ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ КОГЕРЕНТНЫХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

Аннотация

Когерентные вихревые структуры (КВС) – устойчивые во времени вихри, которые оказывают существенное влияние на процессы переноса импульса, тепла и массы в любой жидкой среде, включая атмосферу и океан. В настоящий момент наиболее изученными в геофизике являются крупные вихри (циклоны), в то время как мезомасштабные и субмезомасштабные процессы в атмосфере и океане остаются в «серой зоне», особенно мало информации об их влиянии на климатическом масштабе. Для климатической оценки требуется умение автоматически выделять КВС в пространственных данных (например, в данных численного моделирования). Главное препятствие для развития этого направления – отсутствие строгого математического определения вихря. Некоторые разработки в этом направлении были проведены в области мелкомасштабной турбулентности, в которой разрабатывается ряд эйлеровых критериев вихревого состояния. Главным преимуществом этой методологии является способность идентифицировать вихревые движения любого масштаба и в любой сплошной среде, минимальный размер вихря определяется исключительно пространственным разрешением используемых данных. Данная работа посвящена исследованию применимости эйлеровых методов идентификации к значительно более крупномасштабным геофизическим данным. Для исследования были выбраны наиболее широко используемые локальные (эйлеровы) методы идентификации вихрей – Q, Δ, λ₂, λ_ci и Rortex критерии. Работа демонстрирует сравнение трех поколений методов идентификации вихря (МИВ), примененных на идеализированных двух- и трехмерных вихрях. Исследование показало, что Rortex-критерий является наиболее перспективным в случае идентификации атмосферных мезомасштабных процессов: он наиболее надежно определяет КВС, а также направление и ось ее вращения. Для разделения полученных данных на отдельные структуры использовался метод кластеризации DBSCAN, что дает возможность оценить геометрические свойства и различные статистики вихрей. Разработанный подход может быть использован для климатического анализа динамики мезомасштабных вихрей.