big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Возникновение и развитие циклонов и антициклонов

Развитие сети аэрологических станций и повышение потолка радиозондирования атмосферы позволили уточнить строение циклонов и антициклонов, а также особенностей связанной с ними атмосферной циркуляции и погоды. Разрабатывались и теории возникновения и развития этих гигантских вихрей. Теорий циклонов начиная с середины XIX века и до настоящего времени появлялось довольно много, но большинство из них представляет лишь исторический интерес.

Некоторые из этих теорий существовали довольно длительное время, но законченной математически строгой и физически стройной теории, которая правильно и полно описывала бы процесс возникновения и развития циклонов и антициклонов, не создано до настоящего времени.

В современных теоретических исследованиях проблема возникновения и развития этих вихрей отождествляется с проблемой изменения давления. Развитие теории, объясняющей изменение давления на основе законов гидродинамики, позволяет охватить столь большой круг атмосферных процессов, что в принципе возможно предвычисление (расчет ожидаемых величин) давления в любой точке. Казалось бы, если возможно предвычислить изменение давления на большой территории, то тем самым должен получиться прогноз развития и движения существующих циклонов и антициклонов, а также и возникновения новых. Однако это не получается, так как учет падения давления (для образования циклона) и роста его (для образования антициклона) — важное, но не единственное условие. Требуется учесть ряд дополнительных факторов, которые не поддаются количественному учету. Среди них назовем такие, как точный расчет знака изменения давления, т. е. перехода от роста к падению давления, или, наоборот, от падения к росту, неравномерность изменения давления в соседних районах, отсутствие или наличие в начальный момент времени больших горизонтальных градиентов давления (изменение его на единицу расстояния), характер подстилающей поверхности, ее температурные условия, отражательная способность (альбедо), и другие факторы.

В конце XIX века метеорологи предполагали, что циклоны образуются вследствие прогрева воздуха над теплой подстилающей поверхностью, а антициклоны — вследствие охлаждения воздуха над холодной подстилающей поверхностью. Это предположение обосновывалось тем, что, по климатическим данным, над материками и океанами атмосферное давление в средних широтах в холодное и теплое полугодие распределяется неодинаково. Действительно, если обратиться к картам среднего месячного давления за январь и июль (см. рис. 32 и 33), то нетрудно обнаружить, что над охлажденными материками северного полушария зимой давление высокое, а над теплыми водами севера Атлантики и Тихого океана — низкое. Летом картина меняется коренным образом. Высокое давление преобладает над относительно холодными водами океанов, а низкое давление — над прогретыми материками. Более того, даже над такими небольшими, но теплыми водными бассейнами, как Средиземное или Черное море, на средних картах давления зимой ясно выражены области пониженного давления. Их происхождение обусловлено разностью температур суши и моря.

Однако уже в начале XX века на основе данных аэрологических наблюдений, производившихся в то время с помощью шаров-зондов, эта гипотеза была отвергнута. Данные наблюдений показали, что в среднем температура в тропосфере в системе циклонов гораздо ниже, чем в системе антициклонов.

Концепции о причинах возникновения циклонов и антициклонов. В 20-х годах XX столетия норвежскими метеорологами был разработан фронтологический анализ (В. Бьеркнес, Я. Бьеркнес, Т. Бержерон и др.), который получил развитие в СССР (С. П. Хромов, А. И. Аскназий и др.). В анализе погодообразующих (синоптических) процессов здесь обращалось главное внимание на физические особенности холодных и теплых воздушных масс и на атмосферные фронты, в системе которых развивается многоярусная облачность. Авторы фронтологического анализа выдвинули гипотезу о волновом характере развития циклонов. Они полагали, что циклоны возникают в результате волновых (колебательных) движений существующих в атмосфере поверхностей раздела (фронтов) между массами воздуха различной плотности. Теоретическое решение задачи о возникновении циклонического возмущения предложил Н. Е. Кочин. Однако волновая теория не давала указаний о последующем развитии циклонов. Более того, волновая теория не связывала возникновение и развитие циклонов с причинами изменения атмосферного давления. Вследствие этого антициклоны оказались вне поля зрения волновой теории.

Применение во второй половине 30-х годов высотных карт погоды — карт барической топографии — расширило возможности для широких исследований, связанных с изучением полей давления, температуры и влажности на высотах. Совместный анализ приземных и высотных карт погоды позволил обнаружить ряд неизвестных ранее особенностей в развитии атмосферных процессов. Еще в начале 30-х годов на основе эмпирических исследований было установлено, что антициклоны у поверхности земли усиливаются, если в средней тропосфере (около 5 км) воздушные течения сходятся (конвергируют). При расходимости (дивергенции) течений на высотах антициклоны ослабевают (В М. Михель, 1932). Кроме того, выяснилось, что антициклоны, как и циклоны, движутся в направлении воздушных течений на уровне 5—6 км (С. И. Троицкий, В. М. Михель). Эти и другие правила в конце 30-х годов после уточнения и существенного дополнения были положены в основу метода анализа атмосферных процессов, названного адвективно-динамическим (X. П. Погосян и Н. Л. Таборовский, 1939—1946). По адвективно-динамической теории, изменение давления в данном районе происходит в результате действия двух факторов: изменения давления в результате горизонтального переноса (адвекции), масс воздуха и изменения давления, происходящего за счет отклонения действительного ветра от градиентного (агеострофичности). Первая составляющая была названа адвективной, вторая — динамической. Согласно адвективно-динамической теории перемещение циклонов или антициклонов, без изменения давления в их центре, определяется адвекцией, а возникновение новых и их эволюция — динамическим изменением давления. Была построена пространственная структура циклонов и антициклонов (Н. Л. Таборовский, 1947), которая в последующем была лишь несколько модернизирована (X. П. Погосян, А. И. Бурцев, 1957). Адвективно-динамическая теория внесла много нового в изучение циклонов и антициклонов. Если явление возникновения и развития их раньше изучалось в отрыве от изменения атмосферного давления, то теперь эти процессы оказались уже частным случаем общей проблемы изменения давления. Согласно адвективно-динамическому анализу наибольшие адвективные и динамические изменения давления происходят в зонах больших горизонтальных градиентов температуры и давления, т.е. во фронтальных зонах. При этом динамический фактор значителен на тех участках фронтальных зон, где в направлении воздушных течений на высотах (тропосфере) наблюдается изменение скорости ветра вдоль потока (дивергенция и конвергенция), криволинейная форма изобар и др. В адвективно-динамическом анализе, как и во фронтологическом, уделяется большое внимание зонам резкого перехода между холодными и тёплыми массами воздуха, т. е. фронтальным зонам и фронтам.

Адвективно-динамическая теория циклонов и антициклонов учитывала лишь часть факторов динамического изменения давления. Поэтому ряд положений этого анализа недостаточно оправдывался. Однако многие выводы, полученные ее авторами, стали основой дальнейшего развития знаний об атмосферных процессах. Они открыли метеорологам-прогнозистам (синоптикам) широкие возможности к познанию физики атмосферных процессов. Синоптики получили возможность не ограничиваться данными наблюдений у поверхности земли, а эффективно использовать аэрологические наблюдения. Все это способствовало заметному улучшению качества краткосрочных прогнозов погоды во всех подразделениях Гидрометслужбы СССР.

В настоящее время в исследованиях возникновения и развития внетропических вихрей учитываются не только адвективные изменения температуры, ко и те ее изменения, которые вызываются вертикальными движениями воздуха, т. е. адиабатические изменения. В последующем было установлено, что по мере углубления циклона в его системе после момента возникновения происходит непрерывное понижение температуры, а в системе антициклона, наоборот,— повышение температуры.

Таким образом, адвективно-динамическая теория соединила процессы возникновения и развития циклонов и антициклонов с изменениями атмосферного давления.

Трудность создания строгой количественной теории возникновения и развития циклонов и антициклонов заключается в том, что до настоящего времени еще не создано теории, достаточно полно описывающей сложный процесс изменения атмосферного давления.

Известно, конечно, что атмосферное давление определяется весом воздушного столба. Изменение же веса зависит как от изменения плотности воздуха, которое может произойти в результате изменения температуры, так и от процессов, приводящих к увеличению или уменьшению массы воздуха. Поэтому при определении изменения давления, приводящего к возникновению и развитию циклонов и антициклонов, должны учитываться термические и динамические факторы.

Влияние термических факторов тесно связано с переносом масс воздуха различной плотности, вызывающим изменение горизонтальных градиентов температуры, давления, а соответственно и поля течений. Но температура воздуха, а вместе с ней поля давления и воздушных течений подвергаются непрерывным изменениям, происходящим вследствие вертикальных движений воздуха и адиабатических изменений его температуры, притока тепла от подстилающей поверхности, затраты тепла на испарение, выделения скрытой теплоты при конденсации водяного пара.

При количественном учете перечисленных факторов встречаются большие трудности. Последние вызваны главным образом отсутствием надежных данных наблюдений за влажностью воздуха, турбулентностью, вертикальными движениями в различных слоях тропосферы и пр. Необходимы также более точные сведения о распределении и изменении температуры выше тропосферы. Поэтому при оценке влияния температуры на изменение поля давления приходится ограничиваться приближенными и осредненными данными. Динамические изменения давления также не поддаются пока количественному учету, так как точно не определена роль различных факторов в изменении атмосферного давления. Нет способа точной количественной оценки дивергенции (конвергенции) ветра, кривизны изобар и др. Этим объясняется отсутствие количественной теории, удовлетворительно описывающей физические процессы изменения давления, возникновения и развития циклонов и антициклонов.

Благодаря данным аэрологических наблюдений в настоящее время метеорологи располагают более ясными представлениями о структурных особенностях циклонов и антициклонов. Возникая в результате падения или роста атмосферного давления у поверхности земли в виде небольших по размерам вихрей (в диаметре до 400—600 км), по мере своего развития они постепенно расширяются, вовлекая в свою систему огромные массы воздуха.

Стадии развития циклонов и антициклонов. Жизнь каждого циклона или антициклона характеризуется обычно тремя стадиями: возникновение, развитие и старение. Продолжительность каждой стадии колеблется от нескольких часов до 1—2 суток. В тех случаях, когда условия циркуляции не способствуют развитию циклона или антициклона, они не проходят всех стадий и быстро исчезают.

В первой, начальной стадии циклоны являются небольшими барическими возмущениями, очерченными одной-двумя изобарами, с разностью давления между центром и периферией до 5— 10 мб и с определившейся системой ветра у поверхности земли. На высотах 2—3 км замкнутые изобары не обнаруживаются.

Вторая стадия — это стадия наибольшего развития барического образования с минимумом давления в центре циклона и с максимумом в центре антициклона. Разность давления между центром и периферией часто превосходит 20—30 мб. В этой стадии соответствующая система циркуляции обнаруживается в верхней тропосфере и нижней стратосфере.

В третьей стадии — стадии разрушения концентрическая система изобар прослеживается не только у поверхности земли, но и на высотах. В этих случаях циклоническая циркуляция обычно охватывает не только всю тропосферу, но и нижние слои стратосферы. Однако постепенно циклоны заполняются.

На рисунке 51, а изображена схема циклона в начальной стадии развития. В его системе у поверхности земли (жирные линии) появилась первая замкнутая изобара. Ветры слабые. Атмосферный фронт (зубчатая жирная линия) у поверхности земли лишь слабо возмущен. Слева от центра — в тыловой части циклона расположен холодный фронт, а справа — теплый. Над приземным центром в средней тропосфере (на высотах 5—6 км) наблюдается густая система изогипс (тонкие сплошные линии), с низким давлением к северу от приземного центра и высоким давлением к югу. Такой структурой высотного поля давления определяются над приземным центром циклона западные ветры со скоростями 60—80 км/ч и более. При таких скоростях ветра в области расходящихся изогипс происходит отклонение ветра от градиентного, развитие восходящих движений воздуха и падение давления.

На рисунке 51, б циклон изображен приблизительно через сутки. У поверхности земли он углубился, и давление в центре его понизилось до 980 мб вместо 1005 в начальной стадии развития. Ветры усилились. Возмущение фронта дошло почти до максимума, после чего обычно происходит окклюдирование. Система изогипс на тех же высотах значительно деформировалась. Зона наибольшей густоты изогипс, с большими скоростями ветра, сдвинулась к югу от приземного центра. На высотах 5— 6 км началось формирование высотного его центра. Во второй стадии развития циклона восходящие движения воздуха наибольшие. Поэтому обычно в этой стадии в системе циклона, особенно в передней его части (по движению), образуется мощная фронтальная облачность, и в зоне теплого фронта выпадают обложные осадки. Холодный воздух находится в области низкого давления, на высотах, а теплый воздух — в области высокого давления. В системе развивающихся

Схема трёх стадий развития циклона у поверхности земли и в средней тропосфере

циклонов разности температур между холодным и теплым воздухом, как и в первой стадии, обычно превышают 8 — 10° на расстоянии 1000 км поперек фронтальной зоны.

В третьей стадии развития — стадии заполнения в циклоне находится уже только холодный воздух. Это происходит благодаря адвекции холода в тылу его и охлаждения воздуха в результате восходящих движений. На рисунке 51, в изображена схема такого циклона. Как видим, центр его у поверхности земли и на высотах почти совпадают. Холодный фронт вследствие быстрого продвижения догнал теплый и произошло окклюдирование. Вместе с переходом холодного фронта на периферию циклона туда же сместилась зона наибольших контрастов температуры и скоростей ветра. В центре циклона давление уже выросло. Циклон заполняется. В последней стадии развития восходящие движения воздуха в центральной части циклона ослабевают и прекращаются, а облака разрушаются.

Циклон уже полностью становится очагом холода в тропосфере, и активные процессы изменения давления переходят на его периферию, где образуется новая высотная фронтальная зона. При соответствующих условиях здесь могут возникать новые циклоны и антициклоны.

Таким образом, в результате адвекции холода в тылу циклона, наличия восходящих движений и адиабатического охлаждения весь циклон заполняется холодным воздухом, и в тропосфере, как ив нижней стратосфере, устанавливается мощная циклоническая циркуляция, т. е. циклон становится высоким барическим образованием. В этой последней стадии горизонтальные контрасты температуры, являющиеся энергетическим источником циклона, перемещаются на периферию и циклон затухает. Процесс перемещения контрастов температуры на периферию есть по существу процесс окклюдирования циклона.

Схема антициклона в начальной стадии развития, с системой ветра и изобар, представлена на рисунке 52, а. Как обычно, фронты расположены на его периферии. Холодный воздух в системе антициклона находится в правой части, а теплый — в левой. В противоположность циклону, нисходящие движения воздуха и адиабатическое повышение температуры, характерные для усиливающегося антициклона, и адвекция тепла в левой половине его почти непрерывно вызывают общее повышение температуры в системе антициклона. В результате адиабатического повышения температуры водяной пар удаляется от состояния насыщения, облака рассеиваются и прекращаются осадки.

Над приземным антициклоном в средней тропосфере наблюдается густая система сходящихся изогипс. Скорости ветра над центром антициклона и вправо от него превышают 60—80 км/ч. При таких скоростях в области сходимости течений происходит отклонение ветра от градиентного, т. е. движение становится нестационарным, развитие нисходящих движений воздуха и рост давления — антициклон усиливается. Холодный воздух, как всегда, находится в системе низкого давления на высотах.

Во второй стадии развития антициклон уже является мощным барическим образованием (рис. 52, б), с высоким давлением в приземном центре и расходящейся системой сравнительно слабых приземных ветров, а фронт у поверхности земли выдвигается на периферию антициклона. На высотах еще существует густая система сходящихся изогипс, с сильными ветрами и большими контрастами температуры. В этой стадии на высотах уже появляется небольшой замкнутый центр, или гребень, высокого давления от основного теплого антициклона. В результате продолжающейся адвекции тепла и адиабатического нагревания антициклон заполняется теплым воздухом во всей тропосфере и превращается в очаг тепла с хорошо выраженной антициклонической циркуляцией (рис. 52, в). В этой последней стадии развития

Схема трёх стадий развития антициклона у поверхности земли и в средней тропосфере

горизонтальные контрасты температуры,, являющиеся его энергетической базой, перемещаются на периферию и антициклон начинает разрушаться.

Перемещение циклонов и антициклонов происходит до тех пор, пока над ними имеется воздушный поток. Когда же они становятся самостоятельными образованиями (в третьей стадии), движение их обычно прекращается.

В результате расходимости воздушных течений в приземном слое давление в системе антициклона понижается, постепенно он разрушается или благодаря преобразованию соседнего барического поля сливается с другим более молодым антициклоном. То же происходит с циклонами, с тем лишь различием, что вследствие сходимости ветра в приземном слое давление в центре циклона растет и он постепенно исчезает, заполняясь, или сливается с другими, более молодыми и мощными циклонами.

Движение циклонов и антициклонов происходит в направлении воздушных течений на высотах (в средней тропосфере), т. е. по так называемому ведущему потоку. Однако ведущий поток не является постоянным. Он изменяется в связи с происходящими активными атмосферными процессами. В случаях изменения ведущего потока, т. е. при перестройке поля течений в тропосфере, наиболее трудно точно рассчитать скорость и направление их движения.

В большинстве случаев падение атмосферного давления в каком-либо пункте указывает на приближение циклона и ухудшение погоды, а рост давления, наоборот,— на удаление циклона, приближение антициклона и улучшение погоды. Но не всегда эти правила оправдываются. В отдельных случаях погода может ухудшиться и при росте давления, как и улучшиться при его падении. Это зависит от влагосодержания воздуха и скорости вертикальных движений.

По мере развития циклона в его систему вовлекаются все новые влажные массы воздуха, приносящие с собой водяной пар. Последующая конденсация этого водяного пара нередко приводит к обильным осадкам, покрывающим огромные территории. Например, было рассчитано, что в одном циклоне, пришедшем с Балканского полуострова на Европейскую территорию СССР, в течение трех дней выпало около 40 млрд. м3 воды. Такое количество воды достаточно, чтобы наполнить водоем глубиной около 30 м и площадью более 1300 км 2.

По мере развития антициклонов в систему их циркуляции также вовлекаются значительные массы воздуха.

Высокие теплые антициклоны и холодные циклоны — очаги тепла и холода. В районах между этими очагами создаются новые фронтальные зоны, усиливаются контрасты температуры и снова возникают атмосферные вихри, проходящие тот же цикл жизни.

Повторяемость циклонов и антициклонов. Движущиеся атмосферные вихри (внетропических широт) возникают и развиваются не везде одинаково.

В зимний период в северном полушарии циклоны чаще развиваются у восточных берегов Азии и Северной Америки. Здесь наблюдаются почти постоянно большие горизонтальные контрасты температур между охлажденными материками и теплыми океанами. Над Атлантикой они перемещаются в сторону Исландии и севера Европы, а над Тихим океаном — к Алеутским островам и Аляске. Зимой нередко циклоны возникают и над Средиземным морем. Над материком Азии они возникают значительно реже.

Летом положение меняется. Повторяемость циклонов над океанами уменьшается, а над материками увеличивается. В районе Средиземного моря летом циклоны возникают очень редко.

У антициклонов зимой наибольшая повторяемость в северных районах Азии и Америки. В районах наибольшей повторяемости циклонов антициклоны встречаются редко.

Так как горизонтальные градиенты температуры и давления от зимы к лету уменьшаются, то в теплое время года процессы цикло- и антициклогенеза протекают менее интенсивно. Однако и летом, когда вследствие междуширотного обмена масс воздуха возникают и обостряются фронтальные зоны с контрастами температур до 10—15° и более на 1000 км при значительных скоростях воздушных течений, возникают и интенсивно развиваются отдельные циклоны.

Зона наибольшей повторяемости циклонов зимой и летом в основных чертах совпадает с районами наибольшей густоты изотерм на картах относительной топографии (рис. 22 и 23). Зимой наибольшая густота изогипс на картах ОТ сосредоточена на юге материков, а главное на востоке их. В средней полосе контрасты температуры незначительны. В отличие от зимы, над Сибирью в области увеличенных контрастов температура в верховьях Оби и Енисея, летом повторяемость циклонов увеличивается. Временами возникая, они перемещаются в восточном направлении, достигая наибольшего развития над Восточной Сибирью и Дальним Востоком.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.