Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Анализ факторов, влияющих на зарождение и развитие тропических циклонов

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Анализ факторов, влияющих на зарождение и развитие тропических циклонов"

государственный комитет Российской Федерация по вашему образования Российский государственный гщюкетеоролюгическяй институт

Р Г Б О Д № п*явах рукопксп

УДК 551.Б1Б.2

НОНГ ТУАН ЗАНГ

АНАЛИЗ «АКТОРОВ. ВЛИЯПЩХ НА ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ

Специальность II.00.09 - кэтеородогия, климатология, агрометеорология

Авторофорат диссертащи на соискание учВтой стошзшт кандидата фязгко-матеиатнчэских наук

Санкт-Петербург 1995 г.

Работа выполнена на кафедре метеорологиче ских прогнозов Российского государственного гидрометеорологического института.

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Панин. Б.Д

ОДщяялымв оппоненты

- доктор {из.ват. наук, профессор Матвеев Л.Т.

- доктор фнз.мат. наук, профессор Борясенков Е.П.

Ведущая организация Военная инжанорда-косдаческая

академия ш. А.ф. Иожайского

Задав состоится "26" Января 1996 г. в часов на

заседанни СшцЕШЖЗированного Соната Д. 063.19.03 Российского госудорствоназго гедрсмэтеорологаческого шститута.

Цфес: 196196, г. Санкт-Петербург, Надоохтинский ар., 93. С дассортацЕЕй ю ознакомиься в библиотеке Российского -государственного гадроштеоролопиеского института, ¿фтороферат разослан "■А? " января 1955г.

УчВшП секретарь Специализированного Совета ИТШ

Ливанский Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теми

Тропические циклоны (ТЦ) бы'ли я остаются одним яз важнейших объектов изучения в тропической метеорологии. Причина этого ясна. Во-первих, о;га могут причинить громадный экономический ущерб я вызвать доже человеческие жертвы. Во-вторых, многие процессы, происходящие в тропических циклонах недостаточно измены и требуют дальнейших исследований. Поэтому проблемой ТЦ занимаются многие организация как в отдельных странах, так и в международных организациях вплоть до ООН.

На Вьетнам и прил&гащие морские акватории ежегодно выходят в-10 ТЦ, зарождащихся в северо-западном районе Тихого океана или в Восточном море. ТЦ всегдз причиняют большой. ущерб народному хозяйству СРВ и уносят немало человеческих жизней. Перед специалистами в области метеорологии и физики атмосферы во Вьетнаме поставлена важнейшая задача: исследовать механизмы атмосферных Процессов в ТЦ я разработать метода прогноза возникновения, эволюции я перемещения ТЦ в этом районе, цель работы

- Разработать трехмерную модель на основе система полных уравнений гидротермодипзмики;

- Разработать способы учбта основных физических процессов таких, как кучевая конвекция, крупномасптабяая конденсация, процессы, происходя®!» на поверхности раздела, турбулентность;

- С помощь» «одели ТЦ исследовать фактора, оказывайте влияяю на возникновение и развитие ТЦ;

- Исследовать чувствительность модели к измензниям внеяпих факторов;

- Разработать устойчивый в вычислительном отдалении , метод интегрирования по времени системы уравнений модели, который позволяет подавлять только высокочастотные шумы;

- усовершенствовать способы задания боковик граничных условий для модели ТЦ, которые допускают минимальные отражения волн от границ.

Методика исследования

При разработке трёхмерной модели ТЦ исследовались метода численного решения системы полных уравнений гидротермодинамики. Оценка влияний факторов яа зарождение и развитие ТЦ осуществляется по результатам численных экспериментов при различных условиях.

Научная новизна

Б диссертационной работе получены следующие новые результаты:

Разработана и реализована трёхмерная неадиабатическая модель ТЦ, которая использовалась для изучения процессов, происходящих в ТЦ. В модели учитывается эффект конвективного переноса количества движения. Разработаны двухмерные граничные условия доя системы полных уравнений модели ТЦ, записанных в квазидекартовой системе координат, что позволило улучшить результаты моделирования по сравнению с одномерным случаем граничных условий излучения. Разработана устойчивая схема интегрирования по времени системы уравнений, которая может применяться и в других гидродинамических задачах. Оценена роль факторов, влияющих на формирование и развитие ТЦ, что позволило улучшить результаты моделирования и глубже понять процессы циклогенеза в тропической зоне ■ • •

Практическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в дальнейших исследованиях структуры и процессов возникновения я развития ТЦ, при разработке я совершенствовании схем параметризации физических процессов, а также в оперативной практике службы погоды СРВ для прогноза эволюции и перемещения ТЦ.

Основные положения, выносимые на защиту

Трехмерная неадиабатяческая модель ТЦ, основанная на системе полных уравнения з'идротврмодинамики. Метода учбта подсеточных процэдсов, таких как кучевая конвекция, турбулентность по

горизонтали и вертикали. Граничные условия я схема интегрирования по времени системы уравнения модели. Анализ- я оценка роли различных Факторов, шгяэдях на формирование я развитие Тц.

Апробация работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации докладывались я обсуждались на расширенном научном заседании кафедры метеопрогнозов Российского государственного гидрометеорологического института.

Структура я Ьбъбм работы

Диссертации состоит из введения, четырёх разделов, заключения я списка литературы. Общий объбм диссертация составляет 4и/ стр. машинописного текста, 5 таблиц, 20 рисунков. Список литературы содержит 104 наименований. ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Во впадении обосновывается актуальность тема, освещается совремогаюо состояние проблемы, определяются задачи я цель работы, описывается структура диссертации и методы решения поставленных задач.

В нервом разделе приведены обоще сведения о зарождении я эволюции тропических циклонов.

■ В 1.1 перечислены вида гидродинамической неустойчивости в атмосфере. Гядтюдинпмическая неустойчивость имеет одну особенность, важную дли метеорологических приложений: она порождает системы движений, которые в ряде случаев оказывают сильное влияние на погоду. Этим и объясняется большой интерес к проблемам неустойчивости воздужшх течений.

В 1.2 обсуждены факторы, благоприпятствукше зарождении и развитии тропических циклонов. Определены шесть климатологических параметров генезиса, предложенных греем. I- относительная завихренность <|> на низшем уровне 500 гпа, 1- параметр Кориояиса

3- сдвиг ветра между уровнями 500 я 200 гпа <вг>,

4- тепловая энергия верхнего 60-метрового слоя океана <£> <определяемая через превышение температуры поверхности океана над

е

5- вертикальный градиент эквивалентно-потенциальной температуры 0( <4

<— > мезду поверхностью и уровнем оСЮ гпа, ар

6- средняя относительная влажность в слое от 700 до 500 гпа <г).

Сезонный параметр генезиса <СПГ> определяется Греем следунцим образом:

СПГ-<динамический потенциал)х<термический потенциал), где динамический потенциал » <t> <(+5>

\ох>\

й9е г - 40

тердический потенциал -<е><—+5><-> ,{1)

вр 30

6051

где Е 'рщСа<Т-2ь><4г , рщ - плотность вода,

0 С,, -теплоемкость воды,

(о

Интеграл е вычисляется по г от поверхности океана до глубины 60 ы или до слоя, температура которого равна 26° с.

Для гидродинамического описания развитая системы тропического циклона я • его конвективных систем используется концепция так называемой условной неустойчивости второго рода < УНВР>, согласно которой кучевая ячейка поставляет циклоническому возмущении тепловую энергия, а возмущение формирует -на нижнем уровне конвергенцию влаги в ячейку. Этот тип взаимодействия приводит к крупномасштабному усилении самой системы.

Второй раздел посвящается вопросам моделирования тропических циклондв.

значением 26 с>.

В 2.1 обсуящеяы теоретические проблемы моделирования ТЦ. В стадии полного развития тропический циклон является почти осесимметричным вихрем с тЗплым ядром, занимающим почти всп тропосферу в радиусе многих сотен километров. В ТЦ наблюдается одновременно две циркуляции: основная (или азимутальная) и вторичная с тремя участками вток-подьбм-отток. Они тесно связаны друг с другом

Основные направления численного моделирования тропических циклонов можно разбить на три фазы.

К первой ^030 относятся так называемые балансовые модели, основанные па учете необычно интенсивного вращения частиц, которым характеризуется развитая циклон. Балансные модели да могут бить применены к ра:шей стадии развития ТЦ. На завершающей стадии интенсификации я для стадии развитого циклона результаты таслежого моделирования но только реэлистич!ш, но позволяют ясно установить взаимосвязь наблюдаемых характеристик в тропическом циклона.

Вторая :1п;>я численного моделирования связана с использованием полных уравнения. Хотя концепция сбалансированного вихря я полезна, да она ограничена и даже просто неверна в областях со слабой ияерцжпшой устойчивость» я в погранично« слое. Использование . полных уравнений позволяет изучать ТЦ на всех стадиях развития: от циклогенеза до заполнения ТЦ, Но модельные ТЦ весьйа чувствительны к изменении методов пзрамйтризэюга конвекции. В этом смнсяа дальнеЯл из прогресс моделирования эволюции ТЦ связан с усовершенствованием описания конвективных процессов.

Ямасаки и Розеятяль положили начало третьей фаза моделирования тропических циклонов, предложив явно описывать циркуляционные ячейки масштаба облака. Результата такого гетделированиз Т*Ц показали возможности формирования линий згквагов на ранней стадки я совместил' мод? интенсификации первичной я вторичных циркуляция на яоздаой стадта.

В 2.2 кратко изложены схемы параметризации конвекции в моделях

ТО.

Освобождение скрытой теплоты конденсации в конвективных облаках составляет основной источник энергии тропического циклона. Поэтому любая модель, описывающая формирование и развитие тропических 4 циклонов, должна правильно учитывать энергетическую роль конвективных облаков,

В нашей работе используется модифицированная схема парамэтризацшг Куо в отношении вычислений скорости нагревания, обусловеяной фазовыми переходами (о) я скорости увлажнения (м) за сч9т фазовых переходов:. .

<т -ту т р... к/с.

ов

0 " * •<н1'ж2>

ч'с _1

с р. <_Т"

р * * J

~ х<тс-т>0р ^<ч8-ч>с1р

и РЬ РЬ

(2)

0ч Г

М = ^ <Н1+Н2) [ср

р<ч -ч>

Гь

и

где

Л ОТ Ср

V + 7Г ~ ><1р

<3)

«2= - а ч4 I н2- - а ых

для I 1 ,

для 12 1 1

ЛТ(Р

- Г <Т ~Т)с1р

* ь рь

ц^ - изобарическая вертикальная скорость на верхней. границе пограничного слоя; Тс - температура воздуха в облаке; р0 = ЮООгпа;

>

х

ч4 - отношение смеси насыщенного воздуха; ч4 отношение смеси на уровне 550 гла; р4 и рь - давление на верхней и' нижней границах облаков,

В 2.3 описываются метода параметризации пограничного слоя я учбта взаимодействия атмосферы я океана.

Пограничный слой играет важную роль при возникновении Гц, их развитии я затухании. Он регулирует обмен теплом, влагой я ишульсом между подстилащей поверхностью и разными областям ТЦ. Океан снабжает ТЦ явной я скрытой теплотой через пограничный слой. Кратко освещаются два подхода к включению пограничного слоя в крупномасштабную модель. Приведены расчётные формулы для турбулентных потоков импульса, тепла я влаги на поверхности, а также потоков, обусловленных брызгами вода. Последние, по результатам наших расчетов, имеют пренебрежимо малые величины по сравнению с другими членами в уравнения притоков тепла и влаги.

В разделе 3 описывается численная реализация модели ТЦ. В 3.1 - 3.3 приведена система полных уравнений модели, структура сетки и конечно-разностные операторы.

Решаются следующие основные уравнения:

Ои ди дф

- - "« — ♦ 'V - • — » Ен ♦ Г ♦ Р , (4)

¡К ор ол

ОУ ^ ' вф

- - -М ~ - - ■ Г" * Еу + РУЬ + РУР * <0)

<п ар ау

00 39

ТГ"0»'0*'*"* ' (6)

- « -ад — ♦ м * р + Р >

ос 5р чь ,р 17)

Л За ¿V

~ - «900 ■ < & + з?><1р ' (е>

чоо

0ф Зр

К/ С

~ "V <~ >

р ' о

С>.л>

би Й*

~ ■ * 57 >

к/с

в <= т< 1+о-б1ч><р /р>

V о

Р « рр.т

Е »7» <и(.-\»/<Р<.-Рь>

ЕЧ

(Ю)

(11)

(12) (13)

где V,

р -р 1 о р„

В <Н

сН

а

где - составляющие вектора ветра по осям к я у соответственно, х.у - горизонтальные координаты; р5~ давление на поверхности; Т -температура воздуха; 9 - потенциальная температура; !)у виртуальная потенциальная томлература; и>=-ар/<н - вертикальная скорость в изобарической система координат; ро - стандартное давление (1000 гла); ч - отношение смеси; в - скорость нагревания, обусловленная фазовыми переходами; м - скорость изменения влажности за счйт фазовах переходов; с

Е - конвективный перенос количества

дв^пения

горизонтальная турбулентная

дя{фузия количества движения по направлениям осей у. я у. тепла и

влага; р

ир' г' ЧР

количества движения, тепла к влаги, соответственно; н - газовая постоянная; ср - удельная тэялоймкость при постоянном давлении; * -параметр Кориолисэ; ш масатабныЯ множитель для меркаторской проекции; з - ускорение свободного падения; и>эд0 - вертикальная скорость на уровне 500 гпа; 1 - эмпирический коэффициент; ш* -, вертикальная скорость на верхней границе пограничного слоя; рь, р(. - давления на rcmtp.it я верхней границах облака, соответственно.

вертикальная турбулентная диффузия

а

х

Члены, описывающие горизонтальную турбулентную диффузии количества движения, тепла и плати, записываются ¿ледумдам образом:

d и

—5 > .

а/

а- и а»2

(14)

a v a v

6h

qh

Khm <

а а

ах2 2 a q

2

а в еу2

а q —^ >

a«" ay"

На поверхности напряжения трения, потоки тепла

определяются с помощью формул интегрального метода:

F

up

F »

vp

ер

-С, 9 р |Val ua / ¿р

~С<1 9 Р 'V va ' i(>

Cd 9 P 'V'^VV ' ^

F.,p = Cd 9 P ¡V^VV ' Лр

(15) (IS)

(17) и влаги

(18)

(19)

(20) (21)

где индекс а означает, что величина задается яз верхней граница приводного слоя.

Вертикальная структура расчетной сетки содержит 5 уровней: 1000, 900, 650, 400, 150 гпа. Сетка расшатана по вертикали, что упрощает интегрирование уравнения неразрывности.

По горизонтали сетка содержит 40 х 35 узлов с пространственным азгоя 70 км. Эта сетка тоже расшатана и представляет собой совокупность двух сеток, смещенных относительно друг друга на половину шага дз/2=35 км. Шаг по времени составляет ВО секунд. В 3.4 - 3.5 обсуждены задания начальных данных и граничных условий При подготовке начальных данных для рассматриваемой модели учитывались трудности построения полей метеовеличан на акваториях

ю

океанов и морей, которые связаны с отсутствием сети станций. Поэтому в качестве начальных данных задавались модельные поля температуры (Т), относительной влажности (г). Эти поля считаются горизонтально-однородными, а значения Т и г принимаются равными средним значениям по сезонам тайфунов в северо-западном районе №0147 океана.

Граничные условия в модели ТЦ должны способствовать пропуску инерционно-гравитационных воли, обусловленных выделением скрытой теплоты .

В модели используются двухмерные граничные условия излучения, йф, Дф,

л|в * * - 0 •

где ф- любая переметая (и или v); , су - фазовые скорости по направлениям осей >-. и у соответственно. По определению с =!й/к , с »щг'ку »где и) - частота, "к^. ку" - волновые числа. В 3.6 - 3.7. описываются методы подавления неустойчивости, сглаживания и схемы интегрирования по времени. Для интегрирования системы уравнений применяется следующая схеме:

дФ

щ ' ^ , (йЗ)

где ф- любая переменная; ьг - адвективные члены, ответственные за

низкочастотные изменения; нг - члены, связанные с высокочастотными

модами; охг - джйузионные слагаемые.

Численное интегрирование по этой схеме выполняется с помощью

двух циклов вычислений * т

Ф -Ф 1 1 %

Лt

~ LF *нг ♦ тм > (24)

1+1 т

ф - ф 1 » ' 1 * 1 --<1-я Л-г + а 1.р ч а-ряг * рнр + шг

где а , ß -эмпирически подбираемые константа. '

В раздела 4 представлены основные результаты числешшх экспериментов по моделированию тропических циклонов.

В 4.1 изложены условия эксперимантов, такие как начальные и граничные условия, метода сглаживания и подавления нелинейной неустойчивости.

В 4.2 рассмотрены и проанализированы изменения во времени минимального давления на поверхности моря в центре моделируемого тропического циклона. В связи с перераспределением энергии при согласовании начальных полей максимальная скорость ветра в модельном тропическом циклона (на уровне 1000 гпа > сначала уменьшаэтся до 5 м/с • В соответствии с этим минимальное дааяение в центре тропического циклона увеличивается на 1-2 гпа. Этот процесс известен как процесс приспособления. Он составляет 17-20 часов, затем давление постоянно уменьшается и через'100 часов модельного времени достигает значения около 360 гпа. Соответственно максимальная скорость ветра увеличивается я достигает 40 м/с.

В 4.3 описывается структура модального ?Ц. В центральной области тропического циклона выделяется теплой ядро. Влажность в основном сосредоточена в нижней и средней тропосфере и в центральной части тропического циклона. На уровне 150 гпа в центральной части ТЦ наблюдаются отрицательные значения завихренности, что свидетельствует о наличии антициклонической циркуляции. На поверхности и на нижних уровнях в центральной части тропического циклона имеет место циклоническая циркуляция.

Восходящие движения сильно развиваются в центральной часта тропического циклона, особенно вблизи центра . Максимальные значения вертикальной скорости достигают -0.7 па/с на уровне 950 гпа и -5 па/с па уровне 275 гпа. На периферии тропического циклона абсолютная величина вертикальной скорости мала.

Анализ полей метеорологически* величин доет основание считать,

1Й ,

что разработанная модель описывает развитие и структуру возмущений до стадии зрелого тропического циклона в соответствии с существующими физическими представлениями.

В 4.4 производится оценка влияния различны* факторов на зарождение и развитие тропических циклонов.

процессы формирования и эволюции тропических циклонов оказываются весьма сложными. Эти процессы развиваются под воздействием различных термических и- динамических факторов, в данной работе изучены основные факторы; включая стратификацию атмосферы, интенсивность начального вихря, температуру поверхности' океана, сдвиг завихренности, влажность воздуха, крупномасштабную конденсацию.

Голь этих факторов оценивалась по результатам численных экспериментов. Для удобства пкеперименты разделены на две группы. В первой группе рассматривается условно —неустойчивая стратификация атмосферы ( 7ПД < 7 <7а ); во второй группе полагается, что атмосфера менее, устойчива,т.е. используется условие ( 7М 7 ^ 7а) В каздой группе изучается влияние каадого фактора. Результаты показывают, что при неустойчивой стратификации атмосферы ТЦ может развиваться даза при слзбом начальном вихре, небольшой влажности, отсутствии сдвига завихренности, яо длительность организационного периода оказывается большой.

Критическое значение температуры поверхности океана зависят от особенностей модели.В первой группе получено значение 2£г' с, а во второй - 26° с. Заключение

Основные результаты выполненной работы кратко могут быть сформулированы следуэдим образом:

I. Разработана трбхмерная неадоабатическая модель ТЦ, основашия . на системе подлых тадродшамическнх уравнений, которая позволяет проводить исследования процессов развития и эволюции начального

возмущения до стадии тайфуна.

2. Проведены численные- эксперименты, результаты которых послужили основой для изучения развития во времени первоначального слабого возмущения в ураганный вихрь.

3. Глубокая конвекция играет решающую роль в развитии ТЦ. Теплота, выделяемая при конденсации влаги в кучевых облаках, является одним из главных источников энергии, способствуй^ поддержании и развита» ТЦ. Модифицированные схемы параметризации конвекции Куо, применяемые в данной модели, позволяют учитывать и включить эту энергию в механизм развития ТЦ, обеспечивая нормальное Функционирование модели.

4. Схема параметризации крупномасштабной конденсации, используемая в данной модели, дает возможность учесть дополнительную энергии в тех точках пространства . в перенасыщенном влагой воздухе, где не происходят конденсация за счет кучевой конвекции.

5. Разработана экономичная, устойчивая схема интегрирования по времени системы полных уравнений, которая обладает свойством подавлять высокочастотные шумы, но не демпфирует низкочастотные волны.

6. В работе сформулированы требования, которым должны удовлетворять боковые граничные условия для моделей ТЦ. Они должны обеспечивать пропуск инерционно-гравитационных волн через боковые границы, генерируемых выделением скрытой теплота . разработанные двухмерные граничные условия излучения, которые допускают минимальные отражения волн, оказываются приемлемыми для модели ТЦ,

7. В начальный период моделлровзшя ТЦ поля метеовеличин сильно перестраиваются. Сначала скорость ветра уменьшается на всех уровнях, приземное давление в центре ТЦ немного увеличивается. В нижней тропосфере усиливается циклоническая циркуляция, а на уровне 160 гпа формируется антициклошпеекая. В нижней я сродной

тропосфере в центральной части ТЦ, формируются очага повышенных значений влажности, температура увеличивается на всех ур-овнях в центральной части ТД, Это способствует дальнейшему развитию ТЦ.

8. С помо!Цью модели ТЦ изучена реакция модельного ТЦ на изменения внешних паромет;« в: температуры поверхности океана, статической устойчивости атмосферы, поля влажности воздуха, интенсивности начального вихря, сдвига завихренности. Изучена также роль конденсации.

9. Длительность организационного периода, предшествующего усилению ТЦ, сильно зависит от внешних параметров. При менее благоприятных условях этот период становится больше; чем благоприятнее внешние условия, тем меньше организационный период.

10. На зарождение и развитие ТЦ оказывают влияние как термические, так и динамические Факторы. Для каждого отдельного фактора не существует пороговых значений, выше которых ТЦ обязательно развивается. ТЦ развивается тольх« тогда, когда сочетание есех ^рассматриваемых факторов оказывается благоприятным. И Сопоставление потоков тепля и влага, обусловленных турбулентность» и брызгами, свидетельствует о йолшбй знашм'-стп турбулентных потоков.

лШу

конг тан занг

автореферат

Подписано в печать 0o.0I.95. Формат 60x84 I/I6. Бум. писч. Псч.л.0,8. Бум.л.0,4. Тира* 100. Зак.21.РТП СЯбУ^.

I9I023, Санкт-Петербург, Садовая ул., д.21