Взаимодействие атмосферы и океана при ураганном ветре (лекция)

Одним из важнейших факторов, определяющих динамику тропических ураганов и полярных мезоциклонов над морем, является взаимодействие атмосферного пограничного слоя с океаном. Количественной характеристикой этого взаимодействия является коэффициент аэродинамического сопротивления морской поверхности. На основании проведенных в последнее время измерений скорости ветра и турбулентных потоков при полетах через тропические циклоны на малых высотах над уровнем моря, а также с падающих GPS-зондов было открыто явление снижения (или насыщения) коэффициента аэродинамического сопротивления при ураганном ветре (эффект кризиса сопротивления).
В лекции представлен обзор возможных механизмов снижения (насыщения) коэффициента сопротивления морской поверхности. В частности, обсуждается механизм, обусловленный влиянием брызг и струй, возникающих при отрыве ветром гребней волн. Также описаны механизмы, связанные с отрывом ветрового пограничного слоя от поверхности воды, а также механизмы, связанные с особенностями нелинейного взаимодействия волн и ветра при безотрывном обтекании поверхности воды. Детально обсуждается квазилинейная модель турбулентного ветрового потока над взволнованной водной поверхностью, которая позволяет объяснить насыщение аэродинамического сопротивления морской поверхности за счет снижения относительной эффективности взаимодействия ветра и волн при ураганных условиях. Приведено сопоставление теоретических выводов с данными натурных и лабораторных экспериментов.
Приводятся результаты расчетов эволюции полярного мезоциклона с использованием различных моделей сопротивления морской поверхности и обсуждаются их особенности.