Стадии развития циклонов умеренных широт.

В жизни циклона и антициклона выделяют несколько стадий развития:

1) начальная стадия (стадия возникновения),

2) стадия молодого циклона (антициклона),

3) стадия максимального развития,

4) стадия заполнения циклона или разрушения антициклона

Для начальной стадии, длящейся примерно сутки, характерен процесс от первых признаков возникновения барического образования до появления первой замкнутой изобары на приземной карте погоды. Разность давления между центром и периферией составляет не более 5-10 мб. На высотах вихри в начальной стадии не прослеживаются.

Во второй стадии развития, продолжительность которой также обычно не более суток, барические образования имеют уже не менее 2-х замкнутых изобар. Термобарическое поле деформируется, циклон углубляется, антициклон усиливается, превращаясь в мощный атмосферный вихрь со значительными скоростями ветра. Циклоническая циркуляция распространяется в верхние слои атмосферы.

Третья стадия характеризуется наименьшим (наибольшим) давлением в центре циклона. Продолжительность стадии не более 12-24 ч.

В последней стадии циклон (антициклон) заполняется (разрушается). У поверхности Земли в центра циклона давление повышается, в центре антициклона – понижается. Горизонтальные градиенты давления и скорости ветра постепенно уменьшаются. Данная стадия наиболее продолжительна – 4 суток и более.

В каждой стадии развития циклон имеет своеобразную трехмерную структуру и каждая стадия отличается особенностями погоды.

Обычно с прохождением циклона связывают ненастную погоду с дождями и сильными ветрами. Но циклон состоит из нескольких разнородных воздушных масс, различающихся по характеристикам погоды. В циклоне может быть и ненастная и солнечная погода – в зависимости от свойств воздушных масс в передней и тыловой его частях.

Дожди, связанные с циклоническими системами, в теплый период орошают землю, а зимой снежный покров защищает посевы от вымерзания. С другой стороны, циклоны являются причиной возникновения опасных явлений погоды, которые принося большие бедствия. Например, штормовые волны, возникающие в результате сильных ветров, опасны для морских судов, разрушают портовые сооружения.

Сильные ветры с бортовой и килевой качкой и рысканием судна, приводят к потере скорости, ограничению комфортности условий обитания моряков и рыбаков, создают определенную угрозу безопасности судна и затрудняют проведение производственных операций.

Специфическую опасность для проведения морских операций представляет обледенение, вероятность и интенсивность которого увеличивают сильные и штормовые ветры, высокие волны. В подавляющем большинстве наиболее велика вероятность обледенения в тыловой части хорошо развитого циклона при адвекции холодного воздуха, которая сопровождается сильными ветрами преимущественно северо-западного и северного направлений. Зона обледенения располагается в тылу циклона на некотором удалении от холодного атмосферного фронта, где имеют место низкие температуры воздуха и хорошее развитие получает волнение.

Обильные осадки, выпадающие в период созревания зерновых или во время уборки урожая, наносят вред сельскому хозяйству, снежные заносы нарушают нормальную работу всех видов транспорта.

В процессе классического развития циклон обычно превращается в высокое малоподвижное барическое образование с квазивертикальной осью. Продолжительность каждой стадии колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Наименее продолжительны начальные стадии развития циклона.

Возникновение волны на квазистационарном фронте (либо на фронте не имеющем строгой стационарности) сопровождается деформацией термобарического поля тропосферы. Теплый воздух получает тенденцию движения в сторону холодного, давление у вершины волны начинает понижаться, что способствует развитию здесь циклонической циркуляции.

В тылу волны появляется составляющая ветра, направленная от холодного воздуха к теплому – этот участок волны становится холодным. Впереди волны формируется термический гребень, в тылу – термическая ложбина. У поверхности Земли появляются замкнутые изобары.

Перестройка термобарического поля сопровождается изменением вертикальных составляющих движений воздуха и, соответственно, преобразованием фронтальной облачной волны. Впереди волны в результате восходящего скольжения теплого воздуха формируются мощные слоистые облака Ns-As-Cs.

Если первоначально вдоль главного фронта наблюдалась полоса осадков, связанная с конвергенцией трения или с тем, что фронт не имел строгой стационарности, а был, например, холодным на всем протяжении, то при развитии волны облачная полоса становится шире, осадки активизируются, принимая обложной характер.

В тылу волны в результате динамической и термической конвекции формируется кучевообразная облачность.

По мере развития циклона деформация фронтальной облачной полосы увеличивается и циклон переходит в следующую стадию – молодого циклона.

На ранних стадиях циклона можно условно выделить три зоны, различающиеся по своим погодным характеристикам:

1) передняя часть циклона,

2) теплый сектор циклона,

3) тыловая часть циклона.

Погода в передней части циклона формируется под воздействием теплого фронта, который является условной тыловой границей данной зоны.

При надвижении типичной облачной системы теплого фронта (облака восходящего скольжения), которая имеет горизонтальное распространение на тысячи километров, на расстоянии 900-1000 км от линии приземного теплого фронта наблюдатель фиксирует облачную полосу тонких прозрачных перистых облаков (Ci) вместе с перисто-слоистыми.

Перистые облака характерны для переднего края облачной системы теплого фронта. Эти облака находятся на высотах 6-8 км. Перистые облака хорошо просвечивают Солнце, Луну, звезды. Имеют вид параллельных нитей, крючкообразно загнутых вверх (Ci uncinus) Состоят из ледяных кристаллов.

Перисто-слоистые облака представляют прозрачную белую однородную пелену, закрывающую все небо и часто дают явления гало около Солнца или Луны.

С приближением теплого фронта на расстоянии около 600 км от него перистые и перисто-слоистые облака сменяются высоко-слоистыми просвечивающими (As trans.) и высоко-слоистыми плотными (As op.).

Высоко-слоистые просвечивающие облака имеют вид сероватой или синеватой однородной облачной пелены, иногда несколько волокнистого вида, постепенно обволакивающей все небо. Солнце и Луна просвечивают сквозь облачный слой как сквозь матовое стекло. Высоко-слоистые плотные – однородный серый покров, часто неоднородной плотности. Солнце и Луна не просвечивают.

Эти облака в умеренных широтах наблюдаются на высотах 2-7 км. Их вертикальная мощность достигает нескольких километров. Облачная полоса имеет ширину около 300 км. Состоят из смеси переохлажденных капель и кристаллов и дают осадки в виде полос падения, которые зимой могут достигать земной поверхности. Летом осадки из As не достигают поверхности Земли, испаряясь при движении через теплые слои воздуха под облаками (псевдоморосящие осадки).

Под высоко-слоистыми облаками располагаются плотные слоисто-дождевые облака (Ns), вплотную прилегающие к теплому фронту. Ns напоминают по внешнему виду As, но более темного цвета.

Вблизи центра циклона, где наблюдается наибольшая толщина облаков, система облаков As-Ns имеет ширину около 500-600 км.

Обычно облака Ns закрывают все небо без просветов. Зона Ns распространяется в ширину на 300 км. Из Ns выпадают обложные осадки.

Основная часть Ns в умеренных широтах лежит между 2 и 7 км, однако, основание их часто находится ниже 2 км, а верхняя граница может достигать 8 км.

Одни Ns наблюдаются редко – обычно под ними образуются разорванные дождевые облака (Fr nb. – термин Fr nb. относится к разорванно-кучевым или разорванно-слоистым облакам, если они наблюдаются под слоем слоисто-дождевых облаков, из которых выпадают осадки).

Если в пограничном слое профиль теплого фронта пологий, то основная система облаков и зона обложных осадков может быть смещена вперед от линии фронта.

Летом в дневные часы восходящие движения вблизи линии теплого фронта иногда приобретают характер конвективных и в предфронтальной облачности могут наблюдаться конвективные облака, осадки переходят в ливневые, нередко сопровождающиеся грозами.

При скорости теплого фронта около 30 км/ч продолжительность прохождения системы облаков теплого фронта через пункт составляет в среднем около суток, в том числе, зоны обложных осадков – около 10ч.

В передней части циклона отмечается падение давления, все усиливающееся по мере приближения теплого фронта.

Ветер в передней части циклона, движущегося в целом с запада на восток, имеет преимущественно юго-восточное направление.

Погода в теплом секторе циклона отличается прекращением обложных осадков из Ns, повышением температуры воздуха, поворотом ветра от юго-восточного к юго-западному направлению. После прохождения фронта наблюдается значительное ослабление падения давления, которое заканчивается его ростом за холодным фронтом, являющимся тыловой границей теплого сектора.

Летом при значительной облачности в теплом секторе температура воздуха может существенно не отличаться от температуры воздуха перед теплым фронтом. Иногда в теплом секторе могут наблюдаться более низкие температуры воздуха, чем в воздушной массе перед теплым фронтом (маскировка теплого фронта).

Воздушная масса теплого сектора является преимущественно влажной и устойчивой. Здесь могут возникать облака динамической конвекции – слоистые и слоисто-кучевые (St, Sc). Слоистые туманообразные (St neb.) облака могут располагаться так низко, что закрывают верхние части высоких наземных предметов и сходны с туманом. Нередко в теплом секторе наблюдаются адвективные туманы, сопровождающиеся сильным ветром.

Если же динамическая конвекция развита незначительно, например, при слабых ветрах, или же уровень конденсации лежит выше верхней границы динамической конвекции, то наблюдается ясная погода.

Значительных осадков в теплом секторе обычно не наблюдается, из слоистых облаков, являющихся капельно-жидкими, могут выпадать моросящие осадки, а из слоисто-кучевых зимой – слабый снег.

В отдельных случаях вертикальная мощность слоистых облаков возрастает настолько, что они достигают своей верхней границей уровня кристаллизации, превращаются в слоисто-дождевые и начинают давать обложные осадки.

Когда теплый фронт располагается в резко выраженной ложбине и перемещается медленно, восходящие движения могут захватывать и зафронтальную область. В этом случае система облаков восходящего скольжения As-Ns располагается по обе стороны теплого фронта, причем, за фронтом облачная система значительно расслоена и либо не дает осадков, либо осадки слабые, часто имеющие характер мороси.

Летом в теплом секторе циклона над сушей воздушная масса может быть неустойчивой либо с малооблачной погодой, либо с кучевой, иногда кучево-дождевой облачностью, с ливневыми осадками, часто с грозами, в том числе, ночными, радиационными туманами (преимущественно после выпадения дождя и ночного прояснения).

В тыловой части теплого сектора на расстоянии около 200 км от холодного фронта 2-го рода появляются перисто-кучевые облака (Cc), иногда чечевицеобразные (Cc lent.), ниже которых располагаются высоко-слоистые чечевицеобразные (Ас lent.), переходящие постепенно в слоисто-кучевые (Sc). Перед холодным фронтом, параллельно ему, располагается массив кучево-дождевых облаков – плотных и мощных облаков со значительным вертикальным развитием в форме гор и башен. Верхняя часть Cb может быть довольно гладкой (Cb calvus – лысые), но часто имеет форму наковальни (Cb incus), шапки (Cb pileus) или вуали (Cb capillatus, Cb velum).

Кучево-дождевые облака состоят из капелек воды (при низких температурах воздуха – переохлажденных), а в верхних частях – из ледяных кристаллов. Основания облаков лежат обычно ниже 2 км, вершины могут простираться до высот верхней тропосферы. Таким образом их мощность может изменяться от 3 до 10 км.

Основные осадки будут выпадать из полосы Cb перед холодным фронтом, имеющей ширину около 70 км. Осадки из Cb имеют ливневый характер с грозовыми явлениями, градом. При большой сухости теплого воздуха холодный фронт может проходить, не давая осадков.

Для фронтальных гроз особенно характерны шквалы (резкое усиление ветра до 20-30 м/с и более).

В некоторых случаях видимым проявлением шквала является хобот (tuba), представляющий облачный столб, исходящий из основания кучево-дождевого облака с вихревым движением воздуха.

При большом влагосодержании и значительной неустойчивости атмосферы из мощного грозового облака, нижнее основание которого принимает форму опрокинутой воронки, по направлению к поверхности Земли или моря вытягивается гигантский темный хобот.

Если вихрь образуется над морем его называют смерчем, над сушей – тромбом. Навстречу ему приподнимается широкая воронка из пыли (на суше) или воды (на море).

В открытую чашу воронки хобот как бы погружает свой конец (с подъемом воздуха по спирали). Образуется сплошной столб, перемещающийся с большой скоростью (до 100 и более км/ч). Скорости ветра в смерче достигают 50-100 м/с при сильной восходящей составляющей.

Из грозового облака может опуститься несколько смерчевых воронок. При этом происходит втягивание в систему вихря всего, что встречается на его пути, затем эти предметы выпадают из облака, иногда на значительном расстоянии от места всасывания. Время его существования – от нескольких минут до нескольких часов.

Разность давления между центром вихря и его периферией иногда достигает 150-200 гПа. При такой разности давления происходят катастрофические разрушения, ветер может поднять вверх людей, скот, автомобили, крыши домов, мосты.

Погода в циклоне за холодным фронтом типична для неустойчивой холодной воздушной массы. Здесь отмечаются кучевая, кучево-дождевая облачность, ливневые осадки, часто многократно повторяющиеся, иногда днем грозы, шквалы, ночью над материками наблюдаются радиационные туманы. Суточный ход метеорологических элементов особенно велик.

После прохождения холодного фронта отмечаются резкий поворот ветра от южного, юго-западного к северо-западному, увеличение скорости ветра, рост давления, понижение температуры воздуха (холодный воздух при ясной погоде летом быстро прогревается).

Обычно с прохождением холодного фронта осадки прекращаются. Но в случае холодного фронта 1-го рода система облаков, расположенная за фронтом (As-Ns) продолжает давать осадки обложного характера.

Если холодный воздух сухой и в нем интенсивно развиты нисходящие движения, то наблюдается безоблачная погода.

Вторая половина жизни циклона характеризуется уменьшением его поступательной скорости, значительным преобразованием термобарического поля тропосферы – циклон становится высоким, термически симметричным (холодным) барическим образованием. Процесс окклюдирования приводит к вытеснению теплого воздуха, сокращению площади теплого сектора с постепенным его исчезновением. Облачные полосы основных теплого и холодного фронтов смыкаются с образованием единой облачной спирали фронта окклюзии.

На стадии окклюдирования циклона по условиям погоды выделяют 2 зоны:

1) центральная и передняя часть циклона перед фронтом окклюзии,

2) тыловая часть циклона за фронтом окклюзии.

В случае окклюдированного циклона погода различается в зависимости от характеристик воздушных масс по обе стороны от фронта окклюзии.

В случае теплого фронта окклюзии перед ним воздушная масса будет холоднее, чем после прохождения фронта. С теплыми фронтами окклюзии связаны метели, гололеды.

В случае холодного фронта окклюзии, наоборот, тыловая масса будет холоднее. На холодных фронтах окклюзии нередко наблюдаются грозы, часты туманы, особенно при кратковременных ночных прояснениях в зоне фронта.

На фронте окклюзии имеет место сочетание облачных систем холодного и теплого фронтов – образуется общая полоса осадков из слоистых облаков восходящего скольжения (As-Ns) и конвективных кучево-дождевых облаков (Cb), которые будут выпадать как перед линией фронта, так и позади него.

В стадии окклюдирования циклона у поверхности Земли в барических ложбинах за холодным основным фронтом, где имеет место сходимость ветра, иногда образуются вторичные холодные фронты (обычно не более 2-х) – фронты внутри горизонтально неоднородной холодной воздушной массы, за которым вторгается более холодная порция этой же массы. Вторичные фронты имеют систему облаков, сходную с облачностью системы облаков холодного фронта 2-го рода, но вертикальная протяженность облаков меньше, чем у основных.

При этом в циклоне различают 3 зоны с различными характеристиками погоды, аналогично молодому циклону:

1) передняя часть циклона,

2) вторичный теплый сектор циклона, границами которого служат фронт окклюзии и вторичный холодный фронт,

3) тыловая часть циклона – за вторичным холодным фронтом.

По сравнению с теплым сектором молодого циклона во вторичном теплом секторе после кратковременного прояснения, наступающего вслед за прохождением фронта окклюзии, в тылу циклона появляются конвективные облака, связанные со вторичными фронтами, с ливневыми осадками, грозами, шквалами и метелями (рис. 12.30).

Причем, ливневые осадки наблюдаются даже в холодное полугодие, поскольку относительно теплая воздушная масса, расположенная за фронтом окклюзии, обладает значительной неустойчивостью и в верхней тропосфере уже является холодной.

Иногда при наличии на периферии циклона остатков основного теплого сектора, еще выделяют – настоящий теплый сектор.

При дальнейшем заполнении циклона вместо единой облачной полосы фронта окклюзии появляются разрозненные облачные элементы, состоящие преимущественно из кучевых облаков.

Постепенно поля давления и ветра выравниваются, циклон полностью заполняется, но вихревая структура облаков на месте бывшего циклона еще может сохраняться в течение 1-1.5 суток – т.е. значения влажности и температуры еще продолжают отличаться от окружающих значений.