Спиральный тропический циклогенез: возможность управлять формированием ураганов?

Представлены результаты работ, посвященных применению понятия спиральности [8] в атмосферных исследованиях для изучения тропических циклонов (ТЦ). В совместных российско-американских работах 2010-2015 гг. [1,2,4,6,7] был проведен анализ спиральной самоорганизации влажно-конвективной атмосферной турбулентности в условиях зарождения ТЦ и предложен путь к решению одной из самых интригующих проблем метеорологии – о тропическом циклогенезе. Полученные результаты позволяют также обсуждать возможности воздействия на формирование ТЦ на самой ранней стадии возникновения крупномасштабной вихревой неустойчивости.

Вторая половина ХХ века принесла целый ряд фундаментальных работ в области магнитной гидродинамики и гидродинамики непроводящей жидкости об особой роли спиральной турбулентности в формировании крупномасштабных структур в турбулентных средах. Среди них – теория альфа-эффекта, лежащая в основе МГД-динамо механизма усиления магнитных полей, и созданная в 1980-х годах в ИКИ АН СССР теория гидродинамического альфа-эффекта, позволившая выдвинуть гипотезу о турбулентном вихревом динамо в атмосфере в качестве механизма образования тропических циклонов. Тогда же в нескольких научных центрах нашей страны были начаты работы по экспериментальной, численной и натурной (экспедиции «Тайфун-89» «Тайфун-90» в тропическую зону Тихого океана) проверке предложенной теории. Численный подход для диагностики возникновения крупномасштабной спирально-вихревой неустойчивости, применимый как в гидродинамике несжимаемой жидкости, так и в условиях реальной атмосферы, был разработан в [4,5].

Новое тысячелетие открыло новую эру в исследованиях атмосферных явлений – современные суперкомпьютеры позволили осуществить давнюю мечту об облачно-разрешающем численном моделировании крупномасштабных процессов в атмосфере. Одни из самых первых, почти-облачно-разрешающих (2-3 км по горизонтальным направлениям) исследований тропического циклогенеза [3, 10] обнаружили вихревую природу влажной атмосферной конвекции в тропиках – вращающиеся кучево-дождевые облака, которые получили название вихревых горячих башен (Vortical Hot Towers – VHTs) – и ключевую роль VHTs в формировании ТЦ. Примечательно, что эти конвективные структуры являются спиральными «по определению», как позже подчеркнут авторы [9], поскольку в конвективных башнях присутствуют вертикальные потоки воздуха и вертикальный компонент завихренности.

Совместные российско-американские работы, основанные на идеях, подходах и результатах [3,5,10], были начаты в 2009 году. В 2010 году было впервые получено свидетельство существования в природе гидродинамической системы, обладающей ненулевой интегральной спиральностью [1]. Такая возможность реализуется в атмосфере Земли в условиях образования тропических циклонов. Это дало стимул к развертыванию работ по применению гипотезы о турбулентном вихревом динамо для диагностики и прогноза тропического циклогенеза [2,4,6,7].