О суточных вариациях интенсивности тропических циклонов

На большом эмпирическом материале статистически изучаются суточные вариации максимальной скорости ветра в тропических циклонах. Обнаружены заметные колебания "ускорения вращения" (скорости изменения максимальной скорости ветра), наиболее выраженные в периоды интенсификации и затухания циклонов. Суточные колебания могут заметно различаться по фазе в разных географических условиях.

Ключевые слова: тропические циклоны, суточные вариации, статистический анализ

1. Введение.

Радиационный баланс атмосферы в тропических циклонах (ТЦ) претерпевает существенные изменения в течение суток. Вопрос о влиянии этих вариаций на динамику и структуру ТЦ представляет определенный научный и практический интерес и давно обсуждается в литературе. [1-13]. Реакция ТЦ на внешние воздействия несёт информацию о его динамике и устойчивости. Суточные вариации ТЦ полезно учитывать при решении задач прогноза. Чувствительность циклонов по отношению к внешним воздействиям полезно знать и в контексте проблемы активных воздействий на атмосферные процессы. Еще начиная с 70-х годов был предложен и в какой-то степени теоретически проработан подход к активным воздействиям на ТЦ, предполагающий внесение в атмосферу примеси, меняющей радиационный баланс воздуха [14-16]. Экспериментальные исследования подобных идей весьма трудоемки, затратны и экологически непривлекательны. Исследование суточных вариаций естественного происхождения может дать полезную информацию для оценки возможной эффективности "радиационных" воздействий.

В последние годы появились дополнительные мотивации для исследований внутрисуточной изменчивости ТЦ. В некоторых работах утверждается, что от времени суток зависит и перемещение ТЦ, в частности, их выход на сушу [8]. Сообщается также, что интенсивность и перемещение ураганов вблизи Атлантического побережья США меняются также и с недельным периодом (связанным, видимо, с недельными изменениями интенсивности хозяйственной деятельности на материке и, следовательно, загрязнений воздуха); эти колебания взаимодействуют с суточными вариациями [11]. Обнаружена внутрисуточная изменчивость молниевой активности в ТЦ [17]; последняя, в свою очередь, видимо, может быть использована как предиктор изменений интенсивности ТЦ [17, 18]. Широко обсуждаемые изменения климата, как предполагается, по-разному влияют на ТЦ в дневное и ночное время [11, 12]. Кроме того, в недавней работе [19] сообщается о существенном отклике динамики ТЦ в дневное время на вариации солнечного ультрафиолетового излучения, а в только что вышедшей статье [20] – об обнаруженных в численной модели «автоколебаниях» структуры ТЦ, с периодом, близким к суточным.

Обсуждаются различные механизмы суточных вариаций динамики ТЦ. В частности, ночное выхолаживание верхнего слоя облаков должно приходить к интенсификации конвекции. На этом акцентируется, например, в работе [7]. С другой стороны, в ночное время меняются горизонтальные перепады температур, например, теплое ядро ТЦ может остывать быстрее периферии (обсуждаются и другие механизмы вариаций [11, 12]). Относительная роль разных факторов может, вообще говоря, меняться в различных географических условиях, в связи с изменениями климата или упомянутыми выше недельными вариациями ТЦ, а также на разных стадиях «жизни» циклона. Например, в [21] сообщается о заметных различиях суточных вариаций ТЦ в соседних регионах.

Наибольшее внимание в цитированных работах уделено суточным вариациям облачности, конвекции и осадков в ТЦ. Натурные данные, относящиеся к вариациям скорости исследовались значительно меньше. Имеющиеся результаты ограничены и весьма противоречивы. Краткие обзоры имеющихся в литературе неясностей и противоречий содержатся, например, в [11, 12].

В настоящей работе выполнен статистический анализ, который привел к ряду новых результатов. Изучаются суточные вариации скорости максимальных ветров V_{m} в достигших стадии урагана тропических циклонах трех регионов: северо-запад и северо-восток тропической зоны Тихого океана и северо-запад Атлантики.

Используется информация о конкретных ТЦ с Интернет-сайтов Unisys Weather (http://weather.unisys.com/hurricane/w_pacific, http://weather.unisys.com/hurricane/e_pacific/index.php, http://weather.unisys.com/hurricane/atlantic/index.php). Данные о циклонах в этих источниках приведены для моментов времени 00, 06, 12 и 18 ч по Гринвичскому времени. Ниже в настоящей статье всюду произведен пересчет к местному – «географическому» времени. (Иногда это может приводить к небольшим неточностям: для циклонов, перемещающиеся в зональном направлении местное время постоянно меняется по отношению к Гринвичскому, и в массовых статистических расчетах такие детали иногда трудно учитывать. Но ошибки в определении местного времени чаще всего составляют не более часа). Доверительные интервалы в приведенных ниже статистических расчетах определены при 95% надежности.

2. Существует ли значимая суточная изменчивость максимальных ветров?

На рис. 1 приведены средние максимальные скорости ветра \overline{V}_{m} в разное время суток для всех ТЦ, наблюдавшихся за последние 10 лет (2002-2011 гг.) в регионе Филиппинских островов, северной части Южно-Китайского, Восточно-Китайского морей и Японии в сезоны наибольшей активности ТЦ (с 1 июля по 31 октября). Значения \overline{V}_{m} и доверительные интервалы для 08, 14, 20 и 02 часов (отличие от времени по Гринвичу на 8 часов) рассчитаны соответственно по 711, 701, 701 и 684 значениям \overline{V}_{m}.

Figure 1
Рис. 1. Средние значения максимальных скоростей ветра в ТЦ северо-западной части Тихого океана.
Средняя суточная изменчивость максимальных скоростей ветра получилась незначительной. Представляет интерес сопоставить это с результатами [11] для предшествующих десятилетий и другого региона (западной Атлантики). В упомянутой работе сообщается о заметных суточных колебаниях максимального ветра в ТЦ Атлантики в предшествующий период. (1970-2000 гг.). Но эти колебания, согласно [11], существенно ослабли к началу рассматриваемого нами периода. Таким образом, возможно, имеется тенденция, подтверждаемая и дополняемая настоящим исследованием.

3. Суточные вариации ветра становятся заметными, если рассматривать стадию интенсификации циклонов.

В настоящем разделе отдельно рассмотрены стадии интенсификации тайфунов 1997-2011 гг. (до момента начала уменьшения их интенсивности). Значения \overline{V}_{m} и их доверительные интервалы для 08, 14, 20 и 02 часов рассчитаны соответственно по 683, 655, 638 и 615 значениям \overline{V}_{m}. Результаты приведены на рис.2. Заметен слабый, но устойчивый рост значений \overline{V}_{m} в течение дня. К двум часам ночи эти значения увеличиваются примерно на 5%.

Figure 1
Рис. 2. Средние значения максимальных скоростей ветра в интенсифицирующихся тайфунах северо-западной части Тихого океана.

4. Вариации ускорения вращения циклонов.

Предыдущий результат наводит на мысль исследовать в чистом виде внутрисуточные вариации ускорений, т. е., в данном случае, изменения величин \Delta \overline{V}_{m}=\frac{(V_{m})_{i+1}-(V_{m})_{i}}{\Delta T}, где \Delta T - продолжительность рассматриваемых интервалов времени, (V_{m})_{i+1}-(V_{m})_{i} - приращение максимальной скорости ветра за предстоящий интервал времени. Поскольку все шаги по времени одинаковы (6 часов), можно (и это удобнее), изучать суточные вариации упомянутого приращения. На рис. 3 представлены результаты, относящиеся к стадиям интенсификации тайфунов того же региона за вышеупомянутый период. Для каждого из четырех интервалов времени по значениям \Delta V_{m} рассчитывались средние значения \overline{\Delta V_{m}}. Для интервалов 08 - 14 ч., 14 -20 ч., 20-02 ч., 02-08 ч. значения \overline{\Delta V_{m}} = 5.204, 5.882, 5.850, 6.828 рассчитаны соответственно по 724, 737, 722, 725 значениям \Delta V_{m}. Значение \overline{\Delta V_{m}} в четвертом временном интервале превышает значение в третьем почти на 17%. С учетом принятых обозначений, полученные результаты означают, что среднее ускорение вращения в ночной период 02-08 ч. примерно на 30% больше, чем в последующий 6-часовой период.

Figure 1
Рис. 3. Средние значения скорости изменений максимального ветра для интенсифицирующихся тайфунов в течение суток.

5. Внутрисуточные вариации изменений удельной кинетической энергии.

Насколько нам известно, ранее не исследовались суточные вариации удельной кинетической энергии максимальных ветров в ТЦ. Настоящее исследование показало, что как раз эти вариации выражены особенно сильно.

Линейное приращение удельной кинетической энергии пропорционально \Delta(V^{2}/2)\approx V\Delta V. Статистический анализ показал, что соответствующая величина (V_{m})_{i}\times [(V_{m})_{i+1}-(V_{m})_{i}], осредненная по интенсифицирующимся тайфунам, претерпевает суточные колебания такой амплитуды, что применимость вышеупомянутой линеаризации приращения небесспорна. Поэтому более корректно, избегая линеаризации, рассмотреть суточные вариации величины \Delta E=(V_{m}^{2})_{i+1}-(V_{m}^{2})_{i}. Результаты осреднения представлены на рис. 4. Он относится к стадии интенсификации тайфунов, имеющих максимальную скорость ветра V_{m}\geq 30 узлов, за период 1987 – 2011 гг. Осреднение производится по 577 значениям \Delta E для всех временны́х интервалов.

Figure 4
Рис. 4. Средние скорости изменений удельной кинетической энергии в течение суток.
Как видно из рисунка, суточные вариации скорости изменений кинетической энергии сильно выражены. Для интервалов времени 08 –14, 14 – 20, 20 – 02 и 02 – 08 ч. значения составляют соответственно: 5.90, 7.56, 8.35 и 11.32. Наиболее сильно кинетическая энергия возрастает в ночное время, в интервале 02 – 08 ч.; отличие от следующего 6-часового интервала – почти двойное.

6. Суточные вариации интенсивности затухающих циклонов.

На стадии затухания ТЦ также обнаруживается заметный суточный ход (рис. 5). Проведен статистический анализ для всех тайфунов того же региона, достигших ураганной силы, за период 1987 – 2011 гг. Рассчитывались значения \overline{\Delta V_{m}}, начиная с момента достижения циклоном максимальной интенсивности. Значения \left | \overline{\Delta V_{m}} \right | для каждого временно́го интервала определялись по многочисленным (787 - 856) значениям \left |\Delta V_{m} \right |. Для интервалов 08 –14, 14 – 20, 20 – 02 и 02 – 08 ч значения \left | \overline{\Delta V_{m}} \right | соответственно равны 5.51, 5.42, 5.62 и 4.58 узла.

Figure 5
Рис. 5. Средние значения изменений скорости вращения на стадии затухания тайфунов.
Видно, что затухание тайфунов в ночной период заметно замедляется (на 18.5% по сравнению с предыдущим 6-часовым интервалом). Таким образом, и на этой стадии ночной период благоприятен для поддержания «жизнедеятельности» ТЦ.

7. Северо-западная Атлантика.

Ураганы этого региона можно условно разбить на две категории (группы, класса) по географическим условиям, в которых они находятся. Циклоны одной группы, в основном, перемещаются над океаном (в области, ограниченной координатами (20 – 50)°N – (45 – 70)°W) и мало взаимодействуют с сушей. Циклоны другой группы, перемещающиеся в Карибском море и Мексиканском заливе, в той или иной степени взаимодействуют с сушей (острова, относительно узкие проливы). Суточные вариации для двух категорий ураганов оказались заметно различными, поэтому имеет смысл рассмотреть их раздельно.

Первой будем условно называть категорию ТЦ, взаимодействующих с сушей (Карибское море, Мексиканский залив). Ограничиваемся рассмотрением только стадии интенсификации ТЦ, достигающих ураганной силы. Поскольку в Атлантике их меньше, чем в Тихом океане, статистика для этого региона не столь репрезентативна.

На рис. 6 представлены результаты расчетов значений \overline{\Delta V_{m}} для этой категории циклонов. Поскольку рассматриваемая область в большой степени охватывает два разных часовых пояса, местное время на рис. 6 приведено в двух вариантах (различающихся на 1 час).

Figure 6
Рис. 6. Средние значения скорости изменений максимального ветра для интенсифицирующихся ураганов Карибского моря и Мексиканского залива.
Значения \overline{\Delta V_{m}} для каждого из четырех временны́х интервалов рассчитывались соответственно по 294, 286, 277 и 280 значениям V_{m} ураганов, зарегистрированных в период 1972 – 2011 гг. Так же, как и в случае тайфунов Тихого океана (рис. 3) нарастание скорости наиболее сильно выражено в ночное время (превышает соответстыующий показатель для предыдущего 6-часового интервала почти на 30%).

Результаты аналогичных расчетов для второй категории ураганов (открытый океан) представлены на рис. 7.

Figure 7
Рис. 7. То же, что на рис. 6, но для второй категории ураганов (открытый океан).
В этом случае среднее значение местного времени отстает от Гринвичского времени на 4 часа. Рассматривались стадии интенсификации ураганов, зарегистрированных в период с 1972 г. по 2011 г. включительно. Значения \overline{\Delta V_{m}} рассчитывались по 272 – 290 значениям V_{m}.

Результаты в этом случае качественно отличаются от предыдущих. Наибольший прирост скорости достигается в дневное время. Превышение значения \overline{\Delta V_{m}} на интервале 08 ч. – 14 ч. местного времени над соответствующими показателями в предшествующий и последующий интервалы достаточно существенно - 24 – 25% .

Можно высказать предположение, что качественно близкие закономерности суточных вариаций первой категории ураганов и рассматривавшихся выше тайфунов северо-западной части Тихого океана как-то связаны с тем, что и те, и другие взаимодействуют с сушей. Большинство упомянутых тайфунов перемещаются вблизи Филиппинских островов, Тайваня или Японии.

8. Циклоны северо-восточной части Тихого океана.

Тропические циклоны этого региона находятся в известном смысле в промежуточных географических условиях: они взаимодействуют с сушей, но в меньшей степени, чем две упомянутые в предыдущем абзаце категории ТЦ Атлантики и северо-западной части Тихого океана. Согласно высказанному предположению, закономерности суточных вариаций для них могут быть какими-то «промежуточными». Так и оказалось. Это видно из рис. 8, который относится к интенсифицирующимся ТЦ северо-восточной части Тихого океана, зарегистрированным в период 1980-2004 гг.; отставание местного времени от Гринвичского составляет 8ч.

Figure 8
Рис. 8. То же, что на рис. 3, 6, 7, но для тропических циклонов северо-восточной части Тихого океана.
Величина \overline{\Delta V_{m}} для интервалов времени 16-22, 22-04, 04-10, 10-16 ч. составляет соответсвенно 4.83 ± 0.40, 5.42 ± 0.45, 6.34 ± 0.42, 5.44 ± 0.44 узла, рассчитана по 587, 579, 558, 551 значениям V_{m}.

Скорость ветра быстрее всего нарастает в интервале 04 – 10 часов местного времени, «промежуточном» между предшествующими вариантами. В северо-восточной части Тихого океана интенсификация ТЦ, как правило, начинается в океане, относительно далеко от суши, но завершается чаще всего вблизи побережья. Возможно, поэтому, согласно высказанному выше предположению, интервал максимального ускорения ветра оказался «промежуточным».

9. Заключение.

Итак, в настоящей работе, возможно, впервые обращено внимание на существенные суточные вариации ускорения вращения ТЦ (т.е. вариации изменений максимальной тангенциальной скорости и удельной кинетической энергии), наиболее сильно выраженные в периоды интенсификации и затухания тропических циклонов. Суточные вариации могут заметно различаться по фазе в разных географических условиях.

Литература

  • Frank W.M. The structure and energetics of the tropical cyclone // Atmos. Sci. Paper N 258. Dept. of Atmospheric Science, Colorado State University, Fort Collins, CO. 1976. 180 pp.
  • Hallin S.C. Diurnal variations in tropical cyclones // M.S. thesis, Dept. of Atmospheric Science, Colorado State University, 1991 99 pp. [Available from Dept. of Atmospheric Science, Colorado State University, Fort Collins, CO 80523.].
  • Browner S.P., Woodley W.L., Griffith C.G. Diurnal oscillation of area of cloudiness associated with tropical storms // Mon. Wea. Rev. 1977. V. 105. P. 856–864.
  • Muramatsu T. Diurnal variations of satellite-measured TBB areal distribution and eye diameter of mature typhoons // J. Meteor. Soc. Japan. 1983. V. 61. P. 77–89.
  • Lajoie F.A., Butterworth I.J. Oscillation of high-level cirrus and heavy precipitation around Australian region tropical cyclones. Mon. Wea. Rev., 1984. V.112. N 3. P. 535–544.
  • Steranka J., Rodgers E.B., Gentry R.C. The diurnal variation of Atlantic Ocean tropical cyclone cloud distribution inferred from geostationary satellite infrared measurements // Mon. Wea. Rev. 1984. V. 112. N 11. P. 2338–2344.
  • Hobgood J.S. A possible mechanism for the diurnal oscillations of tropical cyclones // J. Atmos. Sci. 1986, V. 43. P. 2901–2922
  • Konrad Ch.E. Diurnal variations in the landfall times of tropical cyclones over the Eastern United States // Mon. Wea. Rev. 2001. V. 129. N 10. P. 2627-2631.
  • Kossin J.P. Daily hurricane variability inferred from GOES infrared imagery // Mon. Weath. Rev. 2002. V. 130. N 9. P. 2260-2270.
  • Takeda T., Oyama R. Periodic time variation of a low-TBB cloud area in typhoon // J. Meteorol. Soc. Jap. 2003. V. 81. N 6. P. 1497–1503.
  • Cerveny R.S., Balling Jr. R.C. Variations in the diurnal character of tropical cyclone wind speeds // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. L06706. doi:10.1029/2004GL021177.
  • Balling Jr. R. C., Cerveny R. S. Analysis of tropical cyclone intensification trends and variability in the North Atlantic Basin over the period 1970–2003 // Meteorol. Atmos. Phys. 2006. V. 93. P. 45–51. DOI 10.1007/s00703-006-0196-5
  • Sawada M., Iwasaki T. On the diurnal variation of precipitation associated with tropical cyclone and its intensity, First International Workshop on Nonhydrostatic Numerical Models, Kyoto, Japan, Sep 2010. http://wind.geophys.tohoku.ac.jp/~sawada/hiki/?Presentations .
  • Gray W.M., Frank W.M., Corrin M.L., Stokes C.A. Weather modification by carbon dust absorption of solar energy. J. Appl. Meteorol., 1976, v.15, N 4, p.355-386.
  • Gray W.M., Frank W.M. Hypothesis for hurricane intensity reduction from carbon black seeding. In: "20th Conference on Hurricаne and Tropical Meteorology" San-Antonio. May, 1993, p. 305-308.
  • Ингель Л.Х. Воздействия на атмосферные процессы посредством поглощения солнечной энергии распыленной в воздухе мелкодисперсной угольной пылью (сажей) // Активные воздействия на гидрометеорологические процессы / Тр. Всесоюзной конференции. Киев, ноябрь 1987 г. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1990. С. 444-450.
  • Qui X., Pan L. Lightning rate and its correlation to the intensity of typhoons over the Northwest Pacific // American Geophysical Union, Fall Meeting 2011, abstract #AE31A-0263. 2011. http://adsabs.harvard.edu/abs/2011AGUFMAE31A0263Q .
  • Ингель Л.Х., Петрова Л.И. Новые подходы к прогнозу интенсивности тропических циклонов и активным воздействиям на них // Метеоспектр. 2011. № 3. C. 106-113.
  • Elsner J.B., Jagger T.H., Hodges R.E. Daily tropical cyclone intensity response to solar ultraviolet radiation // Geophys. Res. Lett., 2010. V. 37. L09701, doi:10.1029/2010GL043091.
  • Li Qingqing, Wang Yuqing. Formation and quasi-periodic behavior of juter spiral rainbands in a numerically simulated tropical cyclone // J. Atmos. Sci. 2012 V. 69, N 3 P. 997–1020. doi: http://dx.doi.org/10.1175/2011JAS3690.1
  • Patadia F. Multisatellite observation of Indian ocean tropical cyclones // Mtech SatCom Abstract. M.Tech in Space Science. http://www.cssteap.org/10years/mtechspace.pdf