Конденсационная теория стационарных смерчей

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Нефёдов А.В. (2011) Physics Letters A, 375, 2259-2261.
Впервые получено теоретическое описание трехмерной циркуляции торнадо, количественно согласующееся с наблюдениями.

Как хорошо известно специалистам (см., например, [1]), наблюдаемые в торнадо радиальные профили ветра при выборе соответствующего линейного масштаба практически совпадают с аналогичными профилями ветра в ураганах. У торнадо и ураганов есть еще две важные общие особенности:

      (1) ураганы и торнадо перемещаются в пространстве;
      (2) ураганы и торнадо сопровождаются интенсивной конденсацией.

В традиционном рассмотрении эти два типа вихрей не имеют единого объяснения. Принято считать, основываясь на работах К. Эмануэля (см., напр., научно-популярный обзор в [2]), что ураганы формируются и поддерживаются испарением с поверхности океана, которое происходит одновременно с существованием вихря. Однако в районах суши, где формируются торнадо, испарение с поверхности мало. Поэтому приходится признать, что, в отличие от ураганов, торнадо обязаны своим появлением потенциальной энергии, накопленной в атмосфере до формирования вихря. По мере расходования локально накопленной потенциальной энергии вихрь должен перемещаться, осваивая новые запасы энергии. (NB: Почему бы не применить подобное рассмотрение к ураганам?)

До недавнего времени единственным кандидатом на роль потенциальной энергии, питающей торнадо, была так называемая доступная для конвекции потенциальная энергия (convective available potential energy), сокращенно CAPE. Она равна работе, совершенной архимедовой силой над единицей массы влажного насыщенного воздуха при его адиабатическом подъеме в окружающей среде. (Чем больше абсолютная величина вертикального градиента температуры и чем больше высота, до которой эта величина превышает величину влажного адиабатического градиента, тем больше CAPE). При этом можно было бы ожидать, что сильные смерчи будут происходить тогда, когда окружающая среда характеризуется большими значениями CAPE. Однако недавнее сравнение значений CAPE, соответствующих ночным и дневным торнадо [3], однозначно показало, что интенсивные смерчи формируются как при высоких, так и при низких значениях CAPE (а также как при высоких, так и при низких значениях CIN). Это свидетельствует о том, что плавучесть, связанная с выделением латентного тепла при влажном адиабатическом подъеме, не является движущей силой торнадо.

В наших публикациях мы рассмотрели иной вид потенциальной энергии, связанный с градиентами давления, возникающими при исчезновении водяного пара из газовой фазы при конденсации. Формально, этот динамический фактор — скорость конденсации S — заменяет ноль в правой части традиционного уравнения неразрывности для сухой атмосферы. (Член, описывающий дифференциальный нагрев, входит в уравнение теплопроводности.)

Нужно подчеркнуть, что до этого времени теории для скорости конденсации S не существовало. Это примечательно, поскольку скорости других физических процессов, имеющих значение для атмосферной динамики, имеют свои формулировки. Так, например, скорость радиационного нагрева предполагается пропорциональной разнице температуры воздуха и так называемой равновесной радиационной температурой (см., напр., [4, ур-я (1)-(2)]). Скорость испарения формулируется в виде различных модификаций уравнения Пенмана. И только скорость конденсации не привлекла внимания теоретиков.

Повсеместно в метеорологической литературе учет свойств влажной атмосферы проводится на основе т.н. микрофизических схем (microphysics schemes) — численных методов решения, применяемых в зависящих от времени циркуляционных моделях. Однако численные методы применяются для того, чтобы решать уже сформулированные системы уравнений. Они не могут быть корректно использованы для того, чтобы определять члены уравнений, информация о которых в исходной системе отсутствует. Как мы недавно обсуждали [5], существующие микрофизические схемы базируются на ошибочном положении о том, что конденсация происходит при постоянном давлении. Это положение не приводит к заметным ошибкам в определяемой скорости выпадения осадков, что и послужило его широкому распространению. Однако оно a priori приводит к полному игнорированию конденсационных градиентов давления [6, стр. C10925].

В серии статей мы сформулировали выражение для скорости конденсации, рассмотрев отклонение от равновесного значения величины градиента парциального давления водяного пара, измеренного в направлении температурного градиента. (В частности, в отсутствие горизонтального градиента температуры в атмосфере, находящейся в гидростатическом равновесии, скорость конденсации S пропорциональна вертикальной скорости и вертикальному градиенту удельного парциального давления водяного пара.) Это позволило получить выражение для радиального градиента давления в центрально-симметричных стационарных вихрях и получить общее уравнение для радиальных профилей компонент скорости ветра.

Ключевое различие между торнадо и ураганами состоит в том, что в ураганах вертикальная скорость мала, а линейный размер велик. Решив полученное уравнение в пренебрежении вертикальной скоростью, мы получили реалистичные профили ветра для интенсивных ураганов [7]. В новой статье мы получили общее решение для произвольных скоростей [8]. Профили ветра, полученные для компактного вихря, удовлетворительно согласуются с наблюдениями для Мулхаллского торнадо (крупнейшего в мире торнадо, зарегистрированного на настоящий момент). Насколько нам известно, это первое теоретическое описание трехмерной циркуляции торнадо, которое количественно согласуется с наблюдениями.

Таким образом, сформулирован непротиворечивый теоретический подход для количественного объяснения интенсивных атмосферных вихрей на единой физической основе. Тот же самый механизм, как недавно обсуждалось [9], играет ключевую роль в пассатной циркуляции.

Мы приветствуем комментарии от наших читателей (их можно сделать на нашем блоге). Наш ответ на критические замечания, поступившие к настоящему времени от американских метеорологов, резюмированы в наших ответах д-ру Хелду [10]. Представляют интерес также спровоцированное письмом К. Эмануэля недавнее обсуждение в Интернете [11], комментарии д-ра Брайана [12] и наш ответ на них [5] (все на англ. яз.).

Ссылки

[1] Lee W.-C., Wurman J. (2005) J. Atm. Sci., 62, 2373-2393, p. 2379.

[2] Smith, R. K. (2006) Hurricane force. Physics World, 19, 32-37.

[3] Kis, A. K. and Straka, J. M. (2010) Nocturnal tornado climatology. Wea. Forecast., 25 545-561.

[4] Held, I. M. and Hou, A. Y. (1980) Nonlinear axially symmetric circulations in a nearly inviscid atmosphere, J. Atmos. Sci., 37, 515-533.

[5] Reply to ‘Erroneous comments’ by Dr. George Bryan: Pinpointing where the potential energy of condensation was lost’, Makarieva et al., 06 Jan 2011, ACPD

[6] ‘Condensation rate and hydrostatic equilibrium of moist air’, Makarieva et al., 10 Dec 2010, ACPD

[7] Makarieva A.M., Gorshkov V.G. (2011) Radial profiles of velocity and pressure for condensation-induced hurricanes. Physics Letters A, 375, 1053-1058.

[8] Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Nefiodov A.V. (2011) Condensational theory of stationary tornadoes. Physics Letters A, 375, 2259-2261.

[9] Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Sheil D., Nobre A.D., Li B.-L. (2010) Where do winds come from? A new theory on how water vapor condensation influences atmospheric pressure and dynamics. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 10, 24015-24052.

[10] Reply 2 to ‘Review’ by Dr. Isaac Held: On publication criteria in science’, Makarieva et al., 26 Apr 2011, ACPD

[11] Weight of Water and Wind, Hurricane Pro’s Weigh in, discussion at Jeff Id’s blog prompted by letter of Dr. Kerry Emanuel

[12] ‘Erroneous comments’, George Bryan, 16 Dec 2010, ACPD

Реклама

Комментировать

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s