Циклоны умеренных широт

Циклон - система, характеризующаяся вихревым движением двух или трех разнородных масс воздуха и, следовательно, наличием атмосферных фронтов. Поперечник хорошо развитого циклона составляет около 1000 км, замкнутые изобары наблюдаются до высоты 5 км и выше.

Глубина циклона характеризуется давлением в его центре, которое может быть 980-1005 мбар (барический минимум).

В жизни циклона от возникновения до исчезновения можно отметить:

· начальную стадию развития, или стадию возникновения циклона – от первых признаков зарождения до появления первой замкнутой изобары;

· стадию молодого циклона или углубления;

· стадию максимального развития;

· стадию заполнения циклона.

Циклон не обязательно проходит все стадии развития, Молодой циклон может начать заполняться, не получив максимального развития. Это деление носит условный характер, между стадиями нет резких границ.

В каждой стадии отмечаются различия в характеристиках погоды. Продолжительность каждой стадии колеблется от нескольких часов до нескольких суток.

Рис. 4.15.

Направление перемещения циклона может существенно измениться с течением времени. Как правило, циклоны движутся с запада на восток с составляющей, направленной к высоким широтам (рис. 4.15.).

Скорости перемещения циклонов колеблются в широких пределах: 0 ¸ 50 км/ч.

Циклоны часто проходят сериями: вслед за первым циклоном идет второй, за ним третий и т.д. В серии может быть до пяти циклонов. В среднем период прохождения каждой серии равен 5,5 сут.

Образование и развитие циклонов. Внетропические циклоны возникают на главных фронтах – умеренном (полярном) и арктическом, разделяющих воздушные массы разной температуры, и в циклоническую циркуляцию втягиваются две различные по своим свойствам массы воздуха (рис. 4.16.).

Рис. 4.16.

Начальная стадия развития циклона обусловливается деформацией фронтальной поверхности и может быть отождествлена с волной малой амплитуды и длиной 600-1000 км и более, возникающей на прямолинейном участке малоподвижного (стационарного) фронта. На основном фронте протяженностью в несколько тысяч километров возникает обычно несколько таких волн, перемещающихся чаще всего с запада на восток.

В передней части возникающего циклона возмущение принимает характер теплого фронта, в тылу же возмущение получает характер холодного фронта.

Стадия молодого циклона характеризуется наличием теплого сектора, т.е. сектора с теплым воздухом и ограниченного спереди теплым фронтом, сзади - холодным. Изобары в теплом секторе почти прямолинейны, угол между фронтами > 90°.

Холодный фронт в развивающемся циклоне движется быстрее теплого.

В молодом циклоне можно выделить три зоны, резко отличающиеся по условиям погоды.

Зона I – передняя и центральная части холодного сектора циклона перед теплым фронтом. Чем ближе к центру циклона и линии теплого фронта, тем мощнее система облаков и тем вероятнее выпадение обложных осадков. Наблюдается падение давления.

Зона II – тыловая часть холодного сектора циклона за холодным фронтом. Здесь погода определяется свойствами холодного фронта и холодной неустойчивой воздушной массы. При достаточной влажности и значительной неустойчивости воздушной массы выпадают ливневые осадки. Атмосферное давление за линией холодного фронта растет.

Зона III – теплый сектор.

Холодный фронт постепенно нагоняет теплый, и наступает момент, когда теплый и холодный фронты циклона смыкаются. Центральная область циклона у земной поверхности вся заполняется холодным воздухом, а теплый воздух оттесняется в более высокие слои.

Этот процесс называется окклюзией (окклюдированием) циклона, а сложный фронт, образовавшийся от соединения теплого и холодного, - фронтом окклюзии.

Скорость ветра в циклоне достигает максимума непосредственно после начала окклюзии, которая является поворотным пунктом в развитии циклона: циклон находится в стадии максимального развития. Барическая депрессия достигает наибольшей глубины у земной поверхности. В последующей наступает стадия заполнения циклона. Атмосферное давление начинает расти, скорость ветра уменьшается, и возмущение постепенно затухает.

Перемещение фронтов. Линии фронтов на картах погоды проходят вдоль осей барических ложбин, поэтому при прохождении фронта ветер довольно резко изменяет свое направление.

Вектор ветра в каждой точке перед и за линией фронта можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную к линии фронта. Для перемещения фронта имеет значение лишь нормальная составляющая скорости ветра, величина которой зависит от угла между изобарами и линией фронта.

Погода на теплом фронте. Теплый воздух натекает на холодный, поднимается вверх над клином холодного воздуха и охлаждается. Содержащийся в нем водяной пар достигает насыщения и конденсируется, образуя мощную облачную систему, состоящую из слоисто-дождевых Ns, высокослоистых Аs и перисто-слоистых Сs облаков, постепенно переходящих одни в другие и образующих вместе как бы гигантский клинообразный массив, сужающийся вперед. Нижняя граница этого облачного массива приблизительно совпадает с верхней границей фронтального слоя. Впереди и несколько выше фронтальной поверхности возникают перистые облака – Cirrus (Ci).

Под поверхностью теплого фронта в массах холодного воздуха обычно образуются разорванно-слоистые облака – Stratus fractus (St fr).

На рис. 4.17 приведена схема вертикального строения облачной системы теплого фронта.

Рис. 4.17.

Перед линией теплого фронта образуется зона обложных осадков, наибольшая ширина которой при дожде достигает 300 км, а при снеге – 400 км. Это связано с тем, что снег из высокослоистых облаков чаще достигает земной поверхности, в то время как дождь в летнее время обычно при падении испаряется и до земной поверхности не доходит.

Внутри области осадков часто наблюдается туман, обусловленный притоков водяного пара в холодный воздух за свет испарения осадков, а также адиабатическим охлаждением воздуха в связи с падением давления. Ширина зоны тумана может достигать 100-200 км.

Предфронтальный туман теплого фронта чаще всего образуется в холодное время года. Плохая видимость и сильный ветер являются основными трудностями, которые могут встретиться при пересечении теплого фронта. Кроме того, зимой здесь возможно обледенение судна. После прохождения теплого фронта наступает потепление, но с моросящими осадками, туманом, сильным ветром.

Вся система облачности находится перед теплым фронтом, поэтому по характеру изменения облачности можно судить о приближении теплого фронта.

При появлении перистых облаков начинается сначала медленное, а затем постепенное ускоряющееся падение давления, которое прекращается незадолго до прохождения линии фронта; после ее прохождения давление остается неизменным или медленно понижается, а иногда растет.

Изменение скорости и направления ветра также является хорошим признаком приближения теплого фронта. По мере падения давления скорость ветра постепенно увеличивается, достигая наибольшей величины перед прохождением фронта. Направление ветра медленно отклоняется влево, а в момент прохождения линии фронта резко поворачивает вправо (в северном полушарии).

Холодный фронт. Структура холодных фронтов различается в зависимости от того, быстро или медленно они движутся. По этой причине различают:

холодные фронты 1-го рода – медленно движущиеся фронты, у которых облачность и осадки располагаются в основном за линией фронта (острый угол с изобарами);

холодные фронты 2-го рода – быстро движущиеся фронты, у которых облачность и осадки расположены в основном перед линией фронта (угол с изобарами близок к прямому).

При холодном фронте 1-го рода происходит вытеснение масс теплого воздуха вторгающегося под него клином холодного воздуха. Здесь характер облачности представляет собой зеркальное изображение облачности теплого фронта (рис.4.18,а.). Непосредственно перед линией фронта возникают кучево-дождевые облака Cb, из которых выпадают ливневые осадки, сопровождаемые грозами. Ширина зоны ливневой облачности - несколько десятков километров. Облачная система Ns-As с обложными осадками располагается за линией фронта. Ширина зоны облачности, ее мощность и, соответственно, ширина зоны осадков примерно вдвое меньше, чем у теплого фронта. Под основной системой облачности образуются облака St fr.

Таким образом, в отличие от теплого фронта система облачности холодного воздуха 1-го рода не позволяет заранее обнаружить его приближение.

Холодный фронт 2-го рода отличается тем, что быстрое перемещение вала холодного воздуха вызывает перед линией фронта бурный подъем оттесняемого теплого воздуха, а нисходящие движения воздушных потоков препятствуют распространению облачной системы непосредственно за линией фронта.

Возникающая облачная система представляет собой в основном вал мощных облаков Сb (рис. 4.18,б.). При их растекании в небольшом количестве могут образоваться Ci, Cc, Ac и Sc, а под ними, в зоне выпадающих ливневых осадков, обычно наблюдаются St fr или Сu fr.

Рис. 4.18. Схема строения облачности

а - холодного фронта 1-го рода; б – холодного фронта 2-го рода

Позади линии фронта в холодной массе воздуха наблюдаются нисходящие движения воздуха, особенно значительные в передней части клина холодного воздуха. Поэтому внутримассовые облака здесь не возникают. Вскоре после прохождения линии фронта наступает быстрое прояснение, вплоть до полного; лишь через несколько часов, когда нисходящие движения затухнут и фронтальная поверхность достаточно приподнимется, могут появиться свойственные холодной неустойчивой массе конвективные облака и ливневые осадки.

Ливневые осадки при прохождении холодного фронта 2-го рода непродолжительны (от нескольких минут до 1 ч), поскольку ширина зоны осадков небольшая, а скорость перемещения фронта значительная.

В вале кучево-дождевых облаков холодного фронта 2-го рода иногда встречаются разрывы или менее развитая облачность нижнего и среднего ярусов. На отдельных участках фронта развивается грозовая деятельность, которая, затухнув на одних участках, может появиться на соседних.

Направление ветра при прохождении холодных фронтов обоих родов изменяется так же, как и в случае теплого фронта, но поворот вправо (в северном полушарии) в момент прохождения линии холодного фронта – более значительный и резкий. Одновременно резко усиливается скорость ветра.

При приближении холодного фронта наблюдается непродолжительное, обычно слабое, но постепенно ускоряющееся падение давления. Тотчас по прохождении линии фронта начинается рост давления, обусловленный заменой теплого воздуха холодным.

Температура воздуха после прохождения линии фронта понижается. Скачок температуры зависит от характера сменяющихся масс.

Холодным фронтом обоих родов свойственны предфронтовые шквалы. Для воздуха за холодным фронтом характерно нисходящее движение, которое становится особенно интенсивным в передней части холодного клина, где благодаря трению создается крутой наклон фронтальной поверхности. Холодный воздух, обрушиваясь вниз, как бы перекатывается вперед, подобно гусеницам танка, причем скорость его продвижения нормально к линии фронта во всех случаях оказывается больше, чем соответствующая составляющая скорость теплого воздуха в нижних слоях. Обрушивание холодного воздуха приводит к вытеснению вверх теплого воздуха и к возникновению вдоль фронта вихря с горизонтальной осью; с этим вихрем и связаны явления фронтальных шквалов.

Особенно интенсивное нисходящее движение имеет место в голове холодного воздуха. Опускающийся с высоты нескольких километров, этот воздух адиабатически нагревается, и благодаря этому скачок температуры вдоль фронта сглаживается. В некоторых случаях внутри холодного клина возникает вторичный холодный фронт, отделяющий нагревшийся воздух "головы" от воздуха, лежащего дальше от линии фронта и не захваченного в такой степени нисходящим движением.

Этот второй холодный фронт идет на расстоянии нескольких километров за размывшимся основным фронтом. При его прохождении наблюдается скачок температуры, ветры и шквалы, но облачной системы он не имеет. Это явление называют раздвоением холодного фронта.

В барических ложбинах в тылу циклона иногда формируются вторичные холодные фронты. Они имеют систему облаков, сходную с системой облаков холодного фронта 2-го рода, однако вертикальная протяженность облаков меньше протяженности облаков основных холодных фронтов.

Фронты окклюзии соединяют в себе черты теплого и холодного фронтов, но часто выражены менее резко.

В системе фронтов окклюзии взаимодействуют три воздушные массы, из которых наиболее теплая уже не соприкасается с земной поверхностью. Поэтому, помимо приземной линии, имеется линия верхнего фронта. При образовании этого фронта могут быть три случая: нейтральная, теплая и холодная окклюзии.

Нейтральная имеет место, когда массы холодного воздуха, движущиеся за холодным фронтом, имеют одинаковую температуру с холодным воздухом, перемещающимся впереди теплого фронта (рис. 4.19, а, б, в.). В момент смыкания холодных масс фронт отрывается от земной поверхности и возникает верхний фронт. Характер облачности при этом будет определяться системами облачности как теплого, так и холодного фронтов. В последующем будет происходить размывание облачности и дальнейшее вытеснение теплого воздуха вверх.

Рис. 4.19 Схемы:

а, б, в – образование фронтов окклюзии; г – строения облачности теплого

фронта окклюзии; д – то же, холодного фронта окклюзии