Воссоздание турбулентности ветров ураганов при выходе на сушу

Когда ураган Милтон обрушился на Флориду в прошлом месяце, его мощные ветра сорвали крышу стадиона «Тропикана-филд» в Тампе, который изначально планировалось использовать как пункт для аварийных служб. Однако другие части города пострадали от гораздо более слабых ветровых повреждений.

Такое сложное распределение силы ветра — характерная черта циклонов, выходящих на сушу. Хотя над открытыми водами Мексиканского залива у Милтона были устойчивые ветра со скоростью 120 миль в час, его ветровые потоки разрушались над сушей, когда шторм сталкивался со зданиями, деревьями и другими особенностями поверхности. Эта турбулентность означает, что определенные районы города могут принять на себя основную силу разрушительных порывов урагана.

Для метеорологов хаотичные ветра поднимают критически важный вопрос: можно ли предсказать силу и местоположение порывов и завихрений, чтобы помочь прибрежным сообществам лучше подготовиться к их сильно различающимся последствиям? Как отметил Кристофер Розофф из Национального центра атмосферных исследований США (NSF NCAR), хотя прогнозирование траектории, интенсивности и ветровых полей тропических циклонов над океаном значительно улучшилось, область ветрового поля над сушей остается сложной задачей и активно исследуется.

Розофф и его коллеги уже несколько лет используют компьютерное моделирование сверхвысокого разрешения для симуляции ветров урагана над идеализированной городской средой. В статье, опубликованной в прошлом году в Journal of Applied Meteorology and Climatology, они показали, как здания генерируют сложные ветровые паттерны, усиливая ветер в городских каньонах между строениями и ослабляя его ниже по потоку.

По мере того как такие симуляции становятся более реалистичными, они могут помочь аварийным службам предсказать, где выходящий на сушу ураган нанесет наибольший ущерб, а градостроителям — проектировать более устойчивые сообщества.

Воссоздание ветра с интервалом в 8 футов

Чтобы получить более полную картину турбулентных ветровых полей урагана, ученые использовали компьютерную модель Cloud Model 1, симулирующую атмосферу с чрезвычайно высоким разрешением — 2,5 метра (около 8 футов). Для сравнения, даже передовая модель прогнозирования ураганов имеет разрешение 1 километр.

Симуляции на упрощенном массиве идентичных зданий выявили сложные модели воздушных потоков. Ключевым открытием стало то, что расстояние между зданиями существенно влияет на ветер. Хотя завихрения заполняют каньоны между близко расположенными зданиями, поток становится гораздо сложнее и иногда сильнее, когда здания расположены дальше друг от друга.

Для детального воссоздания ветра ученые применили технику моделирования крупных вихрей, которая широко используется для исследования турбулентности. Это моделирование стало важным шагом вперед по сравнению с предыдущими исследованиями, которые оценивали движение ветра, а не разрешали его явно.

В дальнейшем Розофф и его коллеги планируют использовать эти симуляции для обучения моделей машинного обучения. Цель — получить более полную картину того, как ветра над океаном меняются при выходе на сушу и взаимодействии со зданиями, деревьями и рельефом, что даст жизненно важную информацию для сообществ, находящихся в зоне риска.