Тропическая депрессия . В этой стадии возникающий вихрь отмечается на карте погоды в виде о6ласти слабо пониженного давления. Погода в этих возможных зародышах будущих ураганов и тайфунов всего лишь несколько хуже окружающей. Ветер не достигает большой силы, а давление падает всего до 1000 гПа. Небольшой безобидный циклон прослеживается до высоты 1,5–3 км.
Тропический шторм . Развитие тропического циклона может представлять собой длительный процесс, требующий нескольких суток, но может носить и “взрыв ной” характер, когда в течение 12 ч возникает хорошо выраженный циклон. В этих случаях в центре молодого циклона наблюдается быстрое падение давления. Ветры, уже достигшие большой силы, образуют вокруг центра кольцо шириной 40–50 км. В самом центре, диаметром 20–30 км, устанавливается относительно хорошая погода со слабым ветром или даже штилем и небольшой облачностью. Здесь, уже при переходе в сильный тропический шторм, формируется глаз бури, одно из удивительных явлений природы. В стадии шторма циклон прослеживается до высоты 7–9 км.
Тайфун (ураган или другое местное название). В этой стадии зрелого тропического циклона падение давления в центре и увеличение скорости ветра постепенно прекращаются. Система циркуляции расширяется по площади, Эта стадия устойчива - может длиться целую неделю. Область штормов и ливней распространяется при этом значительно больше вправо от центра (по направлению движения), чем влево. Размеры тропических циклонов в зрелой стадии могут изменяться в широких пределах. При низком давлении в центре (950 гПа и менее) радиус циклона может не превышать 100 км, но может достигать и 600 км. Глубокие циклоны в этой стадии достигают высоты 15–16 км, т. е. верхняя граница зрелого тропического циклона простирается до высоты тропической тропопаузы. Выше 16–18 км стратосферные восточные течения остаются невозмущенными.
Как было уже показано ранее, граница раздела между холодным воздухом, зародившемся в умеренных широтах, и относительно теплым воздухом более низких широт называется фронтом умеренных широт или полярным фронтом. Этот полярный фронт достаточно большой. С небольшими разрывами он опоясывает всю планету. Именно на этом полярном фронте зарождаются депрессии умеренных широт (рис.2).
Рисунок 2.- Возникновение циклона.
Формированию (зарождению) депрессий способствует большая разность температур между теплыми и холодными воздушными массами. В этих широтах, как известно, преобладает западный перенос. Для формирования циклона на полярном фронте, необходимо, чтобы теплый воздух двигался на восток с большей скоростью, чем холодный воздух. Как правило, такие депрессии начинаются как маленькие волновые возмущения на фронтальной поверхности. Как только появляется волна, теплый воздух устремляется к северу, а холодный к югу. Возникает вихревое движение. Теплый воздух медленно поднимается по клину холодного воздуха на теплом фронте; холодный воздух вклинивается (подтекает) под теплый воздух на холодном фронте. Это начинается у поверхности Земли и постепенно распространяется вверх. Одновременно происходит падение давления в центре; другими словами, депрессия углубляется.
Холодный фронт движется быстрее теплого. Фронты закручиваются, сливаются. Это называется окклюзией (рис.3).
Рисунок 3.- Развитие окклюзии.
Перед фронтом окклюзии находится холодный воздух, который был перед теплым фронтом, за фронтом окклюзии холодный воздух, который до того был за холодным фронтом. Теплый воздух оказывается вытесненным вверх. У Земли разность температур между воздушными массами уменьшается и, поскольку воздух холодный, давление растет.
Хорошо различимы закрученный фронт окклюзии, длинная полоса холодного с плотными кучевыми облаками, короткий участок теплого фронта с широкой зоной слоистой облачности; безоблачные пространства за холодным фронтом.
В общем случае для всех циклонов условно выделяют:
1) стадию возникновения – от начала появления признаков возникновения замкнутой циклонической циркуляции, до первой замкнутой изобары. Продолжается эта стадия обачно менее 12 часов;
2) стадию молодого циклона (стадию углубления ) – от момента появления первой замкнутой изобары на приземной синоптической карте до момента прекращения интенсивного углубления. Это приблизительно длится двое суток;
3) стадию максимального развития – давление в центре циклона изменяется незначительно, начинается окклюдирование;
4) стадию заполнения – от момента интенсивного роста давления в центре циклона до исчезновения замкнутой циклонической циркуляции у земной поверхности. Последние две стадии длятся обачно 3-4 суток.
Для фронтальних циклонов выделяют такие стадии:
1) стадия волны – то же, что и стадия возникновения;
2) стадия молодого циклона – до начала процесса окклюдирования;
3) стадия окклюдирования – от начала окклюдирования до исчезновения циклона. Эта стадия для нефронтальных циклонов включает стадию максимального развития и стадию заполнения.
Серии циклонов.
Число депрессий в семействе меняется, но наиболее часто оно равно четырем. Все циклоны находятся в разных стадиях развития. Первый окклюдирует, в то время как последний может только зарождаться. Циклоны обычно разделены гребнями высокого давления, которые обеспечивают краткие периоды ясной погоды между продолжительными осадками. Завершает это семейство антициклон в субтропиках.
Первый циклон следующей цепочки формируется намного севернее, на восстановившемся полярном фронте.
Регенерация циклонов.
Иногда начавшееся заполнение циклона сменяется новым его углублением. Более широко под регенерацией понимается любое резкое усиление циклона (аналогично антициклона).
Регенерация циклона происходит:
1) при вхождении в систему существующего циклона нового основного фронта;
2) при развитии вблизи центра существующего циклона нового центра с последующим их слиянием или при быстром заполнении старого.
И в первом и во втором случаях обязательным является вторжение в тыл циклона новой порции холодного воздуха. В некоторых случаях процессы регенерации происходят неоднократно, что поддерживает длительное существование обширных малоподвижных циклонов, которые надолго нарушают западный перенос. Их называют блокирующими или центральными.
После регенерации циклон проходит такой же путь развития, как и вновь возникшее барическое образование, но на фоне более низкого давления. Регенерировавший окклюдированный циклон имеет внешние признаки молодого циклона, т.к. в нем есть теплый сектор с характерными для него условиями погоды.
Таким образом, 1) фронтальные циклоны образуются на полярном фронте (фронт умеренных широт) в результате возникновения на нем волны, а затем теплого сектора с теплой и холодной ветвями фронта. Через несколько дней теплый и холодный фронты сливаются, а цент циклона оказывается вытесненным к северу. Теперь он находится в относительно однородной холодной массе. Не имея энергии для поддержки своего существования, циклон исчезает. На это уходит около недели.
2) циклоны следуют обычно серией, как правило, по четыре. Каждый следующий циклон находится южнее предыдущего. Первым в серии идет наиболее старый, находящийся в стадии окклюдирования. Завершает серию циклон в стадии зарождения. Они передвигаются к востоку или северо-востоку (юго-востоку в южном полушарии) и постепенно заполняются.
В жизни циклона выделяют несколько стадий развития:
1. Начальная стадия циклона (стадия волны),
2. Стадия молодого циклона,
3. Стадия максимального развития циклона,
4. Стадия заполнения (окклюдирования) циклона.
Для начальной стадии развития циклона, длящейся примерно сутки, характерен процесс от первых признаков возникновения 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, циклоны имеют уже не менее 2-х замкнутых изобар. Термобарическое поле деформируется, циклон углубляется, превращается в мощный атмосферный вихрь со значительными скоростями ветра. Циклоническая циркуляция распространяется в верхние слои атмосферы.
Третья стадия характеризуется наименьшим давлением в центре циклона. Продолжительность стадии не более 12-24 ч.
В последней стадии циклон заполняется. У поверхности Земли в центре циклона давление повышается. Горизонтальные градиенты давления и скорости ветра постепенно уменьшаются. Данная стадия наиболее продолжительна - 4 суток и более.
Практический опыт синоптика показывает, что наиболее благоприятные условия для развития циклона складываются, когда приземный центр его располагается под передней частью высотной барической ложбины на АТ500, при наличии значительных горизонтальных градиентов геопотенциала (высотная фронтальная зона). Усиливающим эффектом является расходимость изогипс при их циклонической кривизне изогипс, которая по потоку уменьшается. Здесь происходит разрежение воздушных масс, что обусловливает динамическое падение давления.
При повышении температуры в вышележащем слое атмосферы, т.е. при адвекции тепла давление у Земли понижается. Наибольшая адвекция тепла обычно имеет место в передней части циклонов, где происходит адвективное понижение давления, и где формируется область восходящих движений воздуха. Наибольшая адвекция холода наблюдается за холодным фронтом в тылу циклона, адвективное повышение давления и где формируется область нисходящих движений воздуха.
Адвекция (от лат. advectio доставка) в метеорологии перемещение воздуха в горизонтальном направлении и перенос вместе с ним его свойств: температуры, влажности и других.
Начальная стадия циклона (стадия волны)
Длительность начальной стадии циклона от первых признаков возникновения барического образования до появления первой замкнутой изобары на приземной карте погоды - примерно сутки. При возникновении волны на фронте в передней ее части (по направлению движения) фронт приобретает характер теплого, а в тыловой - характер холодного. Если волна неустойчива, она в дальнейшем развивается в циклон, это связано с образованием области пониженного давления и начавшимся циклоническим завихрением воздушного потока. Благодаря сравнительна небольшому волнообразному возмущению фронта (см. рис. 1.1), эта первая стадия развития циклона получила название стадии волны.
Рис. 1.1.
При образовании волнового возмущения облачная полоса, соответствующая фронту, расширяется на участке фронта протяженностью в несколько сотен километров. Расширение обычно наблюдается в сторону холодного воздуха. При дальнейшем развитии волны появляется изгиб облачной полосы в сторону холодного воздуха. Искривление у вершины волны сопровождается уплотнением облаков. Наиболее мощная, а на снимках более яркая, светлая облачность располагается непосредственно над вершиной волны, где наиболее интенсивны восходящие движения воздуха. В передней части облачного массива слоистообразные облака приобретают полосную структуру. Облачные полосы совпадают с направлением правого вертикального сдвига ветра в средней атмосфере. В холодном воздухе за сравнительно широкой полосой фронтальной облачности иногда можно наблюдать одну, две или несколько дугообразных облачных полос, как бы повторяющих искривление основной фронтальной полосы.В теплом воздухе возле фронта относительно мало облаков, но при возникновении волны иногда появляются облачные полосы.
Погода в области циклонической волны определяется наличием в этой области теплого и холодного фронтов. В зоне теплого фронта образуется слоистодождевая облачность большой вертикальной мощности. Наибольшая вертикальная мощность этих облаков обычно наблюдается около вершины волны. Верхняя граница облаков может достигать высоты 6-8 км, а в ряде случаев располагается еще выше. Нулевая изотерма даже в теплое время года располагается внутри облачной системы, вследствие чего в области отрицательных температур в облаках возможно обледенение самолета. Перед теплым фронтом широкой полосой выпадают обложные осадки (летом при развитии куче- водождевых облаков нередки ливневые осадки), сильно ухудшающие видимость. В результате этого в зоне влияния теплого фронта обычно создаются сложные метеорологические условия полетов. Холодный фронт в области волны в большинстве случаев является холодным фронтом 2-го рода с типичн"ой для этого фронта системой облачности и осадков, описанных в предыдущей главе. Отличительной чертой волновой стадии является то, что такой характер погоды наблюдается на сравнительно небольшом участке первоначально стационарного фронта.
Атмосферные возмущения внетропических широт – циклоны и антициклоны – возникают преимущественно на главных атмосферных фронтах, т. е. на фронтах между полярным (умеренным) и тропическим воздухом или между арктическим и полярным воздухом.
Лишь незначительная часть слаборазвитых и малоподвижных вихрей возникает под непосредственным тепловым воздействием ПП.
Возникновение на поверхности главных фронтов огромных волн с длинами порядка 1000 км и более может привести к разрыву температуры и ветра на фронте, а отклоняющая сила вращения Земли, действующая на воздушные потоки, способствует зарождению мезомасштабных вихрей – циклонов и антициклонов. При этом фронтальная поверхность и линия фронта на поверхности Земли испытывают волнообразные деформации. На одних участках (в гребнях волн) фронт отклоняется к низким широтам, а на других (в долинах фронтальных волн) – к высоким широтам. Воздушные течения при этом теряют зональный характер и возникают языки холодного и теплого воздуха – участки холодного и теплого фронтов. В долинах фронтальных волн развиваются циклонические движения и давление падает – образуются циклоны. Центральные части циклонов располагаются непосредственно на фронте, и фронт, таким образом, проходит через внутренние области циклонов. В передней части циклона фронт смещается к высоким широтам и имеет характер теплого фронта. В тыловой части циклона фронт перемещается к низким широтам и имеет характер холодного фронта. В то же время оба они являются участками одного и того же главного фронта. Свойственные фронтам системы облаков и осадков возникают и развиваются на соответствующих участках бывшего малоподвижного стационарного фронта (рис. 28).
Рисунок 9. Стадії циклону: а – молодого;
б – оклюдованого.
Рис. 28. Стадии развития внетропического циклона:
а – малоподвижный фронт на приземной карте погоды; 6 – волновые возмущения на малоподвижном фронте; в – образование циклона на стационарной малоподвижном фронте; г – молодой циклон
Холодный фронт в углубляющемся циклоне движется быстрее теплого. Скорость перемещения холодного фронта составляет около 0,8 скорости геострофического ветра, а теплого – не более 0,65 ее величины. Вследствие этого несоответствия, во-первых, профиль волнообразного изгиба фронтальных поверхностей не будет симметричным: теплый и холодный фронты имеют выпуклость в одну сторону и, во-вторых, с ростом амплитуды возмущения теплый сектор циклона постоянно суживается, так как холодный фронт постепенно нагоняет теплый. В момент смыкания фронтов центральная часть циклона у земной поверхности заполняется холодным воздухом, а теплый воздух оттесняется в более высокие слои.
Это третья стадия развития циклона – стадия окклюзии. Стадия молодого циклона, длящаяся в среднем 12–24 ч, продолжается до тех пор, пока в центре циклона у земной поверхности остается теплый воздух.
Стадия окклюдировання циклона является стадией максимального развития: именно после начала се скорость ветра в циклоне достигает максимального значения. В это время у подстилающей поверхности в циклоне наблюдается наиболее низкое давление и циклон становится высоким холодным барическим образованием. В дальнейшем наступает последняя (четвертая) стадия развития циклона – стадия заполнения: атмосферное давление растет, скорость ветра уменьшается и возмущение постепенно затухает.
Рассмотренная схема развития внетропических циклонов является типичной, но не обязательной во всех случаях. Зарождение циклонов возможно не только на стационарных, но и на медленно перемещающихся холодных, а иногда и теплых фронтах. Кроме того, после начала окклюдирования не обязательно следует стадия заполнения циклона. Если после окклюзии в циклоне остается некоторая вторичная термическая асимметрия вследствие разности температур холодного воздуха перед и за фронтом окклюзии, то возможно продолжение углубления циклона и после окклюдирования. Особенно часто это наблюдается тогда, когда холодный воздух в тылу циклона теплее, чем в передней части циклона.
Наиболее глубокие внетропические (фронтальные) циклоны со штормовыми ветрами возникают в тех случаях, когда в процессе циклогенеза участвуют воздушные массы трех основных типов: тропического, полярного и арктического. Например, если центр молодого циклона, зародившегося на полярном фронте, оказывается вблизи арктического фронта, то арктический воздух входит в область циклона и усиливает его термический контраст. В этом случае циклоны характеризуются особенной глубиной, большими барическими градиентами и соответствующими скоростями ветра. Такие циклоны чаще всего зарождаются в осенне-зимний период над Северной Атлантикой.
С процессом циклогенеза тесно связан и механизм развития антициклонов. По существу это единый процесс, связанный с длинными волнами на стационарном фронте.
Атмосферные возмущения внетропических широт – циклоны и антициклоны – возникают преимущественно на главных атмосферных фронтах, т. е. на фронтах между полярным (умеренным) и тропическим воздухом или между арктическим и полярным воздухом.
Лишь незначительная часть слаборазвитых и малоподвижных вихрей возникает под непосредственным тепловым воздействием ПП.
Возникновение на поверхности главных фронтов огромных волн с длинами порядка 1000 км и более может привести к разрыву температуры и ветра на фронте, а отклоняющая сила вращения Земли, действующая на воздушные потоки, способствует зарождению мезомасштабных вихрей – циклонов и антициклонов. При этом фронтальная поверхность и линия фронта на поверхности Земли испытывают волнообразные деформации. На одних участках (в гребнях волн) фронт отклоняется к низким широтам, а на других (в долинах фронтальных волн) – к высоким широтам. Воздушные течения при этом теряют зональный характер и возникают языки холодного и теплого воздуха – участки холодного и теплого фронтов. В долинах фронтальных волн развиваются циклонические движения и давление падает – образуются циклоны. Центральные части циклонов располагаются непосредственно на фронте, и фронт, таким образом, проходит через внутренние области циклонов. В передней части циклона фронт смещается к высоким широтам и имеет характер теплого фронта. В тыловой части циклона фронт перемещается к низким широтам и имеет характер холодного фронта. В то же время оба они являются участками одного и того же главного фронта. Свойственные фронтам системы облаков и осадков возникают и развиваются на соответствующих участках бывшего малоподвижного стационарного фронта (рис. 28).
Рисунок 9. Стадії циклону: а – молодого;
б – оклюдованого.
Рис. 28. Стадии развития внетропического циклона:
а – малоподвижный фронт на приземной карте погоды; 6 – волновые возмущения на малоподвижном фронте; в – образование циклона на стационарной малоподвижном фронте; г – молодой циклон
Холодный фронт в углубляющемся циклоне движется быстрее теплого. Скорость перемещения холодного фронта составляет около 0,8 скорости геострофического ветра, а теплого – не более 0,65 ее величины. Вследствие этого несоответствия, во-первых, профиль волнообразного изгиба фронтальных поверхностей не будет симметричным: теплый и холодный фронты имеют выпуклость в одну сторону и, во-вторых, с ростом амплитуды возмущения теплый сектор циклона постоянно суживается, так как холодный фронт постепенно нагоняет теплый. В момент смыкания фронтов центральная часть циклона у земной поверхности заполняется холодным воздухом, а теплый воздух оттесняется в более высокие слои.
Это третья стадия развития циклона – стадия окклюзии. Стадия молодого циклона, длящаяся в среднем 12–24 ч, продолжается до тех пор, пока в центре циклона у земной поверхности остается теплый воздух.
Стадия окклюдировання циклона является стадией максимального развития: именно после начала се скорость ветра в циклоне достигает максимального значения. В это время у подстилающей поверхности в циклоне наблюдается наиболее низкое давление и циклон становится высоким холодным барическим образованием. В дальнейшем наступает последняя (четвертая) стадия развития циклона – стадия заполнения: атмосферное давление растет, скорость ветра уменьшается и возмущение постепенно затухает.
Рассмотренная схема развития внетропических циклонов является типичной, но не обязательной во всех случаях. Зарождение циклонов возможно не только на стационарных, но и на медленно перемещающихся холодных, а иногда и теплых фронтах. Кроме того, после начала окклюдирования не обязательно следует стадия заполнения циклона. Если после окклюзии в циклоне остается некоторая вторичная термическая асимметрия вследствие разности температур холодного воздуха перед и за фронтом окклюзии, то возможно продолжение углубления циклона и после окклюдирования. Особенно часто это наблюдается тогда, когда холодный воздух в тылу циклона теплее, чем в передней части циклона.
Наиболее глубокие внетропические (фронтальные) циклоны со штормовыми ветрами возникают в тех случаях, когда в процессе циклогенеза участвуют воздушные массы трех основных типов: тропического, полярного и арктического. Например, если центр молодого циклона, зародившегося на полярном фронте, оказывается вблизи арктического фронта, то арктический воздух входит в область циклона и усиливает его термический контраст. В этом случае циклоны характеризуются особенной глубиной, большими барическими градиентами и соответствующими скоростями ветра. Такие циклоны чаще всего зарождаются в осенне-зимний период над Северной Атлантикой.
С процессом циклогенеза тесно связан и механизм развития антициклонов. По существу это единый процесс, связанный с длинными волнами на стационарном фронте.