Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 3, стр. 445-451

ВВЕДЕНИЕ

Самый нижний слой земной атмосферы, называемый тропосферой, является весьма неоднородным в горизонтальных направлениях. Это относится не только к глобальному распределению температуры, но также к глобальной ветровой системе. В тропосфере часто наблюдаются крупномасштабные вихревые течения воздушных масс (циклоны и антициклоны). В частности, в высокоширотных областях атмосферы регулярно наблюдаются так называемые полярные циклоны, внутри которых атмосферное давление существенно понижено, а скорость ветра значительно повышена. Наиболее интенсивные полярные циклоны называют арктическими ураганами. Исследованию физических характеристик, структуры и особенностей поведения полярных циклонов и арктических ураганов экспериментальными методами посвящена специальная научная литература, в частности, работы [1–9]. Чаше всего лолярные циклоны и арктические ураганы возникают в осенне-зимний период над незамерзающими поверхностями Норвежского и Баренцева морей. Они могут смещаться на значительные расстояния за время своего существования. Полярные циклоны и арктические ураганы создают штормы в северных морях, могут приводить к затоплению прибрежных территорий в Арктической зоне, могут вызывать обледенение самолетов и кораблей, в частности тех, которые проходят по Северному морскому пути, могут выводить из строя промышленные и транспортные системы на море и на суше, они обладают большой разрушительной силой.

Поэтому важными научными и практическими задачами являются предсказание зарождения полярных циклонов, прогнозирование траекторий их движения, оценка изменений их характеристик за времена их существования. К сожалению, имеющиеся в настоящее время экспериментальные средства не позволяют измерять детальные трехмерные распределения полей термодинамических и газодинамических параметров в нижней атмосфере с точностью, необходимой для решения перечисленных задач. Кроме того, экспериментальное решение перечисленных задач наземными методами весьма затруднено суровыми климатическими условиями, наличием океана и малой населенностью Арктической зоны. Поэтому физическая теория предсказания зарождения полярных циклонов все еще далека до завершения, несмотря на проведение теоретических работ в этом направлении [10–17].

Однако для решения перечисленных выше задач может быть применен метод математического моделирования, который в последнее время находит все большее применение в исследованиях физических процессов, протекающих в земной атмосфере и околоземном космическом пространстве. Для исследования особенностей поведения полярных циклонов метод математического моделирования применялся, в частности, в работах [18–23].

Для решения перечисленных выше задач может быть применена, в частности, региональная математическая модель ветровой системы нижней атмосферы, разработанная не так давно в Полярном геофизическом институте [24–26], которая ранее уже применялась для моделирования процессов зарождения как тропических крупномасштабных вихрей [24, 25, 27–32], так и полярных циклонов [26, 33–38]. В настоящей работе приводится обзор результатов, полученных при помощи этой региональной математической модели и направленных на исследование начальной стадии зарождения и формирования полярных циклонов в высокоширотной атмосфере. Обозреваемые результаты ранее были представлены в серии работ, которые были опубликованы в разрозненных научных изданиях, здесь же дается их общий обзор и обсуждение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Математическая модель ветровой системы нижней атмосферы, применяемая в настоящей работе, является региональной. В ней областью расчетов является часть шарового слоя над ограниченным участком земной поверхности, которая по высоте имеет размеры от поверхности Земли до высоты 15 км, по долготе – 36 град, а по широте – 25 град. Модель основана на численном решении методом конечных разностей системы уравнений переноса для смеси воздуха и водяного пара, в которой могут присутствовать аэрозоли двух видов (микрокапли воды и микрочастицы льда). В систему решаемых уравнений входят уравнения неразрывности и движения для горизонтальных и вертикальной компонент скорости вязкого сжимаемого газа, а также уравнение теплового баланса, в котором учитываются процессы нагрева–охлаждения воздуха как за счет поглощения и испускания инфракрасного излучения, так и за счет фазовых переходов водяного пара в микроскопические капли воды и частицы льда. В применяемой модели вертикальная скорость газа находится не из условия гидростатического равновесия, как в большинстве подобных моделей, а путем численного решения полного уравнения движения для вертикальной компоненты скорости без пренебрежения какими-либо членами, т.е. модель является негидростатической.

Применяемая математическая модель позволяет рассчитывать зависящие от времени пространственно трехмерные распределения плотностей воздуха, водяного пара, микрокапель воды и частиц льда, зональной, меридиональной и вертикальной компонент скорости смеси воздуха и водяного пара, а также температуры атмосферного газа в области моделирования на отрезках времени порядка суток и более. В модели используются географические координаты, и для численного решения моделирующих уравнений применяется метод конечных разностей, при этом шаги расчетной сетки по высоте равны 200 м, а по широте и долготе шаги сетки одинаковы и равны 0.04 град. Подробное описание применяемой математической модели и используемых в ней уравнений можно найти в работах [24–26].

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАРОЖДЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ ЦИКЛОНОВ

Поведение высокоширотной атмосферы имеет ряд специфических особенностей, часть которых обусловлена закономерностями глобальной циркуляции земной атмосферы. Одна из таких закономерностей состоит в том, что в вертикальных направлениях циркуляция земной атмосферы в Северном полушарии не является однородной, в ней можно выделить так называемые приполюсную циркуляционную ячейку и находящуюся южнее циркуляционную ячейку Ферреля [39, 40]. Границей между этими циркуляционными ячейками является так называемый арктический фронт, который оказывается лежащим в Арктической зоне. В тропосфере горизонтальные движения воздуха севернее арктического фронта направлены преимущественно на запад, а южнее – на восток. Поэтому арктический фронт представляет собой вытянутую примерно вдоль широты длинную узкую область, где зональная компонента ветра быстро меняется в меридиональном направлении (имеется сдвиговое горизонтальное течение). Вместе с тем, арктический фронт является своеобразной границей между холодными воздушными массами, находящимися севернее арктического фронта, и более теплым атмосферным газом, находящимся южнее арктического фронта.

Из данных спутниковых наблюдений известно, что у арктических фронтов регулярно возникают искривленные участки длиной 500–1000 км, отклоняющиеся от остальной части фронта на север или на юг на 100–200 км. В силу специфики горизонтальных и вертикальных движений воздуха в области арктического фронта, в этой области возникают облачные структуры, воспроизводящие своей формой очертания самого арктического фронта. Эти облачные структуры хорошо видны с космических аппаратов, осуществляющих мониторинг земной поверхности в микроволновом и инфракрасном диапазонах. Пример спутниковых данных приведен на левой панели рис. 1, из которой видно, что облачная структура имеет выпуклость к северу, что весьма вероятно отражает конфигурацию арктического фронта в этом регионе. Облачные структуры на правой панели рис. 1, которые зафиксированы примерно через сутки, указывают на то, что за это время произошло формирование циклонического вихря с центром, лежащим южнее и западнее первоначального местоположения искривленного участка арктического фронта.

Рис. 1.

Региональные карты облачности над частью Норвежского моря, полученные из радиометрических спутниковых данных в 04:54 GMT 16.12.2004 (левая панель) и в 03:40 GMT 17.12.2004 (правая панель). По горизонтальной и вертикальной осям указаны географические координаты. Снимки взяты из архива данных, составленного по измерениям спутника NOAA и созданного лабораторией информационной поддержки космического мониторинга ИКИ РАН (http://smis.iki.rssi.ru).

Анализ и других данных спутниковых наблюдений, аналогичных приведенным на рис. 1, привел авторов работы к гипотезе о том, что полярный циклон может сформироваться в результате развития неустойчивости течения воздуха в районе арктического фронта при появлении возмущения в виде изогнутого (выпуклого) участка этого фронта. Результаты численного моделирования, которые будут приведены ниже в этой работе, подтверждают эту гипотезу.

При использовании описанной выше математической модели для исследования начальной стадии зарождения полярных циклонов мы помещали южную границу области моделирования на 55° северной широты так, чтобы арктический фронт пересекал эту область моделирования в ее центральной части в направлении с запада на восток. В своих расчетах мы задавали граничные и начальные условия так, чтобы они воспроизводили в области моделирования в начальный момент течения, свойственные для Арктической зоны в зимних условиях над Норвежским морем.

В обозреваемых в настоящей работе численных исследованиях в начальный момент на арктическом фронте задавались разные возмущения в виде выпуклых участков длиной 500–600 км с отклонениями к северу или к югу не менее, чем на 100 км, и проводилось численное моделирование на временах порядка 2 сут. При этом рассматривались случаи, когда в начальный момент распределение модуля горизонтальной скорости ветра относительно центральной линии арктического фронта было как симметричным, так и несимметричным.

Рассмотрим взятые из работы [26] результаты расчетов для случая, когда в начальный момент арктический фронт имеет изогнутый участок фронта длиной 500 км с величиной максимального отклонения в северном направлении 100 км, и когда распределение модуля горизонтальной скорости ветра примерно симметрично относительно центральной линии арктического фронта; эти результаты представлены на рис. 2. На верхней панели рис. 2 видна начальная форма имеющего выпуклость арктического фронта (темная полоса, окруженная сверху и снизу светлыми полосами) в области моделирования и распределение горизонтальной составляющей ветра на высоте 600 м в начальный момент, а на нижних панелях рисунка показаны те течения, которые возникли через 20 и 40 ч после начала расчетов.

Рис. 2.

Представленные в работе [26] распределения горизонтальной составляющей скорости ветра (м/с) на высоте 600 м: заданное в начальный момент (верхняя панель), рассчитанное через 20 ч (средняя панель), рассчитанное через 40 ч (нижняя панель) после начала моделирования для случая, когда в начальный момент арктический фронт имеет отклоненный к северу изогнутый участок фронта, и распределение модуля горизонтальной скорости ветра примерно симметрично относительно центральной линии арктического фронта. Стрелки указывают направление, их длина и яркость фона – величину скорости ветра в м/с.

Результаты расчетов показывают, что через некоторое время после начала моделирования начинается процесс разрушения арктического фронта и формирования циклонического вихря (полярного циклона), центр которого оказывается лежащим на месте начального положения арктического фронта и западнее изогнутого участка фронта. Центр этого полярного циклона перемещается и через 20 ч после начала моделирования оказывается лежащим на широте примерно 67° с. ш. и примерно на 15° к востоку от западной границы области моделирования. Скорость ветра в этом полярном циклоне достигает 18 м/с в северной его части, а горизонтальный поперечный размер этого полярного циклона составляет примерно 600–800 км. С течением времени образовавшийся полярный циклон видоизменяется и перемещается на запад со скоростью 10–15 км/ч. Максимальная скорость ветра в полярном циклоне достигается во временном интервале 15–20 ч после начала моделирования, а затем она начинает медленно уменьшаться.

Можно отметить, что одновременно с зарождением полярного циклона в области моделирования зарождаются два значительно меньших по размерам антициклонических вихря. Один из этих вихрей зарождается западнее и южнее полярного циклона, а второй – восточнее и северней полярного циклона. Скорость ветра в этих антициклонических вихрях оказывается существенно меньшей, чем в полярном циклоне. Скорости смещения образовавшихся антициклонических вихрей в направлении запад–восток оказываются существенно меньшими, чем скорость смещения полярного циклона.

В левой колонке рис. 3 приведено схематическое представление полученных в [26] и показанных на рис. 2 результатов численного моделирования. На левой верхней панели рис. 2 схематически показана начальная конфигурация арктического фронта, а на левой нижней панели показаны положения сформировавшихся полярного циклона и двух меньших по размерам антициклонических вихрей в момент 40 ч после начала расчетов. В правой колонке рис. 3 приведено схематическое представление полученных в работе [34] аналогичных результатов численного моделирования; только они получены для случая, когда в начальный момент распределение модуля горизонтальной скорости ветра является несимметричным относительно центральной линии арктического фронта. А именно, зональная компонента ветра в точках, лежащих южнее центральной линии фронта, имеет абсолютные значения большие, чем в точках, симметричных относительно центральной линии фронта и лежащих севернее этой линии.

Рис. 3.

В левой колонке приведено схематическое представление полученных в работе [26] и показанных на рис. 2 результатов численного моделирования распределения горизонтальной составляющей скорости ветра (м/с) на высоте 600 м; они получены для случая, когда в начальный момент распределение модуля горизонтальной скорости ветра примерно симметрично относительно центральной линии арктического фронта. В правой колонке приведено схематическое представление полученных в работе [34] аналогичных результатов численного моделирования; только они получены для случая, когда в начальный момент распределение модуля горизонтальной скорости ветра является несимметричным относительно центральной линии арктического фронта. Приведены начальные конфигурации арктического фронта (верхние панели), а также положения сформировавшихся полярного циклона и двух меньших по размерам антициклонических вихрей к моменту 40 ч после начала расчетов (нижние панели).

Сравнивая между собой результаты расчетов, приведенные в левой и правой колонках рис. 3, видим, что они имеют сходство. Это неудивительно, поскольку начальные конфигурации арктического фронта в обоих случаях задавались похожими. Однако результаты расчетов, приведенные в левой и правой колонках рис. 3, имеют ряд различий. Например, образовавшиеся полярные циклоны, хотя и имеет близкую по величине максимальную скорость ветра в них, но горизонтальная скорость их перемещения в западном направлении оказывается различающейся примерно на 5 км/ч. Как следствие, центр образовавшегося полярного циклона через 40 ч после начала расчетов в левой колонке рис. 3 оказывается лежащим заметно западнее, чем в правой колонке рис. 3.

Сравним теперь результаты расчетов, приведенные на рис. 2 и 3, с экспериментальными данными, приведенными на рис. 1. Приведенные на левой панели этого рисунка экспериментальные данные получены в момент, когда на арктическом фронте образовалась выпуклость, направленная к северу, которую мы попытались задать в начальный момент своих расчетов. Приведенные на правой панели рис. 1 экспериментальные данные, полученные примерно сутки спустя, свидетельствуют об образовании циклонического вихря с центром, лежащим южнее и западнее первоначального местоположения искривленного участка арктического фронта. В численных расчетах также возник циклонический вихрь с центром, лежащим южнее и западнее первоначального местоположения искривленного участка арктического фронта. Таким образом, результаты расчетов, проведенных для случая, когда в начальный момент арктический фронт имеет отклоненный к северу изогнутый участок фронта, качественно соответствуют экспериментальным данным, приведенным на рис. 1.

Перейдем теперь к рассмотрению результатов численного моделирования для случаев, когда в начальный момент арктический фронт имеет выпуклый в южном направлении участок фронта. Нами были рассмотрены два случая, в одном из которых в начальный момент распределение модуля горизонтальной скорости ветра является симметричным относительно центральной линии арктического фронта, а в другом случае это распределение является несимметричным. Схематическое представление полученных в рассматриваемых случаях результатов приведено на рис. 4.

Рис. 4.

Схематическое представление полученных в работах [33] (левая колонка) и [34] (правая колонка) результатов численного моделирования на высоте 600 м. Приведенные в левой колонке результаты получены для случая, когда в начальный момент распределение модуля горизонтальной скорости ветра примерно симметрично относительно центральной линии арктического фронта. Приведенные в правой колонке результаты получены для случая, когда в начальный момент распределение модуля горизонтальной скорости ветра является несимметричным относительно центральной линии арктического фронта. Приведены начальные конфигурации арктического фронта (верхние панели), а также положения сформировавшихся полярного циклона и двух меньших по размерам антициклонических вихрей к моменту 40 ч после начала расчетов (нижние панели).

В обоих рассматриваемых случаях с течением времени начинается процесс разрушения арктического фронта и формирование полярного циклона, центр которого оказывается лежащим на месте начального положения арктического фронта и восточнее выпуклогого участка фронта. Горизонтальный поперечный размер возникшего полярного циклона составляет примерно 600–800 км. Максимальная скорость ветра в полярном циклоне достигается примерно через 20 ч после начала моделирования и может достичь 18 м/с, а затем она начинает медленно уменьшаться. В области моделирования одновременно с зарождением полярного циклона зарождаются два значительно меньших по размерам антициклонических вихря. Что касается различий, то в двух рассматриваемых случаях они проявляются в первую очередь в несовпадении скорости перемещения возникшего полярного циклона в юго-восточном направлении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты численного моделирования, приведенные выше, подтвердили высказанную авторами настоящей работы гипотезу о том, что в механизме возникновения полярных циклонов важную роль может играть трансформация формы арктического фронта, вызванная независимыми внешними причинами. Этот механизм был не так давно впервые предложен в публикациях авторов настоящей работы, а до этого в доступной нам научной литературе никем не обсуждался. Для исследования этого механизма авторами настоящей работы была выполнена серия работ, направленных на моделирование нестационарного процесса формирования полярных циклонов на начальной стадии. Обзор и обобщение результатов, полученных в этой серии работ, и является целью настоящей статьи.

Полученные результаты математического моделирования показывают, что возникновение выпуклостей в очертаниях арктического фронта, направленных как в северную, так и в южную стороны, может с течением времени привести к разрушению арктического фронта и формированию на его месте полярного циклона. Эти процессы могут сопровождаться зарождением двух значительно меньших по размерам антициклонических вихрей. Горизонтальный поперечный размер возникшего полярного циклона может доходить до 800 км, а максимальная скорость ветра в нем может достигать 18 м/с. С течением времени образовавшийся полярный циклон может перемещаться в горизонтальном направлении, причем скорость и направление его перемещения оказываются разными и зависящими от того, в какую сторону было отклонение начальной выпуклости арктического фронта (к северу или к югу).

Физической причиной возникновения полярного циклона является развитие неустойчивости, инициированной искривлением арктического фронта. При этом кинетическая энергия первоначального крупномасштабного сдвигового течения в области арктического фронта переходит в кинетическую энергию полярного циклона.