Циркуляция атмосферы в среднеширотном звене

1. Внетропические циклоны. Стадии развития

Формирование циклонов и антициклонов объясняется волновыми движениями в атмосфере. Наиболее благоприятные условия возникновения волнового движения существуют в зоне атмосферного фронта.

Циклоны за редким исключением (возникновение в результате местного перегрева) имеют фронтальную структуру.

Ежегодно севернее 25° с.ш. возникает около 1000 циклонов, ежедневно – 15–20.

Жизнь каждого циклона характеризуется обычно 3 стадиями:

• 
  возникновение;
  
• 
  развитие;
  
• 
  старение.
  

В первой, начальной стадии циклоны являются небольшими барическими возмущениями, очерченными одной–двумя изобарами, с разностью давления между центром и периферией до 5–10 гПа 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 максимумом в центре антициклона. Разность давления между центром и периферией часто превосходит 20–30 гПа. 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 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.

В первой, начальной стадии циклоны являются небольшими барическими возмущениями, очерченными одной–двумя изобарами, с разностью давления между центром и периферией до 5–10 гПа 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 максимумом в центре антициклона. Разность давления между центром и периферией часто превосходит 20–30 гПа. 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 76а 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 76б циклон изображен приблизительно через сутки. У поверхности 3емли он углубился, и давление в центре его понизилось до 980 гПа 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 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 1в 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 и в 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.

На периферии образуется новая фронтальная зона. При соответствующих условиях здесь могут возникать новые циклоны (частные), расположенные южнее.

Скорость движения циклонов на разных стадиях неодинакова: больше в начальных и замедляется по мере старения циклона. В том случае, если в области старого циклона вторгаются новые порции ХВ или ТВ, он регенерирует (возрождается).