建模研究的初始形成极低点附近的北极

文摘

地区低层大气风系统的数学模型,开发了最近在极地地球物理研究所应用于调查的初始阶段形成的欧洲北极极地纬度的低点。数学模型是基于nonsimplified气体动态方程的数值解,产生高度的大气参数的三维分布范围从0到15公里/地区有限的地球表面。仿真结果表明,凸性的起源在北极锋的配置会导致极低的形成期间的一天。

1。介绍

极低(PL)是一种强烈的中尺度大气低压天气系统(抑郁症),包括强风,起源于在北半球和南半球极地海洋。极低点已经被其他条款,如极地中尺度气旋(PMC),北极的飓风,冷空气萧条。极低的特点是小尺寸和短寿命相比,热带气旋。然而,极低点会引起热潮,威胁到船舶、沿海洪水,和沿海社区的大量死亡。因此,预测极低的形成是一个非常重要的问题。

在过去的五十年,极低点已经调查这两个实验(见[1- - - - - -9)和引用其中),理论上(见[10- - - - - -16])。极低的同时,探讨动态数学模型应用(例如,看到17- - - - - -22])。

不久前,在极地地球物理研究所(PGI),两个nonhydrostatic风系统的数学模型在地球的大气层。第一个模型可以计算区域的三维全球分布,经向,在水平和垂直风的组件对流层、平流层、中间层、降低热电离层(23,24]。这个模型的特征是,它不包括内部大气气体的能量方程。相反,全球温度场被假定为一个给定的分布从NRLMSISE-00获得经验模型(25]。这个数学模型已经应用为了研究数字大气气体温度的横向不均匀性如何影响中间的全球大气环流的形成条件对应于不同季节(26,27)和太阳活动如何影响大规模全球环流的形成[的中间层和较低的热成28]。

第二个数学模型,开发PGI不久之前,是一个有限区域低层大气风系统的数学模型,产生高度的大气参数的三维分布范围从0到15公里/地区有限的地球表面,与内部空气的能量方程模型中包括(29日,30.]。这个区域模型被使用为了研究数字负责大规模漩涡的形成机制在热带海洋表面(31日- - - - - -33]。在这些调查中,结果表明,凸性的起源形式的热带辐合带(ITCZ),有不同的配置,可能会导致不同的大规模漩涡的形成,特别是,气旋漩涡,一双cyclonic-anticyclonic漩涡,和一双气旋漩涡,期间不超过三天。

同时,后者区域数学模型被应用来验证假说的形状的影响北极锋的初始形成极低点。这个假设被Mingalev高级和确认研究et al。34,35]。在这些研究中,对两种情况进行模拟,在最初的时刻,北极锋的模拟域分割的不同配置。表明一个凸性的起源在北极锋的配置会导致极低的形成期间的一天。

当前工作的目的是继续调查的初始阶段的形成极低点在欧洲北极高纬度地区,应用区域低层大气风系统的数学模型,开发了PGI。时间建模是进行各种情况下,北极锋的最初形式是不同的,包含凸性与不同的形状,与风速的分布在北极附近的面前被选不同。

2。数学模型

有限区域nonhydrostatic低层大气风系统的数学模型,开发了不久前在极地地球物理研究所,本研究利用。在这个模型中,大气气体是空气和水蒸气的混合物,在这两种类型的沉淀水(即水microdrops和冰微粒)可以存在。模型是基于传输方程组的数值解含有空气的连续性方程和总水含量在所有阶段,纬向动量方程,经向,气流速度和竖直分量,和能量方程。模型的特点是,气流速度的垂直分量不使用计算流体静力学方程。相反,气流速度的垂直分量获得通过适当的动量方程的数值解,无论方程简化缺席。动量方程的所有组件的空气速度,湍流的影响平均流量是考虑利用实证subgrid-scale参数类似于地球大气层的全球环流模型开发PGI早些时候(23,24]。

一般来说,应用数学模型是基于nonsimplified气体动态方程的数值解,产生三维风的时间分布组件,温度,空气密度,水蒸气密度、浓度microdrops的水,和冰粒子的浓度。模型考虑加热/冷却的空气由于吸收/发射的红外辐射,以及由于水蒸气相变microdrops水和冰粒子,在能量平衡发挥着重要的作用。应用有限差分方法和显式积分方法求解控制方程的系统。

以下变量计算模型中计算每个网格节点:空气和水蒸气的混合物的温度,;空气和水蒸气的密度,和分别;水动力混合的速度(3 d矢量),;冰和水的总质量microdrops微粒子在单位体积,和,分别。矢量形式的控制方程可以写成: 在哪里和是冰和水microdrops微粒子的沉淀速度,分别受制于外部力场的存在并确定斯托克斯与坎宁安的校正;;混合物的压力定义为,在那里和是空气和水蒸气的气体常数,分别;额外的应力张量的分量是由流变状态方程和粘滞摩擦定律一样在地球大气层的全球环流模型开发(早些时候23,24),一个小规模的湍流的影响,有尺度等于和小于有限差分近似的步骤,在平均流量的考虑;加速度是一个外部的力场,由重力加速度,科里奥利加速度,和加速度的翻译,可以书面形式 在哪里重力加速度,是地球的角速度,从地球的中心半径矢量方程的应用。下面的符号用于(4) 在哪里和冰和水的比热容,分别是假定为常数;水的冻结温度;冰融化的比热在哪里;水的比热蒸发在哪里;同时,热通量的向量,,是由著名的公式,,在那里导热系数的对称张量;和是能量的变化率在单位体积吸收/发射的红外辐射。模型参数的具体表达式,这些出现在(1)- (4),可能的研究中发现Belotserkovskii et al。29日,30.]。

应该强调模型假定水microdrops可以只存在于饱和水蒸气的存在条件,而冰微粒可以只存在于饱和水蒸气的存在条件。在的温度,不能增加,直到所有冰微粒融化,并且不能减少,直到所有水microdrops冻结。

据推测三维仿真模型的域球面的一部分层从陆地和海洋表面的高度超过15公里地区有限的地球表面。这个地区的维度在纵向和纬度方向36°和25°,分别。应用有限差分方法和显式积分方法求解控制方程的系统。在统一的网格计算参数确定。纬度和经度的步骤都等于0.08°,和高度等于200步。利用有限差分方法和数值模式的完整细节已经给出Mingalev et al。36]。更完整的细节应用区域数学模型的研究中发现的可能是Belotserkovskii et al。29日,30.)和Mingalev et al。34]。

3所示。演讲和讨论的结果

正如前面提到的,有限的应用区域低层大气风系统的数学模型,上面所描述的那样,允许确定一个新的机制初步形成的热带气旋附近的热带辐合带(31日- - - - - -33]。提到工作,结果表明,热带辐合带的凸性的起源,有特定的形式,可能导致的形成不仅单个气旋漩涡,还一副大规模的漩涡。仿真结果表明,该机制的关键因素的形成热带大型漩涡的起源是一个凸性在热带辐合带的配置。凸性的起源可能导致不稳定的上升气流出现在热带辐合区。这种不稳定性导致相当大的风场的转换和热带大型漩涡形成的初始位置附近的热带辐合带的时间。

上述仿真结果,促使本研究的作者预先假设的影响北极锋在最初形成的形状极低点的34,35),尽管相当大的区别在热带辐合区气流和北极锋。

北极面前把寒冷的北极空气质量和温暖的空气质量。北极也可以被定义为非永久性的面前,半连续的边界寒冷的北极空气质量。作为一个规则,扩展的北极锋子午方向不超过200公里,其纬向方向的长度可能超过2000公里。北极的方向,沿着这条谎言面前,偏离的纬向方向不到20度,作为一个规则。从观察,众所周知,在北极锋,纬向流更多的空气向西高纬度的北极的中心线相对前面。相反,空气是向东的纬向流南纬度相对中心线的北极。北极锋,子午风速指示向北极锋的中心线在水平不到大约2.5公里,从北极锋的中心线在水平高出约2.5公里。在北极锋垂直风速上升。因此,一个北极锋可能被视为一个系统组成的两个空气流在相反的方向移动环境大气气体,具有强烈速度剪切发生接近北极锋的中心线。

在我们的计算中,我们定义的初始和边界条件的符合观测数据和情况时,北极锋相交模拟域西方向。计算了各种情况下的初始形式北极锋包含凸性和独特的形状不同。此外,模拟的情况下执行模块的纬向风速度更北部的纬度相对中心线的北极锋低于那些在更南部纬度相对。因为结果是不同的,它是方便分别呈现。

3.1。一个凸性在南方的方向

最初,让我们考虑第一种情况时,在最初的时刻,北极锋包含一个凸性在南方向,偏差值达到一百公里。的初始形式北极锋可能很容易从面板(图一)1,它就像一个黑暗的弯曲带两个光弯曲的乐队。至关重要的是要注意,在被认为是第一个案例,模块的字段的水平速度近似对称的相对中心线的北极锋不仅在里面,也超出了北极锋。

模型参数的时间演化数值模拟期间使用的数学模型对两天。结果时间建模部分如图1。(一)图中所示的面板1显示了风的水平分量的分布在600米的高度在初始时刻。在面板(b)和(c),相同的分布显示时间时刻20和40 h仿真开始后,分别。从这个图我们可以看到,在时间的推移,水平分量的初始分布的空气速度是大大改变了。(一)图中所示的面板1表明,在初始时刻,前面的弯曲部分的中心位于7°向东的西部边界模拟区域。你可以看到在面板(b)的图1仿真开始后20 h,北极锋的破坏发生在弯曲的地方,和一个气旋漩涡的中心位于纬度大约66°N和大约16°向东的西部边界模拟区域形成。这漩涡内风速达到17.5 m / s和水平维度在这漩涡大约是600 - 800公里。人能看到的面板(图c)1仿真开始后40 h气旋漩涡的中心位于纬度大约64°N和向东大约15.5°的西部边界模拟区域。漩涡内的风速达到14.5 m / s。

仿真结果呈现在图1表明,在存在的初始时刻的一部分北极锋向南弯曲,向东从这一部分,大约在20 h,气旋形成涡流,向南移动大约10公里/小时的速度。漩涡内的最大风速达到大约20 h后仿真开始,然后开始慢慢减少。

此外,我们认为第二种情况时,在最初的时刻,模块的字段的水平速度的中心线不对称相对北极锋不仅在里面,也超出了北极锋。的初始形式北极锋可能很容易从面板(图一)2,它就像一个黑暗的弯曲带两个光弯曲的乐队。

皮江法大气参数的时间演化期间使用的数学模型对两天。结果时间建模部分如图2。(一)图中所示的面板2显示了一个分布的水平风组件在600米的高度在初始时刻。在面板(b)和(c),相同的分布显示时间时刻20和40 h仿真开始后,分别。从这个图可以看出,在时间的推移,水平分量的初始分布的空气速度是大大改变了。(一)图中所示的面板2表明,在初始时刻,前面的弯曲部分的中心位于8°向东的西部边界模拟区域。你可以看到在面板(b)的图2仿真开始后20 h北极锋的破坏发生在弯曲的地方,和一个气旋漩涡的中心位于纬度大约65°N和大约18°向东的西部边界模拟区域形成。这漩涡内风速达到18米/秒和水平维度在这漩涡大约是700公里。人能看到的面板(图c)2仿真开始后40 h气旋漩涡的中心位于纬度大约63°N和大约22°向东的西部边界模拟区域。漩涡内的风速达到17米/秒。

仿真结果呈现在图2表明,在存在的初始时刻的一部分北极锋向南弯曲,当模块的字段的水平速度不对称中心线的北极锋相对,东从这一部分,大约在20 h,气旋形成涡流,移动到南部和东部的速度大约11公里/小时。漩涡内的最大风速达到大约20 h后仿真开始,然后开始慢慢减少。这个大规模的气旋涡的半径约为600 - 800公里。

3.2。一个凸性在北方的方向

在前面的小节中,我们已经考虑了两种情况下的初始配置包含凸性的北极锋在南方向。在本小节中,我们考虑的情况下当北极锋的初始配置包含凸性在北方向。

最初,让我们考虑第三例时,在最初的时刻,北部的北极锋包含一个凸性方向,与模块的字段被近似对称的水平速度相对中心线的北极锋不仅在里面,也超出了北极锋。的初始形式北极锋可能很容易从面板(图一)3,它就像一个黑暗的弯曲带两个光弯曲的乐队。前面的弯曲的中心部分是29°向东的西部边界模拟区域。

模型参数的时间演化数值模拟期间使用数学模型约1.5天。结果时间建模部分如图3。你可以看到在面板(b)的图3仿真开始后,20 h,气旋漩涡的中心位于纬度大约67°N和大约15°向东的西部边界模拟区域形成。可以看到,在这个漩涡达到18米/秒风速在其北部和水平维度的涡是约600 - 800公里。面板(图c)3模拟表明,40小时后开始,气旋涡中心位于纬度大约68°N和向东大约8.5°的西部边界模拟区域。涡中的风速达到18米/秒。

因此,仿真结果呈现在图3表明,在存在的初始时刻的一部分北极锋弯向北,东从大约在15 h,这一部分的气旋形成涡向西移动的速度10 - 15 km / h。涡中的最大风速达到仿真开始后的时间间隔15 - 20 h内,然后开始慢慢减少。

此外,我们认为第四个病例时,在最初的时刻,模块的字段的水平速度的中心线不对称相对北极锋不仅在里面,也超出了北极锋。的初始形式北极锋可能很容易从面板(图一)4,它就像一个黑暗的弯曲带两个光弯曲的乐队。前面的弯曲部分的中心是27°向东的西部边界模拟区域。

皮江法大气参数的时间演化期间使用的数学模型对两天。结果时间建模部分如图4。从这个图可以看出,在时间的推移,水平分量的初始分布的空气速度是大大改变了。你可以看到在面板(b)的图4仿真开始后,20 h,气旋漩涡的中心位于纬度大约67°N和大约18°向东的西部边界模拟区域形成。可以看到,在这个漩涡达到18米/秒风速在其北部和水平维度的涡是约600 - 800公里。面板(图c)4模拟表明,40小时后开始,气旋涡中心位于纬度大约65°N和大约17°向东的西部边界模拟区域。涡中的风速达到18米/秒。

仿真结果呈现在图4表明,在存在的初始时刻的一部分北极锋北弯曲,当模块的字段的水平速度不对称中心线的北极锋相对,西从这一部分,大约在20 h,气旋形成涡流,向南和向西移动的速度大约5 - 10公里/小时。漩涡内的最大风速达到大约20 h后仿真开始,然后开始慢慢减少。这个大规模的气旋涡的半径约为600 - 800公里。

因此,仿真结果表明,凸性的起源在北极锋的配置会导致极低的形成大约一天,期间与旋转中心的极低接近北极的初始位置的南部边缘。

让我们将仿真结果与实验数据进行比较。空间的空间监测信息支持实验室俄罗斯科学院的研究所收集区域数据档案,从航天器任务获得美国国家海洋和大气管理局(http://smis.iki.rssi.ru)。为例的数据从这个区域数据归档,云层的碎片分布在挪威海的一部分,介绍了数字5和6。

从图5一个可以看到云层分布北方向的凸性,可能与北极的配置方面,很有可能。从图6一个可以看到,大约23小时后,气旋涡中心位于经度和纬度大约65°N大约1°E成立。这些数据对应的定性仿真结果,得到了分段的礼物。

4所示。摘要和结论

在许多早期作品,讨论了极低点的生成机制(例如,看到10- - - - - -22])。应该强调,在早先的研究中,我们没有发现,北极锋的配置的转换的过程可以影响的形成极低点(除了研究的作者目前的工作),尽管知道北极锋的形状可能是不同的。很明显,朝鲜南部北极锋的位置响应温度变化对比的气团位于北极海拔和在较低的海拔高度。也许是回忆说,北极面前把寒冷的北极空气质量和温暖的空气质量。

在目前的研究中,扰动的影响上的北极锋的配置过程的初始形成极低点了数值。研究这一过程的数值预报nonhydrostatic低层大气风系统的数学模型,开发了最近在极地地球物理研究所,是利用。模型产生高度的大气参数的三维分布范围从陆地和海洋表面的高度超过15公里地区有限的地球表面。模型参数的时间演化数值模拟使用各种变体的初始和边界条件定义为一致的情况时,北极锋相交模拟域西方向。计算了各种情况下的初始形式北极锋具有不同形状的不同,包含凸性,与风速的分布在北极附近的面前被选不同。

仿真结果表明,凸性的起源在北极锋的配置,在约600公里的纬度的维度和几百公里的偏差在北或南方向,会导致极低点的形成期间的一天。

仿真结果表明,在初始时刻的凸性的配置北极锋在南方向,东从这个凸性,大约在20 h,气旋形成涡流,向南或东南方向的移动速度约为10 - 11公里/小时。这漩涡内最大风速达到17.5 m / s和水平维度在这漩涡大约是600 - 800公里,它的中心是主要接近最初的北极锋的南部边界。漩涡内的最大风速达到大约20 h后仿真开始,然后开始慢慢减少。

仿真结果表明,在初始时刻的凸性在北部的北极锋的配置方向,向西从这个凸性,大约在20 h,气旋形成涡流,向南或西南方向移动的速度大约10 - 15 km / h。最大风速在这个漩涡达到18米/秒和水平维度在这漩涡大约是600 - 800公里,它的中心是主要接近最初的北极锋的南部边界。漩涡内的最大风速达到大约20 h后仿真开始,然后开始慢慢减少。

建模结果表明,地层建模的一个关键因素极低点的起源是一个凸性在北极锋的配置。因此,剪切的不稳定气流。这种不稳定性导致相当大的风场的转换。因此,北极锋可能坏了,就可以形成极低的初始位置附近的北极锋的时间。

这可能指出数值预报nonhydrostatic低层大气风系统的数学模型,利用在目前的研究中,具有一个特定的限制。即计算的时间演化极低点,出现在目前的研究中,有限的时间间隔不超过两天。不幸的是,更多的长时间的时间间隔不可能利用数学模型由于其模拟域和有限尺寸由于趋势的极地低位移动,放弃仿真建模域的时间。

它可能是预期的仿真结果本研究将有助于预测极低。凸性的起源在北极锋的配置,这可能是观察到的帮助地球大气层的卫星监测,是一种前体的形成极低。顺便说一下,根据凸性的方向配置的北极锋(北或南)人能预测该地区极低的外观。

它可以注意到,尽管广泛的研究处理积累数据的观测和数值模拟,没有坚定的物理机制的形成极低点。建立这样的机制将是极地气候的重要贡献我们的知识。同样,一个局部的问题在于构造一个有效的极低的起源,早期预测的方法基于卫星观测数据的分析。希望本研究的结果可以应用于解决这个问题。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作在一定程度上支持批准号13-01-00063从俄罗斯基础研究基金会。

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