4.3.2 Внетропические циклоны

В тропосфере умеренных широт преобладают западные воздушные потоки –западный перенос. Западный перенос умеренных широт неустойчив, в нем постоянно возникают волнообразные движения. Воздушные массы и разделяющие их фронты не остаются неподвижными: различия в их температуре являются причиной возникновения барических градиентов, под действием которых воздушные массы и перемещаются.

При определенных контрастах температур и разности скоростей ветра по обе стороны от фронта на нем возникают неустойчивые фронтальные волны, амплитуда которых растет со временем. Такие неустойчивые волны дают начало циклонам и антициклонам. Основной особенностью атмосферной циркуляции внетропических широт является постоянное возникновение, перемещение, а затем разрушение крупномасштабных возмущений – циклонов и антициклонов, называемое циклонической деятельностью.

В течение года во внетропических широтах каждого полушария возникают сотни циклонов весьма значительных размеров. Циклон – это огромный атмосферный вихрь, в центре которого располагается область пониженного давления. Хорошо развитый циклон может иметь в поперечнике 2 – 3 тыс. км. Это значит, что он может определять режим погоды на огромной территории.

1. Атмосферные возмущения внетропических широт, каковыми являются циклоны и антициклоны, возникают преимущественно на главных фронтах тропосферы, т. е. на фронтах между умеренным и тропическим воздухом или между арктическим и умеренным воздухом. Лишь незначительная часть циклонов и антициклонов, притом слаборазвитых и малоподвижных, возникает под непосредственным тепловым влиянием подстилающей поверхности, как, например, циклоны летом над пустынями Средней Азии. В большинстве случаев влияние подстилающей поверхности служит лишь дополнительным фактором при раз­витии атмосферных возмущений, само же их возникновение связано с наличием в тропосфере главных фронтов.

Процесс зарождения циклонов можно рассматривать как возникновение на поверхности главного фронта огромных волн, с длинами порядка 1000 км и более. В возникновении таких волн играют роль как скачок температуры и ветра на фронте, так и отклоняющее действие вращения Земли на воз­душные течения. Воздушные частицы по обе стороны фронта испытывают колебательное движение, распространяющееся вдоль фронта в виде волны. На главном фронте протяжением в несколько тысяч километров возникает обычно несколько волн, перемещающихся по фронту чаще всего с запада на вос­ток. При этом и сама поверхность фронта, и линия фронта у земной поверхности испытывают волнообразные деформации. На одних участках — в гребнях волн — фронт продвигается к низким широтам, на других — в долинах фронтальных волн - к высоким широтам. Воздушные течения вдоль фронта теряют зональный характер — возникают языки холодного и теплого воздуха.

2. В долинах фронтальных волн развивается циклоническое движение, и давление падает — образуются циклоны. Центр каждого циклона лежит на фронте, который, таким образом, проходит через внутреннюю часть циклона. В передней части циклона фронт двигается к высоким широтам и имеет здесь характер теплого фронта. В тыловой части циклона фронт двигается к низким широтам и является холодным. Оба фронта являются участками единого главного фронта. Каждому фронту соответствует своя система облаков и осадков.

Фронты в циклоне обостряются вследствие существующей там сходимости воздушных течений. Язык теплого воздуха в циклоне между теплым и холодным фронтами называется теплым сектором циклона. Для него характерны самые высокие температуры у земной поверхности. Циклон в этой стадии развития называется молодым циклоном (Рис.4.4). Молодой циклон заметно выражен лишь в нижней части тропосферы

С течением времени давление в его центре падает. При последующем развитии циклон становится высоким, т. е. замкнутые изобары обнаруживаются в нем и в верхней половине тропосферы. При этом холодный фронт в области циклона постепенно нагоняет медленнее перемещающийся теплый фронт и, наконец, смыкается с ним. Происходит так называемая окклюзия циклона. В окклюдированном циклоне теплого сектора у земной поверхности уже нет — теплый воздух оттеснен холодным воздухом в верхнюю часть тропосферы, где он охлаждается путем излучения. При этом температура воздуха в циклоне понижается, а температурный контраст между передней и тыловой частью более или менее сглаживается: высокий циклон является в общем холодной областью тропосферы.

3. Давление в центре циклона (глубина циклона) в начале его развития ненамного отличается от среднего и составляет 1000—1010 гПа. Многие циклоны и не углубляются более чем до 1000—990 гПа. Сравнительно редко глубина циклона достигает 970 гПа. Вместе с углублением циклона растут и занимаемая им площадь, и барические градиенты, и скорости ветра в нем. Ветры в глубоких циклонах сильные, иногда достигают ш тормовых скоростей на больших территориях.

Эволюция циклона продолжается несколько суток. В первой половине своего существования циклон углубляется, во второй — заполняется и, наконец, исчезает вовсе (затухает). Сам циклон обычно перемещается в восточном направлении. Под перемещением циклона подразумевается перемещение его как целого, независимо от дующих в нем ветров, которые в разных частях циклона имеют разные скорости и направления.

Циклоны перемещаются в направлении общего переноса воздуха в средней и верхней тропосфере — в направлении ве­дущего потока. Такой перенос чаще всего происходит с запада на восток, поэтому и циклоны чаще всего перемещаются в восточном направлении.

Большинство циклонов развивается на полярных фронтах. При этом в теплом секторе молодого циклона будет тропический воздух, а остальная часть циклона будет занята умеренным воздухом. Сходным образом развиваются циклоны и на арктических фронтах, в них теплый сектор образован уже умеренным воздухом.

4. Погода в циклоне. Хотя скорости циклонов и невелики, но за несколько суток своего существования он может переместиться на значительное расстояние, порядка нескольких тысяч километров. В циклоне, где градиенты давления направлены от периферии к центру, вследствие действия сил трения в приземном слое ветер будет иметь составляющую, направленную к центру. Она присоединяется к составляющей, направленной по изобарам против часовой стрелки. Поэтому в нижних слоях циклона ветер будет дуть против часовой стрелки, оттекая от периферии к центру.

При прохождении циклона усиливается ветер и меняется его направление. Если циклон проходит через данное место своей южной периферией, ветер меняется с южного на юго-западный и северо-западный. Если циклон проходит своей северной периферией, ветер меняется с юго-восточного на восточный, северо-восточный и северный. Таким образом, в передней (восточной) части циклона наблюдаются ветры с южной составляющей, в тыловой (западной) части — с северной составляющей. С этим связаны и колебания температуры при прохождении циклона.

Циклонические области характеризуются увеличенной облачностью и осадками. В передней части циклона наблюдаются восходящие движения воздуха. Обложные осадки, выпадающие из облаков теплого фронта или фронта окклюзии, ухудшают видимость нижняя кромка облаков понижается к центру циклона. Образуются фронтальные туманы, в переходные периоды года выпадают переохлажденные осадки. Преобладают ветры юго-восточного и восточного направления. Полеты в передней части циклона на всех эшелонах ниже 6-8 км, как правило, происходят в облаках с обледенением. В летний период в этой части циклона возникают замаскированные очаги кучево-дождевой облачности.

В тыловой части циклона погода определяется свойствами холодной неустойчивой воздушной массы — осадки ливневые из кучево-дождевых облаков, свойственные холодному фронту, но главным образом холодным воздушным массам, поступающим в тыл циклона. Ветер сильный, порывистый северного, северо-западного направления. Полет в этой части циклона сопровождается болтанкой.

В южной части циклона, его теплом секторе, занятом теплой устойчивой воздушной массой, иногда наблюдаются моросящие осадки. В холодное полугодие наблюдается сплошная низкая облачность (Sc, St) с моросящими осадками и адвективными туманами. Эта погода наблюдается в слое 500 – 1500 м, выше ясно, безоблачно.

Приближение циклона часто можно заметить по падению давления и по первым облакам, появляющимся на западной стороне горизонта. Это фронтальные перистые облака, движущиеся параллельными полосами. Вследствие перспективы эти полосы кажутся расходящимися от горизонта. За ними идут перисто-слоистые облака, затем более плотные высокослоистые и, наконец, слоисто-дождевые с сопровождающими их разорванно-дождевыми. В тылу циклона давление растет, а кучевые и кучево-дождевые облака часто сменяются прояснениями.