big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Циклоны и антициклоны

Крупные атмосферные вихри, циклоны и антициклоны возникают во всех частях земного шара. Однако лишь во внетропических широтах они отличаются большой мощностью и интенсивностью развития. Слабое развитие получают циклоны и антициклоны в экваториальной зоне. Вместе с тем вблизи этой зоны возникают и развиваются тропические циклоны, отличающиеся от внетропических малым диаметром, но большими градиентами давления и скоростями ветра.

Причины возникновения этих барических образований различны. Например, внетропические подвижные циклоны и антициклоны возникают и развиваются в зонах больших горизонтальных градиентов температуры и давления, при определенной структуре термобарического поля. Тропические циклоны образуются в тропической зоне конвергенции над океанами при влажно-неустойчивом состоянии тропосферного воздуха. Слабо выраженные области высокого и низкого давления возникают главным образом вследствие термической неоднородности подстилающей поверхности (прогревания воздуха).

Гидродинамическая теория возникновения и развития циклонов и антициклонов еще мало разработана, хотя и достигнуты определенные успехи в предвычислении поля давления с использованием быстродействующих электронных счетных машин.

В системе общей циркуляции атмосферы большую роль играют внетропические циклоны и антициклоны, имеющие различную вертикальную протяженность. В отдельных случаях мощные центральные циклоны прослеживаются до высот 20— 25 км при диаметре более 2 тыс. км.

Взгляды на причины возникновения и развития циклонов и антициклонов внетропических широт за последнее столетие подвергались большим изменениям, чем на другие атмосферные объекты. Не останавливаясь на различных представлениях в прошлом, отметим, что и в настоящее время нет общепринятой теории циклонов. Главный недостаток существующих теорий заключается в том, что они не позволяют установить количественных критериев, с помощью которых можно было бы определить возникновение и развитие этих барических образований.

Теория полярного фронта и циклонов, разработанная В. Бьеркнесом (1919) и развития в последующем Я. Бьеркнесом с Сульбергом (1922) и другими, принимает, что циклоны являются волнообразными возмущениями на полярном фронте. Волновая теория, предложенная норвежскими метеорологами, рассматривает циклоны как образование волн на поверхностях разрыва в атмосфере. На основе теоретических разработок принято, что поверхность разрыва является неустойчивой относительно волн, длиной около 1000—2500 км. Однако эта теория может объяснить лишь первоначальное понижение давления и образование возмущения, но не содержит объяснения развития и превращения его в глубокий циклон. Поэтому дальнейшая эволюция циклона объясняется лишь качественно, вне основной теории.

Несколько иное решение возникновения циклона дал Н. Е. Кочин. По Н. Е. Кочину, потеря устойчивости на поверхностях раздела происходит не вследствие движений, перпендикулярных плоскости раздела, а в результате почти горизонтальных движений, направленных к поверхности раздела под малым углом. В последующем, теория Н. Е. Кочина была развита М. И. Юдиным и Е. Н. Блиновой. Однако и эта волновая теория циклонов не учитывает такой важный фактор, как адвекцию температуры, играющую важную роль в возникновении и развитии барических образований. Кроме того, по волновой теории предполагается, что при возникновении циклона колебание охватывает всю поверхность раздела. В действительности, в начале возникновения циклона возмущение поля давления и поля течений происходит в приземном слое воздуха, в то время как даже в средней тропосфере оно весьма незначительно.

В начале 30-х гг. В. М. Михелем была установлена тесная связь между структурой поля течения в средней тропосфере и эволюцией антициклонов. На основе этих положений в середине 30-х гг. Р. Шерхаг сделал попытку объяснить циклогенез расходящейся системой течений в средней тропосфере. Попытка Шерхага создать так называемую дивергентную теорию циклонов встретила возражения, хотя ряд положений, установленных Шерхагом, имел большое значение в практической работе службы огоды.

Как показал опыт, изучение структуры лишь высотного барического поля далеко недостаточно для определения условий возникновения и развития барических образований. Критика упомянутых теорий циклогенеза довольно подробно дана Н. Л. Таборовским.

В конце 30-х и начале 40-х гг. Н. Л. Таборовским и автором был произведен качественный анализ адвективных и динамических изменений температуры и давления и условий преобразования высотных деформационных полей. Полученные положения были применены к проблеме циклогенеза. Были найдены количественные критерии величин контрастов температуры в тропосфере, необходимых для развития циклонов.

В отличие от Р. Шерхага, автор и Таборовский развили идею о зависимости процесса как циклогенеза, так и анткциклогенеза от структуры термобарического поля в тропосфере. В этих работах, известных под названием адвективно-динамического анализа, была установлена органическая связь между процессами цикло- и антициклогенеза и преобразованиями высотных деформационных полей. Естественно, что процессы возникновения и развития барических образований можно рассматривать лишь в зависимости от изменения атмосферного давления. К сожалению, до настоящего времени еще не построена теоретическая схема, достаточно полно и точно описывающая механизм изменения атмосферного давления. В период развития упомянутых пространственных синоптических исследований атмосферных процессов в 40-х гг. теория изменения давления, предложенная И. А. Кибелем, считалась лучшей. Действительно, ряд выводов, вытекающих из этой теории, совпадал с основными положениями, полученными в результате физико-синоптических исследований. Этим объяснялось стремление Н. Л. Таборовского видеть в теории И. А. Кибеля теоретическую основу адвективно-динамического анализа.

Среди исследований, посвященных эволюции барических образований, вопросы изменения структуры их термического и барического полей более подробно освещены в монографии Н. Л. Таборовского. В этой работе, как и в предшествовавших исследованиях по адвективно-динамическому анализу, изменение структуры термобарического поля, возникновение и развитие циклонов и антициклонов, а также их эволюция объяснялись преимущественно адвективными изменениями температуры и динамическими изменениями давления, находящимися в тесной взаимосвязи. Наблюдающееся понижение температуры в системе развивающегося циклона и повышение ее в развивающемся антициклоне объяснялось соответственно адвекцией холода и тепла. Неадвективным изменениям температуры не придавалось существенного значения. Причина перехода от углубления к заполнению циклонов объяснялась уменьшением и прекращением адвекции холода в тыловой части циклона, сопровождающимся уменьшением контрастов температуры над центральной частью приземного циклона и ослаблением дивергенции.

Аналогично объяснялось повышение температуры в системе развивающихся антициклонов, с той лишь разницей, что повышение температуры над усилившимся приземным антициклоном и уменьшение контрастов температуры, а также ослабление конвергенции, объяснялось ослаблением и прекращением адвекции тепла.

Как показали дальнейшие исследования, объяснение эволюции поля температуры в системе барических образований действием лишь адвекции оказалось недостаточным. Было установлено, что при интенсивно развивающихся процессах, неадвективные изменения температуры могут достигать больших величин и местами оказывать существенное влияние на измене-кие структуры термобарического поля тропосферы. Однако внесенный корректив не отразился на основных положениях адвективно-динамической теории цикло- и антициклогенеза.

Рассмотрим особенности эволюции термобарического поля тропосферы и характер циркуляции в различных стадиях развития циклонов и антициклонов, а также роль термического и динамического факторов в их эволюции. При этом под термическим фактором понимаются те изменения атмосферного давления, которые обусловлены изменением температуры столба воздуха. За короткие промежутки времени эти изменения обусловлены главным образом адвекцией температуры и адиабатическим охлаждением или нагреванием воздуха, вследствие восходящих и «исходящих движений его. Под динамическими изменениями давления понимаются те изменения, которые обусловлены действием сил, приводящих к увеличению или уменьшению массы в столбе воздуха. Одним из главных факторов, обусловливающих динамические изменения давления, является дивергенция массы.

Эволюция поля течений на высотах тесно связана с эволюцией термического поля нижележащих слоев воздуха. Изменение термического поля в короткие промежутки времени осуществляется главным образом действием адвекции и вертикальных движений. Как показали расчеты, в этих случаях притоком тепла от подстилающей поверхности и влиянием других факторов можно пренебречь.

Результаты вычисления изменений температуры показали, что в системе барических образований области адвекции холода и тепла чередуются вдоль потока. При этом адвекция холода обычно сопровождается нисходящими движениями и нагреванием воздуха, а адвекция тепла — восходящими движениями и охлаждением воздуха. Однако было обнаружено, что области адиабатического изменения температуры вдоль течений несколько сдвинуты по отношению соответствующих областей адвекции холода и тепла. При этом большой деформации термобарического поля и поля высотных течений соответствует больший по величине сдвиг.

Анализ рассчитанного распределения суточных изменений температуры, произведенный в работе, позволил определить четыре различных сочетания адвективных и адиабатических изменений ее в системе развивающегося циклона:

а) внешняя тыловая и передняя части антициклона — адвекция холода и адиабатическое нагревание,

б) ближняя тыловая — адвекция холода и адиабатическое охлаждение,

в) передняя — адвекция тепла и адиабатическое охлаждение,

г) внешняя передняя и тыловая части антициклона — адвекция тепла и адиабатическое нагревание.

В этих сочетаниях важное значение имеют те части термического поля, где адвективный и адиабатический факторы действуют однозначно, обусловливая соответствующее понижение или повышение температуры в столбе воздуха.

К начальной (первой) стадии развития принято относить барические образования, еще только оформившиеся у поверхности земли одной или двумя изобарами. В этой стадии циклоны или антициклоны бывают хорошо выражены в поле давления и ветра лишь вблизи поверхности земли. На высотах возмущение потока не всегда можно установить.

Во избежание произвольного построения схем была соблюдена статистическая связь между полями давления и полем температуры. Задав приземное поле давления и поле температуры (ОТ), характерное для первой стадии развития циклонов, исходя из соотношения AT = ОТ + (Р0-1000)∙0,8, были вычислены соответствующие значения AT. Это позволило строго представить последующие изменения полей ОТ и AT по мере развития циклона. В каждой стадии развития давление в приземном центре задавалось таким, какое обычно наблюдается в соответствующих стадиях в средних по интенсивности циклонах. Поле ОТ каждой последующей стадии было получено с учетом суммарных изменений температуры и поля ОТ предыдущей стадии, а поле AT — наложением поля ОТ на приземное поле давления. Все расчеты были выполнены для 13 фиксированных точек, расположенных симметрично относительно центра на расстоянии 300 км (4 точки) и 600 км (8 точек).

Приведенные здесь схемы последующих стадий развития циклона получены из учета изменения температуры в системе развивающегося циклона, вызванной адвекцией, вертикальными движениями воздуха и динамическими изменениями давления.

На рис. 44 изображена схема приземного барического поля (а) и высотного термобарического поля (б) в системе циклона, по автору и А. И. Бурцеву. В системе такого циклона термическое

Схема приземного барического и термобарического полей тропосферы в первой стадии развития циклона

и барическое поля на высотах слабо возмущены, а у поверхности земли низкое давление выражено одной замкнутой изобарой.

Расчеты адвективных и адиабатических изменений температуры показали, что в начальной стадии развития область наибольшего адвективного понижения температуры располагается в верхней тыловой части циклона, причем по абсолютным значениям адвекция холода значительно превышает величину адиабатического повышения температуры здесь. В то же время наибольшее адвективное повышение температуры происходит в передней части циклона, которое по абсолютным значениям обычно бывает меньше адиабатического понижения температуры. Что касается центральной части циклона, то здесь в области адвекции холода происходит восходящее движение и понижение температуры воздуха. Вследствие заметного адиабатического понижения температуры над центральной и передней частями циклонов и значительного адвективного понижения температуры в тыловой части их, еще до начала окклюдирования в системе циклонов по мере углубления происходит последовательное понижение температуры, которое продолжается и в стадии заполнения.

На рис. 45 приведена схема характерного распределения суточных адвективных и адиабатических изменений температуры в системе циклона в первой стадии развития. Как видно из рис. 45 а, наибольшие адвективные изменения температуры (линии 1) располагаются в верхней тыловой части циклона и по абсолютной величине превышают адиабатический рост температуры. В то же время наибольшее адиабатическое понижение

Схема распределения суточных изменений температуры в тропосфере в системе циклона в первой стадии развития

температуры наблюдается несколько правее центра, где оно по величине превосходит адвекцию тепла.

Из рис. 45 б следует, что наибольшие величины суммарного понижения температуры располагаются в тыловой части циклона, наименьшие — в центре и в передней его части.

Нетрудно видеть, что такое распределение суммарных суточных изменений температуры обусловлено прежде всего мощной адвекцией холода в тылу возникшего циклона.

В результате адвективных и адиабатических изменений температуры термическое поле (ОТ), а соответственно и поле давления (AT) деформируются. При этом высотная фронтальная зона и связанное с нею струйное течение претерпевают резкую деформацию. Чем больше величины адвективного и адиабатического охлаждения или нагревания воздуха, по знаку совпадающие в указанных выше областях циклона и антициклона, тем интенсивнее происходит деформация высотной фронтальной зоны.

Углубление циклона продолжается до тех пор, пока в тылу его не ослабевает адвекция холода и не уменьшаются контрасты температуры в системе.

За вторую стадию развития принята стадия наибольшего углубления циклона, в которой амплитуда волнообразного возмущения термобарического поля в системе циклона достигает максимума. В этом процессе адвекция холода играет главную роль.

На рис. 46 изображена структура приземного барического поля (а) и термабарического поля тропосферы (б). Циклон у поверхности земли представлен углубившимся на 15 мб, а термобарическое поле подверглось значительной деформации.

Схема приземного барического и термобарического полей тропосферы во второй стадии развития циклона

Термическое поле второй стадии получено путем наложения на соответствующее поле первой стадии адвективных и адиабатических изменений температуры, происшедших между этими стадиями.

В результате структурных изменений поля течений область наибольшей адвекции холода во второй стадии развития перешла в нижнюю тыловую часть циклона (рис. 47 а). Как и в первой стадии, область наибольшего адиабатического охлаждения воздуха охватила почти всю систему циклона, хотя наибольшая величина его приходится на переднюю часть. Несколько возрастает и суточное суммарное понижение температуры, которое также распространяется на всю систему циклона перед его окклюдированием (рис. 47 б).

В стадии заполнения (третья стадия) высотное термобарическое поле по своей структуре приближается к приземному полю давления. В этой стадии уменьшаются величины адвективного, адиабатического и суммарного изменения температуры.

Циклон заполняется холодным воздухом, теряет свою термическую асимметрию, и градиенты температуры и давления в тропосфере бывают направлены от периферии к центру. Заполнению предшествует уменьшение величин адвективного, адиабатического

Схема распределения суточных изменений температуры в тропосфере в системе циклона во второй стадии развития

Схема распределения суточных изменений температуры в тропосфере в системе циклона в третьей стадии развития

и суммарного изменения температуры. Заполнению циклона предшествует ослабление, а затем и прекращение адвекции холода в тылу его. В этой стадии адвекция холода переходит на переднюю периферию циклона, а в верхней тыловой части появляется адвекция тепла (рис. 48 а). Адиабатическое охлаждение воздуха, происходящее в центральной части циклона, в значительной степени обязано подъему воздуха, благодаря приземному трению. Расположение областей суммарного повышения и понижения температуры (рис. 48 б) резко отличается от первой и второй стадий.

Таким образом, в процессе возникновения, углубления и заполнения циклона происходит изменение структуры высотного термобарического поля и характера циркуляции.

Выше было показано, что деформация высотной фронтальной зоны зависит главным образом от перестройки поля температуры, обусловленной адвекцией и вертикальными движениями воздуха. Следует, однако, заметить, что на деформацию высотной фронтальной зоны заметное влияние оказывает и динамическое изменение давления. О последнем легко судить по величине изменения его в центре барических образований, где адвекция равна нулю. В частности, рассматривая деформацию высотной фронтальной зоны в системе циклона, можно сказать, что ей содействует падение давления в центре циклона и рост на окраине его.

Падение давления в центре циклона, т. е. углубление циклона, происходит главным образом до процесса окклюдирования, т. е. до тех пор, пока фронтальная зона находится над приземным центром циклона и обладает достаточным температурным контрастом, возрастающим вследствие усиливающейся адвекции холодного воздуха. При этих условиях усиливается нестационарность, проявляющаяся в отклонении ветра от геострофического в областях дивергенции массы, т. е. в дельте высотной фронтальной зоны и в области кривизны изогипс.

До настоящего времени нет объективных экспериментальных данных, которые позволили бы определить кривизну и дивергенцию. Причина этого заключается в том, что карты барической топографии, составляемые по данным наблюдений сравнительно редкой аэрологической сети, не обладают достаточной точностью, чтобы служить основой для количественного определения действия этих двух главных факторов динамического изменения давления. Поэтому нельзя серьезно относиться к имевшим место попыткам количественного выражения действия дивергенции и кривизны в отдельности на изменение атмосферного давления.

Рассмотрим механизм взаимодействия адвективных изменений температуры и динамических изменений давления. Предположим, что в связи с процессами в смежном высотном деформационном поле в рассматриваемой области возникает и усиливается адвекция температуры, например адвекция холода. Вследствие действия последней возникает или усиливается (существовавшая до этого) высотная фронтальная зона и контрасты температуры в ее системе (фронтогенез). Так как поле давления на высотах обязано главным образом полю температуры нижележащего слоя атмосферы, то при интенсивной адвекции происходит быстрое изменение термического, а соответственно и высотного барического поля. Происходящим усилением горизонтальных градиентов температуры и давления в ограниченных областях обусловливается изменение структуры термобарического поля, возникновение (усиление) дивергенции, агеострофичности ветра и вертикальных движений воздуха. В результате действия сил в области дивергенции или конвергенции происходит уменьшение или увеличение массы воздуха в столбе атмосферы. В свою очередь динамическое изменение давления сильно деформирует изогипсы AT и значительно меньше изогипсы ОТ. В результате усиливается бароклинность во фронтальной зоне, благоприятствующая изменению адвекции тепла и холода в соответствии с возрастанием углов между изогипсами AT и ОТ.

Отметим, что еще в 80-х гг. в период распространения конвективной теории циклонов, П. И. Броунов высказал правильную идею о динамическом характере образования циклонов и антициклонов. Согласно П. И. Броунову, изменение поля давления как и цикло- и антициклогенез происходит в конечном счете от притока или оттока массы воздуха в атмосферном столбе.

Рассмотрим теперь эволюцию антициклонов. Следуя Н. Л. Таборовскому, в развитии антициклонов также выделим три стадии: начальную стадию, обнаруживаемую в поле приземного давления одной замкнутой изобарой, стадию наибольшего усиления и стадию разрушения. Такое деление выгодно отличается от классификации антициклонов по морфологическим признакам, поскольку в трех стадиях рассматривается генезис антициклона.

Антициклоны, как и циклоны, возникают под высотной фронтальной зоной, но в отличие от последних — под областью сходящейся системы изогипс. В начале возникновения антициклона у поверхности земли, над его центром находится зона наибольших контрастов температуры и наиболее сильных ветров (струйного течения). Термобарическое поле тропосферы (АТ300 и ОТ3001000) и приземное барическое поле, представленные на рис. 49, типичны для первой стадии развития подвижных антициклонов. Здесь, как и при рассмотрении эволюции циклона, соблюдена статическая связь между полями АТ1000, АТ300 и ОТ3001000.

После возникновения антициклон усиливается, если в системе термобарического поля распределение адвекции обусловливает увеличение контрастов температуры во фронтальной зоне (фронтогенез). В соответствии с усиливающейся адвекцией тепла и нисходящими движениями воздуха в левой части антициклона и над центральной его частью происходит уменьшение контрастов температуры и скоростей ветра на высотах, а область больших контрастов и скоростей ветра в системе высотной фронтальной зоны смещается на периферию. На рис. 50 изображена схема приземного поля давления и термобарического поля тропосферы во второй стадии развития антициклона. Из рисунка

Схема приземного барического и термобарического полей тропосферы в первой стадии развития антициклона

легко видеть, что адвекция холода и фронтогенез наблюдаются в передней части его, а на правой стороне имеет место адвекция тепла и фронтолиз. Фронтолизу над приземным центром антиклона

Схема приземного барического и термобарического полей тропосферы во второй стадии развития антициклона

способствует нисходящее движение, сопровождающееся адиабатическим нагреванием воздуха.

В результате наступает стадия разрушения, когда антициклон становится теплым и высоким барическим образованием. В этой последней стадии развития фронтальная зона и струйное течение над ним совершенно исчезают. Они смещаются на северную и восточную периферии и бывают здесь хорошо выражены (рис. 51).

Таким образом, по мере развития циклона и антициклона характер циркуляции в их системе существенно изменяется. При последовательном возникновении нового циклона, на юге заполнившегося, и нового антициклона, на севере разрушающегося, происходит меридиональное преобразование смежных высотных деформационных полей. При этом холодные массы воздуха устремляются с севера на юг, а теплые, наоборот, — с юга на север. Так усиливается междуширотный перенос тепла и холода, основным механизмом которого являются циклоны и антициклоны.

Схема приземного барического и термобарического полей тропосферы в стадии разрушения антицилона

Циклоны и антициклоны принадлежат к основным звеньям общей циркуляции атмосферы. Мощная цикло- и антициклоническая деятельность, как правило, сопровождается меридиональным преобразованием термобарического поля тропосферы. С их возникновением и развитием усиливается междуширотный воздухообмен. Однако циклоны и антициклоны на территории северного полушария распределяются не равномерно, а в соответствии с условиями, благоприятными или неблагоприятными для их развития, в одних районах они появляются чаще, в других — значительно реже.

 

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

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.