3.1.3. Причины образования циклонов
Нефронтальные (термические) циклоны возникают летом – над сушей, зимой – над теплыми морями. Нефронтальные циклоны имеют небольшие горизонтальные размеры, а по вертикали до 1000 – 1500 м.
Причиной возникновения термических циклонов является неравномерное нагревание подстилающей поверхности и образование устойчивых восходящих движений воздуха над сравнительно большими площадями в радиусе 100 – 200 км, а также появление областей падения давления.
В отдельных случаях термические циклоны могут иметь большие размеры и очерчиваться несколькими изобарами. К ним относятся циклоны в летнее время – над Средней Азией, зимой – над Черным морем. При благоприятных условиях, когда в систему такого циклона входит атмосферный фронт, он может превратиться в обычный фронтальный циклон.
Фронтальные циклоны могут возникать на малоподвижных холодных и теплых фронтах, а также у точки окклюзии существующего циклона.
Для возникновения и развития циклона необходимо относительное понижение давления в районе возникновения циклона.
Возникновение циклонов связано с высотными фронтальными зонами и со струйными течениями. В процессе возникновения и развития циклона на фронте образуется волна, амплитуда которой со временем увеличивается. Если амплитуда волны со временем не увеличивается, циклон заканчивает свое существование на волновой стадии.
Волна является неустойчивой, если ее амплитуда увеличивается, и устойчивой, если ее амплитуда со временем не изменяется или уменьшается.
Критерием неустойчивости считается длина волны от 800 до 2800 км.
Таким образом, процесс возникновения циклона начинается с:
возмущения термического поля,
возникновения термического гребня,
ослабления ложбины холода со средней температурой слоя воздуха от поверхности земли
до 5 – 6 км.
Это приводит к относительному падению давления, завихрению воздушных потоков и образованию волны на фронте.
Образование фронтальных волн на малоподвижных фронтах при противоположных направлениях воздушных потоков даже при небольших местных изменениях в их направлении приводит к деформации линии фронта и образованию волны. Такие фронтальные волны редко развиваются в глубокие циклоны.
Зарождению циклона на холодном фронте способствует разрежение изобар вблизи оси барической ложбины, где возникает ее центр (рис 3.1).
Область падения давления в случае разреженных изобар приводит к появлению замкнутых изобар.
Возникновение циклонов на теплых фронтах наблюдается редко. Условием образования является заток холодной воздушной массы в тыл циклона.
Рис.3.1. Схема зарождения циклона на холодном фронте
В этом случае наблюдается увеличение горизонтальных градиентов температуры перед теплым фронтом.
Циклоны у точки окклюзии возникают сравнительно часто, но редко превращаются в глубокие циклоны из-за отсутствия в атмосфере необходимых для этого условий.
3.1.4. Причины возникновения антициклонов
Возникновение и развитие антициклонов связано с развитием циклонов. Это единый процесс. В одном районе возникает дефицит массы воздуха, а в соседнем районе создается избыток массы воздуха – в результате возникает циклон и антициклон.
Нефронтальные (термические) антициклоны сравнительно небольшого размера возникают над охлажденной подстилающей поверхностью. Над сушей такие антициклонические образования летом могут возникать только в ночные часы. Зимой местные антициклоны над сушей могут существовать достаточно длительно, а при определенном строении термобарического поля они могут превращаться в развитые антициклоны.
Имеются районы, где местные антициклоны возникают особенно часто. Одним из таких районов является Кольский полуостров. В этом районе, поступающий в тыл циклона сравнительно холодный воздух, прогревается в приземном слое при его перемещении над незамерзающей поверхностью Баренцева моря. Последующее перемещение такого воздуха над холодной подстилающей поверхностью Кольского полуострова приводит к быстрому его выхолаживанию, росту давления и формированию замкнутой антициклонической изобары.
Фронтальные антициклоны. К ним относятся антициклоны, возникновение и развитие которых связано с высотными фронтальными зонами.
Линия фронта через центр антициклона проходить не может. Воздух истекает во все стороны от центра антициклона, что исключает возможность сближения и взаимодействия разнородных воздушных масс вблизи от его центра. Линия фронта проходит по окраине антициклона по линии, приблизительно нормальной к оси гребня (рис. 3.2).
Рис.3.2. Схема расположения атмосферного фронта в антициклоне
Выше пограничного слоя фронтальный слой может иногда располагаться и в центральной части антициклона. Однако более характерным для антициклонов является образование слоев инверсии, которые могут иметь различное происхождение.
Приземные слои инверсии возникают в связи с охлаждением приземного слоя воздуха от подстилающей поверхности (рис. 3.3).
В центральных частях антициклонов при безоблачной погоде и слабых ветрах наиболее благоприятны условия для радиационного охлаждения подстилающей поверхности в ночные часы и образования приземного слоя инверсии. Толщина этого слоя составляет несколько десятков метров, и он быстро разрушается в дневные часы под влиянием прогрева подстилающей поверхности и развития конвективного и турбулентного перемешивания. Однако в зимний период времени над материками радиационное выхолаживание может продолжаться и в дневные часы, в результате чего образуется устойчивый слой инверсии температуры до высоты 1 – 2 км и выше.
Рис 3.3. Приземный слой инверсии
Слои инверсии внутри пограничного слоя образуются на некоторой высоте (десятки – сотни метров) от поверхности земли в результате разрушения приземной инверсии в ее нижней части (рис. 3.4).
Рис 3.4. Инверсии внутри пограничного слоя
Подобные слои инверсии могут образовываться на некоторой высоте от поверхности земли при значительной скорости ветра в теплой устойчивой воздушной массе. Под такими слоями инверсии, как правило, образуются слоистые, слоисто-кучевые облака.
Инверсии оседания формируются в антициклонах, в которых нисходящие движения воздуха и его растекание по горизонтали приводит к повышению температуры в некотором слое и образованию инверсии (рис. 3.5).
Рис.3.5. Инверсия оседания
Промежуточные антициклоны образуются из барических гребней между двумя соседними циклонами (рис. 3.6).
В этих гребнях образуются замкнутые антициклонические изобары. Антициклоны этого тина образуются редко.
Рис. 3.6. Схема зарождения промежуточного антициклона.
Заключительные антициклоны являются основным типом фронтальных антициклонов. Они образуются за холодным фронтом последнего циклона циклонического семейства. Образование заключительного антициклона обрывает процесс циклогенеза на данной ветви основного фронта.
Заключительный антициклон развивается при наличии двух малоподвижных центральных циклонов, образовавшихся на одном атмосферном фронте, на котором образуется неглубокий циклон (рис. 3.7).
В тылу этого циклона зарождается заключительный антициклон. Возникший за холодным фронтом антициклон является низким холодным барическим образованием. В дальнейшем развитии антициклон за счет исходящих движений превращается в теплое высокое барическое образование.
Рис.3.7. Схема зарождения заключительного антициклона
Помимо заключительных антициклонов, развивающихся за холодным фронтом в тылу циклона, иногда различают передний антициклогенез перед теплым фронтом существующего циклона. Однако и в этом случае существует влияние тыловой части циклона.