№ 1, 2019

Опасные атмосферные явления: новый физико-математический подход

Арсеньев С.A.¹, Эппельбаум Л.В.², Ермакова Н.Н.³

1 — Отделение планетарной геофизики и геодинамики Института Физики Земли им. О.Ю. Шмидта, Российская Академия Наук 123995, Россия, Москва, Большая Грузинская ул., 10: Arsy7@mail.ru

2 — Отделение Наук о Земле, Факультет точных наук им. Раймонда и Беверли Саклер, Тель-Авивский Университет 6997801, Израиль, Тель-Aвив, Рамат Авив: levap@post.tau.ac.il

3 — Отделение химии, Факультет точных наук им. Раймонда и Беверли Саклер, Тель-Авивский Университет 6997801, Израиль, Тель-Авив, Рамат Авив: ermakov@post.tau.ac.il

Резюме. В последнее время достигнут значительный прогресс в долгосрочном прогнозе таких опасных атмосферных явле-ний, как катастрофические и сильные торнадо (уровень EF3-EF5). Л. Эппельбаумом в 2013 году разработан нестохастический долговременный метод предсказания на основе использования метода долгосрочного прогнозирования с использованием теории распознавания образов и Фурье-анализа. Им выявлена тесная корреляция между общим количеством торнадо в год и пара-метрами гравитационной системы, продуцирующей приливные эффекты. Однако физический смысл этой связи оставался нераскрытым. В представленной работе предлагается новая физико-математическая модель, объясняющая процесс возникновения мощных торнадо. Модель включает два главных этапа. Вначале гравитационные силы и ураганные ветры в верхней тропосфере образуют нелинейные длинные волны в нижней тропосфере. Затем возникают штормовые ветры в верхней тропосфере (при проникновении холодных масс воздуха в теплых районах), связанные обычно с быстрыми синоптическими циклонами, несущими грозовую облачность и дожди. Возникающие гравитационные нелинейные волны устремляются со скоростью приливных волн V=(gH)½ вдоль инверсии субоблака. После этого гравитационные волны падают (и поглощаются) суперячейкойгрозы, которая уже сформировалась внутри холодного атмосферного фронта. В результате адаптации метеорологического поля давление внутри грозовой суперячейки уменьшается, вращение ветра усиливается, что порождает сильный торнадо. Различные примеры иллюстрируют применимость разработанного подхода, причем теоретические результаты хорошо согласуются с практическими наблюдениями. Предложенная новая физико-математическая методология может быть концептуально применена для анализа других явлений, происходящих в атмосфере Земли.

Ключевые слова: торнадо, длинные приливные гравитационные волны, гравитационная система Земля-Луна-Солнце, солитон, опасные атмосферные феномены

 

ЛИТЕРАТУРА

Alizadeh A.A., Guliyev I.S., Kadirov F.A., Eppelbaum L.V. Geo-sciences in Azerbaijan. V. II – Economic minerals and applied geophysics. Springer. Heidelberg – N.Y., 2017, 340 p.

Arsen’yev S.A. Dynamics of shelf water. Moscow State University. Moscow, 1989, 96 p. (in Russian).

Arsen’yev S.A. Irregular Earth’s rotation and dynamics of the gas-liquid geospheres. Doklady of the Russian Academy of Sciences, V. 343, № 2, 1995, pp. 251-254.

Arsen’yev S.A. About origin of the synoptic variability in ocean. Moscow University Physics Bulletin, V. 39, № 6 (Alerton Press, Inc., USA), 1998, pp. 40-44.

Arsen’yev S.A. Mathematical modeling of tornadoes and squall storms. Geosciences Frontiers, V. 2, № 2, 2011, pp. 215-221.

Arsen’yev S.A., Nikolaevskiy V.N., Shelkovnikov N.K. Eddy instability and initiation of tornado. Moscow University Physics Bulletin, V. 41, № 1 (Alerton Press, Inc., USA), 2000, p. 50-54.

Arsen’yev S.A., Nikolaevskiy V.N. Modelling of tornadoes by turbulence theory with Eddy Angular Momentum. Trans. of the SIAM Conference on Mathematical and Computational Sciences. Issue in the Geosci. Boulder, CO USA, 2001, p. 13.

Arsen’yev S.A., Gubar A.Yu., Nikolaevskiy V.N. Self-organization of tornado and hurricanes in atmospheric cur-rents with mesoscale eddies. Doklady of the Russian Academy of Sciences, V. 396, № 4, 2004, pp. 588-593.

Arsen’yev S.A., Babkin V.A., Gubar A.Yu., Nikolaevskiy V.N. Theory of mesoscale turbulence. Eddies of atmosphere and ocean. Inst. of Computer Sciences, Regular and Chaotic Dynamics. Moscow-Izhevsk, 2010, pp. 365-371 (in Russian).

Bluestein H.B. A history of severe-storm-intercept field programs. Weather and Forecasting, V. 14, 1999, pp. 558-577.

Belyakov A.S., Lavrov A.S., Nikolaev A.V. Seismoacoustic emission, earthquakes, and Lunar-Solar tides. Doklady Earth Sciences (Springer), V. 420, № 4, 2008, pp. 670-671.

Burgess D.W., Magsig M.A., Wurman J., Dowell D.C., Richardson Y. Radar observations of the 3 May 1999 Oklahoma City Tornado. Weather and Forecasting, V. 17, 2002, pp. 456-471.

Chizevsky A.L. The Earth echo of the Sun’s storms. Mysl’ Publ. Moscow, 1976, 367 p. (in Russian).
De Jager C. Structure and dynamics of the solar atmosphere. Springer-Verlag. Berlin- Gottingen-Heidelberg, 1959, 362 p.

Doswell C.A., Burgess D.W. Tornadoes and tornadic storms: A review of conceptual models. In: The Tornado: Its Structure, Dynamics, Prediction, and Hazards. Geophys. Monogr. V. 79, Amer. Geophys. Union, 1993, pp. 161-172.

Dikiy L.A. The theory of oscillations of the Earth’s atmosphere. Gidrometeoizdat. Leningrad, 1969, 196 p. (in Russian).

Drton M., Marzban C., Guttorp P., Schaefer J.T. A Markov chain model of tornadic activity. American Meteorological Society, V. 131, № 12, 2003, pp. 2941-2953.

Eppelbaum L.V. Non-stochastic long-term prediction model for US tornado level. Natural Hazards, V. 69, 2013, pp. 2269-2278.

Eppelbaum L.V. Potential geophysical fields: geological and environmental applications. Elsevier. Amsterdam, 2019, 551 p.

Eppelbaum L., Isakov A. Implementation of the geo-correlation methodology for predictability of catastrophic weather events: long-term US tornado season and short-term hurricanes. Environmental Earth Sciences, V. 74, 2015, pp. 3371-3383.

Eppelbaum L.V., Kardashov V.R. Analysis of strongly nonlinear processes in geophysics. In: Proceed. of the Chapman Conference on Exploration Geodynamics. Moresi, L. and Müller, D. (eds.). Dunsborough, Western Australia, 2001, pp. 43-44.

Gadirov V.G. Natural alterations in oil output. Facts and hypotheses. Geophysics: News in Azerbaijan, № 3, 2001, pp. 21-24 (in Azerbaijani).

Garner J.M. Environments of significant tornadoes occurring within the warm sector versus those occurring along surface baroclinic boundaries. Electronic Jour. of Severe Storms Meteor., V. 7, № 5, 2012, pp. 1-28.

Gill A.E. Atmosphere-ocean dynamics. Academic Press. N.Y. – London, 1982, 644 p.

Gray L.J., Beer J., Geller M., Haigh J.D., Lockwood M., Matthes K., Cubasch U., Fleitmann D., Harrison G., Hood L., Luterbacher J., Meehl G.A., Shindell D., van Geel B., White W. Solar influences on climate. Review of Geophysics, V. 50, 2012, pp. 1-53. RG1006, DOI: 10.1029/ 2011RG000387.

Hirth B.D., Schroeder J.L., Weiss C.C. Surface analysis of the rear-flank downdraft outflow in two tornadic supercells. Monthly Weather Review, V. 136, 2008, pp. 2344-2363.

Huang Z., Fan X., Cai L., Shi S.Q. Tornado hazard for structural engineering. Natural Hazards, V. 83, 2016, pp. 1821-1842.

Kardashov V.R., Eppelbaum L.V. Mathematical models of strongly nonlinear geophysical phenomena. Trans. of the 5th Europ. Conf. of Mathematicians. Amsterdam, The Netherlands, 2008, 2 p.

Kardashov V.R., Eppelbaum L.V., Vasilyev O.V. The role of nonlinear source terms in geophysics. Geophysical Research Letters, V. 27, № 14, 2000, pp. 2069-2073.

Khrgian A.H. Physics of atmosphere. Gidrometeoizdat. Leningrad, 1978, 532 p. (in Russian).

Khromov S.P., Mamontova L.N. Meteorological dictionary. Gidrometeoizdat. Leningrad, 1974, 567 p. (in Russian).

Kotelnikov V.A. On the carrying capacity of the ether and wire in telecommunications. Trans. of the First All-Union Conf. on Problems of Communic. Izd. Upr. Svyazi RKKA. Moscow, 1933 (in Russian).

Laing A. Mesoscale convective systems. In: Encyclopedia of Atmospheric Sciences. North G.R., Pyle J.A., Zhang F., (eds.). Elsevier. The Netherlands, 2nd Edition, 2015, pp. 339-354.

Lamb H. Hydrodynamics. Dover. USA, 1945, 760 p.

Landscheidt T. The cosmic function of the golden section. In: HSG: Sterne, Mond und Kometen. Bremen und die Astronomie. Richter, P.H., (ed.) Verlag H.M. Hauschild, Bremen, 1995, pp. 240-276 (in German).

Landscheidt T. Solar activity of EL Nino and LA Nina. 2013. http://www.john-daly.com/sun-enso/sun-enso.htm.

Lorenz E.N. The interaction between a mean flow and random disturbances. Tellus, V. 21, № 3, 1953, pp. 289-307.

Markowski P., Richardson Y. What we know and don’t know about tornado formation. Physics Today, V. 67, № 9, 2014, pp. 25-31.

Marshall T.P. Tornado damage survey at Moore, Oklahoma. Weather Forecasting, V. 17, 2002, pp. 582-598.

Monastersky R. Oklahoma tornado sets wind records. Science News, V. 155, № 2, 1999, pp. 308-309.

Nalivkin D.V. Hurricanes, storms and tornadoes. Nauka. Leningrad, 1969, 487 p. (in Russian).

Naylor J., Gilmore M.S. Environmental factors influential to the duration and intensity of tornadoes in simulated supercells. Geophysical Research Letters, V. 39, 2012, pp. 1-5. L17802. DOI: 10.1029/2012GL053041.

Nikolaevskiy V.N. Angular momentum in geophysical turbulence: continuum. Spatial averaging method. Kluwer (Springer). Dordrecht, 2003, 244 p.

Nyquist H. Certain topics in telegraph transmission theory. Trans. AIEE, V. 47, 1928, pp. 617-644.

Paulikas M.J., Schmidlin T.W. US tornado fatalities in motor vehicles (1991-2015). Natural Hazards, V. 87, 2017, pp. 121-143.

Pedlosky J. Geophysical fluid dynamics. Springer-Verlag. N.Y. Heidelberg – Berlin, 1992, 710 p.

Riguzzi F., Panza G., Varga P., Doglioni K. Can Earth’s rotation and tidal despinning drive plate tectonics? Tectonophysics, V. 484, 2010, pp. 60-73.

Saffmen P.G. Dynamics of eddies. Nauchny mir. Moscow, 2000, 376 p. (in Russian).

Scafetta N., West B.J. Is climate sensitive to solar variability? Physics Today, March 2008, pp. 50-51.

Sidorenkov N.S. Atmospheric processes and the Earth’s evolution. Gidrometeoizdat. St. Petersburg, 2002, 365 p. (in Russian).

Snow J.T. The tornado. Scientific American, V. 250, 1984, pp. 86-97.

Smith B., Katz R.W. US billion-dollar weather and climate disasters: data sources, trends, accuracy and biases. Natural Hazards, V. 67, 2013, pp. 387-410.

Tanaka S., Ontake M. and Sato H. Tidal triggering of earthquakes in Japan related to the regional tectonic stress. Earth, Planet, Space, V. 56, 2004, pp. 511-515.

Vasil’yev O.F. Mechanics of the spiral and circulatory flows. A foundation. Gostechizdat. Moscow- Leningrad, 1958, 145 p. (in Russian).

Winn W.P., Hunyady S.J., Aulich G.D. Pressure at the ground in a large tornado. Jour. of Geophysical Research, V. 104 (D18), 1999, pp. 22067-22082.

Wurman J., Dowell D., Richardson Y., Markowski P., Ramussen E., Burgess D., Wicker L., Bluestein H.B. The second verification of the origins of rotation in tornadoes experiment Vortex2. Bull. of the American Meteorological Society, V. 8, 2012, pp. 1147-1170.

Wurman J., Gill S. Fine scale radar observation of the Dimmit, Texas (2 June 1995) Tornado. Monthly Weather Review, V. 128, № 7, 2000, pp. 2135-2164.

 

Скачать статью

DOI:10.33677/ggianas20190100022

АРХИВ ЖУРНАЛА

Crossref Member Badge Crossref logo