Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прогноз траекторий тропических циклонов и задача согласования начальных полей

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Прогноз траекторий тропических циклонов и задача согласования начальных полей"

ОД ь 2

КОМИТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ Я МОНИТОРИНГУ ОКРУВАЙЦЕП СРЕДЫ МИНИСТЕРСТВА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИ?! НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИП ЦЕНТР

На правая рукописи

УДК 551.50?.327»551.315.13

ЗЛЕНКО ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОГНОЗ ТРАЕКТОРИЯ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ И ЗАДАЧА СОГЛАСОВАНИЯ НАЧАЛЬНЫХ ПОЛЕП

Специальность - 04.00.22 {Гвооиаика)

Автореферат диссертации на-соискание ученой степени кандидата онвико-натвиаТичеекма наук

Поскоа - 1992 г.

Работа выполнена в Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре Российской федерации.

Научный руководитель - доктор физико-математических

наук И.Г.Ситников

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук И.В.Тросников

кандидат бизико-математических наук, доцент А.Е.Орданович

Ведуцая организация - научно-проиоводственное

об'единение "Тайфун"

Запита диссертации состоится 19 мая 1992 г. в 16 ч на заседании специализированного совета К 024.05.02 в Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре;

Адрес совета: 123242, Носква-242, ул. большевистская, 9-13, Гидрометцентр.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидрометцентра.

Автореферат разослан Л1апреля 1992 года.

Ученый секретарь /

специализированного совета |

кандидат географических наук (»' | А.И.Страшная

серпики

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Тропические циклоны .(ТЦ) -наиболее интенсивные атмосферные вихри синоптического масштаба, возникавшие над тропическими океанами. Скорость ветра в ТЦ достигает 30^70'-м/.с, поэтому, двигаясь над поверхностью океана и достигая берегов, ТЦ могут эызвать раоруивния и даже привести к человеческим яерт-вам. Основной способ уменьшения приносимого ТЦ вреда состоит в улучшении методов их прогнозирования, при этой оказывается возможным из общей задачи прогноза ТЦ выделить самостоятельную подзадачу - прогноз движения развитого ТЦ. Исходя из этого, представляется актуальной проблема развития и внедрения а оперативную практику . численных схем прогноза траекторий ТЦ.

Следует такие добавить, что при разработке современных гидродинамических методов прегноза траекторий ТЦ все большее значение приобретает проблема нехватки исходных данных, причем наименее освеженной область» оказывается непосредственно ТЦ и его ближайшее окружение, и стандартный об'ективный анализ обычно плохо отраяает внутреннее строение тропического циклона. Для восполнения недостающей информации крупномасштабные поля приходится искусственно дополнять ТЦ-подобной структурой, динамически согласованной с окружающим фоновым потоком, для чего необходимо решить ряд проблем принципиального и вычислительного характера.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. В соответствии со сказанным, данная работа в основном направлена на развитие и внедрение в оперативную практику гидродинамических схем прогноза траекторий тропических циклонов. В ней представлен ряд моделей, начиная от простейшей баротропной, использунией а начальный момент для представления крупномасштабного потока геостровический ветер, а для ТЦ - идеализированный осесимметричный вихрь, и до многоуроаенной, в которой структура ТЦ ухе близка к наблюдаемой в природе.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Для достиаения поставленной цели проводятся численные эксперименты по исследовании способности баротропних моделей, основанных на решении

ураенений мелкой воды, рассчитывать будущее движение ТЦ с заЬлагавременностью лс- 3-х сутоя. Проверяется также возможность предсказывать с помоць» баротропной модели макромасатабные поля ветра в тропиках. С помощью другой группы численных экспериментов исследуется возможность создания на базе имеющихся -ЭВМ ёароклмнной модели, предназначенной для расчета прогностических траекторий ТЦ. В результате построена 10-уровенная модель, основанная на примитивных уравнениях и содержащая специальный цикл формирования начальных полей в модельном ТЦ.

НДУЧНй5. НОВИЗНА выносимых на защиту основных результатов состоит в следумцем:

- разработана первая в стране численная схема прогноза траекторий тропических циклонов, основанная на баротропной варианте примитивных уравнений - уравнениях мелкой воды, в которую ТЦ включается чаряду с другими барическими образованиями;

- для целей регионального гидродинамического прогноза предложена неполярная стереографическая проекция, Обеспечивающая минимальные искажения; на ее основе построен и испытан на фактическом материале ряд баротропных численных схем прогноза траекторий ТЦ, в том числе с использованием в начальный момент среднего по высоте ветра и с учетом взаимодействия между собой нескольких ТЦ;

- показана способность баротропной модели предскаэы-оать поля ветра на среднем- уровне в тропиках с оабяаго-оремЕНность.в до 2$ ч;

- разработана методика cor лаесша'ния начальных полей г ТЦ, учитывающая все особекностн конкретной ситуации;

- разработана к проверена на модельных ситуациях региональная бароклинная модель атмосферы в Z-системе и неполярной стереографической проекции для целей численного прогноза траекторий тропических циклонов.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ работы^ определяется, в первув очередь, вкличенигм с 1988 г. в оперативную практику раорсботтнжэй беротропной схемы прогноза траекторий ТЦ с зсблаговременностьр до 3-х суток. Кроме этого, на базе региональной баротропной модели разработан и испытан в экспедиционных условиях на НИС "Академик Шириов" и в

Институте метеорологии АН Кубы диалоговый комплекс, позволяющий рассчитывать на ПЭВМ прогностические тоаектории ТЦ на срок до 2-х суток. Ьароклинная схема, построенная с использованием разработанного метода инициализации полей в окрестности ТЦ, доведена до стадии оперативны): испытаний .

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на:

- Третьем международном симпозиуме по тропической метеорологии (Ялта, 198Ь г.);

- Международном семинаре «МО по тропическим циклонам (Бангкок, 1985 г.) }

- Четвертом международном симпозиуме по тропической метеорологии (Гавана, 1987 г.);

- Школе-семинаре по тропическим циклонам и вихревым движениям в атмосфере (Обнинск, 1787 г.);

- Международной конференции по тропической метеорологии (Брисбен, 1988 г.>;

- Втором международном семинаре БМО по тропическим циклонам (Манила, 1989 г.);

- Семинаре ВМО и Международного центра теоретической физики по внетропическому и тропическому моделированию для ограниченной территории (Триест, 1990 г.);

- научных семинарах и Конференции молодых ученых в Гидрометцентре СССР.

Работа выполнялась в рамкам темы 1.2г.2 плана НИОКР

I оскомгидромета, а также темы 5 советско-кубинского сотрудничества в области тропической метеорологии и исследования ураганов.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации автором опубликовано

II научных работ. В работах, выполненных 8 соавторстве, роль диссертанта состояла в обсуждении постановки задачи, составлении программ для ЭВМ, подготовке моделей к испытаниям и оперативному использовании (баротропные модели); в обсуждении постановки задачи, разработке метода трехмерного "раскручивания" вихря, составлении алгоритмов и проведении испытаний (бароклинная модель).

СТРУКТУРА И ОБ'СИ РАБОТЫ, Диссертация состоит из введения, четыре/ глав, заключения и списка литературы.

Полный об'см - 130 страниц, в том числе 31 рисунок и 4 таблицы. Список литературы содеркит 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТА

По ВВЕДЕНИИ кратко характеризуется об'ект исслгдо-оаний - 7Ц, обсуидаетсп вопрос об актуальности проблемы, определена цель исследований, сформулирована нооигна полученных результатов. Приводится краткая инОормация о структуре работи.

р ПЕРВОЙ ГЛЙВЕ дан обзор литературы по численным катода» прогноза траекторий ТЦ. Основное внимание при этом сосредоточено на методах, использувцих о своем составе гидродинамические модели атмосферы. Кратко охарактеризована исторически первые- баротропние сквмы, осно-пенние на сильтрооанном уравнении вихря. Болев подробно иссецаитея современные бароклйнные модели, прииенпвцивсп о оарубепиак прогностически* центрах.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ дается подробное описание баротрогшоП Екеми прогноза траекторий ТЦ, принятой с 198В г. с опэратконое использование.

Сначала обсуждается вопрос о применимости баротропной модалн г. задаче о прогнозе перемеценип ТЦ, при этом оа-дпча прогноза только доизения ТЦ отделяется от задач гфогноаа ого зарождения и развития. Затем приаодлтеп н численная схенс модели. ' '

Ял» построения прогностической с хеки были ои&раии »аякой зодш

г.-чссь и и V - г:о:!Лс;!с::тя скорости, С - геопотонциал, 1 „праяетр Кориолисс, о - оасатабний ^носитель. Ляп .:::::;с«31сгсз рсии:;:;:; ^псп.;!;; 11} (5ил мслельсовсн

- / -

одноуровенный вариант оперативной иестиуровенной модели Гидрометцентра (автор - Л.В.Берхозич).

Для улучшения пространственного разрешения в района располояения ТЦ вводится неподвижная вложенная сетка г. аагон 60 км, покрывающая квадрат 5000x5000 км. Взаимодействие сеток одностороннее, на границах применяйте.: условия "склейки" асех полей, то есть граничные значения, запасенные во время прогноза по крупной сетке?, смс-аивагатся со значениями, рассчитываемыми на мелкой сеткс» Смеаивание выполняется вдоль границ ялояенной сетки; причем по направления внутрь области вес полученных изонг. значений плавно уменьшается.

.Тропический циклон обычно плохо выражен в полян, полученных а результате проведения об'ектионого анализа. Поэтому поред прогнозом в исходны?? поля доляен быть каким-либо образом добавлен начальный вихрь, модслируи-пий ТЦ, то ость проведена инициализация ТЦ. В баротроп-ной модели для этого была создана следумщая процедура.

Вокруг центра ТЦ выделяется квадратная область .со стороной около 1500 км. Внутри нее на имеющееся пол* скоростей накладывается осесимметрнчный вихрь, о кото'рог;

где Уга - максимальная скорость ветра, Яй - радиус, соот-оотстоувчий После этого значения геопотенциалг,

вычисляется заново по ураанэнии баланса. В результата такой процедуры п исходные поля "внедряется" хороао сйй-пднемрозанный начальный оихрь, геогрлоически совпадаипиГ-с реальным ТЦ.

Положений центра ТЦ о ходе прогноза мояно связыаат^ либо с максимумом относительной заамиренности, либо с минимумом гоопотонциала. В напои случае осугзестилпотсп слопенив за локальным максимумом относительной оапихрек-настм, т.¡г. эта величина менее засорена числаннммн пупами м имеет более изолированный зкетраму^.

Последовательность действий при практическо?; лринвнаним метода йилл слсдуяяеГи

1) Принимаетея инОори.-.цна о тс'г/^мл координатой и: гп тот млн имоП сроп тЗдплетю ОсотормЯ мппо" мо

совпадать со стандартным) и о поле АТ-500 на Северном полушарии за ближайший стандартный срок. Затем по полю АТ-500 вычисляется геострофический ветер. Использование геострофического ветра об'ясняется тем, что во время-разработки данной версии об'ективный анализ ветра в Гидрометцентре СССР не проводился, и схема была настроена на имекицумся информацию.

2) Если момент не совпадает со стандартным сроком, то выполняется прогноз полей и,у,Ш не момент времени 1:* по всей области счета.

3) Определяется средняя скорость ветра в окрестности ТЦ и предполагается, что в первом приближении она совпадает со скоростью движения самого ТЦ. Вложенная сетка располагается так, чтобы при этом предположении циклон черва сутки оказался в ее центре.

4) Продолжается прогноз полей по Северному полушарии на весь заданный срок с периодическим запоминанием их значений вдоль границ будущей вложенной сотки.

5) Поля и,у,5> в момент Ч* интерполируются в узлы вложенной сетки и выполняется описанная выше процедура инициализации модельного ТЦ.

Ь) Производится прогноз полей и,у,ф на весь заданный срок по области вложенной сетки с использованием накопленных граничных значений. При этом непрерывно отслеживается положение модельного ТЦ.

Данный метод проходил о 1966-1967 гг. оперативные испытания в Гидрометцентре СССР V! в Дальневосточном территориальном управлении по гидрометеорологии.

Сравнение полученных при зтом результатов с прогнозами по другим методам по достаточно однородной выборке приводится в табл. 1, а на рис. 1 представлен ряд вакшческих и прогностических траекторий. Приведенные нё рисунке прогнозы относительно удачны, неплохо предсказывается точка поворота траектории. В свою очередь, анализ неудачных прогнозов выявил несколько основных причин:

1) Плохая обеспеченность наблюдениями и, следовательно, неудовлетеорительное качество анализа АТ-500.

2) Размытое йаричкское попе вокруг ТЦ. При этом на 'пкрьый план могут ёыйти такие, не описываемые данной

ТАБЛИЦА 1

Сопоставление оаибок прогнозов положения ТЦ (км) пе методу Гидрометцентра и другим методам (на базе материалов, используемых в оперативной работе)

срок прогноза НЕТОДЫ ПРОГНОЗА

Гидрометцентр ! Инерци ! онный 5 '' - ' ВНИИГМИ- -нцд 1 Синоптические

(ч) Б ! Г 1 ! I 1 » 1 • II 'Влади- ! ! восток! Пекин ! 1 1 Токио

24 233 150 254 255 256 200 200 215

22 И 22 24 20 16 24 21

43 523 390 668 258 237 420 380

18 11 18 20 1? 12 16

72 777 563 1191 725 733 800

13 9 11 16 14 П

Примечание. Метод Гидрометцентра: Б - с использованием ой'ектизных анализов по методу А.Н.Багрова (Гидрометцентр), Г - с использованием об'ективных анализов ННЦ (Вашингтон)} метод ВНИИГЯИ-МЦД: 1-е предикторами, аклмчамщими положение цгнтоа ТЦ за 12 ч до исходного срока, II - то же, пляс максимальный зетер за 24 ч до исходного срока. 5 знаменателе - число случаев.

Рис. 1. ГфИйЕры удгчних прсгксгоз траекторий ГЦ зо сргкз оперативных исгштгний

бгрстропной модели. 1 - сактическиг траектории, 2 - прогнзстическнв траектории.

нодэльй характеристики, как вертикальная структура ТЦ и окружавшего потока, распределение областей теплой и колодной воды на поверхности океана и т.д.

3) Наличие в данном районе одновременно нескольким ТЦ, что не было предусмотрено при создании данной схемы. (В Золзи поздних моделях этот недостаток был устранен),

С помоцьм описанной схемы зимой 1986-1987 гг. рассчитывались такае экспериментальные прогнозы ТЦ Явного по-луаария с использованием данных, получаемых из НМЦ США н ЕЦСПП о коде ГРИД. Средние ошибки положения на 24, 36 и 48 ч составили соответственно 215, 310 и 320 км, что соответствует удовлетворительному качеству прогнозов.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ описывается дальнейшее развитие баротропной модели. При этом используется неполярная стереографическая проекция, т.е. проекция на плоскость, касательную к поверхности Земли в произвольной точке.

Для прогноза перемещения ТЦ в данной проекции была построена региональная баротропная модель атмосферы. В ее основу были положены, как и в оперативной модели, уравнения мелкой воды. Уравнения решались г помощью скены Лакса-Ввндрофа в квадрате 6720 х 6720 км, покрытой сзткой с вагом 105 км (65 х 65 узлов).

Инициализация ТЦ в данном варианте выполняется по той ае методике, что и в оперативной модели. Отлична состоит лииь в Оорме профиля У=У(г) вводимого вихря.

Как уяе упоминалось, оперативный вариант рассчитан на прогноз уединенных ТЦ, что накладывает определенный ограничения на его использование. Поэтому, в связи с актуальность» данной проблемы, □ данной схеме предусмотрена эозмонность одновременного аосстановления п начальных полях двух или более ТЦ с их последуищим прогнозом. При размерах сетки около 6000x6000 км одновременный расчет траекторий двух взаимодействующих ТЦ возмоаен, осли расстояние мезду ними не превышает 2000 км.

С данной схемой были проведены четыре серии экспериментов на основе архива данных ПГЭП (уровень 1П-6). В какдой серии было рассчитано 10 прогнозов ТЦ 1979 г.! Гордон (27 июля), Ирвинг (15 августа), Дауди (20-23 ав-

¡

густа), Давид (29 августа), Оуэн (28 сентября), Тип (10, 16 октября).

В первой группе экспериментов в начальный момент в модель вводились поля /-еопотенциала и компонент ветра на одной изобарической поверхности - 500 гПа. При этом на границе задавались "реальные" граничные значения, т.е. взятые из того же архива данных. Во второй группе прогнозов также задавались реальные граничны* условия, но ветер использовался средний по высоте. В третьей группе тоже рассчитывался средний по высоте ветер, но граничные значении закреплялись на все время прогноза. И, наконец, о четвертой серии на границах региона использовались прогностические значения, полученные из описанной ниве полусферной баротропной модели.

8 табл. 2 приводятся средние о кавдой серии овибки прогнозов положения ТЦ. Видно, что использование в баро-тропной модели ветра, осредненного по высоте, существенно улучшает прогноз по сравнения с использованием только поверхности 500 гПа. Кроме этого, разница в прогнозах с закрепленными и реальными граничными значениями оказалась не очень велика и была оцутимой лиаь к концу третьих суток. Из этого следует вывод о возможности построения чисто региональной прогностической схемы, используи-цей данные с ограниченной территории и работницей с закрепленными граничными условиями.

ТАБЛИЦА 2

Средние овибки прогнооое положения ТЦ (км) по 10 случаям в различных экспериментах

i i Гр. условие I Ветер 1-

S i

Заблаговременность (ч)

J24 48 ( -72

Реальные Реальные Закрспяпннис По прогнозе

500 гПа ¡

средний I

cpcñ«t!" I

СрОДНМЙ I

235 Кб 169 Í3&

516 296 335

266

604 363

494 396

На основе полученных результатов бь?ла раарабГотана диалоговая прогностическая система, использук»тая снимаемые с синоптических карт и затем вводимые и ЭВП данные о ветре и давлении в ограниченной региоье. Комплекс, программ, облегчаиии* процесс ввода исходной информации, ее проверку и предварительную обработку, был составлен вначале на борту НИС "Академик Ширшов" для судовой ЭВМ СМ-1420 и затем доработан во время работы автора в Институте метеорологии Академии наук (ИМАН) Кубы для ПЭВМ "Olivetti". Прогнозы составлялись нз. срок до 48 ч и требовали около 45' машинного времени.

Параллельно с работой над задачей моделирования движения тропических циклонов проводились эксперименты по прогнозировании полей ветра а тропика:«, при этом использовалась баротропная модель в сферической системе координат, разработанная специально в качестве "фоновой" для описанной выше региональной модели. Область счета данной модели продолжалась от Сеаерного полиса до id" ».tu., где ставились "условия излучения". Параметр Кориолмса ь области от экватора до южной границы полагался равный нули, при этом амплитуда медланных волн в приграничной зон» стремилась к нули и "условия излучения" работали наиболее эффективно.

С помощью описанной модели был выполнен ряд ежедневных 24-часовых прогнозов по исходным f. *мым за азгуст 1982 г. (архив ТОПЭКС). При этом были получены вполне приемлемые результаты (ошибки меньие ошибок инерционных прогнозов), свидетельствующие о правомерности использования баротропных моделей дль прогноза перемещения ТЦ.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описана бароклинная схема прогноза траекторий тропических циклонов.

При разработке модели подразумевалось, что она, обладая достаточно современными чертами (многаурапенносгь, корроктное заданий начальных полей в зоне ТЦ), была бы в то не время достаточно экономична в использовании и ориентирована на возможности ЭВМ, имеющихся s распоряжении Гидрометцентра. Было поэтому решено использовать длй расчетов конечно-разностный алгоритм 10-уровенной опара-

тивной прогностической модели Гйдрометцентря с модификациями, изложенными ниже.

Итак, имеем следуицун систему уравнений для "сухого" варианта модели в изобарической систем« координат:

^+, ¿t \ _ ^ +3 =* о

^ V. ЭЛ ЭР 2. Ц ¿^р w (3J

'¿pífete ^ЦЦ

- = R ff c/p <51

p Р 3 p

Здесь x,y - горизонтальные, a p - вертикальная координаты, u e U/e, v ° V/я, где U, V - компоненты скорости ветра; $ - геопотенциал) в - масштабный множитель; w= dp/dt - аналог вертикальной скорости) Т - абсолютная температура, 7 с ТСр> j {Р « 1000 гПа) R - газовая постоянная воздуха; Y н'ь,- вертикальный и сухоадиабатический градиенты температуры) иТд- турбулентные потоки количества двмеения по осям X,Y) J* - ко>$оициент горизонтального турбулентного обмена) JA » (1...3) х 10^ м /С) V - лапласиан.

Величина б в правой части (5) выражает заданный суммарный приток тепла о К/с или К/сут (см. о нем ниже). Профили Т(р) и У'(р) заданы в виде стандартных пс высоте значений.

Сурсствует два варианта структуры конечно-разностный сеток, применявшихся при прогнозе траекторий ТЦ с помог».» системы уравнений (2) (5). В одном из них сетка с вагой окало 185 км занимает все Северное полуварив. В другом варианте болев мелкая сетка с вагой около 120 км оенимает область примерно 8000 х 8000 км, а вне этой области используется разрепенная егтка с вагон порядка 370 км. На границе грубой и мелкой сеток ставятся уело-

вия "склейки", как и в баротропной модели, и предполагается их одностороннее взаимодействие.

8 данной постановке задачи будем считзть, что 0=0 венду, кроме бликайией окрестности ТЦ, где она выполняет роль суммарного теплового эф&екта в иторме - "функция нагревания". Введение такой параметризации в задаче, направленной на прогноз перемещения ТЦ, но не его эволюции, вполне оправдано, т.к. избавляет от больного числа дополнительных степеней свободы в модели м позволяет добиться достаточно хороних прогнозов перемещения ТЦ более экономичным путем.

Итак, зададим указанный источник тепла в виде:

(х-хОМа-УО* ">

(А)

где хг, ув- полояение центра ТЦ 1нах 8){ - масатаб, опрйделяиций протянйнность функции 9(х,у,р) по горизонтали. Вертикальной распределение (р) будем задавать дискретно, но уровнях модели, и при том так, чтобы по возмояности поддерживать аналоги» с реальным ТЦ.

Ваяной особенность« предлагаемой модели является согласованное задания начальных условий о окрестности ТЦ. Метод простого ндлояениа псездооихря, не сопроооя-даиаегося дальнейшим согласованием, вполне приемлем для одноуровенной модели при практической бездивергентности потока в зоне ТЦ и отсутстаии вертикальных скоростей. Но п бароклинной модели подобная "инициализация", проведенная независимо на каядам счетном уровне, приводит, как показали эксперименты, к неудовлетворительным результатам. Во-первых, такой циклон в начальный момент безди-вергемтэк, он но имеет вертикальных и радиальных скоростей. Возникавшие с началом интегрирования вертикальны» н радиальные двияения могут резко изменить структуру пихрп, т.е.ч. в ном с началом прогноза возникнут переходные процессы. Во-вторых, под действием вертикального сдвига ветра ось циклона начнет бистро наклоняться, что тояе мочно отнести к разряду переходных процессов. И, наконец, роваз уравнение баланса для геопотинциала независимо па каядом уровне, моино сильно искаоить верти-

- и -

кааышй профиль температуры в центральной "асти ТЦ.

Для решения данной проблемы был разработан метод трехмерного "раскручивания" (spin-up) тропического циклона ио первоначально заданного псевдовихря по уравнениям модели в реальном начальном поле. Этот метод является раоеитием применявшегося в (1FH (Movable Fine Hesh)-модели ННЦ С lift - псесимметричного сетода spin-up.

Рассмотрим вначале процесс формирования модельного вихря в неподвижной атмосфере. Выделим в области интегрирования квадрат со стороной около 2000 км и центром на иироте 20е, (.формируем в центре квадрата начальный баро-тропный вихрь с Vea>i»20 м/с, Пшах * 200 км на веек 10 уровнях, предполагая при этан, что параметр Кориолиса постоянен и равен его значении в центре квадрата.

Проведен теперь интегрирование уравнений модели на 72 ч по внутренней области квадрата с закрепленными граничными условиями, предполагая, что в правой части уравнения притока тепла (5) содержится тепловая функция вида (6). Кроме тепловой функции введем в области ТЦ дополнительное трение иршду слоями модели, грубо параметризую-IIае вертикальное перемешивание, вызванное влиянием интенсивной кучевой конвекции.

При отсутствии бета-эффекта вихрь в ходе интегрирования остается практически осесимметричным, поэтому для исследования внутренней структуры достаточно рассмотреть его радиально-вертикальные разрезы. На рис. 2 приведены осредненные по азимуту поля тангенциальной и вертикальной скорости. Видно, что в общих чертах структура модельного вихря соответствует реальному ТЦ, т.е. на нижних уровнях сформирован четко выраженный циклон, который на верхних уровнях сменяется размытым антициклоном. При этом все изменения и оснозном происходят лишь е течение первых суток интегрирования, и к концу третьих суток вихрь можно считать практически стационгрным.

Проследим теперь, как будет действовать процедура tpin-up в полном цикле инициализации ТЦ и прогноза его траектории по реальным данным. Весь цикл можно разделить на несколько этапов.

1) Предварительная коррекция полей. Вокруг известного по метеорологическим телеграммам, факсимильным картам и т.д. начального положения ТЦ выделяется квадрат со стороной около 2000 км. По этому квадрату вычисляется средний (по высоте и площади) ветер с компонентами Uo, Vo. Эти величины вычитаится затем из начального поля ветра на всех уровнях модели и во всех точках квадрата. Одновременно по геострофическим соотмонениям производится коррекция значений геопотенциала.

2) формирование начального вихря. На каждом уровне модели в указанном квадрате формируется баротроп-ный вихрь с постоянными значениями Vmax и Rraax. Для накопления значений геопотенциала реаается уравнение баланса независимо на каждом уровне.

3) Процедура spin-up. Так яе как и в случае неподвижной атмосферы, производится интегрирование по времени на 72ч всех уравнений модели по области внутри выбранного квадрата. Однако вихрь может сдвигаться в сторону от своего начального положения. Поэтому через каждые 12 ч интегрирования производится Промежуточная коррекция освх полей с такими величинами U', V', которые бы обеспечили з течение последующих 12 ч возврат вихря в исходное положение. В результате такой процедуры оормируется начальный вихрь, полностью сбалансированный с учетом всех особенностей реального потока.

4) После окончания процедуры spin-up проводится обратная коррекция всех полей внутри квадрата с учетом как величин Do, Vo, так и U', V", полученных во время осех промежуточных коррекций.

3) Прогноз траектории ТЦ. Выполняется интегрирование по всей сетко модели на срок до 4В ч. функция нагревания и дополнительное вертикальное трение продол-яагст действовать, однако теперь они "привязаны" к дви-яучемуся тропическому циклону. Прогностическое положение ТЦ определяется на каядом временном ааге по максимуму относительной завихренности на нианем уровне.

После проварки описанного метода на молельных ситуациях он был применен к реальным тропическим циклонам, ^начало по лаинмп эксперимента ТОПЭКС проводились

расчеты прогнозов перемещения тайфуна Эллис за период с 22 по 26 августа 1982 г. При этом осредненные по пяти случая« ошибки прогнозов положения ТЦ на 24, 36 и 4В ч составили соответственно Я = 138, 18В и 269 км, что позволяет отнести данные прогнозы к разряду "хороших".

Затем в режиме, близком к режиму реального времени, было рассчитано 24 прогноза траекторий одиннадцати тайфунов! Зик (9106), Бренда (9108), Катлин (9109), Элли (9110), фред (9111), Глэдис (9112), ТЦ N0 13 (9113), Иви (9115), Кинна (9117), Мирей (9119), Орчид (9121). Прогнозы составлялись на сроки 24, 36 и 48 часов.

Анализ результатов показал неудовлетворительность почти всех прогнозов, начальная точка которых расположена ниже 20* с.ш. При испытаниях баротропной оперативной модели, имеющей с данной схемой много общих черт (шахматная сетка, центральные разности по времени и пространству, геострофический ветер в начальный момент), такой явной зависимости не было обнаружено. Это свидетельствует о гораздо большей чувствительности бароклин-ной схемы к качеству об'ективного анализа фоновых полей о низких широтах.

Кроме этого, во время испытаний на оперативном материале, был выявлен малый "запас устойчивости" полученной прогностической схемы. Это выразилось в том, что в ряде случаев прогноз оканчивался численным взрывом. Такая неустойчивость порождается, в основном, двумя факторами: склонностью к "разбалтывании" схемы с центральными разностями и использованием в уравнении (5) стандартных значений вертикального градиента температуры вместо расчета его по имеющимся полям геопотенциала.

Такое упрощение вполне себя оправдало при использовании данной разностной схемы "по назначении" - в модели, предназначенной для прогноза крупномасштабных полей в умеренных широтах. В нашем ве случае в схему дополнительно вкличен небольшой по размеру, но достаточно мощный источник тепла (до 70 К/сут), действие которого может компенсироваться только адиабатическим охлавдениен поднимающегося воздуха, т.е. слагаемыми вида (Х*-у\ Если при этом на каком-либо счетном уровне

таип^ратура. ртклояаатс.з от средней, то это изменение додано быстро вннаситься вверх восходящим потоком (имеется в виду центральная часть модельного вихря). Когда 20 параметр искусственно закреплен, то такой вентиляции [1@ происходит, и флуктуации на отдельных уровнях имевт тзнденцшз накапливаться, приводя к сильно изломанным профилям температуры и геопотенциала.

Исхода из этого,, нмает смысл попытаться заменить ':<ену на болев приепособленну!э к прогнозу полей с боль™ пиии градиентами при наличии мощных источников тепла, еояраниз при этом весь полояитнльный опыт, накопленный в "ксперииантая по согласовании начальных полей в ТЦ. Ниве сшисызаетсп попытка конструирования численной схемы, ппэчалпей этим требованиям.

При разработке? схеми принимались во внимание два требования! оо-пэроих. гпадигнти температуры долины :ичислптьсп явно- и, зо-яторых, запас устойчивости дол-пнн Зить достаточно велик для облегчения экспериментирования. Основные уравнгшп били записаны в 2-системе координат для обеспечения большей наглядности при пропадании различных экспериментов. Основными прогностическими переменными были.зетвр на всех уровнях, температура на осах урозиях и приземное давление. Уравнения решаются - помочь» схемы Лакса- Вендрофа в неполярной стереографической проекции. По вертикали модель имеет повышенное разреаение -'15 уровней! 1 ~ 0, 453, 965, 1545, 2201, 2944, 3784, 4735, 5812, 7031, 3410, 9971, 11737, 13737, 16000 п.

Работоспособность схемы была проверена на ситуации, :<огда первоначально вертикальный вихрь изменяется под действием термического яетра. Поток при этом задавался чисто зональным, и его скорость изменялась линейно по давлении, т.е. йу/йр=соп5(:. При этом скорость на уровне 'РМ1ЛИ била и= 10 !1 /с (западный перенос), а на верхнем ")озне подели (16 к-и) - и--10 м/с (восточный перенос). :!-;сспяонмент проподилеп с рклпчением и беа включения <*г?плппп[1 функции.

".*. ¡тяг. 3 припадслп :>сотиклльнпя структура оси вихря . аисылмши имфчплппии «г.••»•?» Г..' и 24 ч поело начал,'5

600 ям

Р*мс. 2. Осреднении по азимуту поля тангенциальной и вертикальной скорости, в - поле тангенциальной скорости, м/с) 6 - полз вертикальной скорости, см/с.

4 2 см)

о 1 2 э А к -3 0 * а а 4

Рис. 3. Ось вихря в патоке с вгртикальнкм сдвигом ветра. I - без течения тепловой »ункции; 2-е тепловой функцией} 5 - воображаемый

про»мль, все точки которого движутся со скорость« ведущего потока. По горимнтальиой оси отлажена градусы долготы, втрихаки на вертикальной оси обозначен» счете уровни модели.

численного интегрирования. При этом положение центра вихря отыскивалось по максимуму относительной завихренности на 11 нижних уровнях модели, на которых ее значение было положительным. Зыше циклон превращался в разни-тый антициклон и положение его центра не определялось. Там яе изображен воображаемый профиль, все точки которого движутся со скоростью невоэнучвнного внешнего потока.

Видно, что под воздействием вертикального сдвига оетра ось вихря приобрела некоторый наклон, причем этот наклон существенно меньше чисто адвективного. Даже в полностью адиабатическом варианте вихрь стремится сохранить ось вертикальной. При этом в среднем слое виден хорооо выраненный участок почти вертикальной оси, аьав и ниже которого наклон резко возрастает. Именно на этом участке вертикальные скорости наиболее развиты и именно смда был "привязан* центр тепловой функции во втором »ксперименто. Из сравнения профилей, полученных в адиабатическом и неадиабатическом экспериментах, следует ои-зад о стабилизирующем влиянии источника тепла. Особенно «ороио это заметно на болае позднем графике (1=24 ч). >та влияние может быть свявано как с возникновением интенсивных вертикальных движений, так и с общим усилением >ихря. Ко, скорее осего, более важен вклад вертикальных 1виаений, т.к. на нижних уровнях, где вертикальные ско-юсти малы, такой дополнительной стабилизации не проис-:одит.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ приводятся следующие основные результа-ы, полученные в работе.

1. Впервые в отечественной практике построен и дове-ен до стадии оперативного применения гидродинамический етод прогноза перемещения тропических циклонов, осно-анный на решении уравнений мелкой воды в модели с вла-енной сеткой. При этом:

- разработан принцип и построен алгоритм воссганов-ения начального вихря, моделирукщего ТЦ в полях Оо'ек-ивнога анализа ("инициализация ТЦ");

- предложен метод и разработана устойчивая схема

слежения за центром модельного циклона в прогнозе^

- реализован численный алгоритм с использованием вложенной сетки?

- доказана на практике способность баротропных схем с достаточно мелкой сеткой моделировать движение ТЦ|

- экспериментально исследовано влияние качества исходного анализа на прогноз перемещения ТЦ.

2. С использованием накопленного опыта построена и проверена на архивных данных региональная прогностическая модель в неполярной стереографической проекции, сочетавчая минимум исканений (масвтабный множитель близок к единице) с экономичность« вычислений. Исполь- . эование в данной модели в начальный момент ветра, осред-ненного по высоте, а такие учет воаимодействия нескольких ТЦ приводит к существенному улучиенига качества прогнозов.

3. При испытаниях региональной модели был сделан вывод о возможности отказа от "внешней модели" (при прогнозах с забл&говременностыз до 48 ч) и проведении расчетов по исходным данным с ограниченной территории, что позволило построить на ПЭВМ диалоговый прогностический комплекс, основанный на использовании синоптических карт и пригодный для вклячения, например, в систему "рабочего места синоптика".

4. Продемонстрирована способность разработанной полусоерной баротропной модели с сферической системе координат 1"вневней" для региональной модели) достаточно удачно предскайывать макромасштабные поля гетра в тропиках на уровне 500 гПа.

5. На баое оперативной !0-уровенной модели Гидрометцентра СССР построена законченная численная схема, предназначенная для расчета доивенип тропических циклонов с оаблагоереиенностыз до 48 ч. При этан для улучиення горизонтального разреиения в районе существования ТЦ устанавливается неподвиЕнак влопенная сетка. Суммарный приток тепла в ТЦ описывается аналитически задаоаемой "Функцией нагревания". Начальные поля снутрн ТЦ получа-птс5: с поиоцыэ специальной процедури трехмерного "ргс-кручивания" первоначально осрсммнсгричного нодельмоги

оихря о реальном фоновом потоке. Эта процедура позволяет получить полностью согласованные поля ветра и-давления в ТЦ и обеспечивает достаточно "плавное" начало прогноза без возникновения процессов адаптации.

Ь. Для замены использованной. при> этом численной схемы, первоначально предназначенной для прогноза круп-номасатабных полей в умеренных широтах (что накладывает определенные ограничения на использование ее для прогноза ТЦ), предложен новый численный алгоритм, основанный на реыении примитивных уравнений в 2-системе координат с помоцьга схемы Лакса-Ве'ндрооа. Предцаритвльные эксперименты показали применимость разработанного алгоритма для описания поведения ТЦ а реальном фоновом потоке.

Полученные результаты говорят о перспективности дальнейший исследований о области численного прогноза дзизения тропических циклонов.

Оснооное содзраание диссертационной работы излояемо □ 11 статьях, часть который выполнена о соавторстве»

- Результаты прогнозоз траекторий тропических цик-г лонов по численной модели Гидрометцентра СССР.- Тропическая метеорология, труди Третьего международного симпозиума (Ялта, парт 1985 г.). Л., Гидронетеоиздат, ¡937. (3 соаиторстзз с 'И.Г.Ситникопыи, Й.Н. Титовым) .■'

- Предварительный результаты оперативных испытаний численного метода прогноза перемечения тропических циклонов. - Тропическая метеорология, труды Четвертого мелдународного симпозиума (Гаоана, 1907). Л., Гидронетеоиздат, 1909. (В соавторстве с И.Г.Ситниковым, А.?.Похил, Т.А.Ярко).

- Численная сияма прогноза траекторий тропически» циклонов. - Метеорология и гидрология, Мо. 5, 1787.

- Опнт численного прогноза траекторий тропических циклоноо. - Метеорология и гидрология, Но. 0, 1907. (0 соавторстве с И.Г.Снгнпнооим).

- Прогноз траектории тропически» циклоноо по схемр с олояенниии ссткаим по ланним ПГЭП. - Метеорология и гидрология, По. 2, 2900. (0 соааторстоо с Л.И.Оалькч-омчеи).

- Мтогм нспмтанпП 'и:г.~о!::юго пэтпла прогноза трл-

•кторий тайфунов. - Метеорология и гидрология, No. 6, 1989. (В соавторстве с И.Г.Ситниковым, А.Э.Похил, К.К.Геворкян).

- Numerical Modelling of Tropical Cyclone Tracks for the Northern and Southern Hemispheres in the Hydrometeo-rological Centre of the U.S.S.R. - International Conference on Tropical Meteorology, Brisbane, July 1988 (Abstracts). <8 соавторстве с И.Г.Ситниковым, А.И.валь-ковичем, А.Похил).

- О результатах испытаний численного метода прогноза траекторий тропических циклонов сроком до трех суток. -Инф. сборник No. 18. Результаты испытаний новых и усовершенствованных методов гидромет. прогнозов. Л., Гидро-метеоиэдат, 1989. (В соавторстве с И.Г.Ситниковым, Т.Г.Иванидзе, Н.Н.Абатуровой, А.Э.Похил).

- Численное прогнозирование траекторий тропических циклонов Северного и Южного полушарий в Гидрометцентре СССР. - Метеорология и гидрология, No. 1, 1990. (В соавторстве с И.Г.Ситниковым, А.И.фальковичем, А.3.Похил).

- Численные >ксперименты по исследовании взаимодействующих атмосферных вихрей. - Метеорология и гидрология, No. 4, 1990. (В соавторстве с И.Г.Ситниковым,

А.3.Похил, И.В.Поляковой).

- Бароклинная схема прогноза траекторий тропических циклонов. - Метеорология и гидрология, No. 3, 199).

(В соавторстве с И.Г.Ситниковым).