5.6. Циклоны и антициклоны

Циклоны – огромные вихри в приземной атмосфере, до 1000 и более километров в поперечнике (обычно более 100 км). На приземной синоптической карте циклоны обрисовываются замкнутыми концентрическими изобарами округлой или овальной формы (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема циклона в Северном полушарии: линии – приземные изобары, стрелки – направление ветра. Н – центр циклона

В циклонах самое низкое давление находится в центре вихря, а на периферии давление повышенное. Чем больше разница давления между центром и периферией, тем циклон более глубокий.

В циклоне сила барического градиента направлена от периферии к центру (от высокого давления к низкому). Но под влиянием силы Кориолиса в северном полушарии ветер поворачивает вправо, закручиваясь против часовой стрелки (рис. 5.23).

В зависимости от вертикальной протяжённости циклонов их подразделяют на несколько видов, одним из которых является высотный циклон. Такой циклон хорошо выражен на высотных синоптических картах в средней и верхней тропосфере, но обычно отсутствует на приземной карте. Как показано выше, изобарические поверхности циклона представляет собой объёмную воронку, которая не обязательно располагается строго вертикально. Существует такое понятие, как ось барической системы. Высотная ось циклона – это линия, соединяющая приземный центр с центрами этого же циклона на различных высотах. Высотная ось обычно наклонена под очень малым углом к горизонту, в случае с циклоном она наклонена в сторону очага холода. У земли под высотным циклоном обычно располагается область с малыми барическими градиентами, чаще всего повышенного давления, иногда хорошо выраженный гребень или антициклон, а в тропосфере он совпадает с областью холодного воздуха.

Рис. 5.24. Циклоны и фронты на территории России и стран СНГ (карта изобар, приведенных к уровню моря)

Вследствие больших поперечных размеров циклона, с севера в него «всасывается» холодный воздух, а с юга теплый. Области с тёплым и холодным воздухом образуют в циклоне соответственно тёплый и холодный сектора, границы между которыми, как упомянуто выше, являются атмосферными фронтами (см. рис. 5.4, a). Это полосы, в пределах которых теплый воздух постепенно замещается холодным, или наоборот. Весь циклон и принадлежащие ему фронты перемещаются с той или иной скоростью в направлении ведущего атмосферного потока.

Если в сторону наблюдателя движется теплый сектор циклона, а наблюдатель в исходный момент находится в холодном секторе, то это означает, что приближается теплый фронт (см. рис. 5.4, б). В холодном секторе циклона давление выше, в теплом секторе ниже, следовательно, при приближении теплого фронта давление будет падать. В районе теплого фронта, где соприкасаются теплый и холодный воздух, теплый воздух поднимается по клину холодного, охлаждается, начинается конденсация, следовательно, образуются облака и выпадают обложные осадки. Над фронтальными поверхностями, как правило, образуются обширные облачные системы, в несколько сотен км шириной, в которых облачность меняется от тонких и высоких перистых облаков в передней части, до мощных слоисто-дождевых облаков с обложными осадками непосредственно перед линией фронта.

Если к наблюдателю приближается холодный сектор (рис. 5.24), расположенный в тыловой части циклона, то в этом случае атмосферный фронт принимает характер холодного фронта с продвижением холодного клина вперёд и с вытеснением тёплого воздуха перед ним в высокие слои. Облачная система холодного фронта не так широка, как тёплого, и для неё характерно преобладание кучево-дождевых облаков, дающих ливневые осадки. Перед холодным фронтом нередко возникают шквалы и грозы.

При прохождении фронтов резко усиливается ветер. Это способствует перемешиванию промышленных выбросов предприятий и автотранспорта с чистым воздухом, в результате чего в городах снижается концентрации загрязнений в атмосферном воздухе.

У Земли в центре циклона давление низкое. По этой причине приземный воздух перемещается к центру циклона, а в его центральной части преобладают восходящие потоки воздуха. Следовательно, в центральной части циклона загрязненные выбросы газов и аэрозолей из различных источников (трубы предприятий, автотранспорт и др.) поднимаются в верхние слои атмосферы, что также способствует очистке приземного воздуха от загрязнений и улучшению экологической обстановки в городах и промышленных районах.

Тропические циклоны (ураганы, тайфуны) – это общее название для циклонов, которые формируются в теплых водах над океанами в тропиках (рис. 5.25). Это огромный атмосферный вихрь диаметром от 100 до 1600 км, сопровождающийся сильными разрушительными ветрами, ливневыми дождями и высокими нагонами (повышением уровня моря под воздействием ветра).

Зародившиеся тропические циклоны (тропики – это параллели, отстоящие от экватора на 23°27' к северу – Северный тропик, или тропик Рака, и к югу – Южный тропик, или тропик Козерога), обычно движутся на запад, несколько отклоняясь к северу, с возрастающей скоростью перемещения и увеличиваясь в размерах. После движения в направлении полюса тропический циклон может «развернуться», влиться в западный перенос умеренных широт и начать двигаться на восток (однако такая смена направления движения происходит не всегда).

Вращающиеся против часовой стрелки циклонические ветры Северного полушария имеют максимальную силу в поясе диаметром 30–45 км и более, начинающемся от «глаза бури». Скорость ветра вблизи земной поверхности может достигать 240 км/ч. В центре тропического циклона обычно находится свободный от облаков участок диаметром от 8 до 30 км, который и называется «глазом бури», так как небо здесь часто бывает ясным (или малооблачным), а ветер обычно очень слабый. И, что зона разрушительных ветров на пути движения тайфуна имеет ширину 40–800 км. Развиваясь и перемещаясь, циклоны преодолевают расстояния в несколько тысяч километров, например, от очага формирования в Карибском море или в тропической Атлантике до внутриматериковых районов или Северной Атлантики.

Тропические циклоны возникают в разных районах мира (за исключением холодных вод Южной Атлантики и юго-восточной части Тихого океана). Они обычно вторгаются в восточные и приэкваториальные районы материков. Ураганные ветры в тропических циклонах могут причинить большой ущерб. Они способны валить деревья, опрокидывать дома, обрывать линии электропередачи и даже пускать под откос поезда. Но к самым большим человеческим жертвам приводят наводнения, связанные с ураганами. Они вызывают огромные волны, выбрасывающие на берег небольшие суда. Уровень моря может за несколько минут подняться более чем на 2 м. Гигантские волны разрушают дома, дороги, мосты, расположенные на берегу. Ураганы обычно сопровождается проливными дождями, которые заливают поля и портят посевы, размывают дороги и сносят мосты, затопляют населенные пункты.

Струйные течения. Во время Второй мировой войны пилоты сделали открытие, которое имело большое значение для метеорологии. Самолеты, летевшие на запад, попадали в очень сильное воздушное течение, направленное с запада на восток и тормозившее их   движение. Исследования областей очень сильных ветров в верхней тропосфере показали, что во фронтальной зоне между холодным и теплым воздухом, где горизонтальный градиент температуры увеличивается, барический градиент осо­бенно сильно растет с высотой (см. раздел: Изменение барического градиента с высотой). Следовательно, скорость ветра достигает очень больших величин. В случае резко выраженного фронта, над ним, вблизи тропопаузы, наблюдается параллельное фронту мощное воздушное течение, в несколько сотен километров шириной, со скоростями 150-300 км/час. Вертикальная протяженность его около 2 км. Это и есть струйное течение. Струйные течения представляют собой сильно турбулизированные движения воздуха, характеризующиеся увеличением скорости в направлении к оси течения. Выше, в зоне ослабления горизонтального температурного градиента, барический градиент падает и скорость ветра ослабевает.

В случае арктического фронта струйные течения обнаруживаются на более низких уровнях. Иногда струйные течения наблюдаются и в стра­тосфере. Главные фронты тропосферы (полярные и арктические) проходят обычно по широте, причем холодный воздух располагается в более высоких широтах. Поэтому связанные с этими фронтами струйные течения чаще всего направлены с запада на восток. При отклонении главного фронта от широтного направления, отклоняется и струйное течение.

Струйное течение влияет на скорость полета самолетов. В его зоне может развиваться сильная турбулентность. Поэтому прогноз струйных течений по трассе полета необходим для авиации.

Антициклон – область в атмосфере, характеризующаяся повышенным давлением воздуха. На картах распределения давления антициклон представляется концентрическими замкнутыми изобарами (линиями равного давления) неправильной, приблизительно овальной формы. Наивысшее давление (до 1025–1070 мб) – в центре антициклона, оно убывает к периферии. Продолжительность существования отдельного антициклона – несколько суток, а иногда и недель.

Как и циклоны, антициклоны обычно перемещаются в направлении общего переноса воздуха в тропосфере. Средняя скорость перемещения антициклона около 30 км/ч в Северном полушарии, и около 40 км/ч – в Южном, но нередко антициклон надолго принимает малоподвижное состояние. Ветер в антициклоне дует в Северном полушарии по часовой стрелке, а в Южном – против, образуя тем самым гигантский вихрь (рис.5.26). Размер антициклона в поперечнике может достигать порядка тысяч км.

В антициклоне, в его центральной части, в отличие от циклона, преобладает нисходящее движение воздуха, что способствует накоплению загрязнённого воздуха в приземном слое. При оседании воздух адиабатически нагревается и удаляется от состояния насыщения. Поэтому температура тропосферы в антициклоне повышена (только над самой поверхностью суши зимой она может быть очень низкой), облачность мала, осадки, как правило, отсутствуют. Ветры во внутренней части антициклона слабы, но усиливаются к периферии.

Антициклон выбрасывает из центра воздух к периферии (рис. 5.26). Поэтому температура воздуха в нем сравнительно мало изменяется, фронты практически не выражены. Из-за отсутствия фронтов в антициклоне преобладает ясная, сухая, безветренная погода. Следовательно, в антициклоне создаются условия, способствующие накоплению антропогенных загрязнений в приземном слое атмосферы. С антициклональной погодой связано ухудшение экологической ситуации, особенно в городах и промышленных районах.

Рис. 5.26. Схема антициклона в Северном полушарии; жирные линии – приземные изобары; стрелки – направление ветра; В – центр антициклона

В сильно загрязненной производственными и транспортными выбросами приземной атмосфере, при штиле или слабом ветре, образуется вторичный туман – смог:

а) густой туман с примесью дыма или газовых отходов производства (например, в Лондоне);

б) пелена едких газов и аэрозолей повышенной концентрации (без тумана), возникающая под действием ультрафиолетовой радиации Солнца в воздухе в результате фотохимических реакций, происходящих в газовых выбросах автомашин и химических предприятий (например, в Лос-Анджелесе).

Типичной является реакция окисления сернистого газа с образованием сульфатных аэрозолей. Наличие в воздухе оксидов азота и углеводородов при воздействии ультрафиолетовой радиации приводят к реакции выделения озона и образованием проксилацетилнитрата (ПАН). Это едкий смог с коричневым оттенком. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности.

Изменения барического поля в циклонах и антициклонах с высотой. Изотермы в циклонах и антициклонах распределены несимметрично: в восточной (обычно передней) части циклона, где ветры направлены из низких широт, температура выше; в западной (обычно тыловой) части, где ветры направлены из высоких широт, она ниже. В антициклонах – наоборот (рис. 5.27). Но барические градиенты с высотой приближаются к температурным градиентам, следовательно, и изобары с высотой приближаются по направлению к изотермам. Изобары на высотах, следуя изотермам, на некоторой высоте размыкаются (рис. 5.27). Над передней (восточной) частью приземного циклона, в средней или верхней тропосфере, располагается гребень повы­шенного давления, совпадающий с языком теплого воздуха, а над тыловой (западной) частью – ложбина пониженного давления, совпадающая с языком холодного воздуха. Над передней частью приземного антициклона располагается ложбина, связанная с низкими температурами, а над тыловой частью – гребень, связанный с высокими температурами [83; 84].

Рис. 5.27. Изобары в циклоне (Н) и антициклоне (В) на уровне моря (сплошные кривые) и в высоких слоях (прерывистые кривые)

В тех случаях, когда горизонтальные градиенты температуры малы, изобары остаются замкнутыми до больших высот. При этом характер измене­ния барического поля с высотой зависит от того, какая температура наблюдается в области данной барической системы: более высокая или более низкая.

Если циклон существует в холодном воздухе, а температура самая низкая в его центре, тогда с высотой барические градиенты мало меняют направление, и замкнутые изобары с низким давлением в центре обнаруживаются до больших высот тропосферы. Это – высокий циклон (рис. 5.28).

Если циклон совпадает с теплой воздушной массой, а температура в центре циклона наивысшая, то циклон быстро исчезает с высотой, так как в нем на высотах появляется дополнительный барический градиент, связанный с градиентом температуры, противоположным по направлению барическому градиенту. Это – низкий циклон. Над ним располагается антициклон (рис. 5.28). Из рассмотрения рис. 5.29 следует, что для антициклонов наблюдается обратная картина, т.е. холодные антициклоны являются низкими, а теплые – высокими.

Рассмотрим, следуя С.П. Хромову [83; 84], процесс возникновения циклонов и антициклонов во внетропических широтах. Напомним, что арктический фронт – это пограничная зона между арктическими воздушными массами и воздушными массами умеренных широт; полярный фронт разделяет воздух умеренных (полярный воздух) и тропических широт.

На фронтах между полярным (умеренным) и тропическим воздухом, или между арктическим и полярным воздухом (см. рис. 5.5), возникают огромные волны длиной 1000 км и более. В их возникновении играют роль как разрыв температуры и ветра на фронте, так и ускорение Кариолиса.

Холод Тепло

Рис. 5.28. Высокий (холодный) и низкий (теплый) циклон. Изобарические поверхности в вертикальном разрезе

Холод Тепло

Рис. 5.29. Низкий (холодный) и высокий (теплый) антициклон

Воздушные частицы по обе стороны фронта испытывают колебательное движение, которое распространяется в виде волны вдоль фронта чаще всего с запада на восток. При этом сама поверхность фронта испытывает волнообразные деформации. В гребнях волн (языки холодного воздуха повышенного давления) фронт продвигается к низким широтам, а в долинах (языки теплого воздуха пониженного давления) – к высоким. В долинах фронтальных волн развиваются циклонические движения и образуются циклоны.

Центр каждого циклона лежит на фронте (рис. 5.30). В передней части циклона фронт продвигается к высоким широтам, являясь участком теплого фронта. В тыловой части циклона фронт продвигается к низким широтам, представляя участок холодного фронта. Сами фронты в циклоне обостряются вследствие существующей там сходимости воздушных течений. Язык теплого воздуха в циклоне между теплым и холодным фронтом, как упоминалось выше, носит название теплого сектора циклона. Циклон в этой стадии развития (рис. 5.30, в) называется молодым, он продолжает «углубляться», т.е. давление в его центре падает. Сам циклон перемещается по фронту (обычно в восточном направлении).

Холодный фронт в области циклона постепенно нагоняет теплый фронт и смыкается с ним (окклюзия циклона). В этой стадии (рис. 5.30, г) теплого сектора у земной поверхности уже нет – теплый воздух теперь оттеснен холодным воздухом в верхнюю часть тропосферы, где он охлаждается путем излучения, а сам циклон становится холодным и высоким (рис. 5.29). Скорость его перемещения убывает, а давление в центре начинает повышаться – начинается затухание циклона.

Чаще всего циклоны развиваются на полярных и арктических фронтах. В первом случае воздух теплого сектора будет тропическим воздухом, а остальная часть циклона занята полярным (умеренным) воздухом. Во втором теплый сектор образован уже полярным воздухом, холодный – арктическим.

Рис. 5.30. Схема развития фронтального циклона: а, б – начальные стадии; в – молодой циклон; г, д – окклюдированный циклон

На полярном фронте возникает обычно серия циклонов, перемещаю­щихся вдоль фронта один за другим. Из-за уменьшения скорости перемещения в процессе окклюзии циклоны серии обычно нагоняют друг друга и могут объединиться в одну обширную высокую и малоподвижную депрессию –центральный циклон (рис. 5.31), образующийся в субполярных или близких к субполярным широтах. Продолжительность существования серии циклонов около недели. Центральный циклон «живет» дольше.

В гребнях фронтальных волн между циклонами серии образуются промежуточные антициклоны, довольно слабые, часто представленные гребнями большого субтропического антициклона, по южной периферии которого рас­полагается полярный фронт (рис. 5.31). В пределах гребня антициклона, севернее фронта, устанавливается типичная антициклональная малооблачная и сухая погода.

Рис. 5.31. Центральный циклон и субтропический антициклон на синоптической карте [84]

В тылу каждого циклона серии относительно холодный полярный воздух проникает все дальше в низкие широты. Заключительный антициклон, обычно развивающийся к северу или к северо-западу от серии циклонов в полярном воздухе, обеспечивает мощное вторжение полярного воздуха в субтропические широты. Прогреваясь, полярный воздух становится высоким и теплым субтропическим антициклоном.

Одновременно тропический воздух продвигается в передних частях развивающихся циклонов в высокие широты, оттесняясь в процессе окклюзии от земной поверхности в верхнюю тропосферу. Там он продолжает движение к высоким широтам, сливаясь с центральном циклоном, где охлаждается и трансформируется в полярный воздух.

Таким образом, происходит обмен воздуха между низкими и высокими широтами.