовало. Обсуждается влияние локального подогрева на нижних уровнях тропосферы, который применялся в начальные 300 с экспериментов для ускоренного развития облачной конвекции, на генерацию спиральности. Рассмотрен процесс генерации за счет локального подогрева единичной интенсивной спиральной облачной структуры — вихревой горячей башни (ВГБ), которая достигала максимальной интенсивности в течение первых 1–2 ч. Выполнен количественный анализ генерации спиральности единичной ВГБ для двух разных сценариев.
Ключевые слова: тропический циклогенез, влажно-конвективная атмосферная турбулентность, сдвиговое течение, генерация спиральности, облачно-разрешающий численный анализ
Полный текстСписок литературы:
- Левина Г.В., Монтгомери М.Т. О первом исследовании спиральной природы тропического циклогенеза // Доклады АН. 2010. Т. 434. № 3. С. 401–406.
- Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Яновский В.В. (1983а) Теория возникновения крупномасштабных структур в гидродинамической турбулентности // ЖЭТФ. 1983. Т. 85. Вып. 6(12). С. 1979–1987.
- Моисеев С.С., Сагдеев Р.З., Тур А.В., Хоменко Г.А., Шукуров А.М. (1983б) Физический механизм усиления вихревых возмущений в атмосфере // Доклады АН СССР. 1983. Т. 273. № 3. С. 549–553.
- Моисеев С.С., Руткевич П.Б., Тур А.В., Яновский В.В. Вихревое динамо в конвективной среде со спиральной турбулентностью // ЖЭТФ. 1988. Т. 94. Вып. 2. С. 144–153.
- Моффат Г. Возбуждение магнитного поля в проводящей среде. Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 340 с.
- Риль Г. Климат и погода в тропиках: Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 605 с.
- Руткевич П.Б. Уравнение вихревой неустойчивости, вызванной конвективной турбулентностью и силой Кориолиса // ЖЭТФ. 1993. Т. 104. Вып. 6(12). С. 4010–4020.
- Фриш У. Турбулентность. Наследие А.Н. Колмогорова: Пер. с англ. М.: Фазис, 1998. 346 с.
- Davis C.A., Bosart L.F. Numerical simulation of the genesis of Hurricane Diana (1984). Part II: Sensitivity of track and intensity prediction // Mon. Wea. Rev. 2002. Vol. 130. P. 1100–1124.
- Hendricks E.A., Montgomery M.T., Davis C.A. The role of “vortical” hot towers in the formation of tropical cyclone Diana (1984) // J. Atmos. Sci. 2004. Vol. 61. P. 1209–1232.
- Hide R. A note on helicity // Geophys. (& Astrophysical — after 1977) Fluid Dyn. 1976. Vol. 7. P. 157–161.
- Kilroy G., Smith R.K., Montgomery M.T. A unified view of tropical cyclogenesis and intensification // Quarterly J. Royal Meteorological Society. 2016. DOI:10.1002/qj.2934.
- Levina G.V. Helical organization of tropical cyclones: Preprint NI13001-TOD. Cambridge, UK: Isaac Newton Inst. for Mathematical Sciences, 2013. 47 p.
- Levina G.V., Montgomery M.T. Helical scenario of tropical cyclone genesis and intensification // J. Phys.: Conf. Series. 2011. Vol. 318(7). 072012.
- Moffatt H.-K. Helicity and singular structures in fluid dynamics // Proc. National Academy of Sciences USA. 2014. Vol. 111(10). P. 3663–3670.
- Molinari J., Vollaro D. Extreme helicity and intense convective towers in Hurricane Bonnie // Mon. Weather. Rev. 2008. Vol. 136. P. 4355–4372.
- Montgomery M.T., Nicholls M.E., Cram T.A., Saunders A.B. A vortical hot tower route to tropical cyclogenesis // J. Atmos. Sci. 2006. Vol. 63. P. 355–386.
- Reasor P.D., Montgomery M.T., Bosart L.F. Mesoscale observations of the genesis of Hurricane Dolly (1996) // J. Atmos. Sci. 2005. Vol. 62. P. 3151–3171.
- Tur A., Chabane M., Yanovsky V. New large scale instability in rotating stratified fluids driven by small scale forces // Open J. Fluid Dynamics. 2013. Vol. 3. P. 340–351.