Введение

Развитие или усиление циклонической циркуляции в атмосфере

Циклогенез – это развитие или усиление циклонической циркуляции в атмосфере (область низкого давления). Циклогенез – это обобщающий термин для как минимум трех различных процессов, все из которых приводят к развитию того или иного типа циклона, в любом масштабе – от микромасштаба до синоптического. Тропические циклоны формируются за счет скрытой теплоты, выделяющейся при интенсивной грозовой деятельности, и приобретают теплое ядро. Экстратропические циклоны образуются в виде волн вдоль погодных фронтов, а затем, в процессе своего развития, закрываются, превращаясь в циклоны холодного ядра. Мезоциклоны формируются как циклоны с теплым ядром над сушей и могут приводить к образованию торнадо. Водовороты также могут формироваться из мезоциклонов, но чаще развиваются в условиях высокой нестабильности и слабого вертикального сдвига ветра. Процесс, при котором экстратропический циклон испытывает резкое падение атмосферного давления (24 миллибара или более) в течение 24 часов, называется взрывным циклогенезом и обычно наблюдается при формировании северо-восточного шторма. Аналогично, тропический циклон может быстро усиливаться. Антициклоническим эквивалентом, процессом формирования областей высокого давления, является антициклогенез. Противоположностью циклогенеза является циклолиз.

Метеорологические шкалы

В метеорологии рассматриваются четыре основных масштаба, или размера систем: макромасштаб, синоптический масштаб, мезомасштаб и микромасштаб. Макромасштаб изучает системы глобального размера, такие как Мадден-Джулианская осцилляция. Синоптические системы масштаба охватывают часть континента, например, внетропические циклоны, с протяженностью в поперечном направлении. Мезомасштаб – следующий по величине масштаб, который часто подразделяется на два диапазона: мезо-альфа явления имеют протяженность от в поперечном направлении (область тропических циклонов), а мезо-бета явления – от в поперечном направлении (масштаб мезоциклона). Микромасштаб – самый маленький из метеорологических масштабов, с размером менее (масштаб торнадо и смерчей). Эти горизонтальные размеры не являются строгими границами, а скорее отражают типичные размеры явлений с определенными динамическими характеристиками. Например, система не обязательно переходит от мезо-альфа к синоптическому масштабу, когда ее горизонтальная протяженность увеличивается с .

Норвежская модель циклона

Норвежская модель циклонов — это идеализированная модель формирования циклонов холодного типа, разработанная норвежскими метеорологами во время Первой мировой войны. Основная концепция, лежащая в основе этой модели и относящаяся к циклогенезу, заключается в том, что циклоны проходят через предсказуемые стадии развития по мере продвижения вдоль фронтальной границы, при этом наиболее развитый циклон располагается у северо-восточного конца фронта, а наименее развитый — у его заднего края.

Прекурсоры развития

Для развития циклона умеренных широт требуется наличие предварительно существующей фронтальной границы, как это определяется при анализе погоды на поверхности. Циклоническая циркуляция начинается вокруг возмущенного участка стационарного фронта под воздействием возмущения в верхних слоях атмосферы, такого как коротковолновая структура или верхнетропосферный желоб, вблизи благоприятного квадранта струйного течения. Однако усиленные скорости растяжения вдоль фронта в нижних слоях тропосферы могут сдерживать развитие внетропических циклонов.

Вертикальное движение, влияющее на развитие

Циклогенез может возникать только при понижении температуры в направлении к полюсам (к северу в Северном полушарии) и при наклоне линий возмущений давления на запад с увеличением высоты. Наиболее вероятно развитие циклогенеза в областях циклонической вихревой адвекции, расположенных ниже по течению от мощного западного струйного течения. Сочетание адвекции вихря и тепловой адвекции, создаваемой градиентом температуры и центром низкого давления, вызывает восходящие движения воздуха вокруг циклона. Используя Q-векторы, можно определить направление вертикальных движений. При условии постоянства планетарного вихря, можно заключить, что увеличение растяжения приводит к увеличению вихря. Вертикальные движения также усиливают адвекцию тепла, согласно уравнению , где – геострофический меридиональный ветер, а – геопотенциал.

Способы развития

Низкий уровень давления может формироваться по разным причинам. Топография может способствовать образованию циклона, когда существующая бароклинная волна натекает на горный хребет; этот процесс известен как "циклогенез с наветренной стороны", поскольку низкое давление формируется с подветренной стороны гор. Мезомасштабные конвективные системы могут порождать низкие давления, которые изначально имеют тёплый центр. Возмущение может развиться в волнообразную структуру вдоль фронта, при этом низкое давление будет располагаться на гребне волны. Вокруг низкого давления поток становится циклоническим, по определению. Этот вращающийся поток будет перемещать полярный воздух к экватору западнее низкого давления посредством его холодного фронта, а тёплый воздух – к полюсу посредством тёплого фронта. Обычно холодный фронт движется быстрее, чем тёплый, и "догоняет" его из-за постепенного ослабления более плотной воздушной массы, находящейся впереди циклона, и вторжения более плотной воздушной массы позади циклона, что обычно приводит к сужению тёплого сектора. В этот момент формируется окклюзионный фронт, где тёплая воздушная масса поднимается вверх в ложбину тёплого воздуха на высоте, также известную как тровал (ложбина тёплого воздуха на высоте). Все развивающиеся области низкого давления имеют одну важную общую черту – восходящие вертикальные движения в тропосфере. Эти восходящие движения уменьшают массу местных атмосферных столбов воздуха, что приводит к понижению поверхностного давления.

Срок погашения

Зрелость наступает после окклюзии, когда шторм завершает усиление и циклонический поток достигает максимальной интенсивности. Впоследствии сила шторма ослабевает, поскольку циклон взаимодействует с верхнеуровневым желобом или верхнеуровневой ложбиной, становясь все более холодноядерным. Затухание циклонов, также известное как циклолиз, можно объяснить с энергетической точки зрения. По мере окклюзии, когда теплый воздушный массив вытесняется вверх над холодным, атмосфера становится все более стабильной, а центр тяжести системы опускается. По мере продвижения процесса окклюзии вдоль теплого фронта и удаления от центральной низменности, все большая часть доступной потенциальной энергии системы истощается. Эта потеря потенциальной энергии создает источник кинетической энергии, который обеспечивает последний импульс для движений шторма. После этого период роста циклона, или циклогенез, завершается, и низменность начинает затухать (наполняться), поскольку в нижнюю часть циклона притекает больше воздуха, чем отводится вверх, из-за уменьшения дивергенции в верхних слоях атмосферы. В редких случаях циклогенез может возобновиться в окклюдированных циклонах. В этом случае новый центр низкого давления сформируется в тройной точке (месте пересечения холодного, теплого и окклюдированного фронтов). Во время циклогенеза в тройной точке окклюдированная материнская низменность будет заполняться, а вторичная низменность углубляться, становясь основным источником погоды.

Тропические циклоны

Тропические циклоны существуют в пределах мезомасштабного альфа-домена. В отличие от циклогенеза умеренных широт, тропический циклогенез обусловлен мощной конвекцией, организованной в центральное ядро, без бароклинических зон или фронтов, проходящих через его центр. Хотя формирование тропических циклонов является предметом активных и продолжающихся исследований и до сих пор не полностью изучено, существует шесть основных требований для тропического циклогенеза: достаточно высокая температура поверхности моря, атмосферная нестабильность, высокая влажность в нижних и средних слоях тропосферы, достаточная сила Кориолиса для развития центра низкого давления, наличие предварительно существующего очага или возмущения нижнего уровня и слабый вертикальный сдвиг ветра. Эти теплые циклоны обычно формируются над океанами между 10 и 30 градусами широты от экватора.

Мезоциклоны

Размеры мезоциклонов варьируются от мезомасштаба бета до микромасштаба. Термин «мезоциклон» обычно используется для обозначения вращения на средних уровнях в сильных грозах и представляет собой циклоны с теплым ядром, движимые скрытой теплотой, выделяющейся при грозовой активности. Торнадо формируются в теплом секторе внетропических циклонов, где существует мощный струйный поток верхних слоев атмосферы. Считается, что мезоциклоны образуются, когда резкие изменения скорости и/или направления ветра с высотой («сдвиг ветра») заставляют части нижних слоев атмосферы вращаться в невидимых трубчатых вихрях. Затем конвективный восходящий поток грозы, как полагают, захватывает этот вращающийся воздух, наклоняя ориентацию вихрей вверх (от параллельной земле к перпендикулярной) и заставляя весь восходящий поток вращаться в виде вертикального столба. По мере вращения восходящего потока может формироваться так называемая «облачная стена». Облачная стена – это вращающийся слой облаков, опускающийся от мезоциклона. Облачные стены, как правило, формируются ближе к центру мезоциклона. Для образования облачной стены не обязательно наличие мезоциклона, и они не всегда вращаются. По мере опускания облачной стены в ее центре может образоваться воронкообразное облако. Это первая стадия формирования торнадо. Считается, что наличие мезоциклона является ключевым фактором в формировании сильных торнадо, связанных с сильными грозами.

Торнадо

Торнадо существуют на микромасштабе или в нижнем диапазоне мезомасштабного гамма-домена. Цикл начинается, когда сильный грозовой фронт развивает вращающийся мезоциклон на высоте нескольких миль в атмосфере, превращаясь в суперъячейку. По мере усиления осадков в грозе, он увлекает за собой область быстро опускающегося воздуха, известную как задний нисходящий поток (RFD). Этот нисходящий поток ускоряется по мере приближения к земле и тянет вращающийся мезоциклон к поверхности вместе с собой. Когда мезоциклон приближается к земле, становится видна воронка конденсации, спускающаяся от основания грозы, часто от вращающегося навала облаков. По мере опускания воронки, RFD также достигает земли, создавая фронт порывов ветра, который может вызывать разрушения на значительном расстоянии от торнадо. Как правило, воронка начинает наносить ущерб на земле (превращаясь в торнадо) в течение нескольких минут после того, как RFD достигает поверхности.

Водяные трубы

Водяные смерчи существуют в микромасштабе. Хотя некоторые водяные смерчи сильны (торнадообразные), как и их наземные аналоги, большинство из них намного слабее и обусловлены иной атмосферной динамикой. Обычно они развиваются в насыщенной влагой среде с небольшим вертикальным сдвигом ветра вдоль линий конвергенции, таких как береговые бризы, линии фрикционного сближения от близлежащих массивов суши или приземные желоба. Родительское облако может быть таким же безобидным, как умеренный кумулус, или таким же значительным, как гроза. Водяные смерчи обычно развиваются по мере развития их родительских облаков, и существует теория, что они формируются, поднимаясь вверх от горизонтального сдвига ветра у поверхности, а затем вытягиваются вверх к облаку, когда вихрь сдвига нижнего уровня выравнивается с развивающимся кумулусом или грозой. Слабые торнадо, известные как наземные смерчи, наблюдались в восточном Колорадо, формирующиеся аналогичным образом. Вспышка произошла в районе Великих озёр в конце сентября и начале октября 2003 года вдоль полосы, вызванной эффектом от озер. Сентябрь – пик активности наземных и водных смерчей в районе Флориды и в районе Великих озёр.

Связанные термины

Циклогенез противоположен циклолизу, который связан с ослаблением поверхностных циклонов. Существует также антициклонический (система высокого давления) эквивалент – антициклогенез, описывающий формирование систем высокого давления у поверхности земли.