On the Theory of Individual Atmospheric Vortices: an Example of the Subtropical Anticyclone Evolution

A. V. Kislov; Кислов А. В.; I. V. Zheleznova; Железнова И. В.; Yu. V. Mukhartova; Мухартова Ю. В.; A. I. Nesviatipaska; Несвятипаска А. И.

doi:10.31857/S0002351523010066

К теории индивидуальных атмосферных вихрей: пример эволюции субтропического антициклона

Авторы: Кислов А.В.¹, Железнова И.В.¹, Мухартова Ю.В.¹, Несвятипаска А.И.¹
Учреждения:
1. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Выпуск: Том 59, № 1 (2023)
Страницы: 33-43
Раздел: Статьи
URL: https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/658325
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002351523010066
EDN: https://elibrary.ru/EHFAJQ
ID: 658325

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Физика индивидуальных атмосферных вихрей далеко не ясна, несмотря на то, что они надежно воспроизводятся современными гидродинамическими моделями. В данной работе развивается теория вихрей, стабильно существующих длительное время в некоторой области. Их структура характеризуется первой (доминирующей) естественной ортогональной функцией (ЕОФ, NOF), а динамика определяется коэффициентом при данной моде y₁(t), для которого получено обыкновенное дифференциальное уравнение исходя из уравнения бюджета завихренности. Невязка явно разрешаемых факторов компенсируется параметризацией, которая строится на основе учета влияний второй и последующих мод ЕОФ-разложения. Показано, что она состоит из гауссового шума и неслучайной компоненты, которая может быть аппроксимирована с помощью кубической функции от y₁(t). Для проверки развиваемой методики было использовано моделирование поведения завихренности, описывающей динамику наиболее стабильного вихря среди всех, существующих в атмосфере Земли – субтропического (Гавайского) антициклона. Для работы использованы данные реанализа ERA5. Предложенный подход к анализу индивидуальных вихрей предполагается использовать для оценки различных циркуляционных систем, выявления факторов, влияющих на их динамику в различных регионах, исследования экстремальных гидрометеорологических событий, связанных с долгоживущими вихрями.

Ключевые слова

уравнение бюджета завихренности, индивидуальный вихрь, Гавайский антициклон, ЕОФ-разложение

Список литературы

Rudeva I., Gulev S.K. Composite analysis of the North Atlantic extratropical cyclones in NCEP/NCAR reanalysis. // Mon. Wea. Rew. 2011. V. 139. № 5. P. 1419–1446. https://doi.org/10.1175/2010MWR3294.1
Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Л: Гидрометиздат, 1973. 615 с.
Saffman P.G. Vortex Dynamics. Cambridge University Press, Cambridge, 1992.
Lamb G. Hydrodynamics. 6th Edition, Cambridge University Press, Cambridge, 1932.
Cushman-Rosin B., Hell W.H., Nof D. Oscillation and Rotation of Elliptical Warm-Core Rings // Journal of the Geophysical Research. 1985. V. 90. P. 11 756–11 764. https://doi.org/10.1029/JC090iC06p11756
Meacham S.M., Pankratov K.K., Shchepetkin A.F., Zhmur V.V. The Interaction of Ellipsoidal Vortices with Background Shear Flows in a Stratified Fluid. // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1994. V. 21. P. 167–212. https://doi.org/10.1016/0377-0265(94)90008-6
Жмур В.В. Мезомасштабные вихри океана. М.: ГЕОС, 2011. 289 с.
Zhmur V.V., Ryzhov E.A. and Koshel K.V. Ellipsoidal Vortex in a Nonuniform Flow: Dynamics and Chaotic Advections. // Journal of Marine Research. 2011. V. 69. P. 435–461. https://doi.org/10.1357/002224011798765204
Zabusky N.J., Hughes M.N., Roberts K.V.J. Contour dynamics for the Euler equations in two-dimensions // J. Comp.Phys. 1979. V. 30, №. 1. P. 96‒106. https://doi.org/10.1016/0021-9991(79)90089-5
Barriopedro D., García-Herrera R., Lupo A.R., Hernández, E. A Climatology of Northern Hemisphere blocking. // Journal of Climate. 2006. V. 19. P. 1042–1063. https://doi.org/10.1175/JCLI3678.1
Mokhov I., Timazhev A.V., Lupo A.R. Changes in Atmospheric Blocking Characteristics within Euro-Atlantic Region and Northern Hemisphere as a Whole in the 21st Century from Model Simulations Using RCP Anthropogenic Scenarios. // Global and Planetary Change. 2014. V. 122. P. 265–270. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2014.09.004
Hannachi A., Jolliffe I.T., Stephenson D.B. Empirical orthogonal functions and related techniques in atmospheric science: A review // International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society. 2007. V. 27. P. 1119–1152. https://doi.org/10.1002/joc.1499
Feldstein S. The Growth and Decay of Low-Frequency Anomalies in a GCM. // Journal of the Atmospheric Sciences. 1998. V. 55. P. 415–428. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1998)055<0415: TGADOL>2.0.CO;2
Кислов А.В., Соколихина Н.Н., Семенов Е.К., Тудрий К.О. Анализ вихря как целостного образования применительно к исследованию блокирующего антициклона 2010 г // Метеорология и гидрология. 2017. № 4. С. 18–26.
Кислов А.В., Соколихина Н.Н., Семенов Е.К., Тудрий К.О. Динамика зимнего высокоширотного блокирующего антициклона зимой 2012 года в Северном полушарии // Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. 2017. № 363. С. 24–35.
Kislov A., Sokolikhina N., Semenov E. and Tudriy K. Blocking Anticyclone in the Atlantic Sector of the Arctic as an Example of an Individual Atmospheric Vortex // Atmospheric and Climate Sciences. 2017. V. 7. P. 323–336. https://doi.org/10.4236/acs.2017.73024
Семенов Е.К., Соколихина Н.Н., Татаринович Е.В. Атмосферная циркуляция в период катастрофического снегопада в Хабаровском крае 30 ноября – 2 декабря 2014 г // Метеорология и гидрология. 2018. № 1. С. 85–96.
Majda A., Timofeyev I., Vanden-Eijnden E. A mathematical framework for stochastic climate models // Communications on Pure and Applied Mathematics. 2001. V. 54. P. 891–974.
Majda A., Franzke C., Khouider B. An applied mathematics perspective on stochastic modelling for climate // Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences. 2008. V. 366. P. 2429–2455.
Majda A., Franzke C., Crommelin D. Normal forms for reduced stochastic climate models // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2009. V. 106. P. 3649–3653.
Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Biavati G., Horányi A., Muñoz Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Rozum I., Schepers D., Simmons A., Soci C., Dee D., Thépaut J-N. ERA5 hourly data on pressure levels from 1979 to present // Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). 2018.
Петерсен С. Анализ и прогноз погоды. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1961. 650 с.
Рамедж К. Метеорология муссонов. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1976. 335 с.