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Fluid dynamics constrains affecting the intense atmospheric vortices
Vincoli fluidodinamici che portano alla formazione di intensi vortici atmosferici
Gladich, Ivan
2009-04-28
Abstract
Mesocicloni e tornado sono intensi vortici atmosferici, molto rilevanti nella
quotidiana
attività umana essendo associati a fenomeni atmosferici tra i più violenti.
Nello specifico, i mesocicloni sono associati ad intense precipitazioni mentre
durante un fenomeno tornadico la massima velocità orizzontale può
raggiungere i 120 m/s.
Sebbene alcuni schemi fenomenologici per la previsione di intensi vortici
verticali in atmosfera siano presenti (ad esempio gli schemi CAPE-SHEAR),
l'efficacia di tali schemi rimane molto limitata come rimane lacunosa una chiara
spiegazione della (termo)dinamica che porta alla formazione di tali vortici.
Questo lavoro di tesi si propone di fornire una migliore
comprensione
della formazione di questi fenomeni in atmosfera fornendo una base teorica
capace di
capire e valutare i limiti e le zone di validità dei comuni schemi di
previsione tornadica.
Dopo due capitoli, uno di introduzione ed uno di revisione della letteratura
oggi presente (capitolo 1 e capitolo 2), la tesi sviluppa, partendo dalle
equazioni fondamentali della fluidodinamica (Navier-Stokes), un set di
equazioni semplificato ma adatto a descrivere fenomeni atmosferici intensi
come i tornado e i mesocicloni (capitolo 3).
Sucessivamente i parametri di previsione CAPE and SHEAR sono introdotti in
tali
equazioni tramite integrazione verticale (capitolo 4).
Un evento tornadico è sempre caraterrizzato dalla formazione di uno spot di
vorticità molto intenso e localizzato nello spazio: questo ha suggerito
l'idea
di associare la tornadogenesis ad un problema di stabilità non lineare nello
spazio di Fourier (capitolo 5).
La ``nonlinear resonant wave interaction theory'' ha fornito la matematica di
base per lo studio di questo tipo di instabilità permettendo la costruzione di uno schema
predittivo dei fenomeni tornadici in cui compaiono CAPE e SHEAR (capitolo 6).
Il modello teorico proposto ci permette di affermare che
1) La tornadogenesis è associata solo a certi valori (bande) del diagramma
CAPE-SHEAR.
2) I schemi usuali CAPE e SHEAR devono essere corretti tenendo conto delle
caratteristiche del mesociclone in cui il tornado si forma: questo punto
spiegherebbe la debolezza dei comuni schemi di previsione SHEAR-CAPE.
3) Il modello teorico propone un vincolo ai valori di ``Bulk Richardson
number (BRN)'' adatti per la tornadogenesis; questo si ricollegherebbe prepotentemente a
lavori numerici precedenti in cui si \`e visto come il BRN regoli
l'evoluzione di una supercella a singola cella temporalesca od ad eventi di
tipo multicellula.
Quindi, questo lavoro propone un ruolo del BRN anche nella formazione di eventi
tornadici associati a mesocicloni.
I risultati sopra proposti sono confermati da una indagine statistica eseguita
sul database meteorologico degli eventi tornadici in Italia e negli USA.
La tesi presenta altre due parti a corollario e sviluppo della precedente
parte principale.
Uno studio numerico sulla efficacia delle moderne simulazioni di mesocicloni
è proposta nel capitolo 7; risulta chiara dal lavoro proposto come una delle maggiori
difficoltà sia una efficace descrizione della dissipazione e della evoluzione di
campi di velocità molto variabili nello spazio e nel tempo.
Questo problema è fondamentale nelle moderne simulazione atmosferiche a mesoscala nel
momento in cui si voglia raggiungere una risoluzione orizzontale inferiore ai
200m.
Nella ultima parte un approccio alla formazione di vortici intensi in
atmosfera in termini di massimizzazione del campo di helicità è proposta.
Questo tipo di approccio permette di vedere come la formazione di vortici
verticali sia dovuta ad un meccanismo di prevenzione della dissipazione
turbolenta di energia associata a moti a grande scala in energia associata a
moti a piccola scala caotici e turbolenti.
Questo spiegherebbe la presenza cos\`i frequente di vortici verticali in atmosfera.
Il principio di massimizzazione della helicità risulta essere generale e
applicabile anche alla studio della formazione di anti-mesocicloni e di eventi
tornadici (capitolo 8) e, in linea di principio, ad in qualsiasi sistema fluido.
Subjects
Insegnamento
Publisher
Università degli studi di Trieste
Languages
it