Циклоны и антициклоны.

Атмосфера является чрезвычайно подвижной средой, где постоянно формируются и разрушаются вихри различных размеров.

Самые мелкие из них со скоростями ветра 100-200 м/с– смерчи и торнадо, обладающие большой разрушительной силой, имеют диаметр от 20 м до 1-2 км. Время их существования – от нескольких минут до нескольких часов.

Наиболее крупные атмосферные вихри – внетропические циклоны и антициклоны, имеющие различные размеры и достигающие в диаметре нескольких тысяч километров.

Кроме внетропических циклонов и антициклонов выделяют еще тропические циклоны, субтропические антициклоны.

Тропические циклоны зарождаются в штилевой зоне над океанами (преимущественно между широтами 5-20 ° обеих полушарий). В зависимости от района образования тропические циклоны они носят следующие названия: в тропической зоне Тихого океана – тайфуны, в Атлантике – ураганы, в Австралии – вилли-вилли.

По сравнению с внетропическими вихрями, тропические циклоны имеют меньшие размеры (десятки и сотни километров), но обладают значительно большими энергетическими ресурсами.

В северном полушарии тропические циклоны образуются преимущественно во второй половине лета и осенью, в южном полушарии – чаще в декабре-марте. Давление в центре тропического циклона в среднем составляет 960-970 мб, но зафиксированы значения до 900 мб и ниже.

Интересной особенностью тропических циклонов является глаз бури – зона в центре, имеющая круглую форму, диаметром до нескольких десятков километров (до 60 км).

В этой зоне наблюдаются мощные нисходящие движения воздуха, значительно повышающие температуру воздуха, отсутствие облачности и осадков, слабые ветры.

При прохождении тропического циклона возникают скорости ветра, не поддающиеся измерениям. О них судят по разрушениям, остающимся после прохождения тропического циклона. Осадки тропических циклонов можно сравнить с водопадами, низвергающимися с неба. Тропические циклоны наносят огромный материальный ущерб и уносят немало человеческих жизней.

Субтропические антициклоны возникают над океанами по обе стороны от 30-35 параллели. На климатических картах выделяют перманентные субтропические антициклоны в северном полушарии: северотихоокеанский максимум в Тихом океане, азорский – в Атлантике, в южном полушарии: южно-атлантический, южно-тихоокеанский.

Первые попытки представления об атмосферных вихрях – циклонах и антициклонах – оформились в середине 19 века, когда было замечено, что внетропические циклоны и антициклоны играют особо важную роль в изменении погоды на больших пространствах.

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.

С антициклонами связывают ясную солнечную погоду без осадков со слабыми ветрами. Но встречаются антициклоны и со сплошной облачностью, осадками, свежими ветрами. Зимой антициклоны приносят с севера морозную погоду с хорошей видимостью. Летом в антициклонах развиваются кучевые и кучево-дождевые облака с ливнями и грозами.

Диаметр циклонического вихря может достигать 2-3 тысяч километров, диаметр антициклона – 3-4 тысяч километров.

На картах погоды можно увидеть одноцентровые и моногоцентровые циклоны и антициклоны, когда два или более центра ограничены общими замкнутыми изобарами или изогипсами. При этом нередко для циклонических областей применяют термин “двухцентровая депрессия”, “многоцентровая депрессия”.

Кроме этого как для циклонов, так и антициклонов, допускается использование терминов “мощный”, “ослабевает”, “старый” “молодой”, “активизируется”, “размытое барическое образование”, “минимум” – для циклонического поля, “максимум” – для антициклонического поля.

При характеристике интенсивности циклона употребляют термины: “глубокий циклон” – вихрь с несколькими замкнутыми изобарами и низким давлением в центре; “неглубокий циклон” – при давлении в центре на 5-10 мб ниже, чем на периферии, “заполняющийся циклон” – при повышении давления в центре, “углубляющийся циклон” – при понижении давления в центре.

При характеристике интенсивности антициклона в случае роста (понижения) давления в центре употребляют термин “усиливается” (“разрушается”).

Если интенсивность различна, то циклон, возникший на периферии уже существующего называют вторичным или частным. В случае подобной ситуации для антициклонического поля – вторичный антициклон или отрог.

Барические образования смещаются в соответствии с основным переносом воздушных масс с запада на восток. Но при этом их траектории могут иметь свои особенности. В целом у циклонов преобладают траектории, направленные с юго-запада на северо-восток, у антициклонов – с северо-запада на юго-восток.

Обычно при характеристике траектории употребляются дополнительно название географического района либо части света, откуда смещается барическое образование: южный циклон – циклон, смещающийся с юга, западный – с запада. Термин “полярный” у антициклона означает смещение с северо-запада, ультраполярный – с северо-востока, “ныряющий” циклон означает перемещение с севера или северо-запада на юг или юго-восток.

В некоторых районах барические образования становятся малоподвижными и могут существовать (стационировать) длительное время.

Длительно существующие обширные глубокие малоподвижные циклоны называют центральными. Малоподвижные длительно существующие области высокого давления называют стационарными или блокирующими антициклонами.

При этом сюда вливаются новые барические образования того же знака. В этом случае говорят о синоптических центрах действия атмосферы, указывая их географическое положение (исландский циклон, северотихоокеанский антициклон и т.д.).

На климатических картах атмосферного давления (месячных, сезонных и годовых) выявляются климатологические центры действия атмосферы (ЦДА). Например, алеутская депрессия, северотихоокеанский максимум, исландский минимум и т.д.

Большая часть циклонов и антициклонов относятся к фронтальным барическим образованиям.

Вследствие неравномерного распределения тепла по широтам и постоянного переноса холодных и теплых масс воздуха в тропосфере происходит неравномерное распределение горизонтальных градиентов температуры. Районы, где происходит сближение тропосферных масс воздуха с различными температурными свойствами, называются тропосферными фронтальными зонами. Фронтальные зоны тропосферы являются зонами наибольших запасов потенциальной энергии, которая расходуется на образование фронтальных циклонов и антициклонов.

Кроме фронтальных барических образований, могут существовать и нефронтальные циклоны и антициклоны, формирующиеся в однородной воздушной массе под воздействием прогрева или охлаждения подстилающей поверхности – термические или местные циклоны и антициклоны, локально связанные с конкретным районом. Зимой местные циклоны возникают над открытыми морями, окруженными холодной сушей, летом– над прогретыми участками континента.

Термические антициклоны летом возникают над охлажденными морями, зимой – над выхоложенными частями суши. Как правило, это неглубокие и размытые барические образования с малыми барическими градиентами. Продолжительность их существования может не превышать нескольких часов.

Под влиянием местного препятствия на наветренной стороне иногда возникают орографические антициклоны, на подветренной – орографические циклоны. Орографические циклоны и антициклоны обычно привязаны к конкретному физико-географическому району (например орографические циклоны северного Кавказа, Скандинавии), они малоподвижны и исчезают при смене направления воздушного потока.

При благоприятных циркуляционных условиях и термические и орографические циклоны и антициклоны могут превратиться во фронтальные барические образования и приобрести поступательное движение.

Еще до того, как при помощи высотных измерений было обнаружено существование струйных течений, Бергенская школа метеорологов в Норвегии разработала модель образования депрессии на полярном фронте. Основные черты этой модели показаны на рис. 2.1.11.

Рис. 2.1.11. Развитие циклона средних широт согласно бергенской модели (по Н Стралеру)

Циклон, или депрессия, образуется там, где на полярном фронте развивается волна, приводящая к проникновению языка теплого тропического воздуха в область полярной воздушной массы. Поскольку вся система движется на восток, теплый фронт, вдоль которого перемещается теплый воздух, вытесняя собой холодный воздух, отличается от холодного фронта, следующего за ним, в котором ситуация противоположна. Воздушные массы сходятся вдоль полярного фронта, и теплый воздух стремится расположиться над холодным воздухом в теплом фронте, в то время как в холодном фронте холодный воздух подтекает под теплый. Подъем воздуха приводит к понижению давления на поверхности; при этом изобары окружают центр низкого давления. Около поверхности ветры дуют поперек изобар под углом, величина которого определяется характеристиками поверхности. В результате получается, что воздух движется по спиралям к центру депрессии и одновременно поднимается. По мере того как воздух в теплом секторе постепенно поднимается, холодный фронт сближается с теплым наступает фаза окклюдирования депрессии. Хотя наверху присутствует теплый воздух, а изобары и поле ветра все еще указывают на циклонический характер движений, однако единственным фронтальным контрастом на поверхности является граница раздела между вновь поступившим холодным воздухом, располагающимся в тыловой части депрессии, и трансформированным холодным воздухом в передней части. Такая окклюзия может быть как холодной, так и теплой в зависимости от процессов, определивших трансформацию холодного воздуха. Время существования этих депрессий зависит от длительности процесса превращения потенциальной энергии в кинетическую; они разрушаются, когда исчезает контраст между соседними воздушными массами.

Поскольку депрессии связаны с подъемом воздуха (а значит, и с конденсацией водяного пара) и с сильными ветрами, они значительно влияют на погоду (рис. 2.1.12.), которая может рассматриваться как одна из особенностей теплого и холодного фронтов депрессии.

Рис. 2.1.12. Типичная фронтальная депрессия в северном полушарии Показаны изобары (давление в мб), фронты, ветер, облака и области осадков.

Теплые фронты обычно имеют наклоны менее 1/100. Таким образом, подъем воздуха происходит постепенно (до момента, пока теплый воздух не станет неустойчивым), с образованием слоистых форм облаков. Первый знак приближения теплого фронта появление перистых облаков на высотах порядка 10 км. По мере приближения фронта облака становятся мощнее и высота их уменьшается. Сама поверхность фронта ведет себя как устойчивый слой, иногда как инверсия, поэтому все облака, формирующиеся в холодном воздухе позади фронта, имеют ограниченную вертикальную мощность. Высоко-слоистые облака чаще всего несут с собой моросящий дождь, находясь в 500 км впереди фронта, и уступают место по мере его продвижения слоисто-дождевым облакам, приносящим сильный дождь.

Впереди теплого фронта давление постепенно падает, температура медленно растет, а ветры (в северном полушарии) дуют в основном с юга, причем с возрастающей силой. После прохождения фронта они меняют направление на юго-западное. В теплом секторе депрессии температура, давление и ветер остаются примерно постоянными. Количество облаков и осадков зависит существенным образом от характеристик теплой воздушной массы. Как правило, она является устойчивой, но в ряде случаев (особенно когда элементы орографии вызывают подъем воздуха) могут развиваться слоистые облака, приносящие моросящий дождь, а в солнечный полдень образуются кучевые облака. Над относительно холодной поверхностью моря наблюдается адвективный туман и видимость обычно плохая.

Приближение холодного фронта означает резкое изменение погоды. Холодный воздух подтекает под теплый, при этом наклон холодного фронта составляет около 1/50 и увеличивается у поверхности, где продвижение фронта замедлено из-за трения. Восходящие потоки, таким образом, более сильные, поэтому в них легче развивается неустойчивость. Это приводит к образованию кучево-дождевых облаков в виде башен и выпадению значительных ливней, сопровождаемых грозами. Ветер обычно при прохождении фронта резко меняет направление на северное или северо-западное (в северном полушарии) и резко усиливается, переходя в шквал. Температура при этом резко падает, давление начинает расти, и видимость существенно улучшается (за исключением районов, где идут ливни). Погода за холодным фронтом зависит от характеристик холодной воздушной массы. Неустойчивость атмосферы приводит к установлению ясной погоды, но с большим количеством ливней.

Окклюзиям также сопутствуют облачность и осадки (рис. 2.1.13). Теплая окклюзия по своим чертам напоминает теплый фронт, но при этом впереди приземного фронта располагается верхний холодный фронт, которому сопутствуют кучевая и кучево-дождевая облачность и ливни. При прохождении холодной окклюзии наблюдаются некоторые особенности холодного фронта с той разницей, что ей предшествует (и в какой-то степени за ней следует) облачность, характерная для теплого фронта. Редкая облачность после прохождения холодной окклюзии не столь характерна, как в случае холодного фронта.

Фронтальные депрессии южного полушария в принципе такие же, как и в северном полушарии, однако если на фронтах северного полушария ветер поворачивает по часовой стрелке, то в южном полушарии он поворачивает в обратном направлении (с севера на северо-запад на теплом фронте и с запада на юго-запад на холодном).

Рис. 2.1.13. Окклюдированный циклон, показанный в поле изобар, и вертикальные разрезы окклюзии теплого (б) и холодного (в) типов.

Подобные модели позволяют делать прогноз погоды на сутки во фронтальных депрессиях при условии, что синоптические наблюдения охватывают достаточно большую площадь. Для Европы район наблюдений должен простираться на запад, охватывая прилегающие районы Атлантического океана, поскольку депрессии обычно движутся со скоростью 1000 км в день (направление и 70% скорости приземного геострофического ветра в теплом секторе дают примерную оценку для перемещения депрессии). Каждая депрессия имеет свои индивидуальные особенности, и ни одна идеализированная модель не может описать какую-то конкретную депрессию. Однако общие черты представленных выше моделей можно найти в каждом отдельном случае. Наблюдения в верхних слоях атмосферы существенно облегчают прогноз погоды в районе, занятом депрессией, благодаря двум обстоятельствам. Во-первых, известно, что между дивергенцией западного потока верхней тропосферы и образованием депрессии (циклогенезом) имеется связь, позволяющая использовать соображения завихренности (глава 12); во-вторых, ясна роль западного потока в “управлении” поведением депрессии. В средних широтах помимо класса фронтальных депрессий, описанных выше, встречаются и другие типы депрессий. Фронтальные депрессии часто двигаются вдоль полярного фронта целыми семействами, и часто вторичные депрессии вовлекаются в движение вокруг большого циклона. Наиболее распространены среди них депрессии, образующиеся “на хвосте” холодного фронта первичного циклона и оказывающиеся “сцепленными” с ним. Как правило, каждый последующий член семейства депрессий двигается по траектории, расположенной ближе к экватору, чем траектория предыдущего. Не фронтальные депрессии средних широт включают в себя орографические циклоны, образующиеся с подветренной стороны основных препятствий, создаваемых рельефом; термические циклоны, возникающие из-за неравномерного нагрева поверхности, в особенности поверхности суши в летний период, полярные циклоны, которые иногда формируются при движении холодной неустойчивой воздушной массы над теплой поверхностью моря.