Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных исследований по тропическим циклонам и их воздействия на верхний слой океана. Сравнительное описание используемых данных 9
1.1. Краткие сведения о тропических циклонах 9
1.2. Обзор литературы 13
1.3. Данные по тропическим циклонам 20
1.4. Гидрометеорологические данные 25
Глава 2. Формирование и развитие тропических циклонов в северо-западной части Тихого океана 27
2.1. Краткая климатология района исследований 27
2.2. Условия развития тропических циклонов 29
2.3. Формирование тропических циклонов в пассатном потоке 47
Глава 3. Оценки воздействия тропических циклонов на верхний слой Японского и Охотского морей 62
3.1. Общая климатическая характеристика района исследования 62
3.2. Характеристики взаимодействия верхнего слоя моря и атмосферы во время прохождения тропических циклонов 67
3.2.1. Метод расчёта характеристик обмена 67
3.2.2. «Композиционные» циклоны 69
3.2.3. Тропические циклоны северо-западной части Тихого океана 73
Заключение 97
Литература 99
- Данные по тропическим циклонам
- Условия развития тропических циклонов
- Формирование тропических циклонов в пассатном потоке
- Характеристики взаимодействия верхнего слоя моря и атмосферы во время прохождения тропических циклонов
Введение к работе
Актуальность темы.
Тропические циклоны (ТЦ) относятся к погодным системам синоптического масштаба с циклоническим вращением воздуха на нижних уровнях атмосферы, возникающие в тропических широтах Мирового океана в течение всего года. Достигая в отдельных случаях интенсивности супертайфунов с максимальной скоростью ветра 60 м/с и более, ТЦ способны оказывать катастрофическое воздействие на прибрежные районы, вызывая разрушения и наводнения. ТЦ относятся к одному из наиболее опасных природных явлений, поэтому их исследование остаётся одной из наиболее актуальных проблем метеорологии. Несмотря на то, что исследования ТЦ продолжаются десятки лет, многие вопросы, касающиеся тропических циклонов, остаются изученными недостаточно. Так, до сих пор нет общепринятой теории формирования тропических циклонов; нет определённого ответа на вопрос, почему из десятков атмосферных возмущений, ежегодно появляющихся, казалось бы, при схожих метеорологических условиях тропической зоны Мирового океана, только малая часть развивается в интенсивные тропические циклоны. Анализ литературы, ежегодно пополняющейся десятками наименований, показывает определённые диспропорции в исследованиях по ТЦ: большая часть научных работ посвящена исследованиям сформировавшихся возмущений, уже имеющих чётко выраженную циклоническую циркуляцию, ьежели изучению физических механизмов зарождения и формирования тропических циклонов из слабых, едва выделяющихся в полях метеорологических величин, бесформенных образований [29]. Между тем, знание физических механизмов циклогенеза важно в разработке методов прогноза возникновения и перемещения тайфунов, а также в изучении других вихревых структур в океане и атмосфере.
Сравнительно мало работ, относящихся к выходу тропических циклонов в умеренные и высокие широты, где наступает стадия заполнения ТЦ или трансформация их во внетропические циклоны. Практически неисследованной остаётся реакция окраинных дальневосточных морей - Японского и Охотского, на прохождение ТЦ. Тропические циклоны, выходящие сюда, как правило, затухающими, здесь способны регенерировать, достигая стадии шторма; они воздействуют на обширные акватории морей, порождая области апвеллинга и даунвеллинга, а в океанографических характеристиках последствия прохождения ТЦ могут сохраняться длительное время — порядка недель и месяцев. Между тем, большая часть отечественных исследований в этой области относится к,районам открытого океана в области тропических и умеренных широт и основывается, главным образом, на данных научных морских экспедиций, проходивших в зонах действия тайфунов. Исследования реакции дальневосточных окраинных морей интересны и актуальны как с точки зрения изучения самих тропических циклонов, так и в задачах региональной океанологии дальневосточных морей России и прилегающей к ним части Тихого океана.
Цель работы.
Исследование условий формирования и развития тропических циклонов северо-западной части Тихого океана и оценка их воздействия на верхний слой Японского и Охотского морей.
При этом были выделены и решались следующие задачи:
Обзор и анализ" результатов исследований генезиса тропических циклонов, а также реакции верхнего слоя океана и морей на их прохождение.
Сбор данных по ТЦ северо-западной части Тихого океана и сопутствующих гидрометеорологических данных по районам их прохождения, Подготовка необходимого программного обеспечения для обработки данных.
Анализ гидрометеорологических условий формирования и развития тропических циклонов в северо-западной части Тихого океана.
5 4. Оценки вклада тропических циклонов в характеристики взаимодействия океана и атмосферы в районах Японского и Охотского морей.
Научная новизна.
В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:
На основе данных по северо-западной части Тихого океана, с использованием комплексных безразмерных термодинамических параметров атмосферы исследованы условия развития ТЦ, при которых в тропическом циклоне формируется тёплое ядро.
Для анализа условий формирования тропических циклонов использованы комплексные безразмерные параметры атмосферы, определяющие образование замкнутой циклонической циркуляции в тропических возмущениях, движущихся в фоновом пассатном потоке.
Проведены оценки вклада тропических циклонов в потоки тепла, влаги, импульса, механической энергии ветра и вихрь напряжения трения ветра над Японским и Охотским морями.
На защиту выносятся следующие положения и научные выводы:
По данным северо-западной часто Тихого океана показано, что тропические циклоны зарождаются и развиваются в районах с малыми градиентами температуры поверхности океана и приземного давления, а также с невысокими скоростями ветра. При этом пороговые для развития тропических циклонов значения термодинамического параметра, определяемого отношением влажности в пограничном слое к статической устойчивости атмосферы, близки к 1, а районы его большой частоты зарождения и развития тропических циклонов лежат в областях с его большими значениями.
Важными факторами формирования тропических циклонов являются скорость пассатного потока, характеристики пограничного слоя атмосферы - " высота и сила пассатной инверсии, а также горизонтальный масштаб и интенсивность источника тепла, выделяемого в процессах мелкой конвекции.
3. Проведённые оценки характеристик взаимодействия верхнего слоя моря и атмосферы над Японским и Охотским морями при прохождении тропических циклонов показали, что теплоотдача поверхности моря увеличивается в среднем в 3 раза по сравнению с фоновыми значениями, а потоки импульса, механической энергии ветра и вихрь напряжения ветра могут превышать фоновые в 10 и более раз.
Практическая значимость работы.
Полученные результаты могут быть использованы в дальнейших исследованиях тропических циклонов, при разработке методов их диагностики и прогноза; в оценке воздействия циклонов на объекты морской деятельности на акваториях дальневосточных и побережья Дальнего Востока России.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на конференции «С.П.Хромов и синоптическая метеорология» в МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва, 2004 г.), на конференции молодых учёных ТОЙ ДВО РАН «Океанологические исследования» (г. Владивосток, 2007 г.), на Всероссийских открытых конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» ИКИ РАН (г. Москва, 2005, 2007), а также на семинарах лаборатории взаимодействия океана и атмосферы ТОЙ ДВО РАН. В полном объёме работа докладывалась на океанологическом семинаре ТОЙ ДВО РАН.
Результаты работ вошли в материалы отчётов по темам ФЦП «Мировой океан», выполняемых в ТОЙ ДВО РАН, и в отчёты по проектам РФФИ (03-05-65219, 06-05-64749) и ДВО РАН (06-І-П16-064).
7 Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, трёх -глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет ПО стр., включая 28 рисунков, 8 таблиц и список литературы на 11 стр., содержащий 116 наименований, из которых 65 - зарубежных авторов.
Содержание диссертации.
Первая глава нрсит обзорный характер. В разделе 1.1 приведены общие сведения о тропических циклонах. В разделе 1.2 дан краткий обзор современных исследований по ТЦ и их воздействия на верхний слой океана. Выделены малоизученные вопросы, исследованию которых посвящена диссертационная работа. В разделах 1.3 и 1.4 представлены данные по тропическим циклонам и гидрометеорологические архивы, которые были использованы в работе.
Во второй главе анализируются условия образования и развития тропических циклонов в северо-западной части Тихого океана. В разделе 2.1 кратко представлена климатология тропической зоны северо-западной части Тихого океана. Раздел 2.2 посвящен исследованию условий развития ТЦ. В разделе 2.3 приведены результаты исследования условий формирования тропических циклонов в пассатном потоке.
Третья глава посвящена исследованию вклада ТЦ в процессы взаимодействия верхнего слоя Японского и Охотского морей с атмосферой. В разделе 3.1 даётся краткое описание особенностей метеорологического режима Японского и Охотского морей, касающихся характеристик взаимодействия моря и атмосферы. В разделе 3.2 приведены результаты расчётов характеристик мелкомасштабного взаимодействия верхнего слоя моря и атмосферы во время движения тропических циклонов. В подразделе 3.2.1 изложен метод расчёта характеристик взаимодействия моря и атмосферы. В 3.2.2 приводятся результаты оценок потоков и вихря напряжения трения ветра, полученных для двух «композиционных» циклонов интенсивности тропической депрессии и
8 тайфуна над Японским морем. В подразделе 3.2.3 представлены оценки характеристик обмена и вихря напряжения трения ветра, полученных для реальных циклонов северо-западной части Тихого океана. По имеющимся натурным данным океанографического буя рассмотрен ход температуры воды и перепадов температуры и удельной влажности в юго-восточной части Японского моря при прохождении двух тропических циклонов - ТЦ Нэнси и ТЦ Вера. Приведены результаты оценок потоков и вихря напряжения трения ветра, полученных для ТЦ Венди и Ирвинг.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Данные по тропическим циклонам
В свободном доступе существует несколько архивов ТЦ, предоставляемых в основном, зарубежными центрами, такими как Японское Метеорологическое Агентство (Japan Meteorological Agency, JMA [112]), Объединённый Центр предупреждения тайфунов США (Joint Typhoon Warning Center, JTWC [ИЗ]), Институт астрономии Гавайского Университета и другие. Архивы составлены из так называемых данных best tracks, представляющих собой сводные характеристики тропического циклона за весь период его существования, полученные из всех собранных во время прохождения циклона данных (наблюдений за погодой, спутниковых снимков, измерений дрейфующими буями и прочих источников). Данные best track содержат в себе координаты центра и характеристики интенсивности ТЦ через 6-часовые промежутки времени, при этом иногда значительно отличающиеся от данных шторм — сводок [106]. На рис. 1.1-а приведена гистограмма давления в центре ТЦ, построенная по данным 144 циклонов за 1986-90 гг. Как видно из гистограммы, давление в центре циклона определено довольно приближённо, с градациями значений в 5 мб. Кроме того, данные best tracks не всегда отражают динамику ТЦ в течение 6-часового промежутка времени: изменения направления движения, изменение скорости перемещения ТЦ, что видно из рис. 1.1-6: характеристики ТЦ не меняются за 6 и более часов, что, скорее всего, недостоверно для реального ТЦ. Одной из причин этого несовершенство используемых методик. С 70-х годов прошлого века по настоящее время оценки интенсивности тропических циклонов получают, главным образом, эмпирически - по анализу облачных полей (метод Дворака), а распределения скоростей ветра - по расположению зон конвекции на спутниковых снимках [25]. Данная методика имеет недостатки, что видно, например, из способа определения размеров, и положения центра циклона. В литературе под глазом ТЦ подразумевают радарный глаз, но в среднем эта характеристика на средних уровнях на 5-6 миль меньше, и эта разница увеличивается с усилением интенсивности циклона [25]. Данные best track тропических циклонов (JMA) ТЦ с глазом велики, и тем более проблематичнее определение центра ТЦ на стадии формирования, часто видимого на спутниковых снимках как скопление слабых бесформенных облачных кластеров. Другие методы - по минимальной скорости ветра, по распределению перистой облачности также несовершенны, учитывая структуру тропического циклона: горизонтальную асимметричность, вертикальный наклон его оси. Также сложно с получением стандартной метеорологической информации в районах формирования и движения ТЦ. Например, мощная конвективная облачность препятствует получению точных данных о скоростях ветра в тайфуне [23].
При составлении архивов каждый научно-исследовательский и метеорологический центр, как правило, использует свои источники информации (например, разные спутники), а также методы анализа информации [106]. Всё это приводит к тому, что данные best track во всех источниках могут различаться. Для примера на рис. 1.2 показаны некоторые характеристики тайфуна Етау (0310), даваемые JTWC и JMA. Как видно из рис. 1.2-а, данные координат центра ТЦ заметно расходятся на начальных и конечных временах. Разница между положениями ТЦ, взятых из обоих источников, может достигать почти 190 км (рис. 1.2-6), а различия в скорости перемещения более 10%, доходя до 4 м/с. В табл. 1.1 на примере трёх ТЦ — супертайфунов Зеб (октябрь 1998 г.), Халонг (июль 2002 г.) и тайфуна Етау (август 2003 г.) показаны различия в оценках максимальной скорости ветра (AVm) и координат центра ТЦ (Дг), предоставляемых JTWC и JMA.
В работе были использованы метеорологические данные из трёх источников: климатические данные - из атласа морской метеорологии ASMD [63], ежедневные и среднемесячные — из базы реанализа NCEP/NCAR [111,114] и сводок японских стационарных океанографических буёв [64]. Атлас ASMD составлен на основе объективного анализа гидрометеорологических данных, полученных за многолетний период над районами Мирового океана. Исходной информацией для составления атласа послужили измерения судовых экспедиций, съёмки стационарных буёв, наблюдения за погодой с торговых судов, на основе которых, после обработки были получены дополнительные метеорологические данные: актинометрические характеристики, составляющие теплового баланса и другие. Атлас включает в себя среднемесячные значения у земли за период с 1945-1989 гг. Заметим, что это по существу сглаженные с масштабом в -5 данные сетки с шагом в 1. Ошибки данных атласа связаны с методами обработки исходной информации, а также от географического района. Для примера, среднеквадратичная ошибка в районе тропиков за период 1960-87 гг. составила в среднем 0,5 м/с для скорости ветра и 0,3 С для температуры воздуха [63].
Данные реанализа NCEP/NCAR [114] включают в себя ежедневные данные составляющих скорости ветра у земли в сроки 00 и 12 часов по Гринвичу на регулярной сетке с шагом 2,5, а также ежедневные и среднемесячные карты скорости ветра. В исследованиях тропических циклонов и их воздействия на подстилающую поверхность важную роль играет точность и временной масштаб исходных данных как о самих ТЦ, так и гидрометеорологических характеристик [44]. Временной интервал данных реанализа составил двенадцать часов. Между тем, рекомендуемый в океанографических расчётах оптимальный масштаб данных скорости ветра - 3 часа [75]. При восстановлении гидрологической и метеорологической информации в точках сетки методами реанализа также использовались процедуры оптимальной интерполяции и осреднения [74], поэтому, поля, построенные по [63, 74] сглажены. Это было принято во внимание при интерпретации результатов расчётов. Погрешности оптимальной интерполяции температуры поверхности океана, восстановленной из сводок судовых измерений, оказались выше чем для данных спутников и буёв, составив 1,3 С и 0,3-0,5 С [74].
В [64] приводятся результаты ежедневных съёмок океанографических буёв за 1985-86 гг. Таблицы включают в себя температуру поверхности воды и приземного воздуха, а также температуры воды на глубинах 20 и 50 м. Временной интервал - 3 часа. Точность данных буёв соответствует точности инструментальных судовых наблюдений [64]. В работе использовались данные буя №21002, располагавшегося в Японском море в точке с координатами 37с.ш., 134в.д.
Условия развития тропических циклонов
После формирования циркуляции тропического циклона, его дальнейшая эволюция связана с процессами нагревания центральной части циклона и преобразованием энергии явного (нагретая поверхность океана) и скрытого (фазовые превращения водяного пара в поднимающемся воздухе циклона) тепла в кинетическую энергию вращения [28,29,32]. Тепло фазовых превращений водяного пара влажной, неустойчиво стратифицированной атмосферы в молодых! циклонах является основным источником энергии. При этом исходное соотношение процессов нагревания воздуха и его охлаждения при подъёме в появившемся циклоне определяет дальнейший ход его развития [28,32]. Известно, что развитие вторичной циркуляции ТЦ, которая является неотъемлемым элементом структуры ТЦ [29], характеризуется образованием в центральной его части тёплого ядра, и зависит от характеристик конвективно-неустойчивого атмосферного пограничного слоя, связанных с состоянием морской поверхности. Достаточно высокая (по Э. Пальмену [26] - не менее 26С) температура поверхности воды давно признана одним из основных циклогенетических факторов, однако в настоящее время роль ТПО в образовании и развитии ТЦ оценивается неоднозначно. С одной стороны существует мнение о том, что хорошо прогретый верхний 60-метровый слой воды чётко определяет частоту образования ТЦ и скорость их развития [26,69,77,85]. В противоположность этому, результаты наблюдений за отдельными циклонами показали, что чёткого критического для возникновения и развития ТЦ значения ТПО не существует: депрессии и углубляющиеся ТЦ наблюдались и при температурах ниже 23С. [28,29,32]. Показателен также 1998 год, когда на фоне значительных положительных аномалий ТПО во всей СЗТО (температура поверхности воды в районе Филиппинских островов превышала 30 С [92]), развилось аномально мало тропических циклонов. В течение летнего периода, когда над районами СЗТО образовывается как минимум 10 ТЦ, в 1998 г. их было всего 4, а количество циклонов за весь год составило 16. Поэтому появилась альтернативная точка зрения [29,54,108], согласно которой развитие ТЦ определяется не только температурой поверхности океана, но и другими метеорологическими характеристиками в районах циклогенеза. Важно заметить, что в большинстве исследований ТПО рассматривается только как общая характеристика океанологических условий районов возникновения ТЦ. Было отмечено, что в годы высокой частоты зарождения ТЦ в сезон активного циклогенеза наблюдались положительные аномалии ТПО над открытыми районами Тихого океана [85]. При этом так и осталось неясным, является ли область положительных аномалий ТПО областью, где непосредственно образовываются и развиваются ТЦ, или для возникновения циклонов важно повышение фоновой ТПО в тропиках? Описан случай резкой интенсификации тропической депрессии и быстрого превращения её в тайфун при выходе на район прогретой воды [73]. Известны также случаи сверхбыстрого развития тропических циклонов, когда в считанные часы ТЦ достигали стадии тропического шторма с максимальной скоростью ветра 25 м/с [11]. С другой стороны, повышение ТПО может деструктивно повлиять на несформировавшиеся или слабые барические образования, вызывая сравнительно сильные возмущения в формирующейся циркуляции самих вихрей или их окружения [29].
Для исследования условий развития ТЦ были использованы комплексные безразмерные термодинамические параметры атмосферы модели [29,32], в которой условия развития тропического циклона рассматриваются как условия образования в нём тёплого ядра. Как показано в [19,30,32], термодинамические параметры характеризуют статическую устойчивость и влажность атмосферы, будучи связанными с крупномасштабными процессами в тропиках.
Были получены четыре выборки объёмом от 613 до 579 циклонов в зависимости фазы. Из атласа ASMD для каждой фазы выбирались необходимые среднемесячные метеорологические величины: температура поверхности океана и воздуха в приповерхностном слое, удельная влажность воздуха, приземное атмосферное давление, приземная скорость ветра и её горизонтальные составляющие. Величины определялись линейной интерполяцией по средним взвешенным значениям [2]. Веса вычислялись по расстоянию от искомой точки до ближайших четырёх точек градусной сетки с данными. По полям ТПО и атмосферного давления методом центральных разностей рассчитывались горизонтальные градиенты, а также скорость геострофического ветра. По ним для каждой фазы развития рассчитывались термодинамические параметры у и є (2.1,2.2).
Формирование тропических циклонов в пассатном потоке
В настоящее время в большинстве работ по формированию тропических циклонов используются положения гипотезы CISK, согласно которым образование тропического циклона происходит через процессы глубокой конвекции [29]. Между тем, мелкая конвекция в процессах образования облачных кластеров практически никогда не рассматривалась. При мелкой конвекции источник тепла локализован в конвективном пограничном слое атмосферы. Механизмом мелкой конвекции тёплый воздух вовлекается вверх, ослабляя пассатную инверсию, изменяя тем самым вертикальную структуру АПС [102]. Мелкая конвекция влияет на образование не только кучевых облаков, но и крупномасштабных структур, конвергируя влажный воздух на нижнем уровне, что приводит крупномасштабную, циркуляцию в нестабильное состояние [83,102,105]. В определённый момент верхний устойчивый слой размывается, и развивается глубокая конвекция, которая поглощает влагу, собранную конвергенцией с нижних уровней.
Модели перемешанного слоя широко используются в динамике атмосферы и океана [29], однако в большинстве своём они не учитывают взаимодействия его с фоновыми потоками. Между тем интенсивность первоначальных возмущений зависит от состояния фонового потока [101], а их возникновение связано с температурой поверхности океана, способствующей процессу локального нагрева АПС над областью в 400 - 500 км [29,102].
Для выделения основных факторов и условий формирования ТЦ была использована упрощённая модель формирования тропических циклонов, в которой возникновение замкнутой циклонической циркуляции рассматривается как процесс взаимодействия АПС и свободной атмосферы при наличии фонового зонального восточного геострофического потока [29,31]. Основным фактором, который может привести к возникновению замкнутой циклонической циркуляции, в использованной модели является горизонтальная неоднородность в притоке тепла в АПС. В конвективном АПС приток тепла определяется сложными процессами теплообмена с океаном, конденсацией влаги в облаках, радиационными процессами; и в тропиках при наличии облачности, ограниченной инверсией, он, как правило, положительный [40]. Нагревание воздуха в АПС приводит к росту его толщины и к понижению приземного давления, тем большего, чем больше толщина АПС. Возникающие горизонтальные градиенты давления приводят к возмущению крупномасштабного фонового потока в АПС и в слоях выше него. Процессы перемешивания и трения в АПС создают конвергенцию потоков массы воздуха, и как следствие, вертикальные движения в свободной атмосфере. Адиабатическое охлаждение при подъёме воздуха в центральной области приводит к возникновению холодного ядра. Холодное ядро часто наблюдается в возмущениях, развивающихся позднее в возмущения с тёплым ядром -собственно ТЦ [26,40]. Возмущение полей температуры индуцирует термический ветер, который приводит к возмущениям фонового потока, а в центральной области может образоваться циклоническая циркуляция. Однако указанные процессы должны быть достаточно интенсивными, чтобы проявиться на фоне крупномасштабного потока в виде замкнутых линий тока или изобар. Крупномасштабный поток далее предполагается чисто зональным и геострофическим, в метеорологическом контексте он соответствует пассату, в котором движется область с положительной аномалией притока тепла в АПС, имитирующая скопление пассатных кучевых облаков, верхняя граница которых ограничена инверсией. При этом под термином «формирование» ТЦ понимается момент в эволюции возникающего возмущения, когда появляются замкнутые линии тока,или изобары в АПС и свободной атмосфере.
Модель выделяет основные процессы циклогенеза и формулирует критерии формирования ТЦ. Исходные уравнения модели - уравнения движения, термодинамики и гидростатики, записывались для хорошо перемешанного АПС с учётом трения и для свободной атмосферы с постоянным градиентом температуры, где движения чисто геострофические. При этом временная эволюция полей скорости ветра определялась только нестационарными процессами нагревания и изменениями толщины конвективного АПС. Детали используемой модели можно найти также в [80,84]. При записи уравнений термодинамики и гидростатики использовалось нормированное отклонение в потенциальной температуры 3, так что 3 — Зо-(1+в), где Зо — 300 К. Рассматривая процессы формирования циклонической циркуляции на начальном этапе её развития, со сравнительно малыми скоростями ветра и возмущениями полей температуры, были введены существенные упрощения. Было предположено, что температурные поля просто переносятся фоновым потоком. Вертикальная структура атмосферы задавалась постоянным значением в в перемешанном АПС высотой h и линейным изменением выше его с нормированным на Зо вертикальным градиентом потенциальной температуры Г=6У30. Полагая выше АПС поток геострофическим и атмосферу неограниченной по вертикали, вертикальная скорость считалась независящей от высоты h и равной ее значению на верхней границе АПС. Для качественного анализа поля функций тока и вертикальных скоростей [29] определялись толщиной конвективного АПС h = h(x,y), связанной, в свою очередь, простейшими полуэмпирическими соотношениями с аномалиями потока тепла и стратификацией свободной атмосферы.
Характеристики взаимодействия верхнего слоя моря и атмосферы во время прохождения тропических циклонов
К наиболее важным характеристикам энерго-массообмена океана и атмосферы относятся потоки тепла (Н), влаги (LE), импульса (г), механической энергии ветра {W) и вихрь напряжения трения ветра ( fr): H=cpPCH(tsa)vl t (3.1) LE=LpCE(0.98qs-qa) V (3.2) x=pCDVV (3.3) W = rutw, (3.4) где p - плотность воздуха, кг/м , cp - удельная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(кг-град); Сн, СЕ, CD - безразмерные коэффициенты теплообмена (число Стентона), влагообмена (число Дальтона) и сопротивления (трения) морской поверхности; V -скорость ветра, м/с; Z-скрытая теплота испарения, Дж/кг, U W = (\T\/pw)l/2- скорость трения в воде, м/с. Коэффициент в (3.2) 0,98 учитывает поправку на соленость морской воды. Та, qa и V приводятся к стандартному уровню атмосферы 10 м. Т(ХіУ) - зональные и меридиональные компоненты потока импульса.
Суммарный поток тепла H+LE определяет отдачу тепла поверхностью моря; поток количества движения т характеризует кинетическую энергию, теряемую тайфуном при движении в результате трения о подстилающую поверхность. Поток механической энергии ветра W определяет динамические процессы в море и является важным критерием оценки воздействия ТЦ на водную поверхность [104,107]. В [63] поток механической энергии ветра выражен через куб скорости трения в воде, поэтому для сравнения далее используются и оценки ulw. Вихрь напряжения трения ветра, с определяет вихревые процессы в верхнем слое океана г входит в модели циркуляции в океане и морях [89]. При расчётах потоков неизбежно возникает проблема выбора способа оценок коэффициентов обмена Сн, СЕ, CD. Сложность измерений потоков, нелинейный характер зависимости их от метеорологических характеристик привело к большому разбросу в методиках оценки коэффициентов обмена [43]; погрешность полученных значений Cff, СЕ, CD может составлять 40% и более [55,56]. В тропических циклонах при штормовых и ураганных ветрах получить подобные оценки особенно сложно [43,52]. В настоящей работе С#, СЕ, CD определялись по известной методике параметризации мелкомасштабного взаимодействия Ларджа-Понда [79], которая была использована при составлении атласа ASMD, что позволило сравнить полученные потоки во время прохождения ТЦ с фоновыми значениями.
Скорость, входящая в формулы (3.1-3.4), вычислялась по модели ветра в тропическом циклоне [44]. В движущемся тропическом циклоне поле скорости ветра является результатом векторной суммы скорости его перемещения Vc и скорости ветра v0 в ТЦ относительно его центра: V = Vc+v0 (3.6) Относительная скорость ветра v0 в расчетах представляется осесимметричной тангенциальной составляющей, зависящей только от расстояния г до центра ТЦ: v0=v(r)=Vm-v (r,rm) (3.7) где Vm- скорость максимального ветра в ТЦ; v (r,rm)- распределение скорости ветра в ТЦ; гт - радиус максимального ветра ТЦ. Зная координаты тропического циклона в определённый момент времени Xc(t), Yc(t), можно вычислить расстояние г (3.7) между центром ТЦ и любой точкой (х,у), а затем полную скорость ветра в этой точке по формуле (3.6): r = J(x-Xe(t))2-(y-Ye(t))2 Радиальное распределение ветра в ТЦ задавался формулой [48]: v (x) = A-xa(l-e-bx( +a)) (3.8) где х = г/гт. г — расстояние от точки расчёта до центра циклона, км.; гт - радиус максимального ветра ТЦ, км; А = (1-е ь) 1, А и В — эмпирические параметры, определяемые методом наименьших квадратов по средним за время перемещения характеристикам ТЦ при условии v (l)=l [44].
В отдельные годы на Дальний Восток могут выходить до 5 тропических циклонов [17]. Под их воздействием чаще оказывается Японское море, и обычно лишь 1-2 ТЦ в год доходят до Охотского [115]. Тропические циклоны СЗТО, выходящие на Дальний Восток России, изучены достаточно слабо. Имеющиеся работы по выходам ТЦ в умеренные широты посвящены, главным образом, классификации траекторий и статистическим оценкам числа выходов ТЦ [17,18], а рассмотрение характеристик ТЦ ограничивается, главным образом, минимальным давлением в центре циклена и скоростью перемещения [12,18].
Получить представление о силе воздействия тропических циклонов на верхний слой Японского моря и вклада их в процессы взаимодействия поверхности моря и прилегающем к ней слое воздуха при недостаточности данных позволили модельные циклоны минимальной и максимальной интенсивности, названных здесь «композиционными». Основные характеристики таких, циклонов были получены по статистическим данным характеристик ТЦ JMA, выходивших на Дальний Восток за многолетний период. Композиционные циклоны были составлены по данным выборки ТЦ с 1977 г. по 1989 г. Рассматривались циклоны, выходившие на Японское море с Восточно-Китайского или с открытого океана через южные Японские острова (1-й и 2-й тип траекторий [17]). Такие ТЦ, пересекая Японское море и близлежащие участки суши, способны выходить на Охотское. Циклоны, пришедшие на северные районы с океана, не рассматривались. Выборка составила 36 случаев. По полученным экстремальным значениям были составлены «композиционные» циклоны интенсивности тропической депрессии и тайфуна (табл.3.2). В таблице 3.2 представлены экстремальные, а также средние характеристики: давление в центре Р, скорость перемещения VCi максимальная скорость ветра Vm и наибольшие - наименьшие значения радиусов 25 (R25) и 15 м/с (Ris), 25 м/с, а также оцененные по ним методом разности наименьших квадратов радиусы максимальной скорости ветра Rm. Как показали средние характеристики, в большей массе ТЦ выходят на Японское море в стадии тропического шторма, со средним давлением в центре 982 гПа и максимальней скоростью 28 м/с. Скорости перемещения таких ТЦ в среднем 13 м/с, что в целом выше скорости ТЦ, перемещающихся в южных широтах [17]. При этом размерами, оцененными по R , эти циклоны не выделяются из всех тропических циклонов северо-западной части Тихого океана [58], отличаясь только траекториями. Как видно из таблицы, интенсивность тропических циклонов, выходящих на Дальний Восток, может достигать стадии тайфуна с максимальной скоростью ветра более 42 м/с. В таблице представлены результаты, полученные только для Японского моря, поскольку для Охотского число данных Vm и радиусов крайне мало для получения значимых статистических оценок. Можно отметить, что на Охотское море ТЦ выходят с давлением в центре от 955 гііа до 1006 гПа и скорость их перемещения несколько ниже.
