Учебное пособие «Физика природной среды»



страница26/26
Дата10.05.2016
Размер1.48 Mb.
1   ...   18   19   20   21   22   23   24   25   26

7. ТРОПИЧЕСКИЕ ЦИКЛОНЫ

7.1. Классификация тропических циклонов

Тропическими циклонами называются крупные концентрированные атмосферные вихри (высотой 15–20 км и радиусом ~ 1000 километров) с низким давлением в центре, которые возникают и развиваются над тропическими океанами.

В процессе своего развития тропические циклоны проходят несколько стадий, различающихся по интенсивности и внешним проявлениям.

1. Тропическое возмущение. На космических снимках наблюдаются беспорядочно разбросанные кучевообразные, слоистые и перистые облака. Постепенно количество облаков увеличивается, мощность их возрастает, появляются облачные полосы. Вся облачная система имеет рыхлую неправильную форму, не симметричную по отношению к центру циклона. На синоптических картах наблюдается область пониженного давления с одной замкнутой изобарой, ветер слабый (до 10 м/с).

2. Тропическая депрессия. Постепенно плотность, количество облаков увеличиваются, облачная система приобретает вид «запятой», с выпуклой частью, обращенной к востоку. На картах появляется несколько замкнутых изобар, ветер усиливается до 15–20 м/с.

3. Тропический шторм. Облачная система становится более широкой и упорядоченной, образуется центральный облачный массив. В центре возможно образование «глаза» — темного пятна, прикрытого сверху перистой облачностью. Появляется четкая полоса конвективных облаков в виде витка спирали. Скорость ветра > 20 м/с.

4. Ураганная стадия. Скорость ветра превышает 32 м/с. Облачная система еще более уплотняется и увеличивается по площади. От центрального облачного массива, который становится более симметричным, могут отходить спиральные полосы (одна или несколько) шириной 100–200 км и длиной ~ 900 км. Полосы перистых облаков указывают на растекание воздуха в верхних слоях тропического циклона. Глаз бури в виде черного пятна отчетливо виден на фоне белого облачного массива.

5. Угасание (начало заполнения) циклона на спутниковых снимках обнаруживается по овальной форме облачной системы и по размытости ее границ.

Самые сильные тропические циклоны (ТЦ) в четвертой стадии в разных районах называют по разному. На Дальнем Востоке их называют тайфунами, в Северной Атлантике — ураганами, в Индийском океане — просто циклонами. Есть и менее распространенные названия: вилли-вилли (Австралия); вилли-вау (Океания), багио (Филиппины). Каждый сильный циклон (уже начиная с третьей стадии) получает свое имя. Раньше им давали только женские имена, в последнее время стали появляться и мужские.

Ежегодно образуются около 80 тропических штормов, из которых примерно 50 развиваются в ураганы. Самые интенсивные ураганы и в наибольшем количестве развиваются в конце лета — начале осени, когда поверхность океана максимально прогрета. Ураганы возникают между 22° ю. ш. и 35° с. ш. (за исключением узкой экваториальной полосы 2° ю. ш. – 2° с. ш.), причем их максимальное количество образуется между 10° и 20° широты. Около 75% всех ТЦ происходят в Северном полушарии.

Анализ статистических данных показывает, что основными условиями появления и дальнейшего развития ТЦ, по-видимому, являются:

— наличие большой области океана с достаточно высокой температурой поверхности (Ts > 27°С);

— превышение параметром Кориолиса f = 2ω sin φ некоторого критического значения (этим объясняется отсутствие ТЦ при φ < 2°).

Как показывают данные наблюдений, только эти факторы не являются достаточными для развития ТЦ и требуют целого ряда дополнительных условий, выявление которых составляет одну из основных задач в изучении тропических циклонов.

7.2. Последствия тропических циклонов

Наибольшую опасность и максимальные потери создают ТЦ в 3 и 4 стадиях, когда они выходят на сушу. В среднем один циклон за сутки выделяет энергию ~ 5·1019 Дж (энергия атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму ~ 1014 Дж).

Наиболее разрушительными факторами ТЦ являются:

— штормовые ветры (до 100 м/с);

— штормовые нагоны: при выходе на сушу циклон вызывает подъем воды до 10 м, а в узких заливах может быть и больше;

— сильные осадки, которые приводят к большим наводнениям.

Наибольший ущерб ТЦ наносят странам, расположенным на берегах тропических океанов: США, страны Юго-Восточной Азии, Мексика, Индия, Бангладеш и т. д. В США средний ураган наносит ущерб в 100 млн. долларов, наиболее сильные ураганы — по нескольку миллиардов долларов.

Людские жертвы максимальны в прибрежных странах с высокой плотностью населения и малой высотой над уровнем моря (например, ураган в 1970 г. унес 100 000 жизней в Бангладеш).

Следует, однако, отметить и другие стороны последствий тропических ураганов. ТЦ оказывают влияние на общую циркуляцию атмосферы, являясь проводниками энергии от поверхности океана в тропиках в верхние слои атмосферы, где эта энергия разносится воздушными потоками в высокие широты. Тропические циклоны малой и средней интенсивности приносят больше пользы, чем вреда, являясь основными источниками влаги для многих засушливых районов планеты.

7.3. Структура тропического циклона в зрелой стадии

7.3.1. Приземное давление

Атмосферное давление в центре ТЦ составляет обычно 950–960 мбар (нормальное давление — 1013 мбар). Отмечались случаи падения давления до 890 мбар (рекорд составляет 877 мбар).



7.3.2. Динамическая структура (поле ветра)



Горизонтальная структура. В зрелом ТЦ можно выделить две области: центральную часть (r ≤ 100 км) — ядро вихря, и внешний район (радиус до 1000 км). В ядре зрелого ТЦ обычно существует «глаз» — центральный, относительно спокойный безоблачный район (r ~ 5–50 км). Для него характерны самое низкое приземное давление и самые высокие температуры.

«Глаз» окружен кольцевым районом шириной ~ 20 км, получившим название «стена глаза», который характеризуется сильной облачностью, максимальными осадками и самыми сильными ветрами. Здесь же наблюдаются мощные конвективные (восходящие) потоки воздуха.

Во внешнем районе от стены до периферии происходит постепенное уменьшение скорости ветра, интенсивности осадков, температуры воздуха до фоновых значений. В частности, скорость ветра быстро убывает и на расстояниях от глаза r > 200–300 км уменьшается до уровня среднего ветра.

Вертикальная структура. По высоте ТЦ простирается от поверхности океана до тропопаузы (15–20 км). ТЦ — циклонический вихрь (в Северном полушарии ветры дуют против часовой стрелки, давление в центре пониженное). В циркуляции преобладает сильный циклонический поток, наибольшую величину в вихре имеет тангенциальная составляющая скорости ветра vφ.

По высоте ТЦ можно условно разделить на 3 слоя:

1) Слой входного потока (0–3 км). Здесь ветер направлен по спирали к центру циклона. По мере приближения к центру скорость ветра возрастает (согласно закону сохранения момента импульса). Входной поток доходит до границы глаза и в стене глаза переходит в восходящий поток. В области стены глаза расположена зона максимальных ветров (vφ. ≤ 100 м/с). В глазе скорость ветра спадает до нуля (см. рис. 7.3.1).

2) Средний уровень (3–10 км). Входного потока практически нет. Движение воздуха представляет собой циклоническое вращение.

3) Верхний слой, или слой выходящего потока (10–12 км). Восходящий поток в стене глаза переходит в выходящий поток, в котором по мере удаления от центра циклона вращение замедляется и на некотором расстоянии (несколько сотен километров) циклоническое вращение переходит в антициклоническое.



Максимальные вертикальные скорости (в стене глаза) могут достигать нескольких метров в секунду. В самом глазе наблюдается слабый нисходящий поток воздуха.

7.3.3. Поле температуры

Практически на всех высотах в центре ТЦ существуют большие положительные аномалии температуры по сравнению с окружающей атмосферой. Например, на высоте ~ 6 км в глазе температура превышает среднюю температуру окружающей атмосферы примерно на 10°С. Наибольшие градиенты T/∂r наблюдаются в стене глаза. Максимальные аномалии температуры в центральном районе наблюдаются на средних уровнях. В нижнем и верхнем слоях эти перепады становятся меньше. Поэтому в литературе часто встречается термин «теплое ядро», которое существует в центре урагана на средних высотах. Считается, что именно оно создает низкое приземное давление в центре урагана, которое определяет его интенсивность.

Существование теплого ядра обеспечивается выделением скрытой теплоты конденсации, которое происходит, когда влажный воздух поднимается в стене глаза. Этим объясняется тот факт, что ураганы зарождаются и развиваются только над океанами, а при выходе на сушу быстро затухают.

7.3.4. Осадки и влажность

Соответственно с тем, что сказано в предыдущем абзаце, максимальное количество осадков выпадает именно в стене глаза.

Во время прохождения среднего ТЦ выпадает порядка 500 мм осадков (бывает до 2500 мм). В большинстве же районов умеренной зоны годовое количество осадков составляет 600–800 мм.

Максимальная влажность воздуха в ТЦ наблюдается в районе стены глаза (практически 100%). В глазе влажность существенно меньше.



7.3.5. Параметры, определяющие интенсивность ТЦ

Основными параметрами, определяющими интенсивность ТЦ, являются vφmax и rmax — расстояние, на котором наблюдается максимальная тангенциальная скорость ветра. Как и vφmax, rmax также влияет на кинетическую энергию вихря, т. к. от значения r зависит размер центральной зоны наиболее интенсивных скоростей. Для оценки интенсивности ТЦ, как правило, используют эмпирическую формулу вида:



где р и р0 — приземные атмосферные давления на периферии ТЦ и в центре глаза соответственно, а эмпирические коэффициенты k и a зависят от многих факторов (района зарождения ТЦ, географической широты, размеров ТЦ и т. д.). Среднее время жизни ТЦ составляет порядка 4 недель (от возникновения до затухания). За это время ТЦ перемещается со средней скоростью ~ 20 км/ч. Траектории движения ТЦ в основном криволинейные, сложной формы, и их предсказание является весьма трудной задачей.

7.4. Динамика и энергетика ТЦ

ТЦ являются уникальным явлением в том смысле, что, возникнув как слабое начальное возмущение, они при определенных условиях саморазвиваются, отбирая от теплого океана необходимую энергию. Академик В. В. Шулейкин назвал ТЦ «тепловой машиной 5-го рода», в которой нагревателем является океан, а холодильником верхние слои атмосферы. В этой машине тепловая энергия океана превращается в механическую (кинетическую и потенциальную) энергию воздушных масс. При этом от 2 до 4% тепловой энергии циклона превращается в его кинетическую энергию.

Существенной особенностью структуры ТЦ является наличие нижнего слоя входного потока, где воздух, двигаясь в сторону более низкого давления, ускоряется и насыщается влагой за счет испарения воды с поверхности океана. Силы градиента давления совершают положительную работу, увеличивая кинетическую энергию воздушных масс.

В центральном ядре теплый влажный воздух поднимается вверх в стене глаза. Происходит конденсация водяного пара и выделение тепла. В результате центральный столб воздуха становится теплее, а его плотность уменьшается. Это способствует уменьшению падения Δp и дальнейшему усилению входного потока.

В верхнем слое выходного потока силы градиента давления совершают отрицательную работу над выходным потоком и уменьшают его кинетическую энергию. Однако вследствие наличия теплого ядра лишь на средних уровнях, Δp в верхнем слое значительно меньше, чем в слое входного потока. В результате суммарная работа сил градиента давления в циклоне положительна, т. е. происходит увеличение кинетической энергии. С другой стороны, силы трения воздуха о водную поверхность и силы внутреннего трения всегда совершают отрицательную работу и уменьшают кинетическую энергию ТЦ. В результате развитие или затухание ТЦ определяется балансом указанных выше факторов, зависящим от внешних условий. Так, например, выход урагана на сушу сразу нарушает этот баланс, т. к. резко уменьшается приток влажного воздуха снизу (основной источник тепловой энергии) и возрастает трение о поверхность. Однако, из-за большой инерционности системы ТЦ, его затухание не происходит мгновенно, занимая, как правило, несколько дней.

7.5. Тропические циклоны и другие атмосферные вихри

Тропические циклоны существенно отличаются от других вихрей, наблюдаемых в атмосфере.

1. Отличия ТЦ от циклонов и антициклонов средних и высоких широт (Ц и А).

— ТЦ, в отличие от Ц и А, возникают и развиваются только над теплыми океанами;

— не существует ТЦ с антициклоническим вращением;

— структура Ц и А не концентрированная, в ней нет центрального теплого ядра с глазом;

— Ц и А не являются саморазвивающимися системами, они возникают, как правило, на достаточно высоких широтах в результате столкновения атмосферных фронтов и сразу приобретают большую энергию, которую затем постепенно расходуют на преодоление силы трения.

2. Отличие ТЦ от вихрей малого горизонтального размера.

Вихри малого горизонтального размера (смерчи, пыльные вихри, торнадо) представляют собой узкие вертикальные вихри диаметром от нескольких сотен метров до 1–2 км, высотой от поверхности до облаков (т. е. порядка километров). Скорость ветра в таких вихрях может достигать 150 м/с. Они возникают в условиях жаркой погоды, когда поверхность суши (или моря) сильно нагревается. Смерчи появляются случайно и движутся по очень сложной траектории.

Структура смерча похожа на структуру ТЦ наличием центрального концентрированного ядра с узким максимумом скорости, в их динамике также много общего. Основные отличия заключаются в размерах, условиях и основных механизмах существования (в частности, роль конденсации водяного пара в смерчах существенно меньше, чем в ТЦ).



7.6. Проблемы и методы изучения тропических циклонов

Центральной проблемой изучения ТЦ является проблема прогноза их появления и развития. Современные методы прогнозов ТЦ еще далеки от совершенства. Средняя ошибка прогноза положения центра циклона за 24 часа составляет 200–300 км. Размеры наиболее опасной центральной части циклона прогнозируются с погрешностью несколько сотен километров.

В настоящее время используются несколько методов прогноза движения ТЦ:

1) формальная экстраполяция: используют несколько положений ТЦ за последние сутки через 6 часов и экстраполируют в будущее;

2) климатологический метод («метод проторенной дорожки»). В основе метода лежит идея о том, что данный циклон будет перемещаться так же, как и циклон, наблюдавщийся ранее в этом месте в такое же время года;

3) методы, основанные на корреляции между направлением ветра на некоторой высоте и перемещением центра циклона;

4) теоретические методы, основанные на решении системы динамических уравнений, реализующих определенные физические механизмы, управляющие движением.

Как показывает сравнение, для одних и тех же ситуаций различные методы дают отличающиеся прогнозы. При этом наименее совершенными остаются пока теоретические прогнозы.

Разработка методов прогноза ТЦ требует наличия надежных и подробных данных измерений основных параметров, определяющих его характеристики. Очевидно, что в связи со спецификой изучаемого явления, получение таких данных представляет собой сложную, а порой и опасную задачу. Перечислим вкратце основные методы экспериментального исследования ТЦ.

1. Исследования при помощи специальных самолетов.

До середины 40-х годов основными источниками сведений о структуре ТЦ были нерегулярные сообщения с кораблей и метеостанций, попавших в область действия ТЦ. Надо еще учесть, что при сильном ветре > 30 м/с обычные метеоприборы выходили из строя.

В 40-х годах в США были организованы первые пролеты через центр урагана на специально оборудованных самолетах-лабораториях. До сих пор этот метод является самым полным и достоверным из всех. Исследование ТЦ включает, как правило, 6–10 пролетов через центр циклона на 3-х различных высотах по нескольким радиальным направлениям. Иногда таким образом ураган исследуется в течение нескольких дней. По результатам таких исследований строятся профили основных термогидродинамических параметров (v, T, q, p). В качестве недостатка метода можно указать на то, что самолеты в основном получают данные в центральном районе (r < 100 км), а трех уровней по высоте недостаточно для построения вертикальных профилей.

2. Метод падающих зондов, сбрасываемых с самолетов, восполняет эти недостатки. Число зондов, сбрасываемых в один ТЦ, достигает нескольких десятков. В основном зонды попадают на периферию циклона.

3. Методы дистанционного зондирования ТЦ со спутников. Используются видимый, ИК и СВЧ диапазоны. Пространственное разрешение видимого диапазона составляет десятки метров, ИК-диапазона — сотни метров и километры, СВЧ-диапазона — километры и десятки километров. Видимый и ИК-диапазоны, в которых облачность непрозрачна, дают информацию о верхней границе облаков. СВЧ-диапазон, в котором облачность является полупрозрачной, позволяет построить вертикальные профили температуры и влажности воздуха, а также измерить температуру поверхности океана.


КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1. Уравнение теплового баланса.

2. Параметризация потоков длинноволновой и коротковолновой радиации.

3. Расчет альбедо водной поверхности.

4. Расчет ослабления лучистой энергии в морской воде.

5. Параметризация противоизлучения атмосферы.

6. Параметризация эффективного излучения поверхности океана.

7. Параметризация контактного потока тепла в приводном слое атмосферы.

8. Параметризация потока влаги в приводном слое атмосферы.

9. Зависимость параметров «холодной пленки» на поверхности океана от метеоусловий.

10. Микроконвекция в приповерхностном слое воды.

11. Микроконвекция в приповерхностном слое воздуха.

12. Дистанционная регистрация температуры водной поверхности ИК-радиометром.

13. Пленки поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверхности океана.

14. Нефтяные пленки на поверхности океана.

15. Слики на поверхности океана.

16. Дистанционная регистрация цвета моря.

17. Дрейфовые течения на глубокой и мелкой воде.

18. Градиентные течения.

19. Волны бесконечно малой амплитуды.

20. Методы регистрации поверхностного волнения.

21. Понятие о спектральном анализе поверхностных волн.

22. Внутренние волны.

23. Проявление внутренних волн на поверхности океана.

24. Исследование тропических циклонов по данным дистанционного зондирования.

25. Лабораторное моделирование интенсивного атмосферного вихря.

26. Частотные спектры волнения.

27. Обрушивание волн, барашки, пена.

28. Расчет параметров энергомассообмена на границе раздела океан–атмосфера по данным дистанционного зондирования.

29. Термическая структура поверхности воды.

30. Ледовый режим Мирового океана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гусев A. M. Основы океанологии. Изд. Московского университета, 1983.

2. Давидан И. Н., Лопатухин Л. И., Рожков В. А. Ветровое волнение в Мировом океане. Л., Гидрометеоиздат, 1985.

3. Ерлов Н. Г. Оптика моря. Л., Гидрометеоиздат, 1980.

4. Ильин Ю. А., Кузнецов А. А., Малинников В. А. Методика дистанционного определения потоков тепла, влаги и эффективного излучения в системе «океан–атмосфера». «Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка», 1988, № 3.

5. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. М., Советское радио, 1978.

6. Кузнецов А. А., Попов Н. Н. Экспериментальные исследования микроконвекции на границе раздела «вода–воздух». «Водные ресурсы», 1990, № 5.

7. Лакомб А. Физическая океанография. М., Мир, 1974.

8. Монин А. Е., Красицкий В. П. Явления на поверхности океана. Л., Гидрометеоиздат, 1985.

9. Пивоваров А. А. Термика пограничных слоев океана и атмосферы. Изд. Московского университета, часть 1, 1988, часть 2, 1987.



10. Федоров К. Н., Гинзбург А. И. Приповерхностный слой океана. Л., Гидрометеоиздат, 1988.

1 Виноградов А. П. Введение в геохимию океана. – М., Наука, 1967.

1 Валяшко М. Г. Эволюция химического состава океана. – В кн. Труды конференции «Проблемы Мирового океана», – М., Изд. Моск. ун-та, 1970.

1 География Мирового океана. Физическая география Мирового океана. М.: Наука, 1980.

1 Подробное описание соответствующей аппаратуры можно найти, например, в монографии: Парамонов А. Н., Кушнир В. М., Забурдаев В. И. Современные методы и средства измерения гидрологических параметров океана. – Киев: Наукова думка, 1979.

1   ...   18   19   20   21   22   23   24   25   26


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница