Кіріспе
Атмосферадағы циклоникалық айналымның дамуы немесе күшеюі. Циклогенез – атмосферадағы циклоникалық айналымның дамуы немесе күшеюі (төмен қысым аймағы). Циклогенез – кем дегенде үш түрлі процесті қамтитын жалпы термин, олардың барлығы қандай да бір циклонның дамуына алып келеді және көлемі микромасштабтан синоптикалық масштабқа дейін өзгеруі мүмкін. Тропикалық циклондар күшті дауылдардың әсерінен туындайтын жасырын жылудың нәтижесінде пайда болып, жылу ядросын қалыптастырады. Экстратропикалық циклондар ауа райы фронттарында толқындар ретінде қалыптасады, кейіннен өмірлік циклында суық ядролы циклонға айналады. Мезоциклондар құрлықта жылу ядролы циклон ретінде пайда болып, құйынды дауылдың (торнадоның) пайда болуына әкелуі мүмкін. Су құйындары мезоциклондардан да пайда болуы мүмкін, бірақ көбінесе жоғары тұрақсыздық және төмен вертикальді жел жылдамдығының айырмашылығы бар ортада дамиды. Экстратропикалық циклонның 24 сағат ішінде атмосфералық қысымының күрт төмендеуі (24 миллибар немесе одан да көп) жарылғыш циклогенез деп аталады және әдетте солтүстік-шығыс дауылдарының пайда болуымен байланысты. Сол сияқты, тропикалық циклон да қарқынды күшеюге ұшырауы мүмкін. Антициклоникалық процеске сәйкес, жоғары қысым аймақтарының қалыптасу процесі – антициклогенез. Циклогенездің кері процесі – циклолиз.
Cyclogenesis is the development or strengthening of cyclonic circulation in the atmosphere (a low pressure area). Cyclogenesis is an umbrella term for at least three different processes, all of which result in the development of some sort of cyclone, and at any size from the microscale to the synoptic scale. Tropical cyclones form due to latent heat driven by significant thunderstorm activity, developing a warm core. Extratropical cyclones form as waves along weather fronts before occluding later in their life cycle as cold core cyclones. Mesocyclones form as warm core cyclones over land, and can lead to tornado formation. Waterspouts can also form from mesocyclones, but more often develop from environments of high instability and low vertical wind shear. The process in which an extratropical cyclone undergoes a rapid drop in atmospheric pressure (24 millibars or more) in a 24 hour period is referred to as explosive cyclogenesis, and is usually present during the formation of a nor'easter. Similarly, a tropical cyclone can undergo rapid intensification. The anticyclonic equivalent, the process of formation of high pressure areas, is anticyclogenesis. The opposite of cyclogenesis is cyclolysis.
Метеорологиялық шкалалар
Метеорологияда төрт негізгі масштаб немесе жүйелердің мөлшері қарастырылады: макромасштаб, синоптикалық масштаб, мезомасштаб және микромасштаб. Макромасштаб Мадден-Жулиан тербелісі сияқты жаһандық мөлшердегі жүйелермен айналысады. Синоптикалық масштабтағы жүйелер құрлықтың бір бөлігін, мысалы, экстратропикалық циклондарды қамтиды, олардың көлденең өлшемдері шамамен құрайды. Мезомасштаб одан кіші масштаб болып табылады және көбінесе екі диапазонға бөлінеді: мезо-альфа құбылыстары шамамен аралықта (тропикалық циклон аймағы), ал мезо-бета құбылыстары шамамен аралықта (мезоциклон масштабы). Микромасштаб – метеорологиялық масштабтардың ең кішісі, оның мөлшері шамадан төмен (торнадо және су құйындары масштабы). Бұл көлденең өлшемдер қатаң бөліністер емес, керісінше, белгілі бір динамикалық қасиеттері бар құбылыстардың әдеттегі мөлшерін көрсетеді. Мысалы, жүйе көлденең кеңдігі артқанда мезо-альфадан синоптикалық масштабқа міндетті түрде өспейді.
Норвегиялық циклон моделі
Норвегиялық циклон моделі – Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде норвегиялық метеорологтар жасаған суық ядролы циклондық дауылдардың идеалданған қалыптасу моделі. Бұл модельдің циклогенезбен байланысты негізгі түсінігі – циклонның фронталдық шекара бойымен қозғалғанда болжамды даму сатыларынан өтуі, ең дамыған циклон фронттың солтүстік-шығыс жағында, ал ең нашар дамыған циклон фронттың артқы жағында болады.
Дамудың прекурсорлары
Орта ендіктегі циклонның дамуы үшін, жер бетіндегі ауа райы талдауында анықталған, бұрыннан бар фронтальды шекара қажет. Жоғары атмосферадағы бұзылыс, мысалы, қысқа толқын немесе жоғарғы деңгейдегі ойыс, жоғарғы деңгейдегі қанатын қолайлы бөлігіне жақын, тұрақты фронттың бұзылған учаскесінде циклондық ағын басталады. Дегенмен, төменгі тропосферадағы фронтальды созылу деңгейінің артуы экстратропикалық циклонның өсуін тежеуі мүмкін.
Дамуға әсер ететін тік қозғалыс
Циклогенез температураның полюске қарай (солтүстікке қарай, солтүстік жарты шарында) төмендегенде және қысымның бұзылу сызықтары биіктікпен батысқа қарай еңкейгенде ғана жүзеге асырылады. Циклогенез циклоникалық айналымның көшірілу аймақтарында, күшті батыс жел ағынынан кейін пайда болуы мүмкін. Температура градиенті және төмен қысым орталығының тудырған термиялық көшірілуі мен айналымның көшірілуінің үйлесімі төмен қысым орталығының маңында жоғары қарай қозғалыс тудырады. efn|Q векторларын қолдану арқылы тік қозғалыс бағытын анықтауға болады. Планеталық айналым шарттары тұрақты болғандықтан, созылудың ұлғаюымен айналым да ұлғаятынын қорытуға болады. Тік қозғалыс сондай-ақ температураның көшірілуін арттырады, мұнда – геострофиялық меридиональды жел, ал – геопотенциал.
Даму тәсілдері
Жер бетіндегі төмен қысымның пайда болу себептері әртүрлі болуы мүмкін. Топография, егер бар болған барроклиналық толқын тау кедергісінен өтетін болса, төмен қысымның қалыптасуына себеп болуы мүмкін; бұл "желден қорғалған циклогенез" деп аталады, себебі төмен қысым таудың желден қорғалған жағында пайда болады. Мезомасштабты конвекциялық жүйелер бастапқыда жылу ядролы жер бетіндегі төмен қысымдарды тудыруы мүмкін. Бұл бұзылыс фронт бойында толқын тәрізді құрылымға өседі және төмен қысым шыңында орналасады. Төмен қысымның айналасындағы ағын, анықтама бойынша, циклондық болады. Бұл айналмалы ағын суық фронт арқылы төмен қысымның батысындағы полярлық ауаны экваторға қарай итеріп, ал жылы фронт арқылы жылы ауаны полюсқа қарай итеріп жібереді. Әдетте, суық фронт жылы фронттан жылдам қозғалады және циклон алдындағы тығыз ауа массасының жай эрозиялануына және циклон артынан келетін тығыз ауа массасының жылдам таралуына байланысты онымен "қосылады", нәтижесінде жылы сектор тарылады. Осы кезде жылы ауа массасы жоғарыдағы жылы ауаның ойысына итерілетін тұйық фронт қалыптасады, бұл тровал (жоғарыдағы жылы ауаның ойысы) деп те аталады. Дамып келе жатқан төмен қысым аймақтарының барлығы тропосферадағы жоғары вертикальді қозғалыс сияқты маңызды бір ерекшелікке ие. Мұндай жоғары қозғалыс жергілікті атмосфералық ауа колонналарының массасын азайтады, бұл жер бетіндегі қысымды төмендетеді.
Мерзімділігі
Толығу – дауыл күшейіп, циклон ағыны ең күшті болған кездегі тұйықталудан кейінгі кезең. Содан кейін дауылдың күші азаяды, себебі циклон жоғарғы деңгейдегі ойыс немесе төмен қысымдық аймақпен байланысады және суық ядролы болады. Циклонның әлсіреуі, сондай-ақ циклолиз деп аталатын процесс, энергетикалық тұрғыдан түсіндіріледі. Тұйықталу кезінде және жылы ауа массасы суық ауа массасының үстіне көтерілгенде атмосфера тұрақтанады және жүйенің ауырлық орталығы төмендейді. Тұйықталу процесі жылы фронт бойымен төменге қарай және орталық төмен қысымдық аймақтан алшақтаған сайын, жүйенің қолжетімді потенциалдық энергиясының көп бөлігі сарқылады. Бұл потенциалдық энергияның төмендеуі дауылдың қозғалысына соңғы күштік толқынды жіберетін кинетикалық энергия көзін құрайды. Бұл процесс аяқталғаннан кейін циклонның өсу кезеңі немесе циклогенез тоқтатылады және төмен қысымдық аймақ әлсіреуге (толуға) бастайды, себебі жоғарғы деңгейдегі дивергенция азайғандықтан, төменнен көтерілетін ауа жоғарыдан төгілетін ауадан артық болады. Кейде тұйықталған циклонмен циклогенез қайтадан басталуы мүмкін. Мұндай жағдайда үштік нүктеде (суық фронт, жылы фронт және тұйықталған фронт кездесетін нүктеде) жаңа төмен қысымдық орталық пайда болады. Үштік нүкте циклогенезі кезінде, тұйықталған аналық төмен қысымдық аймақ екінші төмен қысымдық аймақтың тереңдеп, басты ауа райының себебіне айналуымен толады.
Тропикалық циклондар
Тропикалық циклон мезомасштабты альфа-доменде қалыптасады. Ортаңғы ендіктегі циклогенезден айырмашылығы, тропикалық циклогенез олардың ортасынан өтетін бароклиндік аймақтар немесе фронттарсыз, орталыққа ұйымдастырылған күшті конвекциямен итермеленеді. Тропикалық циклонның қалыптасуы – кең ауқымды зерттеулердің тақырыбы және әлі толыққанды түсіндірілмеген. Тропикалық циклогенез үшін алты негізгі талап бар: теңіз бетінің температурасының жеткілікті түрде жылы болуы, атмосфералық тұрақсыздық, тропосфераның төменгі және орта деңгейлеріндегі жоғары ылғалдылық, төмен қысым орталығын дамыту үшін жеткілікті Кориолис күші, бұрыннан бар төменгі деңгейдегі фокус немесе бұзылыс, және төмен вертикаль жел жылдамдығының айырмашылығы. Бұл жылу ядролы циклонтар экватордан 10-30 градус аралығындағы мұхиттарда пайда болады.
Мезоциклондар
Мезоциклонның мөлшері мезомасштабтың бетасынан микромасштабқа дейін өзгереді. Мезоциклон термині көбінесе қатты дауылдардың ортаңғы деңгейіндегі айналымдарды сипаттау үшін қолданылады, және олар байланысты дауылдық белсенділіктің жасырын жылуымен қозғалатын жылы ядролы циклон болып табылады. Торнадолар экстратропикалық циклонның жылы секторында, жоғары деңгейдегі күшті жел ағыны бар жерде пайда болады. Мезоциклонның пайда болуы желдің жылдамдығы және/немесе бағытының биіктік бойынша күрт өзгеруінен ("жел қиылысы") туындайды деп есептеледі, бұл атмосфераның төменгі қабатының бөліктерін көзге көрінбейтін түтік тәрізді роллдерде айналдырады. Содан кейін дауылдың конвективті жоғары көтерілуі осы айналып тұрған ауаны көтеріп, роллдердің бағытын тік бағытқа (жер бетіне параллельден тік) бұрып, бүкіл көтерілу ағынын тік бағана ретінде айналдырады. Көтерілу ағыны айнала бастағанда, "қабырғалық бұлт" деп аталатын құбылыс пайда болуы мүмкін. Қабырғалық бұлт – мезоциклоннан төмен түсетін айналмалы бұлт қабаты. Қабырғалық бұлт көбінесе мезоциклонның ортасына жақын пайда болады. Қабырғалық бұлттардың мезоциклон болуы міндетті емес және олар әрқашан айналмайды. Қабырғалық бұлт төмен түскенде, оның ортасында воронка тәрізді бұлт пайда болуы мүмкін. Бұл торнадоның пайда болуының бастапқы кезеңі. Мезоциклонның болуы қатты дауылдармен байланысты күшті торнадолардың пайда болуының маңызды факторы деп саналады.
Торнадолар
Торнадолар микромасштабтық немесе мезомасштабтық гамма-даланың төменгі шегінде пайда болады. Цикл атмосферада бірнеше шақырым биіктікте айналатын мезоциклон қалыптасып, суперкөкшеге айналғанда басталады. Дауылдағы жауын-шашын мөлшері артқан сайын, ол бірге арғы жақтан жылдам төмен түсетін ауа аймағын – артқы жақ төмен ағынын (RFD) әкеледі. Бұл төмен ағын жерге жақындаған сайын жылдамдайды және айналатын мезоциклонды өзімен бірге жерге қарай тартады. Мезоциклон жерге жақындағанда, дауылдың түбінен, көбінесе айналатын қабырғалы бұлттан, конденсациялық түтікше төмен түсетіндей болады. Түтікше төмендегенде, RFD да жерге жетеді, бұл торнадодан қашықта зақым келтіруі мүмкін жел соғу фронтын құрайды. Әдетте, түтікше бұлт RFD жерге жеткеннен кейін бірнеше минут ішінде жерде зақым келтіруді бастайды (торнадоға айналады).
Су бұрандалары
Су бұрқақтары микродеңгейде кездеседі. Кейбір су шұңқыры құрлықтағы торнадолар сияқты күшті (торнадо тәрізді) болса, көпшілігі олардан әлдеқайда әлсіз және басқаша атмосфералық процестерден туындайды. Олар көбінесе ылғалға толы ортада, аз вертикальды желдің жылдамдық өзгерісі бар конвергенция сызықтары бойында, мысалы, құрлық желдері, жақын жерлерден фрикциялық конвергенция сызықтары немесе жер бетіндегі трогтар бойында дамиды. Олардың туған бұлты қарапайым кумул немесе күрделі дауыл болуы мүмкін. Су бұрқақтары әдетте олардың туған бұлты дамып жатқан кезде пайда болады, және олардың жер бетіне жақын көлденең желдің жылдамдық өзгерісінен айналып, содан кейін төменгі деңгейдегі айналма бұрқаны дамитын кумул немесе дауылмен қатарласқанда бұлтқа қарай созылады деп есептеледі. Колорадо штатының шығысындағы әлсіз торнадолар, сондай-ақ, осыған ұқсас жолмен пайда болатыны байқалған. 2003 жылдың қыркүйек айының соңы мен қазан айының басында Ұлы көлдер аймағында көл эффектісінен туындаған су бұрқақтарының кең таралуы тіркелді. Қыркүйек айы Флорида және Ұлы көлдер аймағында су бұрқақтарының ең көп кездесетін айы болып табылады.
Қатынасты терминдер
Циклогенез – циклолиздің кері процесі болып табылады, циклолиз жер бетіндегі циклондардың әлсіреуімен айналысады. Оған сәйкес антициклондық (жоғары қысым жүйесі) термині – антициклогенез, ол жер бетіндегі жоғары қысым жүйелерінің пайда болуын зерттейді.