Введение ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Синоптическая изменчивость океана в последние десятилетия

Введение
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Синоптическая изменчивость океана в последние десятилетия
интенсивно изучается и признается одной из фундаментальных проблем современной
океанологии. Она характеризуется временными масштабами от суток до десятков суток,
горизонтальными масштабами от нескольких десятков до первых сотен километров и
вносит основной вклад в термодинамические процессы в океанах. Важной задачей
является изучение механизмов генерации и эволюции синоптических возмущений в
верхнем слое океана (ВСО). Большое число работ посвящено их образованию вследствие
неустойчивости крупномасштабных течений в океане. Менее изученной остается роль
интенсивных атмосферных процессов — циклонов, в том числе тропических (ТЦ),
антициклонов, фронтов. ТЦ- меньшие по размерам, но более интенсивные (со скоростями
ветра до 80 м/с), чем обычные циклоны, могут быть важным источником возмущений
верхнего слоя океана, особенно для северо-западной части Тихого океана, которая
характеризуется большей их частотой, интенсивностью и размерами, чем другие районы
Мирового океана. В своей эволюции ТЦ в этом регионе поднимаются до высоких широт,
оказывая воздействие на Японское и Охотское моря, воды Курило-Камчатского района. В
связи с этим исследования синоптической изменчивости океана, связанной с
прохождением ТЦ, актуальны с научной и практической точек зрения.
Для изучения в натурных условиях реакции океана на ТЦ необходимо иметь данные
гидрологических съемок на довольно большой площади до прохождения ТЦ и после.
Однако такие исследования осложняются объективными причинами, связанными с
большими размерами ТЦ, штормовыми условиями в них, развитием и перемещением над
акваториями, слабо освещенными данными инструментальных наблюдений. Поэтому
5 накопление натурных данных о взаимодействии тропических циклонов с
океаном требует значительных материальных затрат и идет довольно медленно.
Подобных целенаправленных наблюдений единицы (экспедиции «Тайфун-75», «Тайфун78»). В основном, наблюдения, данные которых используются при исследовании реакции
океана на ТЦ, случайны и фрагментарны, что часто приводит к неоднозначной их
интерпретации.
К настоящему моменту сложились определенные представления о реакции верхнего слоя
океана на ТЦ. Однако большое разнообразие как самих ТЦ, так и гидрологических
условий в океане, делают актуальными дальнейшие исследования синоптической
изменчивости верхнего слоя океана в районах развития и прохождения ТЦ. Важным, но
практически неизученным, является вопрос о роли возмущений синоптического
масштаба, вызванных ТЦ, в процессах горизонтального крупномасштабного переноса
тепла, соли, количества движения, различных примесей и биологических объектов, а
также возможность параметризации таких процессов. Остаются недостаточно изученными
и вопросы о вкладе ТЦ в энерго-массообмен атмосферы и океана в районах их эволюции.
Цель работы - по архивным данным гидрологических съемок и метеорологических
наблюдений исследовать синоптические возмущения в термодинамической структуре
верхнего слоя северо-западной части Тихого океана, возникающие при прохождении
тропических циклонов, и изучить вклад ТЦ в процессы горизонтального турбулентного
переноса и энерго-массообмена атмосферы и океана.
При этом были выделены и решались следующие задачи: I. Обзор и анализ результатов по
исследованию реакции верхнего слоя
океана на прохождение тропических циклонов по литературным
источникам;
6
2. Создание специализированного архива, содержащего гидрологические и
метеорологические данные до и после прохождения отдельных тропических циклонов в
северо-западной части Тихого океана;
3. Подготовка программно-алгоритмического обеспечения, позволяющего проводить
комплексную обработку гидрологических и метеорологических данных;
4. Анализ синоптической изменчивости термодинамической структуры верхнего слоя
океана при прохождении тропических циклонов;
5. Оценка характеристик горизонтального турбулентного обмена в верхнем слое океана и
влияния на них тропических циклонов;
6. Изучение особенностей мелкомасштабного взаимодействия океана и атмосферы в
области движущихся тропических циклонов.
Научная новизна. В работе получены следующие основные научные результаты:
1. Дано описание синоптической изменчивости верхнего слоя океана при прохождении
ТЦ Норрис в районе, характеризующимся наличием зон вергенций. Показано, что в
данном случае, в отличие от большинства, описанных в литературе, характерной чертой
термического «следа» ТЦ было повышение средней по площади температуры воды на
всех горизонтах верхнего слоя океана. Причина этого явления горизонтальная адвекция
водных масс из зон конвергенции под влиянием ТЦ.
2. На большом фактическом материале для 12 случаев прохождения ТЦ получены оценки
статистических характеристик горизонтального турбулентного обмена: средних
отклонений скорости течений от фоновых значений и их пространственных масштабов,
коэффициентов обмена. Показано, что их изменчивость связана с влиянием тропических
циклонов, а в районах синоптических циклонических вихрей интенсивность
горизонтальной турбулентности снижается.
7
3. Показано, что значительная роль ТЦ в мелкомасштабном взаимодействии атмосферы и
океана проявляется, прежде всего, через потоки механической энергии ветра, которые в
ТЦ могут превышать более чем в 30-40 раз их фоновые и среднемесячные значения.
Предметом защиты являются следующие основные результаты:
1. Описание и анализ синоптических возмущений термодинамической структуры при
прохождении тропического циклона Норрис.
2. Оценки характеристик горизонтального турбулентного обмена в верхнем слое океана на
синоптических масштабах и анализ влияния на них тропических циклонов.
3. Оценки вклада тропических циклонов в энерго-массобмен океан-атмосфера в районах
их перемещения и в изменчивость интегральных характеристик верхнего слоя океана.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы в
дальнейших исследованиях тропических циклонов; при проверке адекватности численных
моделей верхнего слоя океана, предназначенных для исследования и прогноза
синоптической изменчивости; в задачах параметризации влияния тропических циклонов
на верхний слой океана в моделях сезонного хода, межгодовой и климатической
изменчивости океана. Разработанные и использованные в диссертации методы, алгоритмы
и программы обработки данных могут найти применение в задачах комплексной
обработки гидрологических данных- Создана электронная версия архива
гидрометеорологических данных, привязанных к тропическим циклонам по времени и
району.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях
молодых ученых ТОЙ ДВО РАН (1997, 2000, 2001), региональных конференциях
студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г.Владивосток, ДВГУ, 1998, 2000),
«International symposium on North Pacific transitional areas» (La Paz, Mexico, 2002), научнопрактической
g
конференции молодых ученых, аспирантов, студентов "Современные методы
мониторинга морских экосистем" (г.Владивосток, МГУ им. Г.И. Невельского, 2000), на
семинарах лаборатории взаимодействия океана и атмосферы ТОЙ ДВО РАН. Результаты
работ вошли в материалы отчетов по темам ФЦП «Мировой океан» и были использованы
в работах по ряду проектов РФФИ и «Интеграция».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 198 стр.,
включая 58 рисунков, 16 таблиц, приложение на 17 стр. и список литературы на 10 стр.,
содержащий 107 наименований, из которых 48 — зарубежных авторов.
Содержание диссертации.
Первая глава носит обзорный характер. В разделе 1.1 приведены общие сведения о
тропических циклонах. В разделе 1.2 дан аналитический обзор современного состояния
исследований реакции океана и окраинных морей на тропические циклоны. Выделены
малоизученные вопросы, исследованию которых посвящена диссертационная работа.
Вторая глава посвящена описанию исходных данных, методов обработки и расчетов. В
разделе 2.1 дается общая характеристика района исследований. В разделе 2.2 описаны
характеристики тайфунов и данные гидрологических и метеорологических измерений,
районы их проведения. В разделе 2.3 подробно описаны методы обработки данных
вертикального зондирования,, оптимальной интерполяции океанологических полей,
интегральных характеристик верхнего слоя океана, динамических характеристик, методы
оценок характеристик горизонтального турбулентного обмена и взаимодействия
атмосферы и океана в области тропических циклонов.
В третьей главе анализируется синоптическая изменчивость верхнего слоя океана до и
после прохождения отдельных тропических циклонов. В
9
разделе 3.1 дано подробное описание термодинамической реакции верхнего слоя океана в
следе ТЦ Норрис. В разделе 3.2 приведены оценки изменчивости интегральных
характеристик ВСО в следе шести тропических циклонов разной интенсивности и
скорости перемещения (ТЦ Вирджиния, Ким, Норрис, Винни, Орчид и Сперри). В разделе
3.3 приведены оценки характеристик горизонтального турбулентного обмена в ВСО
(коэффициент горизонтального обмена, масштабы отклонений скорости течений от
фонового потока, горизонтальный масштаб возмущений) для 12 случаев прохождения ТЦ,
проводится сравнение с известными из литературы оценками рассчитанных
характеристик. Проведен анализ зависимости характеристик горизонтального обмена от
интенсивности ТЦ и географического положения района его влияния.
В четвертой главе приводятся оценки характеристик мелкомасштабного взаимодействия
океана и атмосферы в области прохождения шести тропических циклонов, их
сравнительный анализ с фоновыми среднемесячными оценками и с изменчивостью
интегральных характеристик верхнего слоя океана. В разделе 4.1 описывается
используемая в расчетах модель поля ветра в перемещающемся тропическом циклоне. В
разделе 4.2 приведены оценки для медленно перемещающегося ТЦ Вирджиния, в разделе
4.3 для ТЦ, движущихся со средней скоростью (Норрис и Винни), в разделе 4.4 для
быстро движущихся ТЦ Орчид, Сперри и Ким. В разделе 4.5 дан анализ и сравнение
полученных оценок характеристик- мелкомасштабного эзаимодействия океана и
атмосферы в области прохождения ТЦ. Показан значительный вклад ТЦ в потоки энергии
ветра на поверхности океана на синоптических масштабах.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
10
ГЛАВА 1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕАКЦИИ ОКЕАНА НА
ПРОХОЖДЕНИЕ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
1.1. Общие сведения о тропических циклонах
Тропические циклоны (ТЦ) — это циклонические атмосферные вихри с очень большими
скоростями ветра (рис. 1.1). ТЦ возникают и развиваются над океанами в тропической и
экваториальной зонах между 22° ю.ш. и 35° с.ш. за исключением приэкваториальной
полосы 2° ю.ш.- 2° с.ш. [19].
Тропические циклоны в различных районах носят местные названия. В Атлантике и на
востоке Тихого океана к ним применяется название "ураганы", в северо-западной части
Тихого океана - "тайфуны", а в Индийском океане - циклоны или шторма.
Акваторию Мирового океана принято разделять на 6 основных районов зарождения
тропических циклонов [17]: 1) северо-запад Тихого океана (западнее меридиана 180°); 2)
северо-восток Тихого океана (к востоку от меридиана 180°); 3) Атлантический океан
(только в северном полушарии; 4) север Индийского океана (Бенгальский залив и
Аравийское море); 5) юг Индийского океана; 6) юг Тихого океана. По широте область
заключена между 5 и 25° ю.ш. (рис. 1.2).
80% тропических циклонов возникает в зоне, ограниченной 5 и 20° с. и ю.ш. [12].
Наблюдения показывают [9, 56, 87], что ТЦ не зарождаются в районах с температурой
поверхности ниже 26°С. Поэтому случаи возникновения ТЦ возле западных берегов
Африки и возле Южной Америки чрезвычайно редки.
Повторяемость тропических циклонов. На основе данных мониторинга ТЦ в работе
Кружковой Т.С. и Иванидзе Т.Г [17] за тридцатилетний период (1970-1999 г.г.) показано,
что среднем на планете возникает 84 ТЦ в год. Наибольшее число тропических циклонов
11
Рис. 1.1. Снимок супер-тайфуна Mitag в северо-западной части Тихого океана,
полученный со спутника GMS-5 5 марта 2002 [76]
Tropical
June-October
Frequency over a 20-year period
|—1 1-5 I I 6-10 d 11-20 ¦ Over 20
December-March
/ Cyclones
J December-April
Miller Cylindrical Projection
Рис. 1.2. Районы зарождения и повторяемость тропических циклонов за период 1977-1997
гг. [76]
12 отмечается в северо-западной части Тихого океана- в среднем 26 ТЦ в год.
Из них 71 % появляется в июле-октябре.
Поле атмосферного давления в тропическом циклоне представляет собой систему
замкнутых изобар с минимальным давлением в центре [10]. Внешняя замкнутая изобара,
диаметр которой и определяет горизонтальный размер ТЦу имеет значение близкое к
нормальному (1013 мб). Характерные масштабы ТЦ- 200-800 км, хотя встречаются ТЦ с
диаметрами до 2000-2500 км [17,19]. В [19] приводятся статистические данные,
показывающие, что размеры тропических циклонов зависят от широты местоположения
их центра - диаметр ТЦ увеличивается по мере продвижения в умеренные широты.
При относительно небольших размерах давление в центре понижается до 950-960 мб [56],
а в отдельных случаях достигает и более низких значений. За тридцатилетний период
1970-1999 г.г. абсолютный минимум давления 870 мб наблюдался в супер-тайфуне Тип в
октябре 1979 г [17]. При этом максимальная скорость ветра достигала 75 м/с, а диаметр
циклона - 2220 км.
Характерной чертой тропического циклона является так называемый «глаз бури» область в центре ТЦ, где, как правило, отсутствует облачность, а барические градиенты
незначительны. Скорость ветра в "глазе" в пределах 0-5 м/с, температура воздуха выше
температуры на периферии на 2°С [19]. Размеры изменяются в широких пределах: от 5 до
300 км, при средних значениях 40-45 км [20, 58]. За «глазом» ТЦ начинается зона
значительных горизонтальных барических градиентов (достигающие 1-3 мб/км [36,19]),
которые возникают вследствие сильного различия между давлением в центре ТЦ и на его
периферии при небольших размерах ТЦ [19]. Ширина этой зоны - 20-200 км.
Значительные перепады атмосферного давления порождают ураганные ветра. Например, в
тайфуне Ида 24 сентября 1958 г. их скорость достигала 113 м/с [18]. Зона максимальных
ветров совпадает с кольцом
13
плотной облачности, окружающей глаз ТЦ, и очень хорошо различима на спутниковых
снимках (рис. 1.1).
По распределению ветра, осадков и облачности в сформировавшихся ТЦ выделяют
следующие области [19, 8] (рис. 1.3,а):
— Центральная область или ядро ТЦ. В ней скорость ветра растет почти линейно с
расстоянием от центра, достигая максимальных значений на границе ядра. В этой области
наблюдаются максимальные положительные аномалии температуры и влажности воздуха.
— Область максимальных (штормовых в ураганах и тайфунах) ветров, в которой
наблюдаются интенсивные осадки и плотная облачность кучевых и слоистых форм.
— Внешняя область или периферия с плавным ослаблением ветра в направлении к
внешней границе ТЦ и спиральными полосами облачности и осадков.
В вертикальной структуре ТЦ вне области ядра можно выделить следующие основные
зоны [19, 10]: пограничный слой атмосферы толщиной 1 км, в котором проявляются силы
трения о поверхность и наблюдается приток воздуха к центру циклона; средняя часть
тропосферы, в которой циклонический ветер уменьшается с высотой, а вток воздуха
связан в основном с действием источника тепла конденсации водяного пара; слой оттока
на высотах 10-18 км, в котором преобладает антициклоническая циркуляция,
усиливающаяся по мере удаления от центра циклона (рис. 1.3, б).
Процесс эволюции "среднего" ТЦ принято разделять на 4 стадии, причем их длительность
и общая продолжительность существования ТЦ зависят от времени года и
географического района, в котором они развиваются [41,19].
1. Стадия формирования. Эта стадия начинается с возникновения циклонической
циркуляции на восточной волне или в слабом тропическом
14
возмущении. Давление на уровне моря падает до 1000 мб, а циклоническая циркуляция
распространяется до высоты 1.5-3.5 км.
2. Стадия развития или стадия молодого циклона. Давление падает ниже 1000 мб.
Ураганные ветра образуют вокруг центра плотное кольцо радиусом 40-50 км. Облака и
осадки образуют стройную систему в виде узких спиральных полос. Циклонический
вихрь распространяется до высоты 5-6 км.
3. Стадия зрелого циклона. Падение давления в центре и увеличение максимальной
скорости ветра прекращаются. Циклоническая циркуляция расширяется по площади и
распространяется по высоте. Радиус максимальных ветров может увеличиться до 300-400
км. Диаметр тропических циклонов на этой стадии может изменяться в широких пределах
от 200 до 2000 км.
4. Стадия затухания. С выходом из тропиков ТЦ либо заполняются над холодными водами
океанов или над континентами, либо трансформируются во внетропические циклоны.
Диаметр их может увеличиться до 3000 км.
Тропические циклоны в зависимости от максимальной скорости ветра Vm принято
разделять на четыре категории интенсивности [1, 19, 29, 56]:
1. Тропическое возмущение или облачное скопление: Vm < 10 м/с.
2. Тропическая депрессия: 10
3. Тропический шторм: 17 < Vm <33 м/с.
4. Ураган или тайфун: Vm > 33 м/с.
В отдельную категорию супер-тайфуна или сверхурагана выделяют ТЦ, в которых
скорость ветра достигает 60-80 м/с [61]. За период с 1970 по 1999 г. максимальная
скорость ветра 82 м/с была зафиксирована в ТЦ Линда (сентябрь 1997 года) [17].
15
а)
траектория тайфуна ПВК
В
Хвостовая
конвективная
облачность
Хвост
— Т т.?---------Т —
Т- тропопауза; Ci- перистые облака; ПВК- полоса внешней конвекции; КЗ-кольцевая зона
Рис. 1.3. Области тропического циклона (а) и его вертикальная структура (б)
[19]
16
По скорости падения давления или росту скорости максимального ветра ТЦ разделяют на
[19,41]:
г) медленно развивающиеся ТЦ. Скорость падения давления- 5-10 мб/сут. Максимальный
ветер в ТЦ возрастает на 5 м/с за сутки;
б) типичные ТЦ. Скорость падения давления- 10-30 мб/сут. Максимальный ветер в ТЦ
возрастает на 10 м/с за сутки;
в) быстро развивающиеся ТЦ. Скорость падения давления — более 42 мб/сут.
Максимальный ветер в ТЦ возрастает более чем на 15-20 м/с за сутки.
Средняя продолжительность существования тайфунов составляет около 7 суток
(атлантических ураганов около 9 суток), а максимальная - 18 суток (в Атлантике 27-35
суток). За время «жизни» ТЦ принимается период от стадии тропического шторма до
момента диссипации ТЦ в тропиках или умеренных широтах [19].
Траектории и скорости перемещения тропических циклонов. В Северном полушарии ТЦ
перемещаются в западном, северо-западном направлениях по южной и юго-западной
перифериям субтропического антициклона со средней скоростью 20 км/ч. Достигнув оси
антициклона, которая располагается вблизи 20-25° с.ш., ТЦ включаются в общий
западный перенос и меняют направление на северное и затем на северовосточное.
Интенсивность тайфуна после поворота значительно ослабевает, а скорость движения
возрастает до тех же значений, что и у внетропических циклонов (до 30-50 км/ч). Часто
траектории движения ТЦ имеют "неправильную" форму (прямую, параболу, гиперболу),
могут "топтаться" в одной точке, резко изменить направление [19,2].
По скорости перемещения Vn тропические циклоны делятся на медленные (Vn < 4 м/с),
перемещающиеся со средней скоростью (4 < Vn < 6 м/с) и быстрые (Vn >6 м/с) [89]. По
Гейслеру [74] для медленных ураганов скорость перемещения Vn < 3 м/с, для быстрых V,,
больше 7 м/с.
17 1.2. Результаты исследований реакции верхнего слоя океана на
прохождение тропических циклонов
Интерес к воздействию тропических циклонов на океан возник давно. Еще в 1949 году
Удой [103], а затем Фишером в 1958 году [73] показано, что после прохождения ТЦ на
поверхности океана остаются области ("пятна") с температурой воды значительно ниже
окружающей. По мнению Фишера, причиной охлаждения воды был апвеллинг. Джордан
[79], исследуя тепловой режим до и после прохождения нескольких тропических
циклонов, пришел к выводу, что понижение температуры поверхности океана происходит
в основном за счет ветрового перемешивания. Однако недостаток данных, отсутствие
фоновых наблюдений не позволяли дать точную картину возмущений гидрологических
характеристик, вызываемых тропическим циклоном. Первым, кто представил
пространственную и вертикальную структуру изменчивости температуры, солености и
плотности по натурным данным на примере урагана Хильда, был Дейл Лейпер [83].
Ураган пересек Мексиканский залив с 30 сентября по 4 октября 1964 года со средней
скоростью 3-4 м/с. Скорость максимального ветра достигала 70 м/с. Располагая данными
по температуре, солености и плотности, полученными разными торговыми судами до
прохождения ТЦ Хильда и данными четырех гидрологических разрезов, выполненных в
следе ТЦ, Лейпер показал реакцию верхнего 270-метрового слоя океана. В области
максимальных ветров с размерами 70X200 миль температура поверхности океана
понизилась более чем на 5°С вследствие апвеллинга, развившегося с глубины 60 м. На
расстоянии 180 миль от траектории ТЦ, на глубинах около 80-100 м сформировались ядра
более теплой, по сравнению с фоном, воды. Лейпер Д. показал, что под влиянием
штормовых ветров происходит сгон теплых поверхностных вод от центра ТЦ. На
некотором расстоянии они охлаждаются и опускаются, оставаясь более теплыми по
сравнению с окружающими водами. На формирование слоя воды с более высокой
Список литературы