Лекция9. Циклоны и погода в циклонах.
План лекции
Природа возникновения циклонов.
Стадии развития циклонов.
Погода в циклонах и барических ложбинах.
Признаки приближения циклонов.
Рекомендованная литература:1,2,3,6,7,9.
Основные теоретические положения
1. Природа возникновения циклонов.
Атмосферные возмущения с низким давлением воздуха (минимальное давление в центре) и с циркуляцией воздуха вокруг центра против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном называются циклонами (см. рис. 12).
По своей природе циклоны подразделяются на фронтальные (внетропические) и тропические.
Подавляющее большинство подвижных циклонов внетропических широт возникает на тропосферных полярных и арктических фронтах, причем в циклон вовлекаются обе воздушные массы, разделенные фронтами. Волновая теория объясняет механизм этого процесса возникновением на фронте динамически неустойчивых волн, причем в долине фронтальной волны зарождаются и развиваются циклоны, а в гребне – антициклоны.
Мощные глубокие циклоны возникают путем последующей эволюции и слияния (объединения) подвижных фронтальных циклонов. Некоторое число циклонов зарождается в результате непосредственного воздействия теплой подстилающей поверхности. Это так называемые местные термические и низкие циклоны. Обычно воздействие подстилающей поверхности является дополнительным к фронтальному механизму. Обычно повторяемость и роль термических циклонов и атмосферной циркуляции очень ограничены.
Изобары в циклонах округлой, или овальной, или вообще неправильной формы. Большая ось (поперечник) циклона на приземной карте в начале развития внетропического циклона достигает 900–1000 км и может увеличиваться до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона.
Повторяемость и глубина фронтальных циклонов зимой больше, чем летом. Над Северной Атлантикой и Европой в год зарождается около 60 серий циклонов, по несколько отдельных циклонов в каждой из них.
Циклоны перемещаются со средней скоростью 30–40 км/ч. Над океанической поверхностью скорость мало меняется в течение года, а над материками зимой она больше, чем летом. Скорость молодых циклонов может иногда достигать 80–100 км/ч. После начала окклюдирования скорость фронтальных циклонов убывает. Внетропические циклоны умеренных, широт перемещаются в общем в направлении господствующего здесь западного переноса воздуха: от западной части горизонта к восточной.
2. Стадии развития циклонов.
Атмосферные возмущения внетропических широт – циклоны и антициклоны – возникают преимущественно на главных атмосферных фронтах, т. е. на фронтах между полярным (умеренным) и тропическим воздухом или между арктическим и полярным воздухом.
Лишь незначительная часть слаборазвитых и малоподвижных вихрей возникает под непосредственным тепловым воздействием ПП.
Возникновение на поверхности главных фронтов огромных волн с длинами порядка 1000 км и более может привести к разрыву температуры и ветра на фронте, а отклоняющая сила вращения Земли, действующая на воздушные потоки, способствует зарождению мезомасштабных вихрей – циклонов и антициклонов. При этом фронтальная поверхность и линия фронта на поверхности Земли испытывают волнообразные деформации. На одних участках (в гребнях волн) фронт отклоняется к низким широтам, а на других (в долинах фронтальных волн) – к высоким широтам. Воздушные течения при этом теряют зональный характер и возникают языки холодного и теплого воздуха – участки холодного и теплого фронтов. В долинах фронтальных волн развиваются циклонические движения и давление падает – образуются циклоны. Центральные части циклонов располагаются непосредственно на фронте, и фронт, таким образом, проходит через внутренние области циклонов. В передней части циклона фронт смещается к высоким широтам и имеет характер теплого фронта. В тыловой части циклона фронт перемещается к низким широтам и имеет характер холодного фронта. В то же время оба они являются участками одного и того же главного фронта. Свойственные фронтам системы облаков и осадков возникают и развиваются на соответствующих участках бывшего малоподвижного стационарного фронта (рис. 28).
Рисунок 2. Стадії циклону: а – молодого; б – оклюдованого.
Рис. 28. Стадии развития внетропического циклона:
а – малоподвижный фронт на приземной карте погоды; 6 – волновые возмущения на малоподвижном фронте; в – образование циклона на стационарной малоподвижном фронте; г – молодой циклон
Холодный фронт в углубляющемся циклоне движется быстрее теплого. Скорость перемещения холодного фронта составляет около 0,8 скорости геострофического ветра, а теплого – не более 0,65 ее величины. Вследствие этого несоответствия, во-первых, профиль волнообразного изгиба фронтальных поверхностей не будет симметричным: теплый и холодный фронты имеют выпуклость в одну сторону и, во-вторых, с ростом амплитуды возмущения теплый сектор циклона постоянно суживается, так как холодный фронт постепенно нагоняет теплый. В момент смыкания фронтов центральная часть циклона у земной поверхности заполняется холодным воздухом, а теплый воздух оттесняется в более высокие слои.
Это третья стадия развития циклона – стадия окклюзии. Стадия молодого циклона, длящаяся в среднем 12–24 ч, продолжается до тех пор, пока в центре циклона у земной поверхности остается теплый воздух.
Стадия окклюдировання циклона является стадией максимального развития: именно после начала се скорость ветра в циклоне достигает максимального значения. В это время у подстилающей поверхности в циклоне наблюдается наиболее низкое давление и циклон становится высоким холодным барическим образованием. В дальнейшем наступает последняя (четвертая) стадия развития циклона – стадия заполнения: атмосферное давление растет, скорость ветра уменьшается и возмущение постепенно затухает.
Рассмотренная схема развития внетропических циклонов является типичной, но не обязательной во всех случаях. Зарождение циклонов возможно не только на стационарных, но и на медленно перемещающихся холодных, а иногда и теплых фронтах. Кроме того, после начала окклюдирования не обязательно следует стадия заполнения циклона. Если после окклюзии в циклоне остается некоторая вторичная термическая асимметрия вследствие разности температур холодного воздуха перед и за фронтом окклюзии, то возможно продолжение углубления циклона и после окклюдирования. Особенно часто это наблюдается тогда, когда холодный воздух в тылу циклона теплее, чем в передней части циклона.
Наиболее глубокие внетропические (фронтальные) циклоны со штормовыми ветрами возникают в тех случаях, когда в процессе циклогенеза участвуют воздушные массы трех основных типов: тропического, полярного и арктического. Например, если центр молодого циклона, зародившегося на полярном фронте, оказывается вблизи арктического фронта, то арктический воздух входит в область циклона и усиливает его термический контраст. В этом случае циклоны характеризуются особенной глубиной, большими барическими градиентами и соответствующими скоростями ветра. Такие циклоны чаще всего зарождаются в осенне-зимний период над Северной Атлантикой.
С процессом циклогенеза тесно связан и механизм развития антициклонов. По существу это единый процесс, связанный с длинными волнами на стационарном фронте.