Численный анализ динамики тропического циклогенеза и её связь с изменениями климата в рамках малопараметрической модели

Исследование энергопереноса в системе океан – атмосфера является важной задачей, поскольку оно связано с прогнозированием таких опасных явлений природы, как ураганы, штормы и тропические циклоны (ТЦ), иначе называемые тайфунами. В настоящее время наблюдается рост как числа, так и разрушительной силы таких катастрофических явлений. Примерами последних лет могут служить ТЦ: Зета (2020), Грейс (2021) – 3 категория, Лаура, Ета, Йота (все 2020), Ида (2021) – 4 категория, Ирма (2017) и Дориан (2019) – 5 категория (все категории указаны по шкале Саффира-Симпсона). В процессе переноса энергии между океаном и атмосферой задействован целый ряд физических механизмов, и детальное моделирование таких кризисных явлений требует решения сложной нелинейной системы уравнений гидродинамики с большим количеством параметров, что возможно только при использовании мощнейших суперкомпьютеров. В связи с этим представляет интерес построение и исследование упрощённых моделей, которые тем не менее были бы пригодны для приближённого описания этих процессов. В частности, в работах [3], [4] была предложена так называемая нелинейная малопараметрическая модель (НМПМ), представляющая собой систему связанных нелинейных дифференциальных уравнений для максимальной скорости ветра в ТЦ и температуры поверхности океана в зоне тайфуна. НПМП позволяет описать формирование ТЦ из слабой тропической депрессии с последующим усилением его интенсивности до уровня тайфуна. После обобщений и дальнейшего развития этой модели в работах [1], [2], [5], стало возможным описывать процессы зарождения, развития и последующего затухания в связи с выходом на побережье. Обобщенная МПМ-модель содержит свободные параметры, выбором которых можно управлять динамикой циклогенеза, например, числом формирующихся ТЦ в активном сезоне, максимальной скоростью ветра и длительностью ТЦ, а также временами последующего затухания вихрей.
В настоящей работе было продолжено численное исследование динамики регионального циклогенеза с использованием нелинейной малопараметрической модели. Были смоделилованы четыре ТЦ с временами жизни от 7 до 16 дней в течение активного сезона и соответствующие разным категориям по шкале Саффира-Симпсона. В расчётах учитывались вариации скорости ветра в тайфунах, а также другие эффективные источники возмущений. В свете теории глобального потепления, была смоделирована динамика ТЦ при небольшом нагреве поверхности океана, на 0.3 – 1 градуса Цельсия. Численные расчёты показали сильный рост скорости ветра в тайфунах, а также увеличение длительности развитой стадии ТЦ. Согласно расчётам, особенно сильно эффект нагрева поверхности океана влияет на более слабые вихри, что приводит к их переходу в более высокую категорию .
Работа выполнена в рамках сотрудничества между ИКИ РАН и SRTI-BAS, проект Серфотрон