Циклонический вихрь в горизонтальном сечении обычно имеет округлую или овальную форму с диаметром от нескольких сотен до- 2- 3 тыс. км. Высота его колеблется также в широких пределах: ох 1-2 до 8-10 км и больше.
Размер циклона зависит от возраста, т. е. от продолжительности его существования, и условии развития. Самый малый циклон в умеренных широтах бывает в начальной стадии развития. Диаметр циклона в этой стадии составляет 300-500 км.
На синоптической карте область, занятая циклоном, изображается системой круговых изобар, проведенных через каждые 5 или 2,5 мб.
Циклоны возникают в зоне соприкосновения различных по свойствам воздушных масс, т. е. на главном и вторичных атмосферных фронтах. Образование циклонического вихря - довольно сложный процесс, но наиболее простое понятие о нем, заключается в следующем.
Параллельное движение двух смежных воздушных масс вдоль линии фронта с одинаковой скоростью может продолжаться длительное время без существенных изменений положение фронта. Однако если одна из них начнет перемещаться с иной скоростью и в противоположном па-правлении, то отдельные участки стационарного фронта обязательно начнут деформироваться (искривляться), т. е. придут в движение. Искривление линии фронта, а следовательно, и фронтальной поверхности происходит вследствие различий в скорости и плотности взаимодействующих у фронта смежных воздушных масс. Нередко этому в большой мере способствует и орография данного географического района (крупные возвышенности, хребты). Искривленная часть фронта имеет форму волны (сначала - плоской, а затем - крутой). Воздушные потоки в месте зарождения волны, нарушая прямолинейность, образуют завихрение: часть холодного воздуха начинает вклиниваться в теплый, а теплый - в холодный. При таком движении воздушных масс на стационарном фронте появляются два подвижных участка - холодный и теплый,- постепенно удлиняющиеся по мере разрастания вихря.
Завихрение воздушных потоков и деформация стационарного фронта обычно возникают на том участке, где происходит наибольшее падение давления. Поэтому появление волнообразного искривления фронта сопровождается одновременным образованием и области пониженного давления, т. с. циклона.
1)стадия волны, характеризующаяся слабым волнообразным искривлением стационарного фронта и появлением небольшой области низкого давления у вершины волны;
2)стадия молодого циклона, характеризующаяся образованием четко очерченного «теплого сектора», хорошо выраженными холодным и теплым фронтами и системой нескольких концентрически замкнутых круговых изобар;
3) стадия окклюдирования (начало затухания), характеризующаяся постепенным смыканием холодного и теплого участков фронта, влекущим за собой образование фронта окклюзии; теплый сектор, ввиду вытеснения теплого воздуха в верхние слои, постепенно сужается и, наконец, совсем исчезает; вся область в нижних слоях становится целиком занятой одним и тем же холодным воздухом, который, ввиду большей своей плотности, обусловливает повсеместный рост давления. В результате выравнивания давления циклон, заполняясь, окончательно исчезает.
Одним из важных дополнительных свойств каждого циклона является то, что в его области (особенно в центральной) в результате приземной сходимости воздушных потоков развиваются л норядоченные восходящие движения воздуха. Последние, наряду с фронтами, играют весьма важную роль в формировании погоды в области циклона.
Возникающие циклоны никогда не остаются на месте. Скорость их перемещения в среднем составляет 30-40 км/чаиногда она увеличивается до 70-100 км/час. Наибольшей скоростью поступательного движения обладают молодые циклоны, наименьшей - старые (окклюдированные).
Продолжительность существования циклона колеблется от 1 до 6-7 дней. За это время он успевает пройти путь до нескольких тысяч километров.
Циклоны на фронтах часто возникают сериями (по 4-5 циклонов), двигаясь друг за другом примерно в одном и том же направлении.
Кратковременные процессы ветрообразования
К формированию ветров приводят также и кратковременные процессы, которые, в отличие от преобладающих ветров, не являются регулярными, а происходят хаотически, часто в течение определенного сезона. Такими процессами является образование циклонов , антициклонов и подобных им явлений меньшего масштаба, в частности гроз.
Циклон Катарина в Южной Атлантике. 26 марта 2004 года
Циклонами и антициклонами называют области низкого или, соответственно, высокого атмосферного давления, обычно такие, которые возникают на пространстве размером свыше нескольких километров. На Земле они образуются над большей частью поверхности и характеризуются типичной для них циркуляционной структурой. Из-за влияния силы Кориолиса, в Северном полушарии движение воздуха вокруг циклона вращается против часовой стрелки, а вокруг антициклона — по часовой стрелке. В Южном полушарии направление движения обратное. При наличии трения о поверхность, появляется компонента движения к центру или от центра, в результате воздух движется по спирали к области низкого или от области высокого давления.
Циклон
Цикло́н (от др.-греч. κυκλῶν — «вращающийся») — атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.
Движение воздуха (пунктирные стрелки) и изобары (непрерывные линии) в циклоне в северном полушарии
Воздух в циклонах циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.
Схематическое изображение процесса образования циклонов (чёрные стрелки) из-за вращения Земли (синие стрелки)
Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.
Различают два основных вида циклонов — внетропические и тропические . Первые образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.
Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но бо́льшие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также т. н. «глаз бури» — центральная область диаметром 20—30 км с относительно ясной и безветренной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вовсе.
Циклоны в атмосфере Сатурна. Фотография зонда Кассини
Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже многие годы наблюдается так называемое Большое красное пятно, которое является, по всей видимости, долгоживущим антициклоном. Однако циклоны в атмосферах других планет изучены недостаточно.
Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера (снимок «Вояджера-1»)
Большое Красное Пятно представляет собой гигантский ураган-антициклон, размерами 24—40 тыс. км в длину и 12—14 тыс. км в ширину (существенно больше Земли). Размеры пятна постоянно меняются, общая тенденция — к уменьшению; 100 лет назад БКП было примерно в 2 раза больше и значительно ярче. Тем не менее, это самый большой атмосферный вихрь в Солнечной системе.
Цветная анимация передвижения БКП
Большое тёмное пятно в атмосфере Нептуна
Тёмное, эллипсовидное пятно (13000 км × 6600 км) по размерам напоминало Землю. Вокруг пятна скорость ветра достигала 2400 км/ч, что являлось наибольшим показателем во всей Солнечной системе. Полагают, что пятно представляло собой дыру в метановых облаках Нептуна. Большое тёмное пятно постоянно меняет свою форму и размер.
Большое Темное Пятно
Внетропический циклон
Циклоны, которые формируются за пределами тропического пояса, известны как внетропические. Из двух типов крупномасштабных циклонов, они больше по размеру (классифицируются как синоптические циклоны), наиболее распространены и встречаются на большей части земной поверхности. Именно этот класс циклонов в наибольшей степени отвечает за изменения погоды день за днём, а их предсказание является главной целью современных прогнозов погоды.
Согласно классической (или норвежской) модели Бергенской школы, внетропические циклоны формируются преимущественно вблизи полярного фронта в зонах особенно сильного высотного струйного течения и получают энергию за счет значительного температурного градиента в этом районе. В процессе формирования циклона стационарный атмосферный фронт разрывается на участки теплого и холодного фронтов, движущихся друг к другу с формированием фронта окклюзии и закручиванием циклона. Подобная картина возникает и по более поздней модели Шапиро-Кейзера, основанной на наблюдении океанских циклонов, за исключением длительного движения теплого фронта перпендикулярно к холодному без образования фронта окклюзии.
Норвежская модель и модель Шапиро-Кейзера формирования внетропического циклона
После формирования, циклон обычно существует несколько дней. За это время он успевает продвинуться на расстояние от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, вызывая резкие смены ветров и осадков в некоторых районах своей структуры.
Хотя большие внетропические циклоны обычно ассоциированы с фронтами, меньшие по размеру циклоны могут образовываться в пределах сравнительно однородной воздушной массы. Типичным примером являются циклоны, которые формируются в потоках полярного воздуха в начале формирования фронтального циклона. Эти небольшие циклоны имеют название полярных и часто возникают над приполярными районами океанов. Другие небольшие циклоны возникают на подветренной стороне гор под действием западных ветров умеренных широт.
Внетропический циклон — циклон, формирующийся в течение года во внетропических широтах каждого полушария. За 12 месяцев их может быть множество сотен. Размеры внетропических циклонов весьма значительны. Хорошо развитый циклон может иметь в поперечнике 2-3 тыс. км. Это значит, что он может одновременно покрывать несколько областей России или провинций Канады и определять режим погоды на этой огромной территории.
Распространение внетропического циклона
Вертикальное распространение (вертикальная мощность) циклона меняется по мере его развития. В первое время циклон заметно выражен лишь в нижней части тропосферы. Распределение температуры в первой стадии жизни циклона, как правило, асимметрично относительно центра. В передней части циклона, с притоком воздуха из низких широт, температуры повышены; в тыловой, с притоком воздуха из высоких широт, напротив, понижены. Поэтому с высотой изобары циклона размыкаются: над тёплой передней частью на высотах обнаруживается гребень повышенного давления, а над холодной тыловой — ложбина пониженного давления. С высотой это волнообразование, искривление изобар или изогипс всё более сглаживается.
Видео, показывающее развитие внетропического циклона
Но при последующем развитии циклон становится высоким, то есть замкнутые изобары обнаруживаются в нём и в верхней половине тропосферы. При этом температура воздуха в циклоне в общем понижается, а температурный контраст между передней и тыловой частью более или менее сглаживается: высокий циклон является в общем холодной областью тропосферы. Возможно и проникновение циклона в стратосферу.
Тропопауза над хорошо развитым циклоном прогнута вниз в виде воронки; сначала это понижение тропопаузы наблюдается над холодной тыловой (западной) частью циклона, а потом, когда циклон становится холодным во всей своей области, снижение тропопаузы наблюдается над всем циклоном. Температура нижней стратосферы над циклоном при этом повышена. Таким образом, в хорошо развитом высоком циклоне наблюдается над холодной тропосферой низко начинающаяся тёплая стратосфера.
Температурные контрасты в области циклона объясняются тем, что циклон возникает и развивается на главном фронте (полярном и арктическом) между воздушными массами разной температуры. В циклоническую циркуляцию втягиваются обе эти массы.
В дальнейшем развитии циклона тёплый воздух оттесняется в верхнюю часть тропосферы, над холодным воздухом, и сам подвергается там радиационному выхолаживанию. Горизонтальное распределение температуры в циклоне становится более равномерным, и циклон начинает затухать.
Давление в центре циклона (глубина циклона) в начале его развития ненамного отличается от среднего: это может быть, например, 1000—1010 мб. Многие циклоны не углубляются более чем до 1000—990 мб. Сравнительно редко глубина циклона достигает 970 мб. Однако в особенно глубоких циклонах давление понижается до 960—950 мб, а в отдельных случаях наблюдалось и 930—940 мб (на уровне моря) с минимумом 925 мб в северном полушарии и 923 мб в южном полушарии. Наиболее глубокие циклоны наблюдаются в высоких широтах. Над Беринговым морем, например, в одной трети всех случаев глубина циклонов зимой от 961 до 980 мб.
Вместе с углублением циклона растут скорости ветра в нём. Ветры иногда достигают штормовых скоростей на больших территориях. В циклонах южного полушария это бывает особенно часто. Отдельные порывы ветра в циклонах могут достигать 60 м/сек, как это было 12 декабря 1957 г. на Курильских островах.
Жизнь циклона продолжается несколько суток. В первой половине своего существования циклон углубляется, во второй — заполняется и, наконец, исчезает вовсе (затухает). В некоторых случаях существование циклона оказывается длительным, особенно если он объединяется с другими циклонами, образуя одну общую глубокую, обширную и малоподвижную область низкого давления, так называемый центральный циклон . Они в северном полушарии чаще всего образуются в северных частях Атлантического и Тихого океанов. На климатологических картах в этих районах отмечаются известные центры действия — исландская и алеутская депрессии.
Уже заполнившись в нижних слоях, циклон может ещё некоторое время сохраняться в холодном воздухе верхних слоёв тропосферы в виде высотного циклона .
Тропический циклон
Схема тропического циклона
Циклоны, которые образуются в тропическом поясе, несколько меньше внетропических (они классифицируются как мезоциклоны ) и имеют другой механизм происхождения. Эти циклоны питаются энергией, получаемой за счет подъема вверх теплого влажного воздуха и могут существовать исключительно над теплыми районами океанов, из-за которых имеют название циклонов с теплым ядром (в отличие от внетропических циклонов с холодным ядром). Тропические циклоны характеризуются очень сильным ветром и значительным количеством осадков. Они развиваются и набирают силу над поверхностью воды, но быстро теряют её над сушей, из-за чего их разрушительный эффект обычно проявляется лишь на побережье (до 40 км вглубь суши).
Для образования тропического циклона необходим участок очень теплой водной поверхности, нагрев воздуха над которой приводит к снижению атмосферного давления минимум на 2,5 мм рт. ст. Влажный теплый воздух поднимается вверх, но из-за его адиабатического охлаждения значительное количество удерживаемой влаги конденсируется на больших высотах и выпадает в виде дождя. Более сухой и таким образом более плотный воздух, что только что освободился от влаги, опускается вниз, формируя зоны высшего давления вокруг ядра циклона. Этот процесс имеет положительную обратную связь, вследствие чего, пока циклон находится над довольно теплой водной поверхностью, что поддерживает конвекцию, он продолжает усиливаться. Хотя чаще всего тропические циклоны образуются в тропиках, иногда признаки тропического циклона приобретают циклоны другого типа на поздних этапах существования, как это случается с субтропическими циклонами.
Тропический циклон — тип циклона, или погодной системы низкого давления, что возникает над теплой морской поверхностью и сопровождается мощными грозами, выпадением ливневых осадков и ветрами штормовой силы. Тропические циклоны получают энергию от поднятия влажного воздуха вверх, конденсации водяных паров в виде дождей и опускания более сухого воздуха, что получается в этом процессе, вниз. Этот механизм принципиально отличается от механизма внетропических и полярных циклонов, в отличие от которых тропические циклоны классифицируются как «циклоны с теплым ядром».
Термин «тропический» означает как географический район, где в подавляющем большинстве случаев возникают подобные циклоны, то есть тропические широты, так и формирование этих циклонов в тропических воздушных массах.
На Дальнем Востоке и в Юго-Восточной Азии тропические циклоны называются тайфунами , а в Северной и Южной Америке — ураганами (исп. huracán , англ. hurricane ), по имени майянского бога ветра Хуракана. Принято считать, согласно шкале Бофорта, что шторм переходит в ураган при скорости ветра более 117 км/ч.
Тропические циклоны способны вызвать не только чрезвычайной силы ливни, но и большие волны на поверхности моря, штормовые приливы и смерчи. Тропические циклоны могут возникать и поддерживать свою силу только над поверхностью крупных водоемов, тогда как над сушей они быстро теряют силу. Именно поэтому прибрежные районы и острова в наибольшей степени страдают от вызванных ими разрушений, тогда как районы в глубине материков находятся в относительной безопасности. Однако вызванные тропическими циклонами ливневые дожди могут вызвать наводнения значительных масштабов несколько дальше от побережья, на расстоянии до 40 км. Хотя эффект тропических циклонов на человека часто бывает очень негативным, значительные количества воды могут прекращать засухи. Тропические циклоны переносят большое количество энергии от тропических широт в направлении умеренных, что делает их важной составляющей глобальных процессов циркуляции атмосферы. Благодаря им разница в температуре на различных участках поверхности Земли уменьшается, что позволяет существование более умеренного климата на всей поверхности планеты.
Много тропических циклонов образуются при благоприятных условиях из слабых атмосферных волнений, на возникновение которых влияют такие эффекты, как осцилляция Маддена-Джулиана, Эль-Ниньо и североатлантическая осцилляция.
Осцилляция Маддена-Джулиана — колебания свойств циркуляции тропической атмосферы с периодом 30-60 дней, что является главным фактором межсезонной изменчивости в атмосфере на этой временной шкале. Эти колебания имеют вид волны, что движется на восток со скоростью от 4 до 8 м/с над теплыми районами Индийского и Тихого океанов.
Диаграмма излучения на длинных волнах, демонстрирующая осцилляцию Маддена-Джулиана
Движение волны можно увидеть по различным проявлениям, наиболее чётко — по изменениям в количестве осадков. Сначала изменения проявляются на западе Индийского океана, постепенно сдвигаются к центральной части Тихого океана, а затем затухают по мере продвижения к холодным восточным районам этого океана, но иногда вновь возникают с уменьшенной амплитудой над тропическими районами Атлантического океана. При этом вначале идет фаза увеличения конвекции и количества осадков, за которой следует фаза уменьшения количества осадков.
Явление было обнаружено Рональдом Мадденом и Полем Джулианом в 1994 году.
Эль-Ни́ньо (исп. El Niño — малыш, мальчик) или Южная осцилляция — колебание температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, имеющее заметное влияние на климат. В более узком смысле Эль-Ниньо — фаза Южной осцилляции, в которой область нагретых приповерхностных вод смещается к востоку. При этом ослабевают или вообще прекращаются пассаты, замедляется апвеллинг в восточной части Тихого океана, у берегов Перу. Противоположная фаза осцилляции называется Ла-Нинья (исп. La Niña — малышка, девочка). Характерное время осцилляции — от 3 до 8 лет, однако сила и продолжительность Эль-Ниньо в реальности сильно варьирует. Так, в 1790—1793, 1828, 1876—1878, 1891, 1925—1926, 1982—1983 и 1997—1998 годах были зафиксированы мощные фазы Эль-Ниньо, тогда как, например, в 1991—1992, 1993, 1994 это явление, часто повторяясь, было слабо выраженным. Эль-Ниньо 1997—1998 гг. было настолько сильным, что привлекло внимание мировой общественности и прессы. Тогда же распространились теории о связи Южной осцилляции с глобальными изменениями климата. С начала 1980-х Эль-Ниньо возникало также в 1986—1987 и 2002—2003 годах.
Эль-Ниньо 1997 года (TOPEX)
Нормальные условия вдоль западного побережья Перу определяются холодным Перуанским течением, несущим воду с юга. Там, где течение поворачивает на запад, вдоль экватора, из глубоких впадин происходит подъем холодных и богатых планктоном вод, что способствует активному развитию жизни в океане. Само же холодное течение определяет засушливость климата в этой части Перу, формируя пустыни. Пассаты отгоняют прогретый поверхностный слой воды в западную зону тропической части Тихого океана, где формируется так называемый тропический теплый бассейн (ТТБ). В нём вода прогрета до глубин в 100—200 м. Атмосферная циркуляция Уолкера, проявляющаяся в виде пассатов, вкупе с пониженным давлением над районом Индонезии, приводит к тому, что в этом месте уровень Тихого океана на 60 см выше, чем в восточной его части. А температура воды здесь достигает 29—30°C против 22—24°C у берегов Перу. Однако, всё меняется с наступлением Эль-Ниньо. Пассаты ослабевают, ТТБ растекается, и на огромной площади Тихого океана происходит повышение температуры воды. В районе Перу холодное течение сменяется движущейся с запада к берегу Перу теплой водной массой, апвеллинг ослабевает, гибнет без питания рыба, а западные ветры приносят в пустыни влажные воздушные массы, ливни, вызывающие даже наводнения. Наступление Эль-Ниньо снижает активность атлантических тропических циклонов.
Североатлантическая осцилляция — непостоянство климата на севере Атлантического океана, что проявляется прежде всего в изменении температуры морской поверхности. Явление было впервые описано в 2001 году Голденбергом и сотрудниками. Хотя существуют исторические свидетельства существования этого колебания в течение длительного времени, точных исторических данных о его амплитуде и связи с температурами поверхности в тропических районах океана не хватает.
Временная зависимость колебания в период 1856—2013 годов
Другие циклоны, в частности субтропические, способны обретать характеристики тропических циклонов по мере развития. После момента образования, тропические циклоны движутся под действием преобладающих ветров; если условия остаются благоприятными, циклон набирает силу и образует характерную вихревую структуру с глазом в центре. Если же условия неблагоприятны или если циклон смещается на сушу, он довольно быстро рассеивается.
Структура
Тропические циклоны — относительно компактные штормы довольно правильной формы, обычно около 320 км в диаметре, с ветрами, дующими по спирали, сходящимися вокруг центральной области очень низкого атмосферного давления. За счет силы Кориолиса, ветры отклоняются от направления барического градиента и закручиваются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном.
Структура тропического циклона
По структуре тропический циклон может быть поделен на три концентрические части. Внешняя часть имеет внутренний радиус 30-50 км, в этой зоне скорость ветров равномерно увеличивается по мере приближения к центру циклона. Средняя часть, которая имеет название стены глаза , характеризуется большими скоростями ветра. Центральная часть диаметром 30-60 км имеет название глаза, здесь скорость ветра уменьшается, движение воздуха имеет преимущественно нисходящий характер, а небо часто остается ясным.
Глаз
Центральная часть циклона, в которой воздух опускается вниз, имеет название глаза . Если циклон достаточно сильный, глаз большой и характеризуется спокойной погодой и ясным небом, хотя волны на море могут быть исключительно большими. Глаз тропического циклона обычно правильной круглой формы, а его размер может быть от 3 до 370 км в диаметре, однако чаще всего диаметр составляет примерно 30-60 км. Глаз у крупных зрелых тропических циклонов иногда заметно расширяется вверху, это явление получило название «эффекта стадиона»: если наблюдать изнутри глаза, его стена напоминает по форме трибуны стадиона.
Ураган Изабель 2003 года, фотография с МКС — можно четко увидеть характерные для тропических циклонов глаз, стену глаза и окружающие дождевые полосы
Глаз тропических циклонов характеризуется очень низким атмосферным давлением, именно здесь было зарегистрировано самое низкое значение атмосферного давления на уровне земной поверхности (870 гПа в тайфуне Тип). Кроме того, в отличие от циклонов других типов, воздух глаза тропических циклонов очень теплый, всегда теплее, чем на той же высоте за пределами циклона.
Глаз слабого тропического циклона может быть частично или полностью покрыт тучами, которые имеют название центрального плотного облачного покрова. Эта зона, в отличие от глаза сильных циклонов, характеризуется значительной грозовой активностью.
Глаз бури , або офо , бычий глаз — область прояснения и относительно тихой погоды в центре тропического циклона.
Типичный глаз бури имеет диаметр от 20 до 30 км, в редких случаях — до 60 км. В этом пространстве воздух имеет бо́льшую температуру и меньшую влажность, нежели в окружающей его области ветра и дождевых облаков. В результате возникает устойчивая температурная стратификация.
Стена ветра и ливня служит изолятором для очень сухого и более тёплого воздуха, опускающегося в центр циклона из верхних слоёв. По периферии глаза бури часть этого воздуха смешивается с воздухом из облаков и благодаря испарению капель охлаждается, тем самым образуя мощный нисходящий вдоль внутренней стороны облаков каскад относительно холодного воздуха.
Глаз тайфуна Одесса (1985)
В это же время в облаках воздух стремительно поднимается. Это построение и образует кинематическую и термодинамическую основу тропического циклона.
Кроме того, вблизи оси вращения уменьшается горизонтальная линейная скорость ветра, что для наблюдателя, при попадании в центр циклона, производит впечатление прекратившейся бури, по контрасту с окружающим пространством.
Стена глаза
Стеной глаза называют кольцо плотных грозовых облаков, что окружает глаз. Здесь облака достигают наибольшей высоты в пределах циклона (до 15 км над уровнем моря), а осадки и ветры у поверхности сильнейшие. Однако максимальная скорость ветров достигается на несколько большей высоте, обычно около 300 м. Именно во время прохождения стены глаза над определенным районом циклон наносит наибольшие разрушения.
Самые сильные циклоны (обычно категории 3 или больше) характеризуются несколькими циклами замены стены глаза в течение своей жизни. При этом старая стена глаза сужается до 10-25 км, а ей на замену приходит новая, большего диаметра, что постепенно заменяет собой старую. Во время каждого цикла замены стены глаза циклон слабеет (то есть ветры в пределах стены глаза слабеют, а температура глаза уменьшается), но с образованием новой стены глаза он быстро набирает силу до прежних значений.
Внешняя зона
Внешняя часть тропического циклона организована в дождевые полосы — полосы плотных грозовых туч, которые медленно движутся к центру циклона и сливаются со стеной глаза. При этом в дождевых полосах, как и в стене глаза, воздух поднимается вверх, а в пространстве между ними, свободном от низких облаков, воздух опускается. Однако, сформированные на периферии циркуляционные ячейки менее глубокие, чем центральная, и достигают меньшей высоты.
Когда циклон достигает суши, вместо дождевых полос в пределах стены глаза в большей степени концентрируются потоки воздуха, из-за увеличения трения о поверхность. При этом значительно увеличивается количество осадков, что может достигать 250 мм за сутки.
Тропические циклоны также образуют облачный покров на очень больших высотах (возле тропопаузы) за счет центробежного движения воздуха на этой высоте. Этот покров состоит из высоких перистых облаков, которые движутся от центра циклона и постепенно испаряются и исчезают. Эти облака могут быть достаточно тонкими, чтобы через них можно было видеть солнце и могут быть одним из первых признаков приближения тропического циклона.
Размеры
Одним из наиболее распространенных определений размера циклона, которое применяется в различных базах данных, является расстояние от центра циркуляции до наиболее внешней замкнутой изобары, это расстояние имеет название радиуса внешней замкнутой изобары . Если радиус меньше двух градусов широты, или 222 км, циклон классифицируется как «очень маленький» или «карликовый». Радиус от 3 до 6 градусов широты, или от 333 до 667 км, характеризует циклон «средних размеров». «Очень большие» тропические циклоны имеют радиус свыше 8 градусов широты, или 888 км. Согласно такой системе мер, на северо-западе Тихого океана возникают самые большие на Земле тропические циклоны, примерно вдвое больше тропических циклонов Атлантического океана.
Другими методами определения размеров тропических циклонов являются радиус, на котором существуют ветры силы тропического шторма (примерно 17,2 м/с), и радиус, на котором относительный ротор скорости ветра составляет 1×10 −5 с −1 .
Сравнительные размеры тайфуна Тип, циклона Трейси с территорией США
Механизм
Главным источником энергии тропического циклона служит энергия испарения, которая освобождается при конденсации водяных паров. В свою очередь, испарение океанской воды протекает под действием солнечной радиации. Таким образом, тропический циклон можно представить как большую тепловую машину, для работы которой необходимы также вращение и притяжение Земли. В метеорологии, тропический циклон описывается как тип конвекционной системы на мезошкале, развивающийся при наличии мощного источника тепла и влаги.
Направления конвекционных потоков в тропическом циклоне
Теплый влажный воздух поднимается вверх преимущественно в пределах стены глаза циклона, а также в пределах других дождевых полос. Этот воздух расширяется и охлаждается по мере поднятия, его относительная влажность, высокая уже у поверхности, увеличивается ещё больше, вследствие чего большая часть накопленной влаги конденсируется и выпадает в виде дождя. Воздух продолжает охлаждаться и терять влагу с поднятием до тропопаузы, где он теряет практически всю влагу и перестаёт охлаждаться с высотой. Охлажденный воздух опускается вниз до океанской поверхности, где снова увлажняется и снова поднимается. При благоприятных условиях, задействованная энергия превышает расходы на поддержание этого процесса, избыточная энергия тратится на увеличение объёмов восходящих потоков, увеличение скорости ветров и ускорение процесса конденсации, то есть ведёт к образованию положительной обратной связи. Для того, чтобы условия оставались благоприятными, тропический циклон должен находиться над теплой океанской поверхностью, которая даёт необходимую влагу; когда же циклон проходит участок суши, он не имеет доступа к этому источнику и его сила быстро падает. Вращение Земли добавляет конвекционному процессу закручивание в результате эффекта Кориолиса — отклонения направления ветра от вектора барического градиента.
Падение температуры океанской поверхности в Мексиканском заливе с прохождением ураганов Катрина и Рита
Механизм тропических циклонов существенно отличается от механизма других атмосферных процессов тем, что требует глубокой конвекции, то есть такой, что захватывает большой диапазон высот. При этом, восходящие потоки захватывают почти всё расстояние от поверхности океана до тропопаузы, с горизонтальными ветрами, ограниченными преимущественно в приповерхностном слое толщиной до 1 км, тогда как большая часть остальной 15-километровой толщи тропосферы в тропических районах используется для конвекции. Однако тропосфера более тонка на более высоких широтах, а количество солнечного тепла там меньше, что ограничивает зону благоприятных условий для тропических циклонов тропическим поясом. В отличие от тропических циклонов, внетропические циклоны получают энергию преимущественно от горизонтальных градиентов температуры воздуха, что существовали до них.
Прохождение тропического циклона над участком океана приводит к существенному охлаждению приповерхностного слоя, как из-за потери тепла на испарение, так из-за активного перемешивания теплых приповерхностных и холодных глубоких слоев и получения холодной дождевой воды. Также на охлаждение влияет плотный облачный покров, закрывающий океанскую поверхность от солнечного света. Вследствие этих эффектов, за несколько дней, за которые циклон проходит определенный участок океана, приповерхностная температура на нём существенно падает. Этот эффект приводит к возникновению отрицательной обратной связи, что может привести к потере силы тропического циклона, особенно если его движение медленное.
Общее количество энергии, которая выделяется в тропическом циклоне среднего размера, составляет около 50-200 эксаджоулей (10 18 Дж) в день или 1 ПВт (10 15 Вт). Это примерно в 70 раз больше потребления всех видов энергии человечеством, в 200 раз больше мирового производства электроэнергии и соответствует энергии, что высвобождалась бы от взрыва 10-мегатонной водородной бомбы каждые 20 минут.
Жизненный цикл
Формирование
Карта пути всех тропических циклонов за период 1985—2005 годов
Во всех районах мира, где существует активность тропических циклонов, она достигает максимума в конце лета, когда разница температуры между океанской поверхностью и глубинными слоями океана наибольшая. Однако, сезонные картины несколько отличаются в зависимости от бассейна. В мировом масштабе, май является наименее активным месяцем, сентябрь наиболее активным, а ноябрь является единственным месяцем, когда одновременно активны все бассейны.
Важные факторы
Процесс формирования тропических циклонов все ещё не до конца понятен и является предметом интенсивных исследований. Обычно можно выделить шесть факторов, необходимых для образования тропических циклонов, хотя в отдельных случаях циклон может образоваться и без некоторых из них.
Образование зон конвергенции пассатов, что приводит к нестабильности атмосферы и способствует образованию тропических циклонов
В большинстве случаев, для формирования тропического циклона нужна температура приповерхностного слоя океанской воды не менее 26,5°C на глубине не менее чем 50 м; такая температура воды является минимально достаточной, чтобы вызвать нестабильность в атмосфере над ней и поддержать существование грозовой системы.
Другим необходимым фактором является быстрое охлаждение воздуха с высотой, что делает возможным высвобождение энергии конденсации, главного источника энергии тропического циклона.
Также для образования тропического циклона необходима высокая влажность воздуха в нижних и средних слоях тропосферы; при условии большого количества влаги в воздухе создаются более благоприятные условия для образования нестабильности.
Ещё одной характеристикой благоприятных условий является низкий вертикальный градиент ветра, поскольку большой градиент ветра приводит к разрыву циркуляционной картины циклона.
Тропические циклоны обычно возникают на расстоянии не менее 550 км или 5 градусов широты от экватора — только там сила Кориолиса бывает достаточно сильной для отклонения ветра и закручивания вихря.
И наконец, для образования тропического циклона обычно нужна уже существующая зона низкого давления или волнений погоды, хотя и без циркуляционного поведения, характерного для зрелого тропического циклона. Такие условия могут быть созданы низкоуровневыми и низкоширотными вспышками, которые ассоциируются с осцилляцией Маддена-Джулиана.
Районы формирования
Большинство тропических циклонов в мире формируются в пределах экваториального пояса (межтропического фронта) или его продолжения под действием муссонов — муссонной зоны низкого давления. Районы, благоприятные для формирования тропических циклонов, также возникают в пределах тропических волн, где возникает около 85% интенсивных циклонов Атлантического океана и большинство тропических циклонов на востоке Тихого океана.
Подавляющее большинство тропических циклонов формируется между 10 и 30 градусами широты обоих полушарий, причем 87% всех тропических циклонов — не далее 20 градусов широты от экватора. Из-за отсутствия силы Кориолиса в экваториальной зоне, тропические циклоны очень редко формируются ближе 5 градусов от экватора, однако это все же случается, например с тропическим штормом Вамэй 2001 года и циклоном Агни 2004 года.
Тропический шторм Вамэй перед выходом на сушу
Тропический шторм Вамэй, иногда известный как тайфун Вамэй — тропический циклон, известный тем, что сформировался ближе к экватору, чем любой другой тропический циклон за всю историю наблюдений. Вамэй сформировался 26 декабря как последний тропический циклон тихоокеанского сезона тайфунов 2001 года на 1,4° северной широты в Южно-Китайском море. Он быстро усилился и вышел на сушу на юго-западе Малайзии. Он практически рассеялся над островом Суматра 28 декабря, а его остатки позже вновь реорганизовались над Индийским океаном. Хотя официально этот тропический циклон обозначается как тропический шторм, его интенсивность спорная, а некоторые агентства классифицируют его как тайфун, основываясь на скорости ветра в 39 м/с и наличии глаза. Этот шторм вызвал наводнения и оползни в восточной Малайзии, причинив ущерб на 3,6 млн. долларов США (по ценам 2001 года ) и пять жертв.
Движение
Взаимодействие с пассатами
Движение тропических циклонов вдоль поверхности Земли зависит прежде всего от преобладающих ветров, возникающих вследствие глобальных циркуляционных процессов ; тропические циклоны увлекаются этими ветрами и движутся вместе с ними. В зоне возникновения тропических циклонов, то есть между 20 параллелями обоих полушарий, они движутся на запад под действием восточных ветров — пассатов.
Схема глобальной циркуляции атмосферы
В тропических районах северной части Атлантического океана и на северо-востоке Тихого океана пассаты образуют тропические волны, начинающиеся от африканского побережья и проходящие через Карибское море, Северную Америку и затухающие в центральных районах Тихого океана. Эти волны являются местом возникновения большой части тропических циклонов этих регионов.
Эффект Кориолиса
Вследствие эффекта Кориолиса вращение Земли не только вызывает закручивание тропических циклонов, но и влияет на отклонение их движения. Из-за этого эффекта тропический циклон, что движется на запад под действием пассатов при отсутствии других сильных воздушных потоков, отклоняется к полюсам.
Инфракрасное изображение циклона Моника, что демонстрирует закручивание и вращение циклона
Поскольку восточные ветры прилагаются к циклонному движению воздуха на его полярной стороне, сила Кориолиса там сильнее, и в результате тропический циклон оттягивается к полюсу. Когда тропический циклон достигает субтропического хребта, западные ветры умеренного пояса начинают уменьшать скорость движения воздуха на полярной стороне, но разница в расстоянии от экватора между различными частями циклона достаточно большая, чтобы суммарная сила Кориолиса была направлена к полюсу. В результате тропические циклоны Северного полушария отклоняются на север (до поворота на восток), а тропические циклоны Южного полушария — на юг (также до поворота на восток).
Взаимодействие с западными ветрами умеренных широт
Когда тропический циклон пересекает субтропический хребет, который является зоной высокого давления, его путь обычно отклоняется в зону низкого давления с полярной стороны хребта. Попав в зону западных ветров умеренного пояса, тропический циклон имеет тенденцию двигаться с ними на восток, проходя момент изменения курса (англ. recurvature ). Тайфуны, движущиеся через Тихий океан на запад к берегам Азии, часто меняют курс у берегов Японии на север, а затем на северо-восток, захваченные юго-западными ветрами с Китая или Сибири. Много тропических циклонов также отклоняются из-за взаимодействия с внетропическими циклонами, движущимися в этих районах с запада на восток. Примером изменения курса тропическим циклоном служит тайфун Йоке 2006 года , который двигался по описанной траектории.
Путь тайфуна Йоке, что изменил курс у японского побережья в 2006 году
Выход на сушу
Формально считается, что циклон проходит над сушей, если это случается с его центром циркуляции, независимо от состояния периферийных областей. Штормовые условия обычно начинаются над определенным участком суши за несколько часов до выхода на сушу центра циклона. В этот период, то есть до формального выхода тропического циклона на сушу, ветры могут достигнуть своей наибольшей силы — в таком случае говорят о «прямом ударе» тропического циклона о берег. Таким образом, момент выхода циклона на берег фактически означает середину штормового периода для районов, где это случается. Меры безопасности должны приниматься до момента достижения ветрами определенной скорости или до момента достижения определенной интенсивности дождя, а не быть связанными с моментом выхода тропического циклона на сушу.
Взаимодействие циклонов
Когда два циклона приближаются друг к другу, их центры циркуляции начинают вращаться вокруг общего центра. При этом два циклона приближаются друг к другу и в конце концов сливаются. Если циклоны разного размера, больший будет доминировать в этом взаимодействии, а меньший будет вращаться вокруг него. Этот эффект носит название эффекта Фудзивары, в честь японского метеоролога Сакухея Фудзивары.
Это изображение показывает Тайфун Melor и Тропический шторм Парма, и их взаимодействие в юго-восточной Азии. На этом примере видно, как сильный Melor тянет более слабого Парму к себе
Спутники запечатлели танец циклонов-близнецов над Индийским океаном
15 января 2015 года над центром Индийского океана образовались два тропических циклона. Ни один из них не угрожал населенным пунктам ввиду низкой интенсивности и низких шансов выйти на сушу. Метеорологи были уверены, что «Диамондра» и «Юнис» ослабнут и рассеются в последующие дни. Близкое расположение тропических циклонов дало возможность спутникам сделать восхитительные фотографии танца вихревых систем над океаном.
28 января 2015 года геостационарные спутники, принадлежащие EUMETSAT и Японскому метеорологическому агентству, предоставили данные для создания композитного изображения (сверху). Радиометр (VIIRS) на борту спутника Suomi NPP сделал три снимка циклонов-близнецов, в результате объединения которых получилось нижнее изображение.
Две системы находились на расстоянии около 1,5 тысячи километров друг от друга 28 января 2015 года. «Юнис», более сильный из двух циклонов, располагался к востоку от «Диамондры». Максимальная скорость стабильных ветров «Юнис» достигала почти 160 км/ч, тогда как максимум скорости ветров «Диамондры» не превышал 100 км/ч. Оба циклона двигались в юго-восточном направлении.
Как правило, если два тропических циклона приближаются друг к другу, они начинают циклонически вращаться вокруг оси, соединяющей их центры. Метеорологи называют это явление эффектом Фудзивары. Такие двойные циклоны могут даже соединиться в один, если их центры сойдутся достаточно близко.
«Но в случае с „Юнис“ и „Диамондрой“ центры двух вихревых систем оказались слишком далеко друг от друга, — объясняет Брайан Мак-Нолди, метеоролог из университета Майами. — Из опыта, центры циклонов должны находиться на расстоянии по меньшей мере 1350 километров, чтобы начать вращаться вокруг друг друга. Согласно последним прогнозам Совместного центра предупреждения о тайфунах, оба циклона двигаются на юго-восток примерно с одинаковой скоростью, потому они, вероятно, уже не подойдут друг к другу ближе».
(Продолжение следует)
Неравномерное нагревание подстилающей поверхности при участии отклоняющей силы вращения Земли может вызвать образование атмосферных вихрей.
Допустим, что замкнутый участок поверхности нагревается значительно сильнее, чем остальная поверхность. Очевидно, над таким участком возникнет восходящее движение воздуха, сопровождающееся растеканием (расходимостью) его наверху в стороны. Это приведет к появлению у поверхности замкнутой области пониженного давления с вихреобразным перемещением воздуха от периферии к центру. Вихревое поднятие в центре и растекание воздуха наверху обеспечивают отток приходящего с периферии воздуха и поддерживают низкое давление. Возникает восходящий атмосферный вихрь, существование которого возможно до тех пор, пока сохраняются причины, обеспечивающие отток воздуха наверху в стороны. Если отток прекращается, происходит заполнение воздухом области пониженного давления и выравнивание давления.
Можно также представить положение, при котором менее нагретый (охлаждающийся) участок окажется среди сравнительно теплой поверхности. В этом случае произойдет уплотнение воздуха, вызванный этим приток его наверху к центру и, как следствие, возникновение у поверхности замкнутой области повышенного давления с вихревым движением воздуха от центра к периферии (растекание). Место воздуха, ушедшего от центра, занимает воздух, опускающийся сверху. Возникает вихрь с нисходящим движением в центре. Если приток воздуха наверху прекращается, исчезают условия существования нисходящего вихря. Атмосферные вихри, обусловленные неравномерным нагреванием подстилающей поверхности, - явление не редкое, но, как правило, они имеют незначительные размеры и существуют недолго.
В атмосфере постоянно возникают, развиваются и исчезают вихри очень больших масштабов (диаметром от сотен до 2 тыс. км и более), называемые циклонами и антициклонами Роль этих вихрей в атмосферных процессах очень велика.
Циклоны
- восходящие атмосферные вихри с сильно наклонной осью вращения, проявляющиеся у поверхности Земли замкнутой областью пониженного давления (барическим минимумом) с соответствующей системой ветров от периферии к центру (против часовой стрелки в северном полушарии).
Антициклоны
- нисходящие атмосферные вихри с наклонной осью, проявляющиеся у поверхности Земли замкнутой областью повышенного давления (барическим максимумом) с соответствующей системой ветров, от центра к периферии (по часовой стрелке в северном полушарии). Вихри, образующиеся над неравномерно нагретой поверхностью, могут дать только первое представление о циклонах и антициклонах. В действительности структура циклонов и антициклонов значительно более сложная, а причины их образования еще окончательно не выяснены.
Формирование циклонов и антициклонов объясняют волновыми движениями потоков воздуха в средних слоях тропосферы.
При отсутствий причин, нарушающих геострофическое равновесие (равенство сил барического градиента и отклоняющего действия вращения Земли), воздух на высоте двигается вдоль изобар в северном полушарии вправо от направления барического градиента. Нарушение условий геострофического равновесия, постоянно наблюдающееся в природе (влияние подстилающей поверхности), вызывает отклонение потоков воздуха от направления изобар. Отклоняясь, поток воздает избыток воздуха по одну сторону изобар и недостаток - по другую. В том месте, куда поток принес воздух, давление повышается и изобары, отклоняясь в сторону пониженного давления, очерчивают гребни высокого давления. В том месте, где возникает недостаток воздуха (следствие отклонения потока), изобары, отклоняясь в сторону повышенного давления, оконтуривают ложбины низкого давления. Направление изобар приобретает волнообразный характер (рис. 60, а). Смещение изобар в сторону пониженного давления выражено сильнее, и поэтому на гребнях изобары расходятся, а в ложбинах сближаются. Следуя по направлению изобар, поток двигается также волнообразно (подобно извивающемуся водному потоку). При незначительной скорости движения он или обтекает гребни и ложбины, или двигается вместе с ними. Быстро двигающийся поток воздуха, сохраняя скорость, по инерции растекается в той части волны, где изобары расходятся, и сжимается в той части, где изобары сближаются.
Все изменения, происходящие в потоке воздуха на высоте, заметно отражаются на изменении давления у поверхности. Под областью растекания воздуха (расходимости) давление на поверхность резко ослабевает, возникает замкнутая область пониженного давления с вихреобразным движением воздуха к центру. В центре области низкого давления воздух поднимается, компенсируя недостаток его наверху, вызванный растеканием. Так образуется
в нижнем слое тропосферы циклон
.
Под областью сходимости потока давление резко повышается, и здесь формируется замкнутая область повышенного давления, в которой воздух растекается от центра к периферии. Отток воздуха компенсируется его опусканием в центре из области сходимости воздушного потока наверху. Таким образом формируется антициклон.
Возникшие в приземном слое тропосферы циклоны и антициклоны продолжают существовать только до тех пор, пока наверху процессы оттока воздуха от области расходимости и притока в область сходимости изобар оказываются интенсивнее процессов оттока и притока воздуха в центрах вихрей внизу.
Развитие гребней высокого давления может привести к их обособлению и к превращению в замкнутую область высокого давления - в высотный антициклон.
В результате развития ложбин низкого давления могут сформироваться высотные циклоны (рис. 60, б).
Высотные антициклоны и циклоны
не располагаются непосредственно над приземными. Ho в результате того, что, двигаясь в одну сторону с ними при отсутствии трения, они обладают большей скоростью, через некоторое время происходит их смыкание. Приземный антициклон смыкается с располагающимся над ним высотным антициклоном, приземный циклон - с высотным циклоном. Высотные зоны сходимости и расходимости исчезают, вместе с тем исчезают и условия для существования приземных циклонов и антициклонов, и они постепенно ликвидируются.
Наиболее благоприятные условия возникновения волнового движения существуют в зоне атмосферного фронта, т. е. там, где на коротком расстоянии быстро изменяются температура и давление. Поэтому и образование циклонов и антициклонов приурочено к фронтальной зоне, к климатическим фронтам. В циклоне стекание воздуха с разных сторон к центру приводит к сближению теплых и холодных потоков и создает условия для сохранения и развития фронта, проходящего через центр циклона. Циклоны, за редким исключением (возникновение в результате местного перегрева), имеют фронтальную структуру. На схеме развития фронтального циклоид (рис. 61) в верхней из трех горизонтальных частей рисунка (а) показаны распределение давления и часть волны воздушного потока на высоте 4-6 км над земной поверхностью. В средней части рисунка (б), можно видеть соответствующее распределение давления, ветров, воздушных масс и разделяющих их фронтов вблизи земной поверхности. Нижняя часть рисунка (в) - вертикальный разрез по линии А - А через область развития циклона.
На первой (1) из пяти вертикальных частей рисунка мы видим положение, предшествующее появлению приземного циклона. Наверху - часть волны с расходящимся потоком. У земной поверхности - стационарный фронт, разделяющий холодный и теплый воздух.
Фронтальная плоскость наклонна в сторону холодного воздуха; на рисунке 1, в видно, что холодный воздух течет под теплым.
Возникновение приземного циклона (2) под областью расходимости воздушного потока вызывает изменение в приземном движении воздуха, направляющегося теперь к центру циклона (2, б) . В результате фронт изгибается, причем изгиб начинает перемещаться вдоль линии фронта в направлении движения верхнего воздушного потока. Участок фронта в передней части изгиба (волны) становится теплым фронтом (он перемещается в сторону холодного воздуха), в тыловой части - холодным фронтом (перемещается в сторону теплого воздуха). Переход холодного фронта в теплый совпадает с центром циклона (это положение отображено на рис. 2, в).
В начальной (волновой) стадии развития циклон обрисовывается у поверхности одной изобарой. В дальнейшем идет расширение циклона, увеличение занятой им площади и вовлечение в циклоническое вращательное движение более высоких слоев - до 2-3 км - во второй стадии развития циклона. Это стадия типичного молодого циклона
(3, а, б, в), характеризующегося хорошо выраженным теплым сектором, ограниченным сходящимися под острым углом в центре циклона теплым и холодным участками фронта. Происходит постепенное сближение теплого и холодного фронтов в результате более быстрого продвижения последнего (холодный фронт догоняет теплый).
В следующей стадии (4, а, б, в) - стадии окклюзии
- циклон достигает максимального развития, перед тем как начинает постепенно заполняться. Наверху оформляется центр низкого давления, смещенный по отношению к приземному центру несколько в сторону холодного воздуха. Холодный фронт все более приближается к теплому и наконец смыкается с ним (4, в), образуя сложный фронт окклюзии. Процесс этот начинается от центра, и теплый сектор постепенно сокращается. Теплый воздух, выжимаемый наверх холодным, уже не соприкасается с поверхностью. Циклон оказывается полностью в холодном воздухе (становится термически симметричным). Некоторое время после окклюцирования он еще может углубляться, а затем начинает заполняться. В последней стадии развития - стадии заполняющегося старого циклона - циклон становится холодным образованием, захватывающим значительную толщу атмосферы (до 2-6 км и более). Циклоническая циркуляция распространяется часто на высоту всей тропосферы. Отток воздуха наверху прекращается, падение давления приостанавливается, и циклон ликвидируется (б). Циклоны обычно существуют несколько суток, двигаясь чаще с запада на восток с некоторым отклонением к северу. Скорость движения циклонов разнообразна, обычно 20-40 км в час (около 700 км в сутки), в отдельных случаях - более 2000 км в сутки. В начале развития циклон движется быстрее, затем движение замедляется и он становится малоподвижным.
Иногда циклон, прошедший все стадии развития, не заполняется окончательно, а начинает снова углубляться (регенерирует). Это происходит в том случае, если в область старого циклона вторгаются новые порции холодного или теплого воздуха, создавая резкие температурные контрасты. Особенно благоприятно для регенерации циклона встречное движение теплого и холодного воздуха.
На периферии старых, уже заполняющихся циклонов на участке холодного фронта нередко возникают новые циклоны (называемые частными), перемещающиеся в том же направлении, в каком перемещается первоначальный циклон, но только несколько южнее. Новый циклон проходит те же стадии развития, что и первоначальный, но, конечно, отстает от него, т. е. является более молодым. На холодном фронте этого циклона может появиться еще один частный циклон, расположенный южнее. Так, на одном общем фронте последовательно возникает до трехчетырех циклонов. Такая взаимосвязанная и последовательно развивающаяся группа циклонов называется серией или семейством циклонов (рис. 62). Прохождение циклонической серии занимает в среднем 5-6 суток, но в отдельных случаях может продолжаться и значительно дольше (до 12 суток).
Сотни фронтальных циклонов существуют одновременно в каждом из полушарий, оказывая огромное влияние на погоду внетропических широт. В тропических широтах также возникают циклонические вихри, но совершенно иной структуры - тропические циклоны.
Между циклонами возникают подвижные антициклоны
, перемещающиеся с циклонами в направлении движения ведущего потока.
В первой стадии развития молодой
антициклон представляет собой сравнительно небольшой вихрь, обнаруживающийся до высоты 2-3 км. Во второй стадии - стадии максимального развития
- в антициклоническое движение включаются все более и более высокие слои - до высоты 8-12 км. В третьей стадии - стадии разрушения
- антициклон становится малоподвижным, происходит сближение нижней и верхней областей высокого давления, вызывающее разрушение антициклона.
Фронта в антициклоне нет, воздушные течения, направляющиеся от центра, относят фронт на периферию. Обычно фронт окаймляет антициклон почти с трех сторон (это характерно для антициклона, лежащего между двумя циклонами). Фронтальная поверхность может прослеживаться на некоторой высоте и в центральной части антициклона в виде слабовыраженного инверсионного слоя (фронтальная инверсия).
Нисходящее движение воздуха в антициклоне, сопровождающееся адиабатическим нагреванием, приводит к появлению инверсии сжатия
. Инверсия сжатия возникает вследствие того, что скорость снижения воздуха на более высоком уровне медленнее, чем на более низком (результат растекания воздуха в стороны в нижней части антициклона). На рисунке 63 даны числовые значения высот и температуры, показывающие образование инверсионного слоя. Верхняя граница слоя - a1 - снижается быстрее, чем нижняя - b1. В результате опускания они займут положение a1 и b2. (мощность слоя уменьшится от H1 до Н2). Граница a1 переместилась вниз на расстояние 2300 м, и температура воздуха при этом повысилась на 23° (1° на 100 м), граница b1 переместилась только на 1500 м, и соответственно температура стала выше на 15°. Если в слое a1 b1 на каждые 100 м высоты наблюдалось изменение температуры на 0,5, то в слое а2 b2 вертикальный температурный градиент составляет уже 1,5°.
Инверсионный слой, образовавшийся вследствие сжатия, препятствует образованию конвективных облаков. Поэтому в антициклоне осадки, как правило, выпадают редко. Только в нижнем слое в холодный период года и суток в связи с охлаждением поверхности возможно образование тумана и низких слоистых облаков, иногда под слоем инверсии возникают волнистые облака. В центре антициклона у земной поверхности обычны штили, на периферии могут быть ветры значительной силы.
Тропические циклоны
- вихри, образующиеся вокруг центров пониженного давления в тропических широтах, между 5 и 20° в каждом полушарии. В экваториальной зоне, под широтами ниже 5° северной и южной широты, циклоническая циркуляция почти не возникает из-за слишком малого влияния отклоняющей силы вращения Земли. От циклонов вне тропических широт тропические циклоны отличаются меньшими размерами (диаметр при наибольшем развитии их не превосходит 1000 км) и значительно большей (от 50 до 120 м/сек) скоростью ветра. Скорость перемещения тропического циклона - 10-12 км в час.
Тропические циклоны захватывают всю тропосферу, распространяясь до высоты 15-18 км. Причины возникновения тропических циклонов еще недостаточно выяснены. Считают, что они могут образовываться в связи с термической неустойчивостью воздуха, богатого влагой. Быстрое поднятие такого воздуха сопровождается бурной конденсацией влаги и выделением огромного количества тепловой энергии. Быстрому поднятию воздуха способствует также центробежное выбрасывание его из центральной части циклона при малом притоке в приземном слое.
Подсчитано, что количество энергии, выделяющееся в тропическом циклоне диаметром около 700 км, составляет 150*10в18 эргов в секунду. Столько же энергии выделится при взрыве 5 таких атомных бомб, какая была сброшена на Хиросиму. За один час существования подобного циклона выделяется энергия, равная энергии 36 водородных бомб средней мощности.
Интересно, что во всей системе тропического циклона воздух поднимается и только в центре его существует нисходящее движение. Этим объясняется тот факт, что в центре тропического циклона («глаз бури» диаметром 18-55 км) тихо и можно видеть чистое небо, тогда как для всей системы типична ненастная погода с ураганными ветрами, сильными ливня)ми и грозами. Особенно характерны сильные ветры и ливневые осадки для зоны, непосредственно примыкающей к «глазу бури».
Существует несколько очагов наиболее частого зарождения тропических циклонов: в Атлантическом океане - Карибское море и Мексиканский залив, в Тихом океане - район Филиппинских островов и Южно-Китайского моря, в Индийском океане - Аравийское море, Бенгальский залив, район острова Маврикия.
Больше всего тропических циклонов возникает над Тихим океаном; у юго-восточных берегов Азии возникает в среднем 20 циклонов в год. Здесь их называют тайфунами («чрезвычайном ветром»). На втором месте по количеству тропических циклонов - Атлантический океан (местное название их на Антильских островах - ураганы) и на третьем- Индийский океан (местное название - орканы).
Образовавшиеся тропические циклоны в северном полушарии движутся сначала на северо-запад, затем, на широте 25-30°, поворачивают на северо-восток. Переходя в умеренные широты, тропические циклоны или затухают, или превращаются в мощные внетропические циклону.
Разрушительная сила тропических циклонов огромна. В сентябре 1961 г. циклон «Ненси», возникший вблизи Маршалловых островов, прошел вдоль Японских островов. Скорость ветра превышала 300 км/час, шли ливневые дожди. На своем пути тайфун разрушил более 450 тыс. домов, 400 мостов и дамб, погибло более 1500 и тяжело ранено свыше 2000 человек. Прибрежные районы были затоплены океанскими волнами. От Японских островов тайфун прошел в Охотском море и произвел разрушения на Южном Сахалине. «Ненси» - один из самых сильных тайфунов, наблюдавшихся за последние годы. Тропические циклоны меньшей силы наблюдаются ежегодно.
Смерчи, тромбы
(маломасштабные вихри) - вихри с осью, близкой к вертикальной, диаметром от нескольких десятков метров (над водой) до нескольких сотен метров (над сушей). Воздух в таком вихре быстро вращается (со скоростью 50-100 м/сек), и одновременно весь вихрь перемещается со скоростью около 10-20 м/сек.
Вихрь может образовываться и над морем - смерч, и над сушей - тромб. Возникают смерчи (тромбы) при неустойчивом вертикальном равновесии атмосферы над перегретой поверхностью перед наступающим холодным воздухом в результате резкого поднятия теплого воздуха и сильного падения давления на некоторой высоте над земной поверхностью. В появившуюся разреженную область с очень низким давлением засасываются: сверху - облако, образовавшееся при быстром поднятии воздуха, снизу - вода, пыль и пр. В атмосфере видны две «воронки», соединенные, узкими концами на некоторой высоте над Землей. У поверхности Земли в центре вихря давление очень низкое.
Маломасштабные вихри обладают большой разрушительной силой. Они способны вырывать с корнями деревья, разрушать здания. Налетевший вихрь может «высосать» водоем вместе со всем его «населением», а затем где-то выпадут удивительные «осадки» из водорослей, рыб, лягушек. При прохождении вихря давление падает так быстро, что в зданиях могут вылететь стекла. Известны случаи, когда здание при этом полностью разрушалось. В Северной Америке, где тромбы очень часты, их называют торнадо
. За год в США наблюдается в среднем около 150 торнадо, в некоторые годы количество их достигает 900. В Европе тромбы сравнительно редки.
Воздушные массы - это крупные массы воздуха тропосферы и нижней стратосферы, которые формируются над определенной территорией суши или океана и обладают относительно однородными свойствами - температурой, влажностью, прозрачностью. Они движутся как одно целое и в одном направлении в системе общей циркуляции атмосферы.
Воздушные массы занимают площадь в тысячи квадратных километров, их мощность (толщина) достигает до 20-25 км. Перемещаясь над поверхностью с иными свойствами, они нагреваются или охлаждаются, увлажняются или становятся суше. Теплой или холодной называют воздушную массу, которая теплее (холоднее) окружающей ее среды. Различают четыре зональных типа воздушных масс в зависимости от районов формирования: экваториальные, тропические, умеренные, арктические (антарктические) воздушные массы (рис. 13). Они отличаются, прежде всего, температурой и влажностью. Все типы воздушных масс, кроме экваториальных, делятся на морские и континентальные в зависимости от характера поверхности, над которой они сформировались.
Экваториальная воздушная масса формируется в экваториальных широтах, поясе пониженного давления. Обладает достаточно высокими температурами и влажностью, близкой к максимальной, и над сушей, и над морем. Континентальная тропическая воздушная масса формируется в центральной части материков в тропических широтах. Она обладает высокой температурой, низкой влажностью, сильной запыленностью. Морская тропическая воздушная масса образуется над океанами в тропических широтах, где преобладают довольно высокие температуры воздуха и отмечается высокая влажность.
Континентальная умеренная воздушная масса формируется над материками в умеренных широтах, господствует в Северном полушарии. Ее свойства изменяются по сезонам. Летом довольно высокая температура и влажность, характерны осадки. Зимой низкие и крайне низкие температуры и невысокая влажность. Морская умеренная воздушная масса формируется над океанами с теплыми течениями в умеренных широтах. Летом она прохладнее, зимой - теплее, отличается значительной влажностью.
Континентальная арктическая (антарктическая) воздушная масса формируется над льдами Арктики и Антарктиды, обладает крайне низкими температурами и небольшой влажностью, высокой прозрачностью. Морская арктическая (антарктическая) воздушная масса образуется над периодически замерзающими морями и океанами, ее температура несколько выше, влажность больше.
Воздушные массы находятся в постоянном движении, при их встрече образуются переходные зоны, или фронты. Атмосферный фронт - пограничная зона между двумя воздушными массами, обладающими разными свойствами. Ширина атмосферного фронта достигает десятков километров. Атмосферные фронты могут быть теплыми и холодными в зависимости от того, какой воздух надвигается на территорию и какой вытесняется (рис. 14). Чаще всего атмосферные фронты возникают в умеренных широтах, где встречаются холодный воздух из полярных широт и теплый из тропических широт.
Прохождение фронта сопровождается изменениями в погоде. Теплый фронт перемещается в сторону холодного воздуха. С ним связаны потепление, слоисто-дождевые облака, приносящие моросящие осадки. Холодный фронт перемещается в сторону теплого воздуха. Он приносит обильные кратковременные ливневые осадки, часто со шквалистыми ветрами и грозами, и похолодание.
Циклоны и антициклоны
В атмосфере при встрече двух воздушных масс возникают крупные атмосферные вихри - циклоны и антициклоны. Они представляют плоские вихри воздуха, охватывающие тысячи квадратных километров при высоте всего 15-20 км.
Циклон - атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре, с системой ветров от периферии к центру против часовой стрелки в Северном полушарии. В центре циклона наблюдаются восходящие потоки воздуха (рис. 15). В результате восходящих потоков воздуха в центре циклонов формируются мощные облака и выпадают атмосферные осадки.
Летом во время прохождения циклонов температура воздуха снижается, а зимой повышается, начинается оттепель. Приближение циклона вызывает пасмурную погоду и изменение направления ветра.
В тропических широтах от 5 до 25° обоих полушарий возникают тропические циклоны. В отличие от циклонов умеренных широт они занимают меньшую площадь. Тропические циклоны возникают над теплой морской поверхностью в конце лета - начале осени и сопровождаются мощными грозами, выпадением ливневых осадков и ветрами штормовой силы, обладают огромной разрушительной силой.
В Тихом океане тропические циклоны называют тайфунами, в Атлантическом - ураганами, у берегов Австралии - вилли-вилли. Тропические циклоны переносят большое количество энергии от тропических широт в направлении умеренных, что делает их важной составляющей глобальных процессов циркуляции атмосферы. За свою непредсказуемость тропическим циклонам дают женские имена (например, «Катрин», «Джульетта» и др.).
Антициклон - атмосферный вихрь огромного диаметра (от сотен до нескольких тысяч километров) с областью повышенного давления у земной поверхности, с системой ветров от центра к периферии по часовой стрелке в Северном полушарии. В антициклоне наблюдаются нисходящие потоки воздуха.
Как зимой, так и летом для антициклона характерны безоблачное небо и безветрие. Во время прохождения антициклонов погода солнечная, летом жарко, а зимой очень холодно. Антициклоны образуются над ледовыми покровами Антарктиды, над Гренландией, Арктикой, над океанами в тропических широтах.
Свойства воздушных масс определяются районами их формирования. При их перемещении из мест своего формирования в другие они постепенно меняют свои свойства (температуру и влажность). Благодаря циклонам и антициклонам между широтами осуществляется обмен теплом и влагой. Смена циклонов и антициклонов в умеренных широтах приводит к резким изменениям погоды.
По месту образования различают внетропические и тропические циклоны . Первые, в свою очередь, делятся на фронтальные и нефронтальные. Нефронтальные обычно связаны как с неравномерным нагреванием подстилающей поверхности (термические), так и с появлением местного очага падения давления (местные). Термические, например, часто возникают зимой над Чёрным морем, когда относительно тёплый водоём, воздух над которым прогревается и становится менее плотным (давление понижается), сочетается с окружающим его холодным континентом.
Фронтальные циклоны образуются в основном на так называемых главных фронтах, т.е., атмосферных фронтах, разделяющих арктические и умеренные, умеренные и тропические, тропические и экваториальные воздушные массы, имеющие резко различающиеся свойства, в первую очередь – разную температуру и влажность.
В процессе перемещения соседствующих воздушных масс вдоль малоподвижного фронта, когда под влиянием различных причин происходит неравномерное изменение давления, линия фронта волнообразно изгибается. Тёплый воздух начинает вклиниваться в холодный, а холодный – в тёплый. Таким образом, появляются и начинают развиваться тёплый и холодный фронты. Это явление носит название фронтогенезиса.
Первичная стадия развития циклона называется стадией волны. Дальнейшее падение давления приводит к появлению у поверхности земли замкнутых изобар и возникновению циклонического вихря. Эта стадия называется стадией молодого циклона. Поскольку холодный фронт всегда движется быстрее тёплого, со временем он догоняет его, тёплый сектор суживается, затем фронты смыкаются и происходит окклюзия, т.е. отрыв тёплой воздушной массы (тёплого сектора) от поверхности земли.
При окклюдировании циклон начинает заполняться, тёплый и холодный фронты размываются и исчезают. Это явление носит название фронтолизиса . Обычно на одном и том же участке главного фронта возникают условия для одновременного развития нескольких циклонов (серии), каждый из которых образуется несколько южнее предыдущего. С момента возникновения циклон начинает перемещаться по направлению воздушных потоков в средней тропосфере. Так как общий перенос воздуха в тропосфере происходит с запада на восток, то и циклоны в основном перемещаются в этом направлении с одновременным отклонением к полюсам, т.е., в северном полушарии циклоны движутся в основном в северо-восточном направлении, а в южном – в юго-восточном направлении.
Скорость движения внетропических циклонов в северном полушарии составляет в среднем 30-40 км/ч, в южном – 40-45 км/ч. Прогноз перемещения циклонов на срок более 6 часов по одной карте погоды считается ненадёжным. Поэтому для прогнозирования рекомендуется изучить несколько последовательных карт. При этом считается, что циклон сохранит то направление и ту скорость движения, которые он имел в течение последних 6 часов. Тем не менее, имея только одну карту можно сделать определённые предположения, руководствуясь следующими правилами:
- 1. Молодой циклон стремится двигаться по ветру, параллельному изобарам тёплого сектора со скоростью, составляющей примерно ¾ скорости ветра в холодной воздушной массе непосредственно перед линией тёплого фронта.
- 2. Циклоны имеют тенденцию двигаться по ветру вокруг больших, установившихся антициклонов.
- 3. Окклюдированный циклон движется медленно и нерегулярно по направлению.
- 4. Если у циклона наличествует большой тёплый сектор, то циклон, скорее всего, будет углубляться.
- 5. Нефронтальный циклон стремится двигаться в направлении самого сильного ветра из циркулирующих вокруг него (т.е., для определения направления движения такого циклона необходимо определить направление ветра в том месте, где изобары расположены ближе всего друг к другу).
- 6. Если на карте погоды имеются два соседствующих циклона с приблизительно равными значениями атмосферного давления в их центрах, то они скорее всего будут двигаться по окружности с центром, расположенным между ними в северном полушарии – против часовой стрелки, в южном – по часовой.
Образование и движение антициклонов
Антициклоны зарождаются в гребнях сверхдлинных волн на тех же стационарных фронтах, что и циклоны. Антициклон обычно следует за последним циклоном в серии. Рост давления обусловливается поступлением холодного воздуха впереди оси гребня волны. В центральных частях антициклонов атмосферные фронты располагаться не могут. Антициклоны в процессе своего развития проходят три стадии: зарождения, максимального развития и разрушения. Они занимают огромные площади материков или океанов (3000-4000 км в диаметре).
(Visited 53 times, 1 visits today)
