Особенности генерация ветровых волн тропическими и полярными циклонами: спутниковые альтиметрические измерения и моделирование

Тропические и полярные циклоны (ТЦ, ПЦ) сопровождается генерацией интенсивных ветровых волн. Однако, как следует из наблюдений, высоты генерируемых волн не всегда связаны напрямую со скорость ветра и радиусом ТЦ. В ряде случаев, когда ТЦ двигался с большой скорость (порядка 10 м/с) в течении суток, наблюдаемые высоты волн имели аномально большие значения, которые существенно (в разы) превосходили ожидаемые значения, определяемые скоростью ветра и размером ТЦ. Явление усиления волн движущимся ТЦ связывают с механизмом «захвата» волн движущимся ТЦ. В правом секторе ТЦ направление ветра совпадает с направлением движения ТЦ. Поэтому волны в этой части ТЦ находятся под более длительным ветровым воздействием по сравнению с волнами генерируемыми в левом секторе ТЦ. В результате возникает ассиметрия в распределении волн в ТЦ, а амплитуда захваченных волн может существенно превышать ожидаемые значения. Это явление зафиксировано в многочисленных контактных и дистанционных измерениях.
Для описания этого явления используются либо эмпирические, либо численные модели. Первый тип моделей широко используется в оперативной практике, но они не обладают необходимой точностью и универсальностью. Численные модели хорошо воспроизводят наблюдения, но вычислительные ресурсы и время, необходимое для проведения расчетов, крайне ограничивает их практическое применение.
В работе предлагается упрощенная физическая модель генерации ветровых волн ТЦ, основанная на обобщении теории подобия развития ветровых волн на случай их генерации движущимся ветровым образованием. Модель описывает захват волн в правом секторе ТЦ и значительное увеличение энергии при появлении резонанса в системе «ТЦ-волны». В этом случае длины и высоты волн, генерируемые ТЦ, не зависят от скорости ветра, а их значения определяются только скоростью перемещения ТЦ.
Исследование явления захвата волн и тестирование модели проведено на основе альтиметричческих измерений волн и ветра в тайфунах со спутников Jason-1, Jason-2, CryoSat-2, and SARAL/AltiKa за период 2010-2013. За весь этот период были найдены только 21 случай, когда трек альтиметра проходил в непосредственно близости от глаза тайфуна. Данные измерения проанализированы с использованием предложенной модели. Установлено, что наблюдения усиления волн в ТЦ могут быть описаны универсальными законами, являющимися обобщением теории подобия генерации волн на случай движущегося ТЦ. На основании анализа данных и моделирования предложен универсальный критерий, который может быть использован для предсказания генерации аномально высоких волн ТЦ на основе комбинации 3-х просто наблюдаемых параметров: скорость ветра, размер и скорость перемещения ТЦ. Этот критерий может быть использован в системах раннего предупреждения о появлении аномально высоких волн, генерируемых ТЦ.
Работа выполнена при поддержке проекта РНФ 15-17-20020, Госзадания 5.2483.2014/K, и гранта РФФИ № 14-05-91760/14.