Применение теории турбулентного вихревого динамо для диагностики зарождения тропических циклонов

Обсуждается возможность применения теории турбулентного вихревого динамо (ТВД) для диагностики зарождения тропических циклонов (ТЦ).

Учеными из ИКИ РАН (С.С. Моисеев и соавторы, 1983) был предложен механизм усиления и поддержания крупномасштабных вихревых возмущений в атмосфере за счет передачи энергии от мелкомасштабной спиральной конвективной турбулентности – ТВД. Возможности для проверки этой гипотезы c помощью необходимых физических данных появились совсем недавно. Они связаны с изучением формирования ТЦ с помощью численного моделирования с высоким пространственным разрешением (порядка 1-3 км по горизонтальным масштабам и меньше), позволяющим адекватно представить как глубокую кучевую, так и слоистую облачность.

Серия работ (М.Т. Монтгомери и соавторы, 2004-2006) принесла открытие вихревой природы атмосферной влажной конвекции в тропиках – Vortical Hot Towers (VHTs) – вихревые горячие башни (ВГБ). Сначала вращающиеся облачные структуры были обнаружены средствами атмосферного численного моделирования (2004), а вскоре их существование было подтверждено прямыми допплеровскими измерениями в атмосфере с исследовательских самолетов (2005). Полученные результаты позволили выдвинуть и всесторонне обосновать с помощью почти-облачно-разрешающих численных экспериментов новый сценарий формирования урагана (2006), основанный на самоорганизации конвективных процессов в тропической атмосфере при благоприятствующих циклогенезу кинематических и термодинамических условиях в окружающей среде. Наблюдавшийся процесс самоорганизации происходил путем множественных слияний конвективных структур, сопровождаясь увеличением масштабов завихренности и общесистемной конвергенцией абсолютного углового момента к оси циркуляции зарождающегося вихря. Создавалась концентрация абсолютного углового момента на масштабах циркуляции системы и усиливалась общесистемная циркуляция. Проведенный в рамках совместных российско-американских работ (Г.В. Левина, М.Т. Монтгомери, 2010) анализ спиральности поля скорости для данных (М.Т. Монтгомери и соавторы, 2006) показал, что формирование ТЦ сопровождается генерацией ненулевой и нарастающей интегральной спиральности, что предполагает возникновение новой топологии течения, характеризующейся зацеплением вихревых линий. Это означает нарушение зеркальной симметрии атмосферной турбулентности, при котором возможно возникновение ТВД.

Авторами настоящей работы предлагается численная диагностика тропического циклогенеза с помощью анализа спиральной самоорганизации влажно-конвективной атмосферной турбулентности во вращающейся неоднородной атмосфере на основе данных почти-облачно-разрешающего численного моделирования. В основе диагностики лежит концепция ТВД, объясняющая возникновение крупномасштабной вихревой неустойчивости как результат генерации «спиральной» обратной связи между тангенциальной и трансверсальной циркуляцией в зарождающемся урагане. Предложенный авторами оригинальный исследовательский подход позволяет диагностировать зарождение циклона, когда в формирующемся ураганном вихре происходит зацепление первичной и вторичной циркуляции, осуществляющееся глубокими вращающимися кучево-дождевыми облаками – ВГБ. Показано, как в результате такого зацепления зарождающийся вихрь становится целостной спиральной системой и генерируется положительная энергетическая обратная связь между циркуляциями, которая при соответствующих потоках влаги от подстилающей поверхности моря для поддержания конвективной неустойчивости, обеспечивает самоподдерживающийся процесс усиления общесистемной циркуляции.

Выполненное исследование способствует выработке общепринятого определения тропического циклогенеза, которого к настоящему времени не существует. Практические аспекты связаны с применением предложенного подхода для диагностики зарождения ТЦ с помощью численных метеорологических моделей прогноза.