Προσομοίωση Τροπικών Κυκλώνων με Απλό Τρόπο

Είναι γνωστό ότι η υγρή μεταφορά είναι ένας βασικός παράγοντας για την ανάπτυξη των τροπικών καιρικών συστημάτων, των έντονων καιρικών συνθηκών, των καταιγίδων, των χαλαζοθύελλων και των ανεμοστρόβιλων. Λειτουργεί ως turbo κινητήρας για τους κυκλώνες. Μερικά ερωτήματα που έρχονται στο μυαλό σε αυτό το πλαίσιο είναι:πώς επηρεάζουν τα διαβατικά φαινόμενα τη δυναμική των μεγάλης κλίμακας γήινων και πλανητικών ροών; Πώς μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα εξιδανικευμένο μοντέλο για να αναπαραστήσουμε τον υδρολογικό κύκλο της εξάτμισης και της καθίζησης, καθώς και τις έντονες επιδράσεις της λανθάνουσας απελευθέρωσης θερμότητας;

Είναι μια πρόκληση να αναπαραστήσετε με ακρίβεια τα διαβατικά αποτελέσματα σε ένα μοντέλο διατηρώντας αρκετή απλότητα. Η πολυπλοκότητα της θερμοδυναμικής του υγρού αέρα, συμπεριλαμβανομένης της μικροφυσικής, της εγγενούς μη γραμμικότητας και των μεταπτώσεων φάσης, μας παρακινεί να αναζητήσουμε ένα μοντέλο με απλοποιημένες και ελάχιστες παραμετροποιήσεις προκειμένου να συλλάβουμε τη δυναμική επίδραση της υγρής μεταφοράς με τον πιο ωμό τρόπο. /P>

Αν και τα τελευταία χρόνια έχουν επιτευχθεί μεγάλα επιτεύγματα για τη βελτίωση των διαβατικών διεργασιών στη μοντελοποίηση καιρού και κλίματος, η προαναφερθείσα πολυπλοκότητα είναι η αιτία προβλημάτων στις καιρικές προβλέψεις με τη μοντελοποίηση του κύκλου του νερού, ειδικά των μακροπρόθεσμων. Επομένως, δεν είναι περίεργο ότι τα κλιματικά μοντέλα αποκλίνουν σημαντικά [1] όσον αφορά την πρόβλεψη της βροχόπτωσης και της υγρασίας. Τα μοντέλα γενικής κυκλοφορίας χρησιμοποιούν μια πληθώρα παραμετροποίησης φυσικών διεργασιών που κρύβουν το ρόλο του κύκλου υδρατμών κάτω από τη μεγάλης κλίμακας ατμοσφαιρική δυναμική. Καθώς οι διαβατικές διεργασίες είναι ουσιαστικά μη γραμμικές, οι τεχνικές ανάλυσης γραμμικής σταθερότητας είναι ακατάλληλες στην περίπτωση υγρής-συναγωγής.

Με το εξιδανικευμένο βελτιωμένο μοντέλο περιστρεφόμενου ρηχού νερού (imcRSW) [2], μπορεί κανείς να διερευνήσει την επίδραση της συμπύκνωσης και της σχετικής απελευθέρωσης λανθάνουσας θερμότητας στη δυναμική χωρίς να υπεισέλθει στη θερμοδυναμική πλήρους κλίμακας του υγρού αέρα. Σε αυτό το απλοποιημένο μοντέλο, λαμβάνονται υπόψη μόνο τα πιο τραχιά χαρακτηριστικά της υγρής μεταφοράς. Η παλιά έκδοση του μοντέλου (mcRSW) έχει ήδη εφαρμοστεί για τη διερεύνηση αστάθειας συνοπτικής κλίμακας της Γης και των πλανητικών πίδακες και δίνες [3, 4, 5]. Η παραμετροποίηση της μεταφοράς υγρασίας στα αριθμητικά μοντέλα έχει αποτελέσει το θέμα μερικών μελετών, π.χ. [6, 7].

Στο διαδεδομένο σχήμα Betts-Miller, μόλις η υγρασία υπερβεί την τιμή κορεσμού, προκαλεί την απελευθέρωση λανθάνουσας θερμότητας και τη συμπύκνωση από την άποψη της γραμμικής χαλάρωσης της συγκεκριμένης υγρασίας προς ένα προφίλ ισορροπίας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η μεταφορά συνοδεύεται από σύγκλιση στο οριακό στρώμα. Σε ορισμένα μοντέλα με ρηχά νερά, η συναγωγή έχει παραμετροποιηθεί χρησιμοποιώντας σύγκλιση ανέμου χωρίς εξίσωση υγρασίας. Υπάρχει ένας απλός και φυσικά συνεπής τρόπος για να συμπεριληφθεί η υγρή μεταφορά στο μοντέλο προσθέτοντας μια χαλαρωτική παραμετροποίηση της κατακρήμνισης και σύζευξη της κατακρήμνισης με μετααγωγικές ροές με τη βοήθεια διατήρησης της υγρής ενθαλπίας. Προκειμένου να ληφθούν υπόψη οι μεταβάσεις φάσης των συμπυκνωμένων υδρατμών,  εισάγεται νερό που κατακρημνίζεται στο μοντέλο imcRSW και συνδέεται με τους υδρατμούς μέσω μαζικής συμπύκνωσης και εξάτμισης. Ταυτόχρονα, οι συναγωγικές ροές μπορούν να συσχετιστούν με τη συμπαρασυρμό του κατακρημνιζόμενου νερού, προσθέτοντας περισσότερο ρεαλισμό στην αναπαράσταση της υγρής μεταφοράς. Το συμπυκνωμένο νερό παραμένει στην ατμόσφαιρα με τη μορφή νεφών και η κατακρήμνιση αλλάζει μόνο όταν τα σταγονίδια νερού φτάσουν σε ένα κρίσιμο μέγεθος.

Έτσι, το προτεινόμενο μοντέλο imcRSW είναι ένα απλό αλλά αυτοσυνεπές εργαλείο επίλυσης νέφους και αξιόπιστο εργαλείο για τη μελέτη της δυναμικής των κινήσεων, συμπεριλαμβανομένων των διαβατικών διεργασιών. Χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση της ανάπτυξης αστάθειας στροβιλών που μοιάζουν με τροπικούς κυκλώνες. Το μοντέλο αποδεικνύεται ότι είναι σε θέση να συλλάβει τα κύρια χαρακτηριστικά των αστάθειας στροβιλών που μοιάζουν με τυφώνα σε περιβάλλοντα υγρής μεταφοράς. Μας επιτρέπει να εξετάσουμε λεπτομερώς τη σημασία των υγρών διεργασιών στον κύκλο ζωής αυτών των αστάθειας και στη διαδικασία εντατικοποίησης των δινών. Επιπλέον, αντιπροσωπεύει καλά τη δυναμική του ματιού και των ζωνών του σύννεφου με τις αντίστοιχες κατακρημνίσεις.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ένα βελτιωμένο μοντέλο υγρού-συναγωγής περιστρεφόμενου ρηχού νερού και η εφαρμογή του σε αστάθειες στροβιλισμών που μοιάζουν με τυφώνα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους  Masoud Rostami και Vladimir Zeitlin από το Πανεπιστήμιο της Σορβόννης (UPMC).

Αναφορές:

1. Stevens, B., Bony, S., 2013. Τι λείπουν από τα κλιματικά μοντέλα; Science 340, 1053.
2. Rostami, M., &Zeitlin, V. (2018). Βελτιωμένο μοντέλο υγρού-συναγωγής περιστρεφόμενου ρηχού νερού και η εφαρμογή του σε αστάθειες στροβιλισμών που μοιάζουν με τυφώνα. Q. J. Roy. Συνάντησε. Soc.. doi:https://doi.org/10.1002/qj.3292
3. Μ. Rostami και V. Zeitlin, «Επίδραση της συμπύκνωσης και της λανθάνουσας απελευθέρωσης θερμότητας επάνω σε βαροτροπικές και βαροκλινικές αστάθειες στροβιλισμών σε μοντέλο f-plane rotating shallow water», Geophysical &Astrophysical Fluid Dynamics, 2017, 111 (1), 131.1081, doi:131.1081 /03091929.2016.1269897. https://doi.org/10.1080/03091929.2016.1269897
4. Μ. Rostami και V. Zeitlin, και A. Spiga “On the dynamical nature of Saturn’s North Polar hexagon”, Icarus, 2017, 297, 59-70, doi:org/10.1016/j.icarus.2017.06.006. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.06.006
5. Masoud Rostami, Vladimir Zeitlin, Luca Montabone, «On the role of spatially inhomogeneous diabatic effect on the evolution of Mars annular polar vortex», Icarus, 2018, 314, 376-388, doi:10.1015.201.rus. .026. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2018.05.026
6. Lord, S. J., Chao, W. C., Arakawa, A., 1982. «Η αλληλεπίδραση ενός συνόλου αθροιστικού νέφους με το περιβάλλον μεγάλης κλίμακας. μέρος IV:Το διακριτό μοντέλο». Journal of the Atmospheric Sciences 39 (1), 104-113.
7. Betts, A. K., Miller, M. J., 1986. «Ένα νέο σχήμα συναγωγής προσαρμογής. Μέρος II:Δοκιμές μίας στήλης με χρήση συνόλων δεδομένων κυμάτων GATE, BOMEX, ATEX και αρκτικής μάζας αέρα». Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 112 (473), 693-709.