Часть третья. Циклоны.

По материалам книги "Спутниковая метеорология", М.А.Герман
Опубликовано 25-11-2007

Облачные вихри

Облачные вихри представляют собой крупномасштабные спиралевидные облачные образования. Термин "облачный вихрь" носит условный характер. Центр сходимости спиралей является центром облачного вихря. В циклоническом облачном вихре сходимость полос к центру в северном полушарии наблюдается против часовой стрелки, в южном-по часовой стрелке. Вне циклона вихревая структура встречается редко и всегда бывает связана с циклонической циркуляцией на том уровне, где располагаются облака. Формы и масштабы облаков циклонических вихрей зависят от характера циркуляции, контраста температур на фронте, на котором образовался циклон, а, следовательно, и от характера вертикальных движений в атмосфере. Большие по площади и хорошо развитые циклоны могут иметь частные циклоны, вращающиеся вокруг основного центра В каждом облачном вихре можно обнаружить основную облачную спираль, представляющую собой облачную полосу шириной примерно от 100 до 400 км, кривизна которой по мере удаления от центра облачного вихря постепенно уменьшается. В отдельных случаях облачные вихри могут иметь и несколько спиралей. По морфологическим признакам, согласно исследованию Поповой, можно выделить три основных вида циклонических облачных вихрей:

Основные виды облачных вихрей

1) облачные вихри, состоящие из правильных вытянутых облачных спиралей, близких по форме к гиперболической или логарифмической спирали (кривые I и II). Линейные размеры их, как правило, больше 1000 км. В одном облачном вихре таких спиралей может быть одна, иногда две, редко три. Такие облачные вихри соответствуют термически асимметричным, развитым, изолированным и в основном подвижным циклонам;

2) облачные вихри правильной круглой формы, размеры их в поперечнике 500-800 км (кривые III и IIIa). Вихри эти состоят из одной или нескольких симметрично расположенных облачных спиралей, по внешнему виду напоминающих архимедову спираль. Такие облачные вихри связаны с изолированными, термически симметричными, малоподвижными циклонами;

3)облачные вихри неправильной причудливой формы (кривая IV). Такие облачные вихри имеют различные размеры, от нескольких сотен до 1500- 2000 км. Они возникают в системе циклона со сложной структурой барического и термического поля; образуются обычно в результате регенерации или слияния двух или нескольких циклонов, а также в результате возникновения новых циклонов и волновых возмущений в системе основного циклона.

Каждый облачный вихрь проходит определенный жизненный цикл, в течение которого меняется форма его облачной спирали. Средний цикл жизни облачного вихря, по оценкам Поповой, около 3,5 суток. Наиболее часто удается проследить облачный вихрь в течение 2-3 суток. По истечении этого периода облачный покров деформируется обычно настолько, что спиралевидную его структуру проследить очень трудно. Но в отдельных случаях один и тот же облачный вихрь прослеживается 5-6 суток. Поэтому деление облачных вихрей на указанные здесь виды является условным. С течением времени меняется также и облачность, из которой формируется облачный вихрь. В начальной стадии возникновения циклонического вихря он состоит преимущественно из облаков слоистых форм, которые с течением времени сменяются облачностью кучевых форм.

Стадии развития циклона

В синоптическом анализе известны четыре стадии развития циклона, которые определяются по степени сближения холодного и теплого фронтов, в то же время телевизионные и инфракрасные снимки позволяют различить стадию развития по структуре самой облачности. Установлено, что определенный вид вихревой структуры облачности характеризует степень развития циклона. Этот факт связан с тем, что в процессе развития циклона его облачная система принимает все более и более спиралевидный характер, образуя хорошо оформленный облачный вихрь.
Рассмотрим краткую характеристику структуры облачности для различных стадий развития циклона, которые удается проследить на снимках, полученных со спутника.

Облачность фронтальной волны

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, вытянутые более или менее по потоку.

Фронтальная волна

В том случае, если волна развита слабо, выражается в искривлении фронта и оформлена одной замкнутой изобарой, на снимке обычно бывает видно расширение облачной полосы, не сопровождающееся характерным циклоническим изгибом того участка фронтальной облачной полосы, который соответствует холодному фронту тыла волны. Когда волна развита хорошо, у поверхности Земли обнаруживаются две-три замкнутые изобары, падает давление, формируется зона осадков. Но такую волну нельзя называть молодым циклоном, поскольку нет еще выраженного термического гребня впереди волны и ложбины в тылу, и недостаточно четко прослеживается циркуляция в средней тропосфере. В подобных случаях на ТВ снимках видно заметное сужение облачной полосы холодного фронта в области волны.

Облачность молодого циклона

Для этой стадии развития циклона характерно то, что облачный массив приобретает вихревую структуру. Фронтальная облачная полоса продолжает деформироваться. При ее широтном расположении участок холодного фронта вместе с облачной системой прогибается к югу, а у вершины волны вытягивается к северу.
Облачность молодого циклона имеет полосное строение, причем полосы спирально сходятся к точке, образуя облачный вихрь. Согласно Мининой, центр облачного вихря совпадает с центром циклона в нижних 3 км и располагается в передней части по отношению к барической ложбине на уровне 500 hPa.

В стадии молодого циклона наиболее мощная облачность наблюдается у вершины еще широкого теплого сектора. В теплом секторе циклона преобладает малооблачная погода. Иногда перед теплым фронтом могут появиться узкие гряды сравнительно более ярких облаков, которые ориентированы параллельно краю фронтальной облачности. Эти гряды свидетельствуют о наличии более неустойчивого воздуха перед теплым фронтом, в котором летом могут развиваться кучевообразных облака. В отдельных случаях завихренность облачности в молодом циклоне прослеживается довольно слабо. Поскольку стадия молодого циклона длится недолго, эту облачную систему не всегда удается зафиксировать со спутника.
Известно, что стадия молодого циклона характеризуется наличием у поверхности Земли двух-трех замкнутых изобар, четко выраженной циклонической циркуляцией в нижних слоях тропосферы и наличием теплого гребня в передней части циклона и холодной ложбины в тыловой. У такого циклона граница завихренной облачной зоны примерно совпадает с крайней замкнутой изобарой.

Облачная система развитого циклона

На стадии максимального развития с облачной системой циклона происходят очень существенные и быстрые изменения в структуре. Она приобретает резко выраженную спиралевидную форму. В центральной части происходит смыкание облачных спиралей, связанных с теплым и холодным фронтами, в единую спираль, закручивающуюся к центру высотного циклона.

Развивающийся циклон над Валенсийсим заливом

Очень часто индикатором стадии максимального развития циклона является сужение теплого сектора. В этом случае на ТВ снимках отчетливо видно уменьшение безоблачного или малооблачного пространства между теплым и холодным фронтом. Сравнительно малооблачная зона прослеживается в тыловой части циклона, здесь интенсивно развиваются гряды кучевообразных облаков, которые вытянуты вдоль линий в слое трения. Таким образом, для стадии развитого циклона характерно образование четырех спиралей - двух облачных и двух безоблачных. Эти спирали сходятся к центру циклонической циркуляции на уровне облаков, причем облачная спираль, связанная с холодным фронтом, становится доминирующей. Начинается образование фронта окклюзии, который формируется из двух смыкающихся облачных спиралей.

Облачность окклюдирующегося циклона

Характерным индикатором окклюдирующегося циклона является то, что облачная полоса, связанная с теплым фронтом, деградирует полностью, от нее остается лишь небольшой выступ. Широкая облачная полоса - основная облачная спираль циклона обычно соответствует фронту окклюзии, который переходит в холодный фронт, имеет форму единой спирали. Рядом с облачной полосой очень часто наблюдается безоблачная зона, имеющая также вид спирали. Такая структура облачности окклюдирующегося циклона остается устойчивой в течение длительного времени (до трех суток).

За холодным фронтом могут наблюдаться поля конвективных ячеек. Ячейки состоят из кучевообразных облаков, которые образуются тогда, когда холодный воздух начинает прогреваться от подстилающей поверхности. Образование облаков конвекции свидетельствует о значительной неустойчивости холодного воздуха. Количество и мощность конвективной облачности могут быть различными и зависят от влажности холодного воздуха, степени его устойчивости и состояния подстилающей поверхности.
С усилением ветра поля конвективных ячеек формируются в гряды. Гряды ориентируются вдоль векторов вертикального сдвига ветра, (сдвиг ветра представляет собой так называемый термический ветер, направленный вдоль изотерм) и поэтому часто сходятся к центру холода. Места сходимости гряд указывают на расположение областей холода.
Центр окклюдирующегося циклопа находится вблизи вершины облачной спирали, а центр высотного циклона обычно точно соответствует центру облачного вихря.
В тыловой части облачного вихря образуется замкнутая область холода, положение термического гребня сохраняется таким же, как у циклона в стадии максимального развития. Очаг максимального падения давления располагается в передней части облачной зоны, связанной с фронтом окклюзии, а очаг роста - в зоне прояснения за холодным фронтом.
Облачность окклюдированного циклона. Для изображения окклюдированного циклона на телевизионных и инфракрасных снимках характерно наличие вихревой облачной системы, изолированной от облачных полос, связанных с фронтальными разделами. Облачные витки в этом случае четко отделяются друг от друга промежутками с почти полным отсутствием облаков.

Облачная система, связанная с фронтом окклюзии и холодным фронтом, на этой стадии развития циклона деградирует и оттесняется па периферию циклона. B стадии окклюдированного циклона могут наблюдаться облачные спирали небольших размеров, сформированные из мощных кучевых и кучево-дождевых облаков. Они обычно находятся в тыловой части циклона и наиболее часто наблюдаются в летний период. Облачная система окклюдированного циклона может существовать в течение нескольких суток. Облачная система регенерировавшего циклона приведена на рисунке. В заключение отметим, что рассмотренная структура облачности циклонов, находящихся в различных стадиях развития, является типичной, но не охватывает всего многообразия встречающихся в природе форм.
Достаточно сказать, что спиралевидная структура облаков прослеживается со спутника далеко не у всех циклонов. Если наличие облачного вихря в большинстве случаев говорит о присутствии циклона, то обратное утверждение не всегда верно.
Над однородной поверхностью океанов рисунок облачности в циклоне бывает более четким, и облачные вихри прослеживаются в виде правильных фигур. Над изрезанным рельефом суши рисунок облачности более сложный, и правильные геометрические линии часто искажаются под влиянием облаков, образование которых обусловлено неровностями земной поверхности.
Вторичные облачные вихри в циклонах. Иногда в системе развитого циклопа можно обнаружить несколько облачных вихрей. При этом центр одного из них - основного - обычно располагается вблизи центра циклона, а "вторичные" вихри, представляющие собой изолированную от основного вихря облачную систему, сдвинуты на периферию циклона. Размеры вторичных облачных вихрей обычно небольшие, они составляют около 200-300 км в диаметре. Наиболее часто вторичные вихри появляются в тыловой холодной части циклона под осью термической ложбины. Облачная система их сформирована из облаков кучевообразных форм. В отдельных случаях вторичные вихри появляются с тыловой стороны облачной системы, связанной с фронтом окклюзии, тогда они состоят из слоистообразных и кучевообразных облаков.
Исследования показывают, что в тех случаях, когда вторичный вихрь появлялся в зоне конвективных облаков за холодным фронтом или вблизи точки окклюзии, то в этом районе через определенный промежуток времени возникал циклон (волна). Поэтому информация о появлении подобных вихрей полезна в анализе синоптического положения, так как они могут служить признаком циклогенеза на холодном фронте или вблизи точки окклюзии.

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).

Холодный фронт в углубляющемся циклоне движется быстрее теплого. Ско­рость перемещения холодного фронта составляет около 0,8 скорости геострофи- ческого 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 теп­

Рис. 28. Стадии развития внетропического циклона;

а - малоподвижный фронт на приземной карте погоды; б - волновые возмущения на малоподвижном фронте; в - образование циклона на стационарном малоподвижном фронте; г - молодой циклон

лый. 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 окклюдирования циклона является стадией максимального развития: именно после начала ее 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.

Антициклоны зарождаются в гребнях сверхдлинных атмосфер­ных волн на малоподвижном фронте. Анализ синоптических ситуа­ций показывает, что промежуточные антициклоны зарождаются в холодной воздушной массе за холодным фронтом последнего в се­рии циклона. В центральных частях антициклонов атмосферные фронты проходить не могут, хотя некоторая температурная асим­метрия в них сохраняется. На перифериях антициклонов могут проходить линии атмосферных фронтов.

Антициклоны в процессе своего развития проходят три ста­дии: зарождения, максимального развития и разрушения. На пер- 66

Рис. 29. Стадии развития антициклона:

а - стадия зарождения; б - стадия максимального развития

вой стадии своего развития антициклоны являются низкими бари­ческими образованиями в виде гребней без замкнутых изобар. Адвективный рост давления обусловливается поступлением холод­ного воздуха впереди оси гребня (рис. 29, а). В стадии мак­симального развития антициклоны имеют несколько замкнутых изобар (рис. 29, б).

Заключительная стадия антициклонов (стадия разрушения) характеризуется термической симметрией: антициклон становит­ся высоким барическим образованием.

Антициклоны занимают огромные площади материков или оке­анов (3000-4000 км в диаметре). Особенно мощные антициклоны формируются зимой над материками, а летом - в субтропичес­ких районах Тихого и Атлантического океанов. В большинстве случаев давление в центре антициклона над поверхностью сос­тавляет 1020-1030 гПа. Центральные области антициклонов ха­рактеризуются небольшими градиентами давления. К периферии градиенты возрастают и, следовательно, растут скорости ветра. Наибольшие скорости ветра чаще всего наблюдаются в северо- восточной и восточной перифериях антициклонов, наименьшие - в западной.

Антициклоны перемещаются в основном с запада на восток с меньшими, чем у циклонов, скоростями. Средние скорости дви­жения антициклонов составляют 25-30 км/ч, но могут достигать и больших значений (50-80 км/ч). С развитием антициклонов скорости перемещения их падают, и они становятся малопод­вижными барическими образованиями. Повторяемость антицикло­нов в теплую половину года над океанами больше, чем в холодную.

Рассмотренные схемы зарождения и развития циклонов и антициклонов отражают лишь главные их черты. В реальных условиях могут быть значи­тельные отклонения от этих схем. Необязательно циклон проходит все четыре стадии развития. Начальная стадия его - стадия фронтальной волны - может иметь место на медленно перемещающихся холодных, а иногда и теплых фрон­тах. Вследствие вторичной термической асимметрии отличия могут быть и в последней стадии развития циклона, когда циклон может углубляться и после окклюзии вследствие разницы температур холодного воздуха перед и за фронтом окклюзии. Особенно часто это происходит в тех случаях, когда холодный воздух в тылу циклона теплее, чем в передней части его.

Углубление циклонов (нередко до 950-960 гПа) за счет вторичной терми­ческой асимметрии приводит к увеличению длительности жизни циклона.

Особенно глубокие циклоны со штормовыми ветрами зарож­даются в тех случаях, когда в процессе циклонообразования участвуют воздушные массы трех основных типов: ТВ, ПВ (УВ) и АВ. Такие циклоны чаще всего зарождаются в холодное время над Северной Атлантикой и северо-восточной частью Тихого океана.

Скачать готовые ответы к экзамену, шпаргалки и другие учебные материалы в формате Word Вы можете в

Воспользуйтесь формой поиска

Стадии развития циклонов и антициклонов.

релевантные научные источники:

• Анатомия, физиология, патология человека. Ответы на вопросы к экзамену

  | Ответы к зачету/экзамену | 2017 | docx | 1.49 Мб

  1. Предмет изучения анатомии, физиологии и патологии человека. Связь их с педагогикой, психологией, невропатологией и другими дисциплинами. Роль знаний с анатомии, физиологии и патологии человека для

• Ответы по патологической анатомии

  | Ответы к зачету/экзамену | 2016 | docx | 1.44 Мб

  ОТВЕТЫ Предмет анатомии, физиологии и патологии человека Анатомия человека Связь с другими дисциплинами и значение для преподавателей-дефектологов. 2.Онтогенез.Основные закономерности роста и

• Патологическая анатомия

  | Ответы к зачету/экзамену | 2016 | docx | 0.36 Мб

  1. Патологическая анатомия Задачи патологической анатомии: Задачи практической патологической анатомии: Методы исследования патологической анатомии: Методики исследования патологоанатомического

• Ответы к экзамену по патологической физиологии

  | Ответы к зачету/экзамену | 2016 | docx | 0.85 Мб

  ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ 1. Предмет и задачи патологической физиологии. Ее место в системе высшего медицинского образования. Патофизиология как теоретическая основа клинической медицины. 2.

Циклон — атмосферный вихрь с низким давлением в центре. Ветры в циклоне в северном полушарии дуют против часовой стрелки, и в нижнем слое отклоняются к центру, в южном полушарии — по часовой стрелке.

Циклоны постоянно и естественно появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Прохождение циклона связано с образованием мощной облачности и выпадением осадков.

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. Вторые образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но большие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться в внетропические.

Ниже 8-10 ° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вовсе.

Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже много лет наблюдается так называемая Большое красное пятно, что является, по всей видимости, длительным циклоном. Однако, циклоны в атмосферах других планет изучены недостаточно. Циклогенéз — образование циклона, в умеренных широтах возникает на фронтах.

Циклогенез — развитие или усиление циклонической циркуляции в атмосфере (область низкого давления). Это общий термин для нескольких различных процессов, все приводят к развитию какого-то одного вида циклона.

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. Внетропические циклоны формируются в виде волн вдоль погодных фронтов, прежде чем эти фронта сомкнутся на фронт окклюзии, который позже сформирует в их жизненном цикле холодное ядро циклона.

Тропические циклоны образуются в связи с наличием большого количества скрытой теплоты, обусловливая большую грозовую активность и ядра тепла. Они могут быть чрезвычайно опасными. В основном для формирования тропического циклона нужна температура приповерхностного слоя океанской воды минимум 26,5 ° C на глубине как минимум до 50 м. Другим необходимым фактором является быстрое охлаждение воздуха с высотой, что позволяет 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 условия благоприятные для образования нестабильности.

Основные теории формирования

Представление о механизме возникновения циклонов до 20-го века не отличались ясностью и были весьма упрощенными. В 20 веке были развиты термическая (конденсационная), механическая, волновая, дивергентная, адвективные-динамическая теории формирования циклонов, которые были более полными, но продолжали быть недостаточно полными и не учитывали всех факторов.

Сейчас установлено, что подавляющее большинство циклонов, которые возникают в умеренных широтах, является фронтальными волновыми возмущениями.

Фронтальные циклоны (и антициклоны ) является результатом возникновения на тропосферной фронте динамично неустойчивых бароклинных волн. Бароклинных неустойчивость определяется как динамическая неустойчивость в основном переносе в атмосфере, связана с наличием меридионального градиента температуры, и, следовательно, термического ветра. Атмосфера при этом находится в квазигеострофичний равновесии (состояние движения, при котором горизонтальная составляющая силы вращения Земли уравновешивает силу горизонтального барического градиента во всех точках поля, то есть в точках поля геострофических, что может быть принято в свободной атмосфере, за исключением экваториальных широт) и обладает статической устойчивостью.

Стадия возникновения

Продолжительность стадии возникновения циклона длится от первых признаков возникновения барического образования до появления первой замкнутой изобары на приземной карте погоды. Процесс длится примерно сутки. В начальной стадии развития циклонические градиенты давления и ветра слабые, атмосферный фронт слабо возмущенное. Циклон в начальной стадии — обычно низкое барическое образования.

Стадии молодого фронтального циклона соответствует деформация передней облачной полосы. В месте возникновения волны, в передней части, облачная полоса расширяется в сторону холодного воздуха и обнаруживает антициклонный изгиб (в сторону холодного воздуха). Здесь в результате восходящего скольжения теплого воздуха начинает формироваться облачная полоса теплого фронта. На северной периферии облачности теплого фронта видно выбросы перистых облаков, что свидетельствует об активном процессе циклогенеза. В тылу волны — циклоническая изгибе, формируется холодный фронт.

В отличие от слаборазвитой волны, полосы перистой облачности впереди активной волны свидетельствуют о том, что здесь в верхней половине тропосферы происходит вынос теплого воздуха и формируется тепловой гребень. В тылу активной волны облачная полоса сужается и прогибается в сторону теплого воздуха. Здесь в нижней половине тропосферы распространяется холодный воздух, и формируется термическая ложбина.

Таким образом, образуются соединены области адвекции холода и адвекции тепла, так называемая адвективные термическая пара. Чем значительнее горизонтальный градиент адвекции в области волны, тем интенсивнее будет протекать циклогенез и развиваться облачность. У поверхности Земли атмосферное давление падает, появляются замкнутые изобары, увеличивается зона осадков.

Формирования циклона на стационарном атмосферном фронте указывает, что в следующие сутки увеличатся градиенты температуры и усилятся осадки на теплом фронте. На холодном фронте погодные условия существенно не изменятся.

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. Начальная стадия развития циклона. Фронтальная волна

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 типичной 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.

Стадия молодого циклона

Данная стадия длится не более 1 суток, обычно 12 ч. При неустойчивости фронтальной волны последняя принимает характер молодого циклона. В этом случае теплый фронт все более продвигается в сторону холодной воздушной массы, а холодный фронт продолжает смещаться в сторону теплой. Таким образом, в этой стадии развития в циклоне оформляется хорошо выраженный теплый сектор, заполненный теплым воздухом и отделенный от остальной, холодной части циклона впереди теплым, а сзади холодным фронтами.

Циклоническая циркуляция в области молодого циклона выражена уже очень хорошо; в его центральной части имеется несколько замкнутых изобар. Давление в центре молодого циклона на 10--20 мб ниже, чем оно было в начале его возникновения.

Центр молодого циклона совпадает с вершиной тёплого сектора. В этой стадии в системе циклона отмечаются наибольшие скорости ветра. Для этой стадии развития циклона характерно то, что облачный массив приобретает вихревую структуру. Фронтальная облачная полоса продолжает деформироваться. При ее широтном расположении участок холодного фронта вместе с облачной системой прогибается к югу, а у вершины волны вытягивается к северу.

Облачность молодого циклона имеет полосное строение, причем полосы спирально сходятся к точке, образуя облачный вихрь.

Центр молодого циклона совпадает с вершиной тёплого сектора. В этой стадии в системе циклона отмечаются наибольшие скорости ветра.

В молодом циклоне можно выделить три зоны резко отличающиеся по условиям погоды.

Зона I - передняя и центральная части холодного сектора циклона перед тёплым фронтом. В этой зоне характер погоды определяется свойствами тёплого фронта. Чем ближе к центру циклона и к линии фронта, тем мощнее система облаков и тем вероятнее выпадение обложных осадков.

Зона II - тыловая часть холодного сектора циклона за холодным фронтом. Здесь погода определяется свойствами холодной воздушной массы. При достаточной влажности и значительной неустойчивости в этой зоне выпадают ливневые осадки.

Зона III - тёплый сектор между теплым и холодным фронтом. Зимой в теплом секторе молодого циклона отмечаются сплошные облака St, Sc, а иногда наблюдаются адвективные туманы иморось. Летом в теплом секторе циклона в зависимости от от влажности воздушной массы может наблюдаться малооблачная погода, так и облачная погода, а иногда даже грозы. Днем отмечаются преимущественно кучевые облака.

В стадии молодого циклона наиболее мощная облачность наблюдается у вершины еще широкого теплого сектора. В теплом секторе циклона преобладает малооблачная погода. Иногда перед теплым фронтом могут появиться узкие гряды сравнительно более ярких облаков, которые ориентированы параллельно краю фронтальной облачности. Эти гряды свидетельствуют о наличии более неустойчивого воздуха перед теплым фронтом, в котором летом могут развиваться кучевообразных облака. В отдельных случаях завихренность облачности в молодом циклоне прослеживается довольно слабо. Поскольку стадия молодого циклона длится недолго, эту облачную систему не всегда удается зафиксировать со спутника.

Известно, что стадия молодого циклона характеризуется наличием у поверхности Земли двух-трех замкнутых изобар, четко выраженной циклонической циркуляцией в нижних слоях тропосферы и наличием теплого гребня в передней части циклона и холодной ложбины в тыловой.

Одним из признаков выпадения осадков является наличие разорванных облаков плохой погоды (разорваннодождевых) под плотными высокослоистыми или слоистодождевыми облаками. Начало зоны таких осадков совпадает с началом зоны разорваннодождевых облаков. Это можно установить при ознакомлении с метеорологической обстановкой по синоптической карте, где имеются все необходимые данные.

Особенно серьезные осложнения в полете могут быть связаны с переохлажденным дождем, когда самолет подвергается интенсивному обледенению. Продолжительный полет в слоистодождевых облаках также представляет серьезные трудности из-за возможности тяжелого обледенения самолета. По мере приближения теплого фронта увеличивается мощность облаков, так как их нижняя граница постепенно опускается. В связи с этим по мере приближения теплого фронта увеличивается время, необходимое для пробивания облаков и сбора группы самолетов за облаками.

В летнее время облачность теплого фронта часто принимает ливневой характер, с чем связаны выпадение ливневых осадков и грозовая деятельность.

Стадия максимального развития циклона

В третьей стадии развития, или стации максимального развития, циклон у поверхности Земли достигает наибольшей глубины, после чего начинается его заполнение. Длительность стадии от 12 часов до суток. Температуры над тыловой и центральной частью циклона уменьшаются.

На стадии максимального развития с облачной системой циклона происходят очень существенные и быстрые изменения в структуре. Она приобретает резко выраженную спиралевидную форму. В центральной части происходит смыкание облачных спиралей, связанных с теплым и холодным фронтами, в единую спираль с мощной облачной системой, закручивающуюся к центру высотного циклона.

Приземное поле давления в циклоне характеризуется большим числом замкнутыхизобар и значительными барическими градиентами. Происходит смыкание тёплого и холодного фронтов - окклюдирование циклона. Тёплый сектор циклона значительно уменьшается.

циклон в стадии максимального развития циклон: начало окклюдирования

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 всœех случаях. Зарождение циклонов возможно не только на стационарных, но и на медленно перемещающихся холодных, а иногда и теплых фронтах. Вместе с тем, после начала окклюдирования не обязательно следует стадия заполнения циклона. В случае 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 базовых типов: тропического, полярного и арктического. К примеру, в случае 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 всœего зарождаются в осœенне-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.