Сезон торнадо быстро приближается или уже начался в уязвимых штатах по всей территории США, новые суперкомпьютерные симуляции дают метеорологам беспрецедентное понимание структуры чудовищных гроз и торнадо. В одной из таких недавних симуляций воссоздана гроза суперячейки, порождающая торнадо, которая в 2011 году оставила после себя путь разрушения над Центральными Великими равнинами.
За этим моделированием стоит Ли Орф, ученый из Совместного института метеорологических спутниковых исследований (CIMSS) Университета Висконсин-Мэдисон. Он возглавляет группу исследователей, которые используют компьютерные модели для выявления движущихся частей внутри торнадо и суперячеек, которые их производят. Команда приобрела опыт создания всесторонних визуализаций суперячеек и понимания того, как они формируются и в конечном итоге порождают торнадо.
Работа особенно актуальна, поскольку США лидируют в мировом подсчете торнадо, совершая более 1200 приземлений ежегодно, по данным Национального управления океанических и атмосферных исследований.
В мае 2011 года несколько торнадо приземлились над ландшафтом Оклахомы в течение короткого четырехдневного скопления штормов. Одна за другой суперячейки порождали воронкообразные облака, которые причиняли значительный материальный ущерб и гибель людей. В частности, 24 мая один торнадо - «Эль-Рино» - был зарегистрирован как EF-5, самая сильная категория торнадо по расширенной шкале Fujita. Он оставался на земле почти два часа и оставил после себя путь разрушения длиной 63 мили.
Последняя симуляция Орфа воссоздает торнадо в Эль-Рино, показывая в высоком разрешении многочисленные «мини-торнадо», которые образуются в начале основного торнадо. По мере развития воронкообразного облака они начинают сливаться, добавляя силы торнадо и усиливая скорость ветра. В конце концов формируются новые структуры, в том числе то, что Орф называет потоком продольной завихренности (SVC).
«SVC состоит из охлажденного дождем воздуха, который всасывается в восходящий поток, приводящий в движение всю систему», - говорит Орф. «Считается, что это ключевой момент в поддержании необычайно сильного шторма, но, что интересно, SVC никогда не вступает в контакт с торнадо. Скорее, он течет вверх и вокруг него».
Используя данные реальных наблюдений, исследовательская группа смогла воссоздать погодные условия, существовавшие во время шторма, и стать свидетелями шагов, приведших к возникновению торнадо. Архивные данные, взятые из краткосрочного оперативного модельного прогноза, представляли собой атмосферное зондирование, вертикальный профиль температуры, атмосферного давления, скорости ветра и влажности. При правильном сочетании эти параметры могут создать условия, подходящие для образования торнадо, известного как торнадогенез.
По словам Орфа, для создания торнадо требуется пара «неоспоримых» составляющих, в том числе обильная влажность, нестабильность и сдвиг ветра в атмосфере, а также триггер, который перемещает воздух вверх, например, разница температур или влажности.. Однако само по себе наличие этих частей в совокупности не означает, что смерч неизбежен.
«В природе штормы нередко имеют то, что мы понимаем как все необходимые ингредиенты для торнадогенеза, а затем ничего не происходит», - говорит Орф. «Охотники за штормами, которые отслеживают торнадо, знакомы с непредсказуемостью природы, и наши модели показали, что они ведут себя точно так же».
Орф объясняет, что в отличие от типичной компьютерной программы, где код пишется для получения согласованных результатов, моделированию на этом уровне сложности присуща изменчивость, и в некотором смысле он находит это обнадеживающим, поскольку реальная атмосфера также демонстрирует эту изменчивость..
Успешное моделирование может быть ограничено качеством входных данных и вычислительной мощностью компьютеров. Для достижения более высокого уровня точности моделей получение данных об атмосферных условиях непосредственно перед формированием торнадо является идеальным, но это остается сложной и потенциально опасной задачей. Из-за сложности этих штормов в атмосфере могут быть тонкие (и в настоящее время неизвестные) факторы, которые влияют на то, образует ли суперячейка торнадо или нет.
Цифровое разрешение симуляции торнадо до такой степени, что детали достаточно точные, чтобы получить ценную информацию, требует огромной вычислительной мощности. К счастью, Орф заработал доступ к высокопроизводительному суперкомпьютеру, специально разработанному для решения сложных вычислительных задач: суперкомпьютер Blue Waters в Национальном центре суперкомпьютерных приложений Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн
В общей сложности их моделирование EF-5 заняло более трех дней работы. Напротив, обычному настольному компьютеру потребуются десятилетия, чтобы выполнить этот тип обработки.
Заглядывая вперед, Орф работает над следующим этапом этого исследования и продолжает делиться результатами группы с учеными и метеорологами по всей стране. В январе 2017 года исследование группы было показано на обложке Бюллетеня Американского метеорологического общества.
«Мы завершили моделирование EF-5, но не планируем останавливаться на достигнутом», - говорит Орф. «Мы собираемся продолжать совершенствовать модель и продолжать анализировать результаты, чтобы лучше понять эти опасные и мощные системы».