Диссертация: Структура и эволюция тропических циклонов и их мезомасштабных аналогов в умеренных и высоких широтах

Актуальность исследования Тропический циклон (ТЦ) – это общее обозначение для нефронтальных систем низкого давления синоптического масштаба над тропической или субтропической зоной океана с организованной конвекцией и четкой циклонической циркуляцией у поверхности (Holland, 1993). Тропические циклоны являются одновременно и важным элементом циркуляции атмосферы в тропиках, и одним из наиболее опасных стихийных бедствий. В связи с катастрофическими последствиями прохождения ураганов в последние годы, проблема их изучения становится особенно актуальной. Неблагоприятные последствия, вызванные прохождением ТЦ, обусловлены преимущественно ветром ураганной силы и обильными осадками, приводящими к наводнениям, оползням и разрушениям построек, а также комплексом сопутствующих явлений (нагоном воды, засолением прибрежных территорий, опустошением сельскохозяйственных угодий). Тропические циклоны представляют собой угрозу жизни и здоровью людей, однако их социальное влияние не сводится только к непосредственным жертвам прохождения вихря. Уничтожение жилых домов, предприятий, посевов, скота и дорог приводит к голоду, безработице, утрате крова над головой и привычного уклада жизни тысяч местных жителей. В связи с этим на первый план выходит необходимость своевременного и детализированного прогноза траектории ТЦ, что позволило бы проводить точечную, а не повсеместную эвакуацию населения и подготовку объектов инфраструктуры, более выгодную, с экономической точки зрения. Важное значение в настоящее время приобретает возвращение (на новом уровне, с использованием современных мезомасштабных численных моделей атмосферы) к моделированию взаимодействия ТЦ с другими синоптическими объектами и подстилающей поверхностью, поскольку подобное взаимодействие может существенно изменить траекторию и интенсивность тропического циклона. Получение сведений о детальной структуре вихря и ее трансформации в процессе развития циклона полезно с точки зрения прогноза ущерба, наносимого вихрем при прохождении над населенными пунктами, поскольку интенсивность ТЦ неодинакова в различных его частях и в разное время суток. Несмотря на значительную удаленность России от тропической зоны, проблема изучения тропических циклонов стала предметом большого количества работ в отечественной литературе. В первую очередь, интерес к этим вихрям был вызван их нередким выходом на остров Сахалин и на Приморский край, хоть и не в фазе максимального развития, а в трансформированном виде. Кроме того, в умеренных и высоких широтах аналогом ТЦ могут служить мезомасштабные циклоны. Природа этих циркуляционных систем имеет как конвективную, так и бароклинную составляющие, что позволяет рассматривать их как переходное звено между тропическими и внетропическими циклонами. Интерес представляют также случаи трансформации ТЦ в полярно-фронтовой или его взаимодействия с внетропическими возмущениями, что может за несколько часов существенно изменить синоптическую ситуацию на Дальнем Востоке или в Западной Европе, а следовательно, и на Европейской территории России.
Целью работы является исследование особенностей эволюции тропических циклонов и их взаимодействия с другими синоптическими объектами и подстилающей поверхностью, а также составление сравнительной характеристики тропических циклонов с мезомасштабными циклонами умеренных и высоких широт.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Выбор гидродинамической модели и ее адаптация к северозападной части Тихого океана, различным регионам Атлантики и Европы. Оценка качества воспроизведения метеорологических полей моделью и обоснование ее применимости для исследования тропических циклонов. 2. Выявление структуры тропических циклонов и их влияния на тепловой и радиационный баланс подстилающей поверхности. Диагностика интенсивности вихря на различных этапах развития по показателям спиральности. 3. Исследование взаимодействия тропических циклонов с другими атмосферными возмущениями (другие тропические циклоны, внетропические циклоны, полярный фронт) и с подстилающей поверхностью (архипелаги, поверхность океана). 4. Выявление на основе синоптических карт, данных анализа NCEP и спутниковых снимков особенностей структуры и эволюции мезомасштабных циклонов высоких и умеренных широт. 5. Сопоставление характеристик и условий развития мезомасштабных циклонов над Черным, Средиземным морями и полярных мезоциклонов с типичными тропическими и средиземноморскими циклонами.
Научная новизна 1. Представлен детальный анализ внутрисуточных изменений структуры полей метеорологических величин в тропических циклонах. 2. Проанализированы различные сценарии взаимодействия тропических циклонов с полярным фронтом, полярно-фронтовыми возмущениями и другими тропическими циклонами. 3. Насколько известно автору, впервые в России для диагностики интенсивности тропических циклонов применены такие характеристики, как индекс спиральности и относительная спиральность. 4. Впервые проведена сравнительная характеристика пространственной организации и эволюции тропических циклонов, полярных мезоциклонов, мезомасштабных циклонов умеренных широт и средиземноморских циклонов.
Методы исследования Для решения поставленных задач проводился анализ спутниковых снимков, синоптических карт и карт полей метеорологических величин, построенных на основе данных реанализа, а также численные эксперименты с мезомасштабной атмосферной моделью высокого разрешения. В качестве такой модели использовалась мезомасштабная модель ЕТА, разработанная коллективом ученых под руководством профессора Мезингера в Университете Белграда и развиваемая далее в США, Бразилии, России. Был написан ряд программ по обработке полученных полей метеорологических величин (для построения вертикальных разрезов циклона, осреднения значений метеорологических величин по окружностям различных радиусов вихря, расчета характеристик спиральности, расчета потоков энергии на границе взаимодействующих циклонов и т.п.). Полученные карты, разрезы и графики анализировались и сопоставлялись с существующими ранее представлениями о структуре и эволюции тропического циклона. Для исследования особенностей эволюции тропических циклонов и их взаимодействия с другими вихрями и фронтами в работе широко использовался синоптический анализ.
Практическая значимость Полученные результаты могут быть использованы для детализации прогноза изменения интенсивности тропических циклонов и их траекторий в различных синоптических и физико-географических условиях при составлении оперативных прогнозов погоды.
Личный вклад автора Основные результаты диссертации получены автором лично и в соавторстве с Тросниковым И.В., Похил А.Э. и Левиной Г.В. Автор адаптировал модель ЕТА ко всем требуемым для расчета регионам, провел численные эксперименты, написал программы для обработки результатов интегрирования модели и выполнил синоптический анализ (на основе расчетов модели, данных NCEP, спутниковых снимков и синоптических карт) особенностей структуры и эволюции тропических, мезомасштабных и средиземноморских циклонов. Результаты исследования приведены в 22 печатных работах (5 статьях в журнале, рекомендованном ВАК, 2 статьях в других журналах и 15 тезисах и статьях в трудах различных конференций).
Апробация работы Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Вторая конференция молодых ученых гидрометеорологических служб странучастников СНГ (Москва, 2006); семинар "Математическое моделирование геофизических процессов: прямые и обратные задачи"(НИВЦ МГУ, 2006); Международная конференция «Ломоносов - 2007» (Москва, МГУ, 2007); Международный Симпозиум «Физика атмосферы: наука и образование» 6 (Санкт-Петербург, 2007); Международная конференция «Мезопроцессы в метеорологии и атмосферном загрязнении» (Одесский Государственный Экологический Университет, Одесса, 2008); iTi Conference on Turbulence III (Università di Bologna, Bertinoro, Italy, 2008); Школа молодых ученых по механике сплошных сред (Пермь, 2009); Международная конференция «Михаил Арамаисович Петросянц и синоптическая метеорология» (МГУ, 2009); WSEAS/CIEO International Conference on Climate Change, Global Warming, Biological Problems and Natural Hazards (Faro, Portugal, 2010); семинар по моделированию и прогнозу крупномасштабных гидрометеорологических процессов и климата (Гидрометцентр России, 2011).
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она включает 173 страницы текста, 195 иллюстраций, 14 таблиц, и список литературы из 212 наименований, в числе которых 100 отечественных, 101 иностранная работа и 11 Интернет-ссылок.