بررسی تغییرات هلیسیتی و شار هلیسیتی در توفان استوایی گونو

نوع مقاله: مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 دانشگاه آزاد‌ اسلامی- واحد علوم و تحقیقات

2 موئسسه ژئوفیزیک- دانشگاه تهران

3 پژوهشکده هواشناسی و علوم جوی

چکیده

سامانه‌های دارای حرکات چرخشی شدید مانند توفان‌های حاره‌ای و شناخت عوامل تشدید و تضعیف کننده آنها دارای اهمیت فراوان است. به‌منظور بررسی ناپایداری‌های مربوط به جریانات پیچکی و چرخشی، از کمیٌتی به نام هلیسیتی استفاده می‌شود. به‌‌این‌‌ترتیب بررسی عوامل ایجاد و اتلاف هلیسیتی دارای اهمیت بسزایی است. محاسبه شار هلیسیتی، به‌خصوص شار پایین سوی هلیسیتی نیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این تحقیق روابط لازم برای محاسبه متغیرهای هلیسیتی و شار هلیسیتی معرفی می‌شود. سپس راستی‌‌آزمایی روابط به‌دست آمده با کاربست آنها در توفان گونو مورد بررسی و تحلیل قرار می‌گیرد. به این منظور هلیسیتی و شار آن با استفاده از داده‌های سامانه پیش‌بینی جهانی(Global Forecasting System) محاسبه شد. این داد‌ه‌ها‌ در راستاهای طول و عرض جغرافیایی دارای تفکیک یک درجه هستند که این دقت برای بررسی حاضر ناکافی بود، بنابراین در ابتدا با استفاده از روش‌های متداول درون‌یابی، متغیرهای موردِنیاز با تفکیک مناسب این بررسی محاسبه شد. سپس با استفاده از داده‌های بیشینه سرعت مماسی باد در قله لایه مرزی تلاطمی و جای‌گذاری آن در رابطه شار هلیسیتی، مقدار بیشینه شار هلیسیتی به‌دست آمد. بیشترین مقادیر شار هلیسیتی و هلیسیتی در این توفان در روز ششم ژوئن 2007 که در آن شدت توفان از سایر روزها بیشتر بود به‌دست آمد. مقادیر هلیسیتی و شار هلیسیتی در لایه مرزی تلاطمی به‌ترتیب در بازه 10975 - 1092.0 و 109197 - 1096  به‌دست آمد که این مقادیر هم‌‌مرتبه با هاریکن بونی (Bonnie) است.
 نتایج نشان می‌دهد که عامل شناوری دینامیکی که متفاوت از شناوری ترمودینامیکی کلاسیک است، باعث افزایش مقدار  هلیسیتی، و اصطکاک سطحی باعث کاهش آن می‌شود. همچنین این افزایش یا کاهش به‌ترتیب باعث افزایش یا کاهش ارتفاع سطحی که در آن بیشینه شار هلیسیتی اتفاق می‌افتد، می‌شود. بررسی‌‌ها روشن می‌سازند که بیشینه شار هلیسیتی در قله لایه مرزی وُشکسان متلاطم، رخ می‌دهد و این کمیت می‌تواند شاخصی برای مقایسه شدت پیچک‌‌های جوٌی باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A study of helicity and helicity flux in the Gonu tropical storm

نویسندگان [English]

  • Sakineh Khansalari 1
  • Majid Mazraeh Farahani 2
  • Majid Azadi 3
چکیده [English]

In the study of atmospheric phenomena, different types of parameters are generally considered. The type of parameter applied depends mostly on the scale and severity of the phenomena under consideration. Weather systems with fast rotating wind, such as tropical storms or tornadoes, are among the most destructive weather-related phenomenon. Study of these kinds of phenomena and recognition of the causes of their intensification or weakening are very important. Quantities that are measured in this type of system vary and the calculations yield different results and properties depending on the method used. There is a direct relationship between type of system and severity to the thermodynamic instability of the atmosphere in the region of the occurrence. It is typical to use certain parameters for studying atmospheric instabilities, such as vorticity, potential vorticity. However, these parameters are gauges for measuring the power of a system related to the value of the instability of a system suitable for a straight flow. To measure the energy of activity of system with a severely rotating flow it is suggested to use another quantity, that of helicity. Thus, surveying sources and sinks of helicity is highly important in dealing with vortices and hurricanes and rotating systems in general. Besides helicity, helicity flux is also a very valuable tool for studying rotating flows. The mathematical relationship between helicity and helicity-flux are presented in this study. Also, a new method of computing helicity flux is discussed and the values of helicity in two methods are compared.
In theory, the dissipation of helicity occurs in the boundary layer. In fact, the dissipation aspect of helicity involved in the frictional process in the boundary layer is much higher than the production of it in buoyancy process. Consequently, there is a separating surface in the boundary layer above the surface of which the production is higher than the loss by friction effect, and below it the friction is much higher than that produced by buoyancy. The helicity produced in the upper layer moves downward into the area wherein the turbulent viscose force of the surface is dissipated due to friction. Since the stationary condition of the vortex is used in calculating helicity,,  the downward flux of helicity is a highly accurate parameter of the stationary turbulent vortex.
This study calculates the downward helicity flux, sources and sinks of helicity of the hurricane Gonu. Data of hurricane Bonnie were utilized as both a comparison and reference for the study of hurricane Gonu. The results show that dynamical buoyancy is the main factor in producing helicity and surface friction and the main dissipating factor. Therefore, an increase in dynamical buoyancy or reduction in dissipative friction results in the regeneration or enhancement of a rotating system. Furthermore, the increase (or decrease) of the magnitude of helicity results in an increase (or decrease) in the height of the layer at which the maximum helicity flux occurs. It is suggested that the maximum helicity flux occurs at the top of viscous turbulence boundary layer.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Helicity
  • helicity flux
  • Boundary Layer
  • Buoyancy Force
  • friction force
  • vortices flow