Циклоны и антициклоны внетропических широт

Атмосфере присуще вихревое движение. По размерам вихри могут быть сравнительно небольшими, с диаметром в несколько метров, и огромными, имеющими в поперечнике 2—3 тыс. км и более (внетропические циклоны и антициклоны).

Циклоны и антициклоны возникают во всех частях земного шара. Наибольшей интенсивности развития и мощности они достигают в умеренной зоне. Много их возникает и в экваториальной зоне над океанами, но здесь они развиваются слабо и почти никогда не достигают мощности внетропических вихрей. Исключение составляют тропические циклоны, отличающиеся сравнительно малыми размерами, но большими горизонтальными градиентами давления и ураганными ветрами.

Вертикальная протяженность атмосферных вихрей в сравнении с их горизонтальной протяженностью небольшая. В зависимости от интенсивности развития высота их колеблется в среднем между 2—4 и 15—25 км, т. е. горизонтальные размеры их превышают вертикальные в 100—150 раз. Как видим, — это довольно плоские вихри.

Причины возникновения атмосферных вихрей 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 влажнонеустойчивом состоянии тропосферного воздуха. Слабо выраженные области высокого и низкого давления возникают главным образом вследствие термической неоднородности подстилающей поверхности — прогревания и охлаждения воздуха.

Возникая, циклоны не всегда проходят все стадии развития, от небольшого возмущения до огромного вихря. Значительная часть их затухает и исчезает в самой начальной стадии жизни. Это относится как к циклонам умеренных и высоких широт, так и тропическим циклонам. До появления метеорологических спутников о тропических циклонах, возникающих в неохваченных наблюдениями зонах океанов, было мало что известно.

Взгляды на причины возникновения и развития циклонов и антициклонов внетропических широт за последнее столетие подвергались большим изменениям. Начиная с середины XIX в. и до настоящего времени появлялось довольно много теорий циклонов, но большинство из них представляет лишь исторический интерес, хотя некоторые из этих теорий существовали даже длительное время. Законченной математически строгой и физически стройной теории, которая правильно и полно описывала бы процесс возникновения и развития циклонов и антициклонов, не создано до настоящего времени.

Не останавливаясь на различных представлениях в прошлом, отметим, что главный недостаток современных теорий заключается в том, что они не позволяют установить количественных критериев, с помощью которых можно было бы определить возникновение и развитие этих барических образований.

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

В современных теоретических исследованиях проблема возникновения и развития вихрей отождествляется с проблемой изменения давления. Теория, объясняющая изменение давления на основе уравнений гидродинамики, позволяет охватить большое число факторов, оказывающих влияние на развитие атмосферных процессов.

В принципе стало возможно предвычисление (расчет ожидаемых величин) давления в любой точке с помощью ЭВМ. Казалось бы, что предвычисление изменения давления на большой территории должно включать и прогноз развития и движения существующих циклонов и антициклонов, как и возникновения новых. Однако это не получается, так как учет падения давления (для образования циклона) и роста его (для образования антициклона) важное, но не единственное условие. Требуется знание влияния ряда дополнительных факторов, которые невозможно еще учитывать.

Здесь вкратце остановимся на двух из современных теорий. Теория полярного фронта и циклонов, разработанная в 1919 г. В. Бьеркнесом и развитая в последующем (1922 г.) Я. Бьеркнесом и Сульбергом 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 1500—2000 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 рамок основной теории.

Главная причина углубления циклона связывается с превращением потенциальной энергии горизонтальных контрастов температуры в энергию кинетическую, которая затрачивается на работу против сил давления. Однако как это происходит в области возникшего циклонического возмущения, чисто теоретическим путем В деталях не установлено.

Несколько иное решение возникновения циклона дал Н. Е. Кочин. По 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.

Однако и волновая теория циклонов не учитывала такой фактор, как адвекция температуры, играющий 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 годов В. М. Михелем была установлена тесная связь между структурой поля течения в средней тропосфере и эволюцией антициклонов. Было установлено, что под областью конвергирующих воздушных течений антициклоны усиливаются, а при дивергирующих течениях — ослабевают.

В середине 30-х годов Шерхаг сделал попытку объяснить возникновение циклонов расходящейся системой течений в средней тропосфере. Попытка создать так называемую дивергентную теорию циклонов встретила возражения, хотя ряд ее положений нашел применение в практической работе службы погоды.

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

Начиная с 1939 г. X. П. Погосян и Н. Л. Таборовский (1939— 1947 гг.) проводили совместные исследования синоптических процессов. При этом главное внимание было обращено на условия возникновения и развития циклонов и антициклонов. В этих исследованиях впервые производился анализ адвективных и динамических изменений температуры и давления и преобразования высотных деформационных полей.

В серии опубликованных статей был изложен ряд положений и выводов по проблеме возникновения и развития циклонов и антициклонов. Были определены количественные критерии величин горизонтальных контрастов температуры в тропосфере и скоростей ветра на высотах 5—6 км, необходимых для развития циклонов и антициклонов.

В отличие от предшественников, возникновение и развитие циклонов и антициклонов впервые рассматривалось с единой точки зрения — в зависимости от структуры термобарического поля в средней тропосфере. Разработанный на такой основе метод анализа и прогноза атмосферных процессов в последующем стал известен под названием адвективно-динамического анализа (Погосян и Таборовский, 1943 г.).

Была установлена органическая связь между процессами возникновения и развития циклонов и антициклонов с фронтогенезом и фронтолизом и преобразованиями высотных деформационных полей. В отличие от волновой теории, процессы возникновения и развития циклонов (антициклонов) рассматривались лишь в зависимости от изменения атмосферного давления.

По адвективно-динамической теории локальное изменение давления происходит в результате действия двух главных факторов: изменения давления вследствие горизонтального переноса (адвекции) воздуха и изменения давления, происходящего за счет нестационарности — отклонения действительного ветра от градиентного (агеострофичности). Первая составляющая была названа адвективной, вторая — динамической.

Поэтому согласно адвективно-динамической теории перемещение циклонов или антициклонов без изменения давления в их центре определяется адвекцией холодного и теплого воздуха, а возникновение новых образований и эволюция их — динамическим изменением давления. Была построена пространственная структура циклонов и антициклонов, которая в последующем была лишь несколько модернизирована.

Адвективно-динамическая теория внесла новое в изучение циклонов и антициклонов. Если процесс возникновения и развития их раньше изучалось в отрыве от изменения атмосферного давления, то теперь эти процессы оказались уже частным случаем общей проблемы изменения давления. Согласно адвективно-динамическому анализу, наибольшие адвективные и динамические изменения давления происходят в зонах больших горизонтальных градиентов температуры и давления, т. е. во фронтальных зонах.

При этом динамический фактор значителен на тех участках фронтальных зон, где в направлении воздушных течений на высотах (тропосфере) наблюдается изменение скорости ветра вдоль потока (дивергенция и конвергенция), криволинейная форма изобар и др. В адвективно-динамическом анализе, как и во фронтологическом, уделяется большое внимание зонам резкого перехода между холодными и теплыми массами воздуха, т. е. фронтальным зонам и фронтам.

Адвективно-динамическая теория циклонов и антициклонов учитывала лишь часть факторов динамического изменения давления. Поэтому ряд положений этого анализа не всегда оправдывался. Однако многие выводы, полученные ее авторами, стали основой дальнейшего развития знаний об атмосферных процессах.

Уже в сороковых годах они открыли метеорологам-прогнозистам (синоптикам) широкие возможности к познанию физики атмосферных процессов. Синоптики получили возможность не ограничиваться данными наблюдений у поверхности земли, а эффективно использовать аэрологические наблюдения. Все это способствовало заметному улучшению качества краткосрочных прогнозов погоды во всех подразделениях Гидрометслужбы СССР.

В настоящее время в исследованиях возникновения и развития внетропических вихрей учитываются не только адвективные изменения температуры, но и те ее изменения, которые вызываются вертикальными движениями воздуха, т. е. адиабатические изменения.

В последующем было установлено, что по мере углубления циклона в его системе после момента возникновения происходит непрерывное понижение температуры вследствие восходящих движений воздуха, а в системе антициклона, наоборот, отмечается повышение температуры вследствие нисходящих движений воздуха.

Важным положением адвективно-динамического анализа является установленная тесная связь между адвекцией и динамическими изменениями давления. Качественный анализ адвективных и динамических изменений давления позволил определить условия развития и превращения циклона в высокий и холодный, а антициклона — в высокий и теплый.

В 1947 г. Н. Л. Таборовским была сделана попытка дать теоретическое объяснение качественным положениям и выводам адвективно-динамического анализа. Для этого была привлечена известная в то время теория изменения давления И. А. Кибеля. Однако уже через 3—4 года выяснились недостатки этой теории и на смену ей пришла вихревая теория изменения давления.

Несмотря на это многие положения адвективно-динамического анализа, которые были получены на основе физико-синоптических исследований, правильно описывают природу процессов и успешно используются в прогностической работе в органах службы погоды. От отдельных качественных интерпретаций, вытекающих из теории И. А. Кибеля, пришлось отказаться.

В 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.

Неадвективным изменениям температуры не придавалось существенного значения. Причина перехода от углубления к заполнению циклонов объяснялась уменьшением и прекращением адвекции холода в тыловой части циклона, сопровождающимися 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 изменение структуры термобарического поля тропосферы. Внесенный корректив не отразился на основных положениях адвективно-динамической теории цикло- и антициклогенеза.