Лабораторное моделирование воздействия атмосферного вихря на океан

Перераспределение тепла между водой и воздухом может рассматриваться как двухстадийное. На первой стадии, когда быстро растет квазиоднородный слой, количество тепла, отдаваемого в глубокие слои воды, увеличивается. К концу этой стадии лишь 10% от общих теплопотерь верхнего квазиоднородного слоя поступают в атмосферу. Затем на второй стадии отток тепла в нижние слои прекращается и оно в основном идет в атмосферу. Время достижения относительного минимума теплоотдачи в атмосферу для нашей системы порядка 1 ч, что в пересчете на реальный циклон соответствует примерно 1.5 сут. Таким образом, такие ураганы как "Элоиз" и "Элла" довольно хорошо имитируются нашей моделью.

Время действия на океан урагана "Вирджиния" в области петли составляло примерно 75 ч, что моделировалось нашим вихрем в течение 1.5 ч. Изотермы, полученные в натурных условиях и на физической модели, хорошо согласуются между собой.

Энергия, которую тайфун передает океану, расходуется в значительной мере и на возбуждение ветровых волн и зыби. Особая структура волнения в тайфуне определяется, с одной стороны, значительными скоростями его перемещения, а с другой - резким изменением структуры ветрового поля и поля давления. В результате возникают сложные интерференционные картины ветрового волнения и зыби.

Организовать изучение волнения даже на современных крупных судах, как правило, пока невозможно. Одно из исключений - визуальные, но достаточно надежные данные наблюдений за элементами ветровых волн и зыби японской эскадры, попавшей в тайфун в сентябре 1935 г., несмотря на то, что два из пяти кораблей получили серьезные повреждения. Оказалось, что в правом заднем углу (квадранте) тайфуна возникают волны высотой 15-20 м, так как здесь они усиливаются ветрами сместившегося вперед тайфуна. В "глазе" урагана (области, внутри которой нет облачности) сталкиваются волны, приходящие с разных направлений и, несмотря на слабый ветер или полное его отсутствие, поверхность моря напоминает бурлящий котел. Пирамидальные волны, достигающие высоты 15 м и более, чередуются с глубокими воронками.

Продолжительность действия ветра на океан зависит от диаметра тайфуна и скорости его перемещения, разгон волн - от диаметра тайфуна. Чем меньше атмосферное давление в центре тайфуна и чем с меньшей скоростью он перемещается, тем большие по высоте волны возникают в нем. Так, в августе 1969 г. волны, возбужденные суперураганом "Камилла", достигали высоты 23.6 м. Они были зарегистрированы инструментально, поскольку этот ураган прошел через Мексиканский залив (скорость ветра в нем достигала 72-85 м/с), вблизи трех станций волнографических наблюдений, расположенных на платформе морского нефтепромысла над 100-метровой глубиной.

Когда тайфун пересекает береговую линию, происходит значительный подъем уровня моря, сопровождающийся затоплением больших участков суши. Это явление называют штормовыми нагонами. Их высота может достигать 2-5 м, продолжительность изменяться от десятков минут до нескольких суток. Последствия такого подъема воды могут приобретать катастрофический характер. Так, во время нагона, вызванного тайфуном "Вера" в сентябре 1959 г., волна высотой 3.4 м затопила г.Нагоя, что привело к гибели 5 тысяч человек.

При подходе "глаза" тайфуна к берегу иногда наблюдается уединенная волна высотой 3-6 м, которая фронтом накатывается на сушу, разрушая все на своем пути. Ее называют ураганной волной, или метеорологическим цунами. Такая волна оказывает катастрофическое воздействие на прибрежные города и поселки и приводит к гибели сотен и тысяч людей. Так, в 1839 г. ураганная волна уничтожила город Корингу в Бенгальском заливе, в 1900 г. подобной волной была разрушена часть города Галвестона на берегу Мексиканского залива.

Было интересно смоделировать варианты возбуждения поверхностных волн под воздушным вихрем. Мы полагаем, что эти волны имитируют систему главных волн, возбуждаемых тропическим циклоном. В зависимости от характера воздушного вихря при больших или малых углах втока формируются различные волновые структуры. Когда "глаз" вихря ярко выражен, его прецессия формирует мощную одиночную спиральную волну. Она разбегается от вздутия на поверхности воды в центре "глаза" (так же возбуждается корабельная волна). Если такая волна подходит к берегу, происходит взаимодействие каждого последующего витка спирали с предшествующим, причем из-за различной скорости движения участков этой длинной волны при ее накате на берег (борт бассейна) и формируется отраженная волна. В результате может возникнуть резонансное усиление волны, что в реальном циклоне и приводит к формированию одиночной катастрофической метеорологической волны типа цунами.

С уменьшением угла втока растет число возбуждаемых спиралей и усложняется волновая структура под центральной областью (в круге с радиусом, на котором ветры максимальны). Волн становится больше, спирали как бы вкладываются друг в друга. Одновременно с этим уменьшается амплитуда волн.

Рис.5 Формирование волновых структур (модель) под центральной частью атмосферного вихря в зависимости от угла втока .

Мы нашли эмпирическую зависимость числа формируемых на воде спиральных волн от параметров воздушного вихря. Она выражается равенством:
,
где c - отношение максимальной скорости ветра к скорости в первом минимуме при движении от центра к периферии вихря, к - эмпирический коэффициент, равный 0.04 обратных градуса, - угол (в град) втока воздуха в вихрь, а квадратные скобки означают целую часть числа. Отметим, что с ростом "глаза" воздушного вихря картина на поверхности воды в центральной области изменяется. При малых углах втока возникает "толчея" волн. С увеличением этого угла волнение становится менее хаотичным и образуются достаточно жесткие вращающиеся фигуры: кресты, треугольники, которые, по-видимому, связаны с наличием более сложной структуры полей давления и ветра.

Отметим, что наряду с волной корабельного типа, возбуждаемой центральным вздутием, на поверхности воды формируются волны, вызываемые сдвиговыми неустойчивостями течений. Различные типы волн взаимодействуют друг с другом, в результате возникает автоколебательный процесс. Как показал анализ кинограмм и записей волнографа, при углах втока воздуха (50-60)° волна типа корабельной уступает место волнам, зарождающимся на сдвиговых неустойчивостях. Исчезновение неустойчивостей вновь приводит к генерации только одной волны типа корабельной, затем цикл повторяется. Отметим, что из-за трудности инструментальных наблюдений за течениями при прохождении тайфуна надежных сведений об интенсивности течений и их релаксации нет, хотя многие исследователи отмечают, что при штормовых условиях происходит интенсивная генерация инерционных течений, а также развитие соответствующих неустойчивостей.

В заключение отметим еще один эффект, который мы наблюдали при исследовании волновых движений под вихрем. При отсутствии волногасителей у стенок бассейна для строго определенных размеров вихря (63 мм) и углах втока (25-35)° под воздушным вихрем возбуждались резонансные колебания поверхности. Высоты волн у стенок бассейна достигали 5-7 см при 10 см под вихрем, что на порядок величины превосходило амплитуду обычных спиральных волн. Образующиеся возмущения в центральной области носили воронкообразный характер. Перенос этих колебаний на природные условия в области достаточно замкнутых акваторий, например Южно-Китайского или Саргассова морей, позволяет считать, что такие всасывающие воронки в десятки метров глубиной могут формироваться и представлять реальную угрозу для кораблей. Возможно, с ними связаны легенды о Бермудском треугольнике.

Назад