Кратковременные процессы ветрообразования

К формированию ветров приводят также и кратковременные процессы, которые, в отличие от преобладающих ветров, не являются регулярными, а происходят хаотически, часто в течение определенного сезона. Такими процессами является образование циклонов , антициклонов и подобных им явлений меньшего масштаба, в частности гроз.

Циклон Катарина в Южной Атлантике. 26 марта 2004 года

Циклонами и антициклонами называют области низкого или, соответственно, высокого атмосферного давления, обычно такие, которые возникают на пространстве размером свыше нескольких километров. На Земле они образуются над большей частью поверхности и характеризуются типичной для них циркуляционной структурой. Из-за влияния силы Кориолиса, в Северном полушарии движение воздуха вокруг циклона вращается против часовой стрелки, а вокруг антициклона — по часовой стрелке. В Южном полушарии направление движения обратное. При наличии трения о поверхность, появляется компонента движения к центру или от центра, в результате воздух движется по спирали к области низкого или от области высокого давления.

Циклон

Цикло́н (от др.-греч. κυκλῶν — «вращающийся») — атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.

Движение воздуха (пунктирные стрелки) и изобары (непрерывные линии) в циклоне в северном полушарии

Воздух в циклонах циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.

Схематическое изображение процесса образования циклонов (чёрные стрелки) из-за вращения Земли (синие стрелки)

Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.

Различают два основных вида циклонов — внетропические и тропические . Первые образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.

Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но бо́льшие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также т. н. «глаз бури» — центральная область диаметром 20—30 км с относительно ясной и безветренной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вовсе.

Циклоны в атмосфере Сатурна. Фотография зонда Кассини

Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже многие годы наблюдается так называемое Большое красное пятно, которое является, по всей видимости, долгоживущим антициклоном. Однако циклоны в атмосферах других планет изучены недостаточно.

Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера (снимок «Вояджера-1»)

Большое Красное Пятно представляет собой гигантский ураган-антициклон, размерами 24—40 тыс. км в длину и 12—14 тыс. км в ширину (существенно больше Земли). Размеры пятна постоянно меняются, общая тенденция — к уменьшению; 100 лет назад БКП было примерно в 2 раза больше и значительно ярче. Тем не менее, это самый большой атмосферный вихрь в Солнечной системе.

Цветная анимация передвижения БКП

Большое тёмное пятно в атмосфере Нептуна

Тёмное, эллипсовидное пятно (13000 км × 6600 км) по размерам напоминало Землю. Вокруг пятна скорость ветра достигала 2400 км/ч, что являлось наибольшим показателем во всей Солнечной системе. Полагают, что пятно представляло собой дыру в метановых облаках Нептуна. Большое тёмное пятно постоянно меняет свою форму и размер.

Большое Темное Пятно

Внетропический циклон

Циклоны, которые формируются за пределами тропического пояса, известны как внетропические. Из двух типов крупномасштабных циклонов, они больше по размеру (классифицируются как синоптические циклоны), наиболее распространены и встречаются на большей части земной поверхности. Именно этот класс циклонов в наибольшей степени отвечает за изменения погоды день за днём, а их предсказание является главной целью современных прогнозов погоды.

Согласно классической (или норвежской) модели Бергенской школы, внетропические циклоны формируются преимущественно вблизи полярного фронта в зонах особенно сильного высотного струйного течения и получают энергию за счет значительного температурного градиента в этом районе. В процессе формирования циклона стационарный атмосферный фронт разрывается на участки теплого и холодного фронтов, движущихся друг к другу с формированием фронта окклюзии и закручиванием циклона. Подобная картина возникает и по более поздней модели Шапиро-Кейзера, основанной на наблюдении океанских циклонов, за исключением длительного движения теплого фронта перпендикулярно к холодному без образования фронта окклюзии.

Норвежская модель и модель Шапиро-Кейзера формирования внетропического циклона

После формирования, циклон обычно существует несколько дней. За это время он успевает продвинуться на расстояние от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, вызывая резкие смены ветров и осадков в некоторых районах своей структуры.

Хотя большие внетропические циклоны обычно ассоциированы с фронтами, меньшие по размеру циклоны могут образовываться в пределах сравнительно однородной воздушной массы. Типичным примером являются циклоны, которые формируются в потоках полярного воздуха в начале формирования фронтального циклона. Эти небольшие циклоны имеют название полярных и часто возникают над приполярными районами океанов. Другие небольшие циклоны возникают на подветренной стороне гор под действием западных ветров умеренных широт.

Внетропический циклон — циклон, формирующийся в течение года во внетропических широтах каждого полушария. За 12 месяцев их может быть множество сотен. Размеры внетропических циклонов весьма значительны. Хорошо развитый циклон может иметь в поперечнике 2-3 тыс. км. Это значит, что он может одновременно покрывать несколько областей России или провинций Канады и определять режим погоды на этой огромной территории.

Распространение внетропического циклона

Вертикальное распространение (вертикальная мощность) циклона меняется по мере его развития. В первое время циклон заметно выражен лишь в нижней части тропосферы. Распределение температуры в первой стадии жизни циклона, как правило, асимметрично относительно центра. В передней части циклона, с притоком воздуха из низких широт, температуры повышены; в тыловой, с притоком воздуха из высоких широт, напротив, понижены. Поэтому с высотой изобары циклона размыкаются: над тёплой передней частью на высотах обнаруживается гребень повышенного давления, а над холодной тыловой — ложбина пониженного давления. С высотой это волнообразование, искривление изобар или изогипс всё более сглаживается.

Видео, показывающее развитие внетропического циклона

Но при последующем развитии циклон становится высоким, то есть замкнутые изобары обнаруживаются в нём и в верхней половине тропосферы. При этом температура воздуха в циклоне в общем понижается, а температурный контраст между передней и тыловой частью более или менее сглаживается: высокий циклон является в общем холодной областью тропосферы. Возможно и проникновение циклона в стратосферу.

Тропопауза над хорошо развитым циклоном прогнута вниз в виде воронки; сначала это понижение тропопаузы наблюдается над холодной тыловой (западной) частью циклона, а потом, когда циклон становится холодным во всей своей области, снижение тропопаузы наблюдается над всем циклоном. Температура нижней стратосферы над циклоном при этом повышена. Таким образом, в хорошо развитом высоком циклоне наблюдается над холодной тропосферой низко начинающаяся тёплая стратосфера.

Температурные контрасты в области циклона объясняются тем, что циклон возникает и развивается на главном фронте (полярном и арктическом) между воздушными массами разной температуры. В циклоническую циркуляцию втягиваются обе эти массы.

В дальнейшем развитии циклона тёплый воздух оттесняется в верхнюю часть тропосферы, над холодным воздухом, и сам подвергается там радиационному выхолаживанию. Горизонтальное распределение температуры в циклоне становится более равномерным, и циклон начинает затухать.

Давление в центре циклона (глубина циклона) в начале его развития ненамного отличается от среднего: это может быть, например, 1000—1010 мб. Многие циклоны не углубляются более чем до 1000—990 мб. Сравнительно редко глубина циклона достигает 970 мб. Однако в особенно глубоких циклонах давление понижается до 960—950 мб, а в отдельных случаях наблюдалось и 930—940 мб (на уровне моря) с минимумом 925 мб в северном полушарии и 923 мб в южном полушарии. Наиболее глубокие циклоны наблюдаются в высоких широтах. Над Беринговым морем, например, в одной трети всех случаев глубина циклонов зимой от 961 до 980 мб.

Вместе с углублением циклона растут скорости ветра в нём. Ветры иногда достигают штормовых скоростей на больших территориях. В циклонах южного полушария это бывает особенно часто. Отдельные порывы ветра в циклонах могут достигать 60 м/сек, как это было 12 декабря 1957 г. на Курильских островах.

Жизнь циклона продолжается несколько суток. В первой половине своего существования циклон углубляется, во второй — заполняется и, наконец, исчезает вовсе (затухает). В некоторых случаях существование циклона оказывается длительным, особенно если он объединяется с другими циклонами, образуя одну общую глубокую, обширную и малоподвижную область низкого давления, так называемый центральный циклон . Они в северном полушарии чаще всего образуются в северных частях Атлантического и Тихого океанов. На климатологических картах в этих районах отмечаются известные центры действия — исландская и алеутская депрессии.

Уже заполнившись в нижних слоях, циклон может ещё некоторое время сохраняться в холодном воздухе верхних слоёв тропосферы в виде высотного циклона .

Тропический циклон

Схема тропического циклона

Циклоны, которые образуются в тропическом поясе, несколько меньше внетропических (они классифицируются как мезоциклоны ) и имеют другой механизм происхождения. Эти циклоны питаются энергией, получаемой за счет подъема вверх теплого влажного воздуха и могут существовать исключительно над теплыми районами океанов, из-за которых имеют название циклонов с теплым ядром (в отличие от внетропических циклонов с холодным ядром). Тропические циклоны характеризуются очень сильным ветром и значительным количеством осадков. Они развиваются и набирают силу над поверхностью воды, но быстро теряют её над сушей, из-за чего их разрушительный эффект обычно проявляется лишь на побережье (до 40 км вглубь суши).

Для образования тропического циклона необходим участок очень теплой водной поверхности, нагрев воздуха над которой приводит к снижению атмосферного давления минимум на 2,5 мм рт. ст. Влажный теплый воздух поднимается вверх, но из-за его адиабатического охлаждения значительное количество удерживаемой влаги конденсируется на больших высотах и выпадает в виде дождя. Более сухой и таким образом более плотный воздух, что только что освободился от влаги, опускается вниз, формируя зоны высшего давления вокруг ядра циклона. Этот процесс имеет положительную обратную связь, вследствие чего, пока циклон находится над довольно теплой водной поверхностью, что поддерживает конвекцию, он продолжает усиливаться. Хотя чаще всего тропические циклоны образуются в тропиках, иногда признаки тропического циклона приобретают циклоны другого типа на поздних этапах существования, как это случается с субтропическими циклонами.

Тропический циклон — тип циклона, или погодной системы низкого давления, что возникает над теплой морской поверхностью и сопровождается мощными грозами, выпадением ливневых осадков и ветрами штормовой силы. Тропические циклоны получают энергию от поднятия влажного воздуха вверх, конденсации водяных паров в виде дождей и опускания более сухого воздуха, что получается в этом процессе, вниз. Этот механизм принципиально отличается от механизма внетропических и полярных циклонов, в отличие от которых тропические циклоны классифицируются как «циклоны с теплым ядром».

Термин «тропический» означает как географический район, где в подавляющем большинстве случаев возникают подобные циклоны, то есть тропические широты, так и формирование этих циклонов в тропических воздушных массах.

На Дальнем Востоке и в Юго-Восточной Азии тропические циклоны называются тайфунами , а в Северной и Южной Америке — ураганами (исп. huracán , англ. hurricane ), по имени майянского бога ветра Хуракана. Принято считать, согласно шкале Бофорта, что шторм переходит в ураган при скорости ветра более 117 км/ч.

Тропические циклоны способны вызвать не только чрезвычайной силы ливни, но и большие волны на поверхности моря, штормовые приливы и смерчи. Тропические циклоны могут возникать и поддерживать свою силу только над поверхностью крупных водоемов, тогда как над сушей они быстро теряют силу. Именно поэтому прибрежные районы и острова в наибольшей степени страдают от вызванных ими разрушений, тогда как районы в глубине материков находятся в относительной безопасности. Однако вызванные тропическими циклонами ливневые дожди могут вызвать наводнения значительных масштабов несколько дальше от побережья, на расстоянии до 40 км. Хотя эффект тропических циклонов на человека часто бывает очень негативным, значительные количества воды могут прекращать засухи. Тропические циклоны переносят большое количество энергии от тропических широт в направлении умеренных, что делает их важной составляющей глобальных процессов циркуляции атмосферы. Благодаря им разница в температуре на различных участках поверхности Земли уменьшается, что позволяет существование более умеренного климата на всей поверхности планеты.

Много тропических циклонов образуются при благоприятных условиях из слабых атмосферных волнений, на возникновение которых влияют такие эффекты, как осцилляция Маддена-Джулиана, Эль-Ниньо и североатлантическая осцилляция.

Осцилляция Маддена-Джулиана — колебания свойств циркуляции тропической атмосферы с периодом 30-60 дней, что является главным фактором межсезонной изменчивости в атмосфере на этой временной шкале. Эти колебания имеют вид волны, что движется на восток со скоростью от 4 до 8 м/с над теплыми районами Индийского и Тихого океанов.

Диаграмма излучения на длинных волнах, демонстрирующая осцилляцию Маддена-Джулиана

Движение волны можно увидеть по различным проявлениям, наиболее чётко — по изменениям в количестве осадков. Сначала изменения проявляются на западе Индийского океана, постепенно сдвигаются к центральной части Тихого океана, а затем затухают по мере продвижения к холодным восточным районам этого океана, но иногда вновь возникают с уменьшенной амплитудой над тропическими районами Атлантического океана. При этом вначале идет фаза увеличения конвекции и количества осадков, за которой следует фаза уменьшения количества осадков.

Явление было обнаружено Рональдом Мадденом и Полем Джулианом в 1994 году.

Эль-Ни́ньо (исп. El Niño — малыш, мальчик) или Южная осцилляция — колебание температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, имеющее заметное влияние на климат. В более узком смысле Эль-Ниньо — фаза Южной осцилляции, в которой область нагретых приповерхностных вод смещается к востоку. При этом ослабевают или вообще прекращаются пассаты, замедляется апвеллинг в восточной части Тихого океана, у берегов Перу. Противоположная фаза осцилляции называется Ла-Нинья (исп. La Niña — малышка, девочка). Характерное время осцилляции — от 3 до 8 лет, однако сила и продолжительность Эль-Ниньо в реальности сильно варьирует. Так, в 1790—1793, 1828, 1876—1878, 1891, 1925—1926, 1982—1983 и 1997—1998 годах были зафиксированы мощные фазы Эль-Ниньо, тогда как, например, в 1991—1992, 1993, 1994 это явление, часто повторяясь, было слабо выраженным. Эль-Ниньо 1997—1998 гг. было настолько сильным, что привлекло внимание мировой общественности и прессы. Тогда же распространились теории о связи Южной осцилляции с глобальными изменениями климата. С начала 1980-х Эль-Ниньо возникало также в 1986—1987 и 2002—2003 годах.

Эль-Ниньо 1997 года (TOPEX)

Нормальные условия вдоль западного побережья Перу определяются холодным Перуанским течением, несущим воду с юга. Там, где течение поворачивает на запад, вдоль экватора, из глубоких впадин происходит подъем холодных и богатых планктоном вод, что способствует активному развитию жизни в океане. Само же холодное течение определяет засушливость климата в этой части Перу, формируя пустыни. Пассаты отгоняют прогретый поверхностный слой воды в западную зону тропической части Тихого океана, где формируется так называемый тропический теплый бассейн (ТТБ). В нём вода прогрета до глубин в 100—200 м. Атмосферная циркуляция Уолкера, проявляющаяся в виде пассатов, вкупе с пониженным давлением над районом Индонезии, приводит к тому, что в этом месте уровень Тихого океана на 60 см выше, чем в восточной его части. А температура воды здесь достигает 29—30°C против 22—24°C у берегов Перу. Однако, всё меняется с наступлением Эль-Ниньо. Пассаты ослабевают, ТТБ растекается, и на огромной площади Тихого океана происходит повышение температуры воды. В районе Перу холодное течение сменяется движущейся с запада к берегу Перу теплой водной массой, апвеллинг ослабевает, гибнет без питания рыба, а западные ветры приносят в пустыни влажные воздушные массы, ливни, вызывающие даже наводнения. Наступление Эль-Ниньо снижает активность атлантических тропических циклонов.

Североатлантическая осцилляция — непостоянство климата на севере Атлантического океана, что проявляется прежде всего в изменении температуры морской поверхности. Явление было впервые описано в 2001 году Голденбергом и сотрудниками. Хотя существуют исторические свидетельства существования этого колебания в течение длительного времени, точных исторических данных о его амплитуде и связи с температурами поверхности в тропических районах океана не хватает.

Временная зависимость колебания в период 1856—2013 годов

Другие циклоны, в частности субтропические, способны обретать характеристики тропических циклонов по мере развития. После момента образования, тропические циклоны движутся под действием преобладающих ветров; если условия остаются благоприятными, циклон набирает силу и образует характерную вихревую структуру с глазом в центре. Если же условия неблагоприятны или если циклон смещается на сушу, он довольно быстро рассеивается.

Структура

Тропические циклоны — относительно компактные штормы довольно правильной формы, обычно около 320 км в диаметре, с ветрами, дующими по спирали, сходящимися вокруг центральной области очень низкого атмосферного давления. За счет силы Кориолиса, ветры отклоняются от направления барического градиента и закручиваются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном.

Структура тропического циклона

По структуре тропический циклон может быть поделен на три концентрические части. Внешняя часть имеет внутренний радиус 30-50 км, в этой зоне скорость ветров равномерно увеличивается по мере приближения к центру циклона. Средняя часть, которая имеет название стены глаза , характеризуется большими скоростями ветра. Центральная часть диаметром 30-60 км имеет название глаза, здесь скорость ветра уменьшается, движение воздуха имеет преимущественно нисходящий характер, а небо часто остается ясным.

Глаз

Центральная часть циклона, в которой воздух опускается вниз, имеет название глаза . Если циклон достаточно сильный, глаз большой и характеризуется спокойной погодой и ясным небом, хотя волны на море могут быть исключительно большими. Глаз тропического циклона обычно правильной круглой формы, а его размер может быть от 3 до 370 км в диаметре, однако чаще всего диаметр составляет примерно 30-60 км. Глаз у крупных зрелых тропических циклонов иногда заметно расширяется вверху, это явление получило название «эффекта стадиона»: если наблюдать изнутри глаза, его стена напоминает по форме трибуны стадиона.

Ураган Изабель 2003 года, фотография с МКС — можно четко увидеть характерные для тропических циклонов глаз, стену глаза и окружающие дождевые полосы

Глаз тропических циклонов характеризуется очень низким атмосферным давлением, именно здесь было зарегистрировано самое низкое значение атмосферного давления на уровне земной поверхности (870 гПа в тайфуне Тип). Кроме того, в отличие от циклонов других типов, воздух глаза тропических циклонов очень теплый, всегда теплее, чем на той же высоте за пределами циклона.

Глаз слабого тропического циклона может быть частично или полностью покрыт тучами, которые имеют название центрального плотного облачного покрова. Эта зона, в отличие от глаза сильных циклонов, характеризуется значительной грозовой активностью.

Глаз бури , або офо , бычий глаз — область прояснения и относительно тихой погоды в центре тропического циклона.

Типичный глаз бури имеет диаметр от 20 до 30 км, в редких случаях — до 60 км. В этом пространстве воздух имеет бо́льшую температуру и меньшую влажность, нежели в окружающей его области ветра и дождевых облаков. В результате возникает устойчивая температурная стратификация.

Стена ветра и ливня служит изолятором для очень сухого и более тёплого воздуха, опускающегося в центр циклона из верхних слоёв. По периферии глаза бури часть этого воздуха смешивается с воздухом из облаков и благодаря испарению капель охлаждается, тем самым образуя мощный нисходящий вдоль внутренней стороны облаков каскад относительно холодного воздуха.

Глаз тайфуна Одесса (1985)

В это же время в облаках воздух стремительно поднимается. Это построение и образует кинематическую и термодинамическую основу тропического циклона.

Кроме того, вблизи оси вращения уменьшается горизонтальная линейная скорость ветра, что для наблюдателя, при попадании в центр циклона, производит впечатление прекратившейся бури, по контрасту с окружающим пространством.

Стена глаза

Стеной глаза называют кольцо плотных грозовых облаков, что окружает глаз. Здесь облака достигают наибольшей высоты в пределах циклона (до 15 км над уровнем моря), а осадки и ветры у поверхности сильнейшие. Однако максимальная скорость ветров достигается на несколько большей высоте, обычно около 300 м. Именно во время прохождения стены глаза над определенным районом циклон наносит наибольшие разрушения.

Самые сильные циклоны (обычно категории 3 или больше) характеризуются несколькими циклами замены стены глаза в течение своей жизни. При этом старая стена глаза сужается до 10-25 км, а ей на замену приходит новая, большего диаметра, что постепенно заменяет собой старую. Во время каждого цикла замены стены глаза циклон слабеет (то есть ветры в пределах стены глаза слабеют, а температура глаза уменьшается), но с образованием новой стены глаза он быстро набирает силу до прежних значений.

Внешняя зона

Внешняя часть тропического циклона организована в дождевые полосы — полосы плотных грозовых туч, которые медленно движутся к центру циклона и сливаются со стеной глаза. При этом в дождевых полосах, как и в стене глаза, воздух поднимается вверх, а в пространстве между ними, свободном от низких облаков, воздух опускается. Однако, сформированные на периферии циркуляционные ячейки менее глубокие, чем центральная, и достигают меньшей высоты.

Когда циклон достигает суши, вместо дождевых полос в пределах стены глаза в большей степени концентрируются потоки воздуха, из-за увеличения трения о поверхность. При этом значительно увеличивается количество осадков, что может достигать 250 мм за сутки.

Тропические циклоны также образуют облачный покров на очень больших высотах (возле тропопаузы) за счет центробежного движения воздуха на этой высоте. Этот покров состоит из высоких перистых облаков, которые движутся от центра циклона и постепенно испаряются и исчезают. Эти облака могут быть достаточно тонкими, чтобы через них можно было видеть солнце и могут быть одним из первых признаков приближения тропического циклона.

Размеры

Одним из наиболее распространенных определений размера циклона, которое применяется в различных базах данных, является расстояние от центра циркуляции до наиболее внешней замкнутой изобары, это расстояние имеет название радиуса внешней замкнутой изобары . Если радиус меньше двух градусов широты, или 222 км, циклон классифицируется как «очень маленький» или «карликовый». Радиус от 3 до 6 градусов широты, или от 333 до 667 км, характеризует циклон «средних размеров». «Очень большие» тропические циклоны имеют радиус свыше 8 градусов широты, или 888 км. Согласно такой системе мер, на северо-западе Тихого океана возникают самые большие на Земле тропические циклоны, примерно вдвое больше тропических циклонов Атлантического океана.

Другими методами определения размеров тропических циклонов являются радиус, на котором существуют ветры силы тропического шторма (примерно 17,2 м/с), и радиус, на котором относительный ротор скорости ветра составляет 1×10 −5 с −1 .

Сравнительные размеры тайфуна Тип, циклона Трейси с территорией США

Механизм

Главным источником энергии тропического циклона служит энергия испарения, которая освобождается при конденсации водяных паров. В свою очередь, испарение океанской воды протекает под действием солнечной радиации. Таким образом, тропический циклон можно представить как большую тепловую машину, для работы которой необходимы также вращение и притяжение Земли. В метеорологии, тропический циклон описывается как тип конвекционной системы на мезошкале, развивающийся при наличии мощного источника тепла и влаги.

Направления конвекционных потоков в тропическом циклоне

Теплый влажный воздух поднимается вверх преимущественно в пределах стены глаза циклона, а также в пределах других дождевых полос. Этот воздух расширяется и охлаждается по мере поднятия, его относительная влажность, высокая уже у поверхности, увеличивается ещё больше, вследствие чего большая часть накопленной влаги конденсируется и выпадает в виде дождя. Воздух продолжает охлаждаться и терять влагу с поднятием до тропопаузы, где он теряет практически всю влагу и перестаёт охлаждаться с высотой. Охлажденный воздух опускается вниз до океанской поверхности, где снова увлажняется и снова поднимается. При благоприятных условиях, задействованная энергия превышает расходы на поддержание этого процесса, избыточная энергия тратится на увеличение объёмов восходящих потоков, увеличение скорости ветров и ускорение процесса конденсации, то есть ведёт к образованию положительной обратной связи. Для того, чтобы условия оставались благоприятными, тропический циклон должен находиться над теплой океанской поверхностью, которая даёт необходимую влагу; когда же циклон проходит участок суши, он не имеет доступа к этому источнику и его сила быстро падает. Вращение Земли добавляет конвекционному процессу закручивание в результате эффекта Кориолиса — отклонения направления ветра от вектора барического градиента.

Падение температуры океанской поверхности в Мексиканском заливе с прохождением ураганов Катрина и Рита

Механизм тропических циклонов существенно отличается от механизма других атмосферных процессов тем, что требует глубокой конвекции, то есть такой, что захватывает большой диапазон высот. При этом, восходящие потоки захватывают почти всё расстояние от поверхности океана до тропопаузы, с горизонтальными ветрами, ограниченными преимущественно в приповерхностном слое толщиной до 1 км, тогда как большая часть остальной 15-километровой толщи тропосферы в тропических районах используется для конвекции. Однако тропосфера более тонка на более высоких широтах, а количество солнечного тепла там меньше, что ограничивает зону благоприятных условий для тропических циклонов тропическим поясом. В отличие от тропических циклонов, внетропические циклоны получают энергию преимущественно от горизонтальных градиентов температуры воздуха, что существовали до них.

Прохождение тропического циклона над участком океана приводит к существенному охлаждению приповерхностного слоя, как из-за потери тепла на испарение, так из-за активного перемешивания теплых приповерхностных и холодных глубоких слоев и получения холодной дождевой воды. Также на охлаждение влияет плотный облачный покров, закрывающий океанскую поверхность от солнечного света. Вследствие этих эффектов, за несколько дней, за которые циклон проходит определенный участок океана, приповерхностная температура на нём существенно падает. Этот эффект приводит к возникновению отрицательной обратной связи, что может привести к потере силы тропического циклона, особенно если его движение медленное.

Общее количество энергии, которая выделяется в тропическом циклоне среднего размера, составляет около 50-200 эксаджоулей (10 18 Дж) в день или 1 ПВт (10 15 Вт). Это примерно в 70 раз больше потребления всех видов энергии человечеством, в 200 раз больше мирового производства электроэнергии и соответствует энергии, что высвобождалась бы от взрыва 10-мегатонной водородной бомбы каждые 20 минут.

Жизненный цикл

Формирование

Карта пути всех тропических циклонов за период 1985—2005 годов

Во всех районах мира, где существует активность тропических циклонов, она достигает максимума в конце лета, когда разница температуры между океанской поверхностью и глубинными слоями океана наибольшая. Однако, сезонные картины несколько отличаются в зависимости от бассейна. В мировом масштабе, май является наименее активным месяцем, сентябрь наиболее активным, а ноябрь является единственным месяцем, когда одновременно активны все бассейны.

Важные факторы

Процесс формирования тропических циклонов все ещё не до конца понятен и является предметом интенсивных исследований. Обычно можно выделить шесть факторов, необходимых для образования тропических циклонов, хотя в отдельных случаях циклон может образоваться и без некоторых из них.

Образование зон конвергенции пассатов, что приводит к нестабильности атмосферы и способствует образованию тропических циклонов

В большинстве случаев, для формирования тропического циклона нужна температура приповерхностного слоя океанской воды не менее 26,5°C на глубине не менее чем 50 м; такая температура воды является минимально достаточной, чтобы вызвать нестабильность в атмосфере над ней и поддержать существование грозовой системы.

Другим необходимым фактором является быстрое охлаждение воздуха с высотой, что делает возможным высвобождение энергии конденсации, главного источника энергии тропического циклона.

Также для образования тропического циклона необходима высокая влажность воздуха в нижних и средних слоях тропосферы; при условии большого количества влаги в воздухе создаются более благоприятные условия для образования нестабильности.

Ещё одной характеристикой благоприятных условий является низкий вертикальный градиент ветра, поскольку большой градиент ветра приводит к разрыву циркуляционной картины циклона.

Тропические циклоны обычно возникают на расстоянии не менее 550 км или 5 градусов широты от экватора — только там сила Кориолиса бывает достаточно сильной для отклонения ветра и закручивания вихря.

И наконец, для образования тропического циклона обычно нужна уже существующая зона низкого давления или волнений погоды, хотя и без циркуляционного поведения, характерного для зрелого тропического циклона. Такие условия могут быть созданы низкоуровневыми и низкоширотными вспышками, которые ассоциируются с осцилляцией Маддена-Джулиана.

Районы формирования

Большинство тропических циклонов в мире формируются в пределах экваториального пояса (межтропического фронта) или его продолжения под действием муссонов — муссонной зоны низкого давления. Районы, благоприятные для формирования тропических циклонов, также возникают в пределах тропических волн, где возникает около 85% интенсивных циклонов Атлантического океана и большинство тропических циклонов на востоке Тихого океана.

Подавляющее большинство тропических циклонов формируется между 10 и 30 градусами широты обоих полушарий, причем 87% всех тропических циклонов — не далее 20 градусов широты от экватора. Из-за отсутствия силы Кориолиса в экваториальной зоне, тропические циклоны очень редко формируются ближе 5 градусов от экватора, однако это все же случается, например с тропическим штормом Вамэй 2001 года и циклоном Агни 2004 года.

Тропический шторм Вамэй перед выходом на сушу

Тропический шторм Вамэй, иногда известный как тайфун Вамэй — тропический циклон, известный тем, что сформировался ближе к экватору, чем любой другой тропический циклон за всю историю наблюдений. Вамэй сформировался 26 декабря как последний тропический циклон тихоокеанского сезона тайфунов 2001 года на 1,4° северной широты в Южно-Китайском море. Он быстро усилился и вышел на сушу на юго-западе Малайзии. Он практически рассеялся над островом Суматра 28 декабря, а его остатки позже вновь реорганизовались над Индийским океаном. Хотя официально этот тропический циклон обозначается как тропический шторм, его интенсивность спорная, а некоторые агентства классифицируют его как тайфун, основываясь на скорости ветра в 39 м/с и наличии глаза. Этот шторм вызвал наводнения и оползни в восточной Малайзии, причинив ущерб на 3,6 млн. долларов США (по ценам 2001 года ) и пять жертв.

Движение

Взаимодействие с пассатами

Движение тропических циклонов вдоль поверхности Земли зависит прежде всего от преобладающих ветров, возникающих вследствие глобальных циркуляционных процессов ; тропические циклоны увлекаются этими ветрами и движутся вместе с ними. В зоне возникновения тропических циклонов, то есть между 20 параллелями обоих полушарий, они движутся на запад под действием восточных ветров — пассатов.

Схема глобальной циркуляции атмосферы

В тропических районах северной части Атлантического океана и на северо-востоке Тихого океана пассаты образуют тропические волны, начинающиеся от африканского побережья и проходящие через Карибское море, Северную Америку и затухающие в центральных районах Тихого океана. Эти волны являются местом возникновения большой части тропических циклонов этих регионов.

Эффект Кориолиса

Вследствие эффекта Кориолиса вращение Земли не только вызывает закручивание тропических циклонов, но и влияет на отклонение их движения. Из-за этого эффекта тропический циклон, что движется на запад под действием пассатов при отсутствии других сильных воздушных потоков, отклоняется к полюсам.

Инфракрасное изображение циклона Моника, что демонстрирует закручивание и вращение циклона

Поскольку восточные ветры прилагаются к циклонному движению воздуха на его полярной стороне, сила Кориолиса там сильнее, и в результате тропический циклон оттягивается к полюсу. Когда тропический циклон достигает субтропического хребта, западные ветры умеренного пояса начинают уменьшать скорость движения воздуха на полярной стороне, но разница в расстоянии от экватора между различными частями циклона достаточно большая, чтобы суммарная сила Кориолиса была направлена к полюсу. В результате тропические циклоны Северного полушария отклоняются на север (до поворота на восток), а тропические циклоны Южного полушария — на юг (также до поворота на восток).

Взаимодействие с западными ветрами умеренных широт

Когда тропический циклон пересекает субтропический хребет, который является зоной высокого давления, его путь обычно отклоняется в зону низкого давления с полярной стороны хребта. Попав в зону западных ветров умеренного пояса, тропический циклон имеет тенденцию двигаться с ними на восток, проходя момент изменения курса (англ. recurvature ). Тайфуны, движущиеся через Тихий океан на запад к берегам Азии, часто меняют курс у берегов Японии на север, а затем на северо-восток, захваченные юго-западными ветрами с Китая или Сибири. Много тропических циклонов также отклоняются из-за взаимодействия с внетропическими циклонами, движущимися в этих районах с запада на восток. Примером изменения курса тропическим циклоном служит тайфун Йоке 2006 года , который двигался по описанной траектории.

Путь тайфуна Йоке, что изменил курс у японского побережья в 2006 году

Выход на сушу

Формально считается, что циклон проходит над сушей, если это случается с его центром циркуляции, независимо от состояния периферийных областей. Штормовые условия обычно начинаются над определенным участком суши за несколько часов до выхода на сушу центра циклона. В этот период, то есть до формального выхода тропического циклона на сушу, ветры могут достигнуть своей наибольшей силы — в таком случае говорят о «прямом ударе» тропического циклона о берег. Таким образом, момент выхода циклона на берег фактически означает середину штормового периода для районов, где это случается. Меры безопасности должны приниматься до момента достижения ветрами определенной скорости или до момента достижения определенной интенсивности дождя, а не быть связанными с моментом выхода тропического циклона на сушу.

Взаимодействие циклонов

Когда два циклона приближаются друг к другу, их центры циркуляции начинают вращаться вокруг общего центра. При этом два циклона приближаются друг к другу и в конце концов сливаются. Если циклоны разного размера, больший будет доминировать в этом взаимодействии, а меньший будет вращаться вокруг него. Этот эффект носит название эффекта Фудзивары, в честь японского метеоролога Сакухея Фудзивары.

Это изображение показывает Тайфун Melor и Тропический шторм Парма, и их взаимодействие в юго-восточной Азии. На этом примере видно, как сильный Melor тянет более слабого Парму к себе

Спутники запечатлели танец циклонов-близнецов над Индийским океаном

15 января 2015 года над центром Индийского океана образовались два тропических циклона. Ни один из них не угрожал населенным пунктам ввиду низкой интенсивности и низких шансов выйти на сушу. Метеорологи были уверены, что «Диамондра» и «Юнис» ослабнут и рассеются в последующие дни. Близкое расположение тропических циклонов дало возможность спутникам сделать восхитительные фотографии танца вихревых систем над океаном.

28 января 2015 года геостационарные спутники, принадлежащие EUMETSAT и Японскому метеорологическому агентству, предоставили данные для создания композитного изображения (сверху). Радиометр (VIIRS) на борту спутника Suomi NPP сделал три снимка циклонов-близнецов, в результате объединения которых получилось нижнее изображение.

Две системы находились на расстоянии около 1,5 тысячи километров друг от друга 28 января 2015 года. «Юнис», более сильный из двух циклонов, располагался к востоку от «Диамондры». Максимальная скорость стабильных ветров «Юнис» достигала почти 160 км/ч, тогда как максимум скорости ветров «Диамондры» не превышал 100 км/ч. Оба циклона двигались в юго-восточном направлении.

Как правило, если два тропических циклона приближаются друг к другу, они начинают циклонически вращаться вокруг оси, соединяющей их центры. Метеорологи называют это явление эффектом Фудзивары. Такие двойные циклоны могут даже соединиться в один, если их центры сойдутся достаточно близко.

«Но в случае с „Юнис“ и „Диамондрой“ центры двух вихревых систем оказались слишком далеко друг от друга, — объясняет Брайан Мак-Нолди, метеоролог из университета Майами. — Из опыта, центры циклонов должны находиться на расстоянии по меньшей мере 1350 километров, чтобы начать вращаться вокруг друг друга. Согласно последним прогнозам Совместного центра предупреждения о тайфунах, оба циклона двигаются на юго-восток примерно с одинаковой скоростью, потому они, вероятно, уже не подойдут друг к другу ближе».

(Продолжение следует)

Антициклон

Антициклон - это область с повышенным давлением в центре. Благодаря этому движение воздуха в антициклоне направлено от центра (из области более высокого давления) к периферии (в области более низкого давления). В центре антициклона воздух опускается, образуя нисходящие потоки, и растекается во все стороны, т.е. от центра к периферии. При этом он также вращается, но направление вращения противоположно циклоническому - оно происходит по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки - в Южном. Антициклоны в умеренных широтах чаще всего следуют за циклонами, нередко они принимают малоподвижное (стационарное) состояние и также существуют до тех пор, пока давление не выровняется (6-9 суток). В связи с нисходящими движениями в антициклоне воздух не насыщается влагой, облакообразование не происходит и преобладает малооблачная и сухая погода со слабыми ветрами и штилями. Кроме умеренных широт антициклоны в самой большей степени распространены в субтропических широтах - в поясах высокого давления. Здесь это постоянные, существующие в течение всего года атмосферные вихри (области высокого давления): Северо-Атлантический (Азорский) антициклон (максимум) в районе Азорских островов и Южно-Атлантический антициклон; Северо-Тихоокеанский (Канарский) антициклон в районе Канарских островов в Тихом океане и Южно-Тихоокеанский; Индийский антициклон (максимум) в Индийском океане. Как видно, все они расположены над океанами. Единственный мощный антициклон над сушей возникает зимой в Азии с центром над Монголией - Азиатский (Сибирский) антициклон.

Что такое циклон как атмосферное явление

Циклон (от греч. Kyklon -- кружащийся, вращающийся) -- это атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.

Циклон -- не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.

Воздух в циклоне циркулирует против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.

Различают два основных вида циклонов -- внетропические и тропические (обладают особыми свойствами и возникают гораздо реже).

Внетропические циклоны образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т.д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.

Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко -- более тысячи километров), но большие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также так называемый «глаз бури» -- центральная область диаметром 20--30 км с относительно ясной и безветренной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8--10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора -- не возникают вовсе.

Минимальное атмосферное давление в циклоне приходится на центр циклона; к периферии оно растет, т.е. горизонтальные барические градиенты направлены снаружи циклона внутрь. В хорошо развитом циклоне давление в центре на уровне моря может понижаться до 950--960 мбар (1 бар = 105 н/м2), а в отдельных случаях до 930--920 мбар (при среднем давлении на уровне моря около 1012 мбар).

Замкнутые изобары (линии равного давления) неправильной, но в общем овальной формы ограничивают область пониженного давления (барическую депрессию) поперечником от нескольких сотен километров до 2--3 тысяч км. В этой области воздух находится в вихревом движении. В свободной атмосфере, выше пограничного слоя атмосферы (около 1000 м) он движется приблизительно по изобарам, отклоняясь от барического градиента на угол, близкий к прямому, вправо в Северном полушарии и влево в Южном (вследствие влияния отклоняющей силы Кориолиса и центробежной силы, возникающей при движении по криволинейным траекториям).

В пограничном слое ветер вследствие силы трения более или менее значительно (в зависимости от высоты) отклоняется от изобар в сторону барического градиента. У земной поверхности ветер образует с барическим градиентом угол порядка 60°, т.е. к вращательному движению воздуха присоединяется течение воздуха вовнутрь циклона. Линии тока принимают форму спиралей, сходящихся к центру циклона. Скорости ветра в циклоне сильнее, чем в смежных областях атмосферы; иногда они достигают более 20 м/с (шторм) и даже более 30 м/с (ураган).

В связи с восходящими составляющими движения воздуха, особенно вблизи фронтов атмосферных, в циклоне преобладает облачная погода. Основная часть атмосферных осадков во внетропических широтах выпадает именно в циклоне. Вследствие вихревого движения воздуха в область циклона втягиваются различные по температуре воздушные массы из разных широт Земли. С этим связана температурная асимметрия циклона: в разных его секторах температуры воздуха различны. Это относится в особенности к подвижным циклонам, возникающим на главных фронтах тропосферы (арктических, антарктических, полярных). Наблюдаются, однако, слабые («размытые») циклоны над теплыми участками земной поверхности (пустыни, внутренние моря) -- так называемые термические депрессии -- малоподвижные, с достаточно равномерным распределением температуры.

С высотой изобары циклона постепенно теряют замкнутую форму. Это происходит по-разному, в зависимости от стадии развития циклона и от распределения температуры в нем. В начальной стадии развития подвижный (фронтальный) циклон охватывает лишь нижнюю часть тропосферы. В стадии наибольшего развития циклон может распространяться на всю высоту тропосферы и даже простираться в нижнюю стратосферу. Термические депрессии всегда ограничиваются нижней тропосферой.

Подвижные циклоны перемещаются в атмосфере в общем с запада на восток. В каждом отдельном случае направление перемещения определяется направлением общего переноса воздуха в верхней тропосфере. Противоположные перемещения редки. Средние скорости перемещения циклона порядка 30--45 км/ч, но встречаются циклоны, которые движутся быстрее (до 100 км/ч), особенно в начальных стадиях развития; в заключительной стадии циклоны могут подолгу не менять положения.

Перемещение циклона через какой-либо район вызывает резкие и значительные местные (локальные) изменения не только атмосферного давления и ветра, но также температуры и влажности воздуха, облачности, осадков.

Подвижные циклоны развиваются обычно на ранее возникших главных фронтах тропосферы, как волновые возмущения при переносе воздуха по обе стороны фронта. Неустойчивые фронтальные волны растут и превращаются в циклонические вихри. Перемещаясь вдоль фронта (обычно вытянутого по широте), циклон, в свою очередь, деформирует его, создавая меридиональные составляющие ветра и тем способствуя переносу теплого воздуха в передней (восточной) части циклона к высоким широтам и холодного воздуха в тыловой (западной) части циклона -- к низким широтам. В южной части циклона в нижних слоях создается так называемый теплый сектор, ограниченный теплым и холодным фронтами (стадия молодого циклона). В последующем, при смыкании холодного и теплого фронтов (окклюзия циклона), теплый воздух оттесняется холодным воздухом от земной поверхности в высокие слои, теплый сектор ликвидируется, и в циклоне устанавливается более равномерное распределение температуры (стадия окклюдированного циклона). Запас энергии, способной превратиться в кинетическую, в циклоне иссякает; циклон затухает или объединяется с другим циклон.

На главном фронте обычно развивается серия (семейство) циклонов, состоящая из нескольких циклонов, перемещающихся один за другим. В конце развития серии отдельные еще не затухшие циклоны, объединяясь, образуют обширный, малоподвижный, глубокий и высокий центральный циклон, состоящий из холодного воздуха во всей своей толще. Постепенно и он затухает. Одновременно с образованием циклона возникают между ними промежуточные антициклоны с высоким давлением в центре. Весь процесс эволюции отдельного циклона занимает несколько дней; серия циклонов и центральный циклон могут существовать одну-две недели. В каждом полушарии в каждый момент можно обнаружить несколько главных фронтов и связанных с ними серий циклонов; общее число циклонов за год составляет много сотен над каждым полушарием.

Есть определенные широты и области, в которых образование главных фронтов и фронтальных возмущении происходит относительно регулярно. В результате существуют определенные географические закономерности в повторяемости возникновения и перемещения циклонов и антициклонов и их серий, т.е. в так называемой циклонической деятельности. Однако влияния суши и моря, топографии, орографии и др. географических факторов на образование и перемещение циклонов и антициклонов и их взаимодействие делают общую картину циклонической деятельности очень сложной и быстро меняющейся. Циклоническая деятельность приводит к междуширотному обмену воздухом, количеством движения, тепла, влаги, что делает ее важнейшим фактором в общей циркуляции атмосферы.

Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже многие годы наблюдается так называемое Большое красное пятно, которое является, по всей видимости, долгоживущим антициклоном.

Размеры циклонов и антициклонов сопоставимы: диаметр их может достигать 3-4 тыс. км, а высота - максимум 18-20 км, т.е. они представляют собой плоские вихри с сильно наклонной осью вращения. Перемещаются они обычно с запада на восток со скоростью 20-40 км/ч (кроме стационарных).

Природное явление циклона и антициклона ученые определили по изменениям температуры, влажности и запыленности. Воздушные массы имеют различные свойства в зависимости от места расположения. В заснеженных районах Арктики и Антарктиды воздух холодный, прозрачный и сухой. Над Экватором он становится горячим и влажным.

После долгих наблюдений за атмосферой ученые дали понятное определение что такое циклон и антициклон. Они пришли к выводу, что слои атмосферы состоят из больших воздушных лавин, которые свободно передвигаются в пространстве. В слоях атмосферы происходит постоянное перемещение порывов ветра. Непостоянство воздуха позволило сделать открытия.

Что такое циклон и антициклон определение и основные моменты освещаются в научной литературе с разных точек зрения. Но все понятия описывают процесс возникновения атмосферных вихревых возмущений.

Явления циклона – это атмосферные вихри внушительных размеров с пониженным давлением воздуха. Они приносят шквальные ветры, ураганы, грозы и другую малоприятную погоду. Их возникновение происходит вследствие вращения Земли. Циклоны северного полушария перемещают воздух против часовой стрелки. В южном полушарии они двигаются в обратную сторону. Они обладают энергетической мощью и приносят сильные порывистые ветры, обильные осадки, грозовые тучи и молнии.
Явления антициклона отличаются повышенным давлением. В северном полушарии антициклоны вращаются по часовой стрелке, а в южном полушарии наоборот. Они приносят ясную устойчивую погоду, отсутствие ветров и осадков. Летом на время устанавливается теплая малооблачная погода. Зимой в такие дни бывает ясно и холодно.

В разных уголках Земли воздушные массы бывают холодными и теплыми благодаря тому, что движение воздуха циклона и антициклона постоянно меняется. Потоки периодически сталкиваются и вытесняют друг друга. В слоях атмосферы происходит постоянное перемещение порывов ветра, от небольших по размерам до невероятно огромных по площади. Циклоны и антициклоны достигают в диаметре 3500-4000 км высотой 20 км.

Взаимосвязанные явления

На первый взгляд эти объемные массы не должны иметь ничего общего. Они противоположны по своей сути, имеют разную природу возникновения. Тем не менее, прочное взаимодействие друг с другом показывают, что общего у циклона и антициклона:

если в одном месте отмечается пониженное атмосферное давление, то в другом регионе давление возрастает
неоднородное нагревание разных участков поверхности и вращение Земли является общим механизмом, который заставляет двигаться антициклон и циклон
оба они появляются только в определенных местах. Например, чем обширнее поверхность покрыта льдом, тем большая вероятность возникновения избыточных воздушных масс.

Над Антарктидой периодически можно наблюдать самый мощный антициклон, над Гренландией – относительно слабый, над Арктикой – средней мощности.

Циркуляция атмосферы

Атмосферные вихри ясно характеризуют, что такое антициклоны и циклоны. В верхних слоях Земли есть область низкого давления. В центре ее давление всегда ниже, чем на периферии. Именно в этом месте образуются мощные атмосферные потоки воздуха, которые перемещаются в правую сторону и называются циклоны.

Совсем по-другому, в точности до наоборот, ведут себя антициклоны. Они образуются в области высокого давления. Наивысшие показатели достигаются в центре и уклоняются влево.

В северном и южном полушарии явления циклонов и антициклонов создают прямо противоположные действия. Одни из них символизируют разрушения и потрясения. Летом могут быть проливные дожди, сильный ветер, ураганы и грозы. Зимой – снегопады, шторма, вьюги. Другие явления несут малую подвижность и спокойствие. Перемена погоды дает понять, что такое циклон и антициклон.

Антициклоны характеризуются слабым ветром, минимальным количеством выпадения осадков или их полным отсутствием. Летом они делают дни теплыми, в некоторых районах жаркими, зимой солнечными и морозными.

Циклон и антициклон что это такое, и почему в ясный день устанавливается холодная погода?

Если бы воздух на земле всегда распределялся равномерно, то ветра как такового бы в природе не существовало. Такого в природе не наблюдается.

В областях с высоким давлением всегда есть переизбыток воздуха. Низкое давление, наоборот, отличается его недостатком. Соответственно, воздушные массы распределены на поверхности земли не одинаково. С областей повышенного давления воздуха облака притягиваются циклоном. Поэтому внутри него всегда бывает облачно.

При антициклоне, наоборот, облака вытесняются. Небо становится ясным. Зимой солнце стоит низко, воздух не прогревается. Облаков нет, тепло не задерживается, на улице холодно. По этому признаку можно определить присутствие антициклона.

Этапы развития

Явления циклона и антициклона тесно связаны между собой. По сути, это единый процесс длинных волн. Циклон и антициклон проходит несколько этапов развития:

волнообразная стадия (начальная)
стадия молодой воздушной массы
достижение максимального развития
период заполнения воздушной массы

Начальную стадию циклон проходит в течение суток. Она характеризуется изменением поверхности. Вихри на высоте не видны. Тёплый воздух начинает двигаться в сторону холодного. На небе появляются слоистые облака.

Во второй стадии теплый и холодный фронт соединяются в центре циклона. Между ними образуется область теплой воздушной массы. Остальная часть заполняется холодным воздухом. В таком состоянии массы воздуха также находятся в течение суток.

Третья стадия сопровождается в центре наименьшим давлением. Она длится от 12 до 24 часов. Давление в центре циклона резко повышается, а скорость ветра становится меньше. Теплый воздушный поток остается внизу. Холодный воздух пытается его преодолеть. На определенном участке часть слоя оттесняется назад. В итоге происходит столкновение масс.

Потом поток воздуха стремительно превращается в мощный вихрь, скорость ветра значительно усиливается и проникает в верхние слои атмосферы Циклон захватывает прилегающие слои воздуха, затягивает их со скоростью до 50 км/ч. На отдаленных фронтах достигается большая скорость, чем в центре. В этот период из-за низкого давления происходит резкое изменение погоды.

Развитый циклон переходит в четвертую стадию и действует в течение четырех суток и более. Облачный вихрь смыкается в центре и потом сдвигается к периферии. На этом этапе уменьшается скорость, выпадают обильные осадки.

Явление циклона характеризуется недостатком воздуха. Для его восполнения поступают холодные течения. Они выталкивают наверх тёплый воздух. Тот остывает, вода конденсируются. Появляются облака, из которых выпадают обильные осадки. Вот что такое циклон, и почему при его возникновении резко меняется погода.

Виды циклонов

Продолжительность вихря от нескольких дней до недель. В области пониженного давления может длиться до года (например, Исландский или Алеутский циклон). По своему происхождению виды циклонов различаются в зависимости от места его возникновения:

вихри в умеренных широтах
тропический вихрь
экваториальный
арктический

В атмосфере Земли постоянно образуется движение масс. В ней все время разрушаются вихри самых разных размеров. Теплые и холодные течения воздуха сталкиваются в умеренных широтах и образуют области высокого и низкого давления, что приводит к возникновению вихрей.

Большую опасность создает тропический циклон. Он образуется там, где температуре поверхности океана не меньше двадцати шести градусов. Усиленное испарение способствует увеличению влажности. В результате чего вертикальные воздушные массы устремляются вверх.

С сильным порывом захватываются новые объемы воздуха. Они уже достаточно прогрелись и стали влажными над поверхностью океана. Вращаясь на огромной скорости, потоки воздуха превращаются в ураганы разрушающей силы. Конечно, не каждый тропический циклон приносит разрушения. Когда они перемещаются на сушу, то быстро затихают.

Скорость движения в разных стадиях

движение, не превышающее 17 м/с, характеризуется, как возмущение
при 17-20 м/с наблюдается некоторая депрессия
когда центр достигает скорости 38 м/с, надвигается шторм
когда поступательное движение циклона превышает 39 м/с, наблюдается ураган

В центре циклона преобладает область тихой погоды. Внутри образуется более тёплая температура, чем в остальной части воздушного потока, наблюдается меньшая влажность. Тропический циклон самый южный, отличается меньшими размерами и большей скоростью ветра.

Для удобства явления антициклонов и циклонов стали называть сначала цифрами, буквами и т.д. Сейчас они получили женские и мужские имена. При обмене информации это не создает путаницу и уменьшает количество ошибок в прогнозах. Каждое имя содержит определенные данные.

Явления антициклона и циклона, которые формируются над океаном, отличаются по своим свойствам от тех, которые возникли над материком. Морские воздушные масса зимой теплые, а летом холодные в сравнении с континентальным воздухом.

Тропические циклоны

Тропические циклоны, в основном, захватывают районы юго-восточного побережья Азии, восточную часть острова Мадагаскар, Антильские острова, Аравийское море и Бенгальский залив. За год наблюдается более семидесяти мощных циклонов.

Они называются по-разному, в зависимости от места возникновения:

Северная и Центральная Америка – ураган
Западное побережье Мексики в Тихом океане – кордонасо
Восточная Азия – тайфун
Филиппины – баруйо/ багуйо
Австралия – вилли-вилли

Свойства умеренных, тропических, экваториальных и арктических воздушных масс легко определить по имени. У каждого тропического циклона есть свое имя, например, «Сара», «Флора», «Нэнси» и т.д.

Заключение

Вертикально-горизонтальных движений воздушные массы перемещаются в пространстве. Атмосфера – это воздушный океан, ветры – его течение. Их безграничная энергия переносит по всем широтам тепло и влагу, из океанов на материки и обратно. Влага и тепло на Земле перераспределяется благодаря постоянному движению воздушных масс.

Если бы не было явления антициклонов и циклонов, то температура у полюсов была бы ниже, а на экваторе было бы жарче. Явление антициклона и циклона - мощная сила, которая может разрушать, откладывать и переносить с одного места на другое частицы пород.

Сначала от ветра работали мельницы, где мололи зерно. На парусниках он помогал преодолевать большие расстояния морей и океанов. Позже появились ветряные двигатели, с помощью которых люди получают электроэнергию.

Циклон и антициклон - это природный «механизм», который переносит воздушные массы и влияет на изменение погоды. Все больше углубляясь в тайны, что такое циклоны и антициклоны, возможно, люди научатся использовать эти явления природы с максимальной выгодой и пользой для человечества.

Движение воздуха в антициклонах

Движение воздуха в антициклонах следует обычным законам течения из области высокого давления в область низкого, подобно воде, стекающей с горы. Однако вращение Земли закручивает эти потоки в спираль (по часовой стрелке). Там, где изобары сближаются, скорость увеличивается. Там, где расходятся, – уменьшается. На высотах, больших 500 м, ветер почти строго следует линиям изобар, поскольку практически отсутствует трение. У поверхности Земли это не так: ветер замедляется вследствие трения воздуха о земную поверхность, эффект вращения Земли ослабляется, и ветер начинает спирально расходиться от области высокого давления.

Угол между изобарами и направлением ветра составляет от 10 0 над океаном до 45 0 или больше над поверхностью ровной суши. Таким образом, вверху ветер обычно сдвинут вправо на 45 0 от направления у поверхности Земли, а его скорость приблизительно в два раза больше.

Если учесть, что воздух в средних широтах в основном движется на восток с отклонением к северу (западный перенос), северо-западные ветры обычно указывают на приближение антициклона; юго-восточные – циклона.

Формирование циклонов

Выделяют несколько способов формирования циклонов:

а) взаимодействие двух антициклонов с разной температурой приводит к образованию некоего подобия морской волны на границе соприкосновения. Такая волна неустойчива и в конце концов опрокидывается и закручивает воздух в ячейку низкого давления (циклон). Это основной механизм образования большинства циклонов (рис. 2.18).

б) локальный циклон может образоваться в результате быстрого подъема воздуха под большим облаком. Окружающий воздух притекает внутрь области низкого давления и закручивается против часовой стрелки из-за вращения Земли. Такие локальные циклоны достигают в диаметре 30 – 35 км.

в) тепловые циклоны формируются над пустынями и другими сильно нагретыми поверхностями за счет интенсивного утекания горячего воздуха вверх.

г) иногда циклоны формируются на подветренной стороне горных массивов.

Высокие и низкие циклоны и антициклоны

При увеличении высоты барические градиенты (градиенты поля давления) приближаются по направлению к градиентам температуры (см. разд. 16). Следовательно, изобары приближаются к изотермам. Но изотермы в циклонах и антициклонах обнаруживают несимметричное распределение температуры. Обычно в передней (восточной) части циклона температура выше (ветры направлены из низких широт); в тыловой (западной) части температура ниже, поскольку ветры направлены из высоких широт, где температура ниже, в низкие. В антициклонах имеет место противоположная ситуация. Следовательно изотермы, а вместе с ними и изобары, в верхней части циклонов и антициклонов имеют волнистую форму. В передней части циклона они продвинуты к высоким широтам, в задней – к низким. В антициклоне – наоборот. Следовательно, изобары на некоторой высоте уже не имеют вида замкнутых кривых, размыкаются и становятся волнообразными. При этом на восточной (передней) части циклона имеется гребень высокого давления, совпадающий с «языком» теплого воздуха, а над тыловой частью – ложбина пониженного давления, совпадающая с холодным сектором циклона.

Однако бывают ситуации, когда температура в области циклона или антициклона распределяется достаточно равномерно, то есть, горизонтальные градиенты температуры малы. Тогда изобары остаются замкнутыми до больших высот. В такой ситуации характер изменения поля давления с высотой зависит только от того, выше или ниже температура внутри образования, чем вне него. В частности, если циклон существует в холодном воздухе, и температура в его центральной части самая низкая, то с высотой барические градиенты мало меняют направление, и замкнутые изобары обнаруживаются до больших высот тропосферы. Говорят, что холодный циклон является высоким . В отличие от него циклон с теплой воздушной массой имеет в центре наивысшую температуру, и составляющая термического ветра (см. разд. 16), определяемая градиентом температуры, направлена против градиента давления в нижних слоях атмосферы. Следовательно, ветер будет ослабляться с высотой, и такой циклон будет низким . В вышележащих над ним слоях атмосферы будет располагаться антициклон. Соответственно, холодные антициклоны являются низкими, а теплые – высокими .

Воздушные массы. Воздушной массой называется большое количество воздуха, имеющего сравнительно однородные свойства в горизонтальных направлениях, порой на протяжении тысяч километров.

Воздушная масса, двигающаяся над более теплой подстилающей поверхностью, называется холодной; двигающаяся над более холодной подстилающей поверхностью - теплой; находящаяся в тепловом равновесии с окружающей средой - местной.

Воздушная масса, формирующаяся в Арктике, называется арктическим воздухом, который сильно охлажден по всей толще, обладает малой абсолютной и большой относительной влажностью, несущий с собой туманы и дымки. В умеренных широтах формируется полярный воздух. Зимой массы такого воздуха близки по своим свойствам к арктическому; летом полярный воздух сильно запылен и отличается пониженной видимостью. Формирующийся в субтропиках и тропиках тропический воздух сильно прогрет, запылен, отличается большой абсолютной влажностью, нередко вызывающий явления опалесценции (красноватое солнце и далекие предметы в голубой дымке). Континентальный тропический воздух днем неустойчив (конвекция, пыльные вихри и бури, смерчи). Видимость понижена.

Экваториальный воздух имеет в общем те же свойства, что и тропический, но некоторые из них выражены еще в большей степени.

Фронты. Место соприкосновения двух воздушных масс, обладающих различными физическими свойствами, называется поверхностью раздела (фронтом). Линия пересечения такой поверхности с подстилающей поверхностью (моря или земли) называется линией фронта. Фронты разделяются на подвижные и стационарные.

Главный арктический фронт отделяет арктический воздух от полярного; главный полярный фронт - полярный воздух от тропического; главный тропический фронт - тропический воздух от экваториального.

Теплый фронт возникает при наползании теплой воздушной массы на холодную. Давление перед таким фронтом падает. Предвестником теплого фронта служат также перистые облака в виде «коготков». Перед теплым фронтом наблюдаются предфронтовые туманы. Пересекая зону теплого фронта, судно попадает в широкую полосу обложного дождя или снега с пониженной видимостью.

Холодный фронт возникает когда холодные воздушные массы вклиниваются под теплые. Он наступает «стеной» ливневых облаков. Давление перед фронтом значительно падает. При встрече с холодным фронтом судно попадает в зону ливней, гроз, шквалов и сильного волнения. Однако если клин холодного воздуха «подсекает» теплые массы медленно, то за линией такого холодного фронта судно попадает в зону обложных осадков.

Фронт окклюзии возникает при взаимодействии двух масс воздуха - теплого и холодного. Если догоняющая масса имеет температуру ниже впереди идущей, то фронт называют фронтом холодной окклюзии; если догоняющая масса имеет температуру выше впереди идущей - фронт теплой окклюзии. Проходя фронты окклюзии, судно может попасть в условия пониженной видимости, осадков, сильного ветра, сопровождаемого волнением.

Циклоны. Циклон зарождается как область пониженного давления на границе двух масс воздуха разной температуры. Обычно это волновое возмущение на фронтальной поверхности. При длине более 1000 км волна становится неустойчивой и говорят, что циклон «углубляется»: между холодным и теплым фронтами образуется сектор теплого воздуха языкообразной формы. При дальнейшем развитии холодный фронт, движущийся быстрее теплого, нагоняет его; смыкание теплого и холодного фронтов ликвидирует теплый сектор, образуя фронт окклюзии.

Диаметр циклона колеблется от нескольких сот до 5000 км; средняя скорость перемещения 30-60 км/ч. Внимательные наблюдения за облачностью, ветром, изменениями атмосферного давления и температуры воздуха позволяют делать важные для мореплавания выводы:

Если отдельные небольшие кучевые облака движутся в том же направлении, как и ветер внизу, наблюдатель находится в задней стороне циклона и можно ожидать улучшения погоды;

Если направление движения облаков не совпадает с направлением ветра внизу, наблюдатель находится в передней части циклона и через один-два дня следует ожидать продолжительных осадков и изменения температуры (понижение ее летом и повышение зимой);

Если ветер усиливается и направление его изменяется по солнцу, наблюдатель северного полушария (южного полушария) находится в правой (левой) половине циклона; если, направление усиливающегося ветра изменяется против солнца, следует сделать обратное заключение;

Если направление ветра не меняется, наблюдатель находится на пути центра циклона и следует ожидать временного затишья, а затем усиления ветра с противоположной стороны.

Тропические циклоны. В отличие от зарождающихся в умеренных широтах циклонов, циклонические возмущения, возникающие между тропиками, называются тропическими циклонами. В Вест- Индии они называются ураганами; к востоку от Азии - тайфунами; в Индийском океане -циклонами; в южной части Индийского океана - арканами. Тропические циклоны обычно менее 100-300 миль в поперечнике с диаметром центральной части 20-30 миль. Барический градиент в тропическом циклоне порой превышает 40 мб, а скорость ветра достигает 100 км/час, причем эти показатели, в отличие от циклонов умеренных широт, сохраняются практически во всей области урагана (тайфуна и т. Д.).

Рис. 114.

Одним из признаков приближения тайфуна является появление зыби, идущей не от того направления, от которого дует или дул ранее ветер. Развиваемая ветром зыбь может быть обнаружена уже на расстоянии 400-600 миль от центра тайфуна. По направлению зыби можно судить о положении центра тайфуна, а по изменению этого направления - о направлении его движения.

При приближении центра тайфуна атмосферное давление резко падает, перистые облака сменяются нагромождением ливневых облаков; наступает предгрозовое затишье с удушливой жарой. Затем температура воздуха быстро падает, начинается дождь, переходящий в тропический ливень.

Упрощенная схема тропического циклона для северного полушария приведена на рис. 114. Как видно из рисунка, ветры в области тайфуна отклонены от направления на его центр вправо в среднем на 60°. Следовательно, для наблюдателя, стоящего спиной к ветру, центр тайфуна будет находиться впереди, приблизительно на 60° влево от направления ветра. При приближении к центру тайфуна угол отклонения ветра от радиуса увеличивается и достигает 90° в непосредственной близости к центру. В центре тайфуна наблюдаются слабые ветры и даже штиль при бурном море. После прохождения центра тайфуна («глаз бури») ветер очень быстро усиливается до ураганного. Сила ветра 12 баллов сохраняется на расстоянии 30-35 миль от центра и более. За- тем она постепенно слабеет. Так, на расстоянии от центра тайфуна в 50-75 миль сила ветра равна 10 баллам; на расстоянии 100- 150 миль - 8-9 баллам. И только на расстоянии 200-250 миль сила ветра снижается до 6-7 баллов. Пользуясь макетом тропического циклона (см. рис. 114), нетрудно установить положение судна относительно пути движения центра тропического циклона: если направление ветра меняется по часовой стрелке, то через судно проходит правая половина циклона; если направление ветра меняется против часовой стрелки - левая половина; если направление ветра не меняется - центр циклона. Таким образом,

Рис. 115.

для выбора правильного курса при встрече тропического цикло на необходимо руководствоваться следующими правилами:

1) при плавании в северном полушарии (рис 115, а) : при прохождении правой половины тропического циклона нужно лечь в байдевинд правого галса (ветер привести в правую скулу) и сохранять этот курс, пока барометр не начнет подниматься;

При прохождении левой половины тропического циклона нужно лечь в бакштаг правого галса (привести ветер в корму справа) и держать этот курс до выхода из зоны тропического циклона; находясь на пути центра тропического циклона, также ложатся в бакштаг правого галса (рис. 115, а) и держатся, как указано ранее;

2) при плавании в южном полушарии (рис. 115,б):

При прохождении левой половины тропического циклона лечь в бейдевинд левого галса, сохраняя курс до начала подъема барометра;

При прохождении правой половины тропического циклона лечь в бакштаг левого галса и держать, как указано ранее; при нахождении на пути урагана также привести ветер в бакштаг левого галса и так править до выхода из зоны урагана.

Антициклоны - области повышенного атмосферного давления бывают, как и циклоны, стационарными и подвижными.

Антициклон, проникший с севера, в холодное время года приносит понижение температуры, ясную погоду и хорошую видимость; в теплое время года -грозы, Антициклон, приходящий с юга, в холодное время года несет длительную пасмурную погоду; в теплое - дожди с грозами, а по ночам - росу и поземные туманы. Явным признаком антициклонической погоды является резкий суточный ход температуры воздуха, влажности и других метеоэлементов.

Вперед
Оглавление
Назад