Введение
1000-километровый масштаб измерения погодных систем
В метеорологии синоптический масштаб (также называемый крупным или циклоническим масштабом) – это горизонтальный масштаб длины порядка 1000 км и более. Это соответствует горизонтальному масштабу, типичному для циклонов средних широт (например, внетропических циклонов). Большинство областей высокого и низкого давления, отображаемых на картах погоды (таких как анализ погоды на поверхности), являются синоптическими системами, обусловленными положением волн Россби в соответствующем полушарии. Области низкого давления и связанные с ними фронтальные зоны формируются на переднем крае желоба в структуре волн Россби, в то время как области высокого давления образуются на заднем крае желоба. Большая часть осадков выпадает вблизи фронтальных зон. Слово «синоптический» происходит от древнегреческого слова, означающего «наблюдаемый вместе». Уравнения Навье-Стокса, применяемые к движению атмосферы, могут быть упрощены с помощью анализа масштаба в синоптическом масштабе. Можно показать, что основными членами в горизонтальных уравнениях являются сила Кориолиса и члены градиента давления; следовательно, можно использовать геострофическое приближение. В вертикальных координатах уравнение движения упрощается до уравнения гидростатического равновесия.
Анализ поверхностной погоды
Анализ поверхностной погоды – это специальный тип карты погоды, который предоставляет обзор погодных элементов в географической области в определенный момент времени на основе данных с наземных метеостанций. Карты погоды создаются путем нанесения или прослеживания значений соответствующих величин, таких как давление на уровне моря, температура и облачность, на географическую карту, чтобы выявлять синоптические образования, такие как погодные фронты. Первые карты погоды в XIX веке составлялись с существенной задержкой, чтобы помочь в разработке теории штормовых систем. После изобретения телеграфа впервые стали возможны одновременные наблюдения за погодой на поверхности. Начиная с конца 1840-х годов, Смитсоновский институт стал первой организацией, выполнявшей анализ поверхностной погоды в реальном времени. Использование анализа поверхностной погоды началось в США и распространилось по всему миру в 1870-х годах. Применение норвежской модели циклонов для фронтального анализа началось в конце 1910-х годов в Европе, а затем распространилось на Соединенные Штаты во время Второй мировой войны. Анализ поверхностной погоды использует специальные символы для обозначения фронтальных систем, облачности, осадков и другой важной информации. Например, H обозначает область высокого давления, что обычно соответствует хорошей и устойчивой погоде. L обозначает область низкого давления, которая часто сопровождается осадками. Различные символы используются не только для обозначения фронтальных зон и других поверхностных границ на картах погоды, но и для отображения текущих погодных условий в различных точках на карте. Области осадков помогают определить тип и положение фронта. Мезомасштабные системы и границы, такие как тропические циклоны, линии оттока и линии шквала, также анализируются при анализе поверхностной погоды. Изобары обычно используются для определения поверхностных границ от конских широт к полюсам, а анализ линий тока применяется в тропических широтах.
Экстратропический циклон
Экстратропический циклон – это синоптическая система низкого давления, не обладающая ни тропическими, ни полярными характеристиками и связанная с фронтами и горизонтальными градиентами температуры и точки росы, также известными как "бароклинные зоны". Термин "экстратропический" указывает на то, что этот тип циклонов обычно формируется за пределами тропиков, в умеренных широтах планеты. Эти системы также могут называться "циклонами умеренных широт" в зависимости от области их образования или "посттропическими циклонами" после экстратропической трансформации, однако метеорологи и широкая публика чаще описывают их как "области низкого давления" или просто "низкие". Эти явления, наряду с антициклонами, являются основными факторами, определяющими погоду на большей части Земли. Хотя экстратропические циклоны почти всегда классифицируются как бароклинные, поскольку они образуются вдоль зон градиента температуры и точки росы в зоне западных ветров, в конце своего жизненного цикла они иногда могут становиться баротропными, когда распределение температуры вокруг циклона становится относительно однородным по радиусу. Экстратропический циклон может трансформироваться в субтропический шторм, а затем и в тропический циклон, если он задерживается над теплыми водами и развивает центральную конвекцию, которая прогревает его центр.
Поверхностные системы высокого давления
Системы высокого давления часто связаны с легкими ветрами у поверхности и нисходящими потоками в нижней части тропосферы. Нисходящие потоки обычно высушивают воздушную массу адиабатическим, или компрессионным, нагревом. Таким образом, высокое давление обычно приносит ясное небо. Днем, поскольку нет облаков, отражающих солнечный свет, поступает больше коротковолнового солнечного излучения, и температура повышается. Ночью отсутствие облаков означает, что исходящее длинноволновое излучение (то есть тепловая энергия от поверхности) не поглощается, что приводит к более низким минимальным температурам в течение суток в любое время года. Когда поверхностные ветры становятся слабыми, нисходящие потоки, образующиеся непосредственно под системой высокого давления, могут привести к накоплению частиц в городских районах под гребнем, вызывая обширную дымку. Если относительная влажность у поверхности поднимается до 100% за ночь, может образоваться туман. Мощные, вертикально неглубокие системы высокого давления, перемещающиеся с более высоких широт к более низким в Северном полушарии, связаны с континентальными арктическими воздушными массами. Низкая, резкая температурная инверсия может привести к образованию обширных областей устойчивых слоисто-кучевых или слоистых облаков, в разговорной речи известных как антициклоническая хмурь. Тип погоды, приносимый антициклоном, зависит от его происхождения. Например, выступы Азорского максимума могут вызывать антициклоническую хмурь зимой, поскольку они нагреваются у основания и удерживают влагу, перемещаясь над более теплыми океанами. Высокое давление, формирующееся на севере и распространяющееся на юг, часто приносит ясную погоду. Это связано с тем, что они охлаждаются у основания (в отличие от нагрева), что помогает предотвратить образование облаков. На картах погоды эти области отображаются как сходящиеся ветры (изотахи), также известные как конфлюенция, или сходящиеся линии высоты около или выше уровня недевергенции, который находится примерно на уровне 500 гПа, на середине тропосферы. Системы высокого давления также называются антициклонами. На картах погоды центры высокого давления обозначаются буквой H на английском языке или A на испанском языке, поскольку *alta* – это испанское слово, означающее «высокий», внутри изобары с самым высоким значением давления. На картах верхних уровней постоянного давления он расположен внутри контура линии наибольшей высоты.
Погодные фронты
Погодный фронт — это граница, разделяющая два воздушных массива различной плотности и являющаяся основной причиной метеорологических явлений. При анализе погоды на поверхности фронты изображаются различными цветными линиями и символами в зависимости от их типа. Воздушные массы, разделенные фронтом, обычно различаются по температуре и влажности. Холодные фронты могут характеризоваться узкими полосами гроз и сильной погоды, а иногда им предшествуют линии шквала или сухие линии. Теплым фронтам обычно предшествуют слоистые осадки и туман. Погода обычно быстро улучшается после прохождения фронта. Некоторые фронты не вызывают осадков и малооблачной погоды, хотя смещение ветра происходит неизменно. Холодные фронты и окклюзионные фронты обычно перемещаются с запада на восток, тогда как теплые фронты движутся в направлении полюса. Из-за большей плотности воздуха позади них, холодные фронты и холодные окклюзии движутся быстрее, чем теплые фронты и теплые окклюзии. Горы и теплые водоемы могут замедлять движение фронтов. Когда фронт становится стационарным, и разница в плотности по обе стороны фронтальной границы исчезает, фронт может выродиться в линию, разделяющую области с различной скоростью ветра, известную как линия сдвига. Это наиболее часто встречается в открытом океане.