В метеорологии область низкого давления , низкая область или низина — это область, где атмосферное давление ниже, чем в окружающих местах. Области низкого давления обычно связаны с ненастной погодой (например, пасмурно, ветрено, с возможным дождем или штормом), [1] тогда как области высокого давления связаны с более слабыми ветрами и ясным небом. [2] Ветры кружатся против часовой стрелки вокруг минимумов в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии из-за противостоящих сил Кориолиса . Системы низкого давления образуются в областях дивергенции ветра, возникающих в верхних слоях атмосферы ( наверху). Процесс формирования области низкого давления известен как циклогенез . В метеорологии расхождение атмосферы наверху происходит в двух местах:
Расходящиеся ветры наверху, перед этими впадинами, вызывают атмосферный подъем в тропосфере внизу, когда воздух течет вверх от поверхности, что снижает приземное давление, поскольку это восходящее движение частично противодействует силе гравитации, упаковывающей воздух вблизи земли.
Термические минимумы образуются из-за локального нагрева, вызванного увеличением солнечного света над пустынями и другими массивами суши. Поскольку локализованные области теплого воздуха менее плотны, чем их окружение, этот более теплый воздух поднимается вверх, что снижает атмосферное давление вблизи этой части поверхности Земли . Крупномасштабные термические минимумы над континентами способствуют муссонным циркуляциям. Области низкого давления могут образовываться и вследствие организованной грозовой деятельности над теплой водой. Когда это происходит над тропиками вместе с зоной внутритропической конвергенции , это называется муссонной впадиной . Муссонные впадины достигают своего северного простирания в августе и своего южного — в феврале. Когда конвективный минимум приобретает в тропиках очень горячую циркуляцию, это называется тропическим циклоном . Тропические циклоны могут образовываться в любой месяц года по всему миру, но в декабре они могут возникать как в северном, так и в южном полушарии.
Атмосферный подъем также обычно создает облачный покров за счет адиабатического охлаждения , когда температура воздуха падает ниже точки росы при ее повышении, облачное небо, типичное для областей низкого давления, смягчает экстремальные дневные температуры . Поскольку облака отражают солнечный свет , приходящая коротковолновая солнечная радиация уменьшается, что приводит к снижению температуры в течение дня. Ночью поглощающее воздействие облаков на исходящее длинноволновое излучение , такое как тепловая энергия от поверхности, обеспечивает более теплые ночные минимумы во все времена года. Чем сильнее область низкого давления, тем сильнее ветры дуют в ее окрестностях. В глобальном масштабе системы низкого давления чаще всего расположены над Тибетским нагорьем и с подветренной стороны Скалистых гор . В Европе (особенно на Британских островах и в Нидерландах ) повторяющиеся погодные системы низкого давления обычно называются «низкими уровнями».
Циклогенез — это развитие и усиление циклонических циркуляций или областей низкого давления в атмосфере. [3] Циклогенез является противоположностью циклолиза и имеет эквивалент антициклона (системы высокого давления), который связан с образованием областей высокого давления — антициклогенеза . [4] Циклогенез — это общий термин для нескольких различных процессов, каждый из которых приводит к развитию своего рода циклона . Метеорологи используют термин «циклон», когда круговые системы давления текут в направлении вращения Земли, [5] [6] которое обычно совпадает с областями низкого давления. [7] [8] Крупнейшими системами низкого давления являются полярные циклоны с холодным ядром и внетропические циклоны, которые лежат в синоптическом масштабе . Циклоны с теплым ядром, такие как тропические циклоны, мезоциклоны и полярные минимумы , лежат в пределах меньшего мезомасштаба . Субтропические циклоны имеют средние размеры. [9] [10] Циклогенез может происходить в различных масштабах, от микромасштаба до синоптического масштаба. Более крупные провалы, также называемые волнами Россби, имеют синоптический масштаб. [11] Коротковолновые впадины, встроенные в поток вокруг впадин большего масштаба, имеют меньший масштаб или мезомасштабный характер. [12] И волны Россби, и короткие волны, заключенные в потоке вокруг волн Россби, мигрируют к экватору от полярных циклонов , расположенных как в северном, так и в южном полушариях. [13] Все они имеют один важный аспект — вертикальное движение вверх в тропосфере. Такие движения вверх уменьшают массу местных атмосферных столбов воздуха, что снижает приземное давление. [14]
Внетропические циклоны формируются в виде волн вдоль погодных фронтов из-за прохождения коротковолновой волны наверху или полосы реактивных струй на верхнем уровне [ необходимы пояснения ] перед тем, как на более позднем этапе их жизненного цикла они затмеваются в виде циклонов с холодным ядром. [15] [16] [17] [18] Полярные депрессии — это мелкомасштабные, недолговечные атмосферные системы низкого давления, которые возникают над областями океана к полюсу от главного полярного фронта как в Северном, так и в Южном полушариях. Они являются частью более широкого класса мезомасштабных погодных систем. Полярные минимумы трудно обнаружить с помощью обычных сводок погоды, и они представляют опасность для операций в высоких широтах, таких как судоходство и морские платформы . Это энергичные системы, скорость ветра у поверхности которых составляет не менее 17 метров в секунду (38 миль в час). [19]
Тропические циклоны образуются из-за скрытого тепла, вызванного значительной грозовой активностью, и имеют теплое ядро с четко выраженной циркуляцией. [20] Для их формирования необходимо соблюдение определенных критериев. В большинстве ситуаций температура воды не менее 26,5 ° C (79,7 ° F) необходима на глубине не менее 50 м (160 футов); [21] воды такой температуры делают вышележащую атмосферу достаточно нестабильной, чтобы поддерживать конвекцию и грозы. [22] Еще одним фактором является быстрое охлаждение с высотой, которое позволяет высвободить тепло конденсации , приводящее в действие тропический циклон. [21] Необходима высокая влажность, особенно в нижней и средней тропосфере ; когда в атмосфере много влаги, условия более благоприятны для развития возмущений. [21] Необходим небольшой сдвиг ветра , поскольку высокий сдвиг нарушает циркуляцию шторма. [21] Наконец, формирующийся тропический циклон нуждается в уже существующей системе нарушенной погоды, хотя без циркуляции никакого развития циклона не произойдет. [21] Мезоциклоны образуются как циклоны с теплым ядром над сушей и могут привести к образованию торнадо. [23] Водяные смерчи также могут образовываться из мезоциклонов, но чаще всего возникают в условиях высокой нестабильности и низкого вертикального сдвига ветра . [24]
В пустынях недостаток влаги в почве и растениях, которая обычно обеспечивает испарительное охлаждение, может привести к интенсивному и быстрому солнечному нагреву нижних слоев воздуха. Горячий воздух менее плотный, чем окружающий более холодный воздух. Это, в сочетании с подъемом горячего воздуха, приводит к образованию области низкого давления, называемой тепловым минимумом . [25] Муссонные циркуляции вызваны термическими минимумами, которые формируются на больших территориях суши, а их сила обусловлена тем, что земля нагревается быстрее, чем окружающий близлежащий океан. Это создает устойчивый ветер, дующий в сторону суши, унося с собой влажный приземный воздух над океанами. [26] Подобные осадки вызваны подъемом влажного океанского воздуха вверх горами , [27] нагревом поверхности, [28] конвергенцией на поверхности, [29] расхождением наверху или вызванными штормами потоками на поверхности. [30] Однако при подъеме воздух охлаждается за счет расширения при более низком давлении, что, в свою очередь, приводит к конденсации . Зимой суша быстро остывает, но океан дольше сохраняет тепло благодаря более высокой удельной теплоемкости. Горячий воздух над океаном поднимается вверх, создавая область низкого давления и ветерок с суши к океану, в то время как над сушей образуется большая область высыхания с высоким давлением, усиленная зимним похолоданием. [26] Муссоны напоминают морские и сухопутные бризы , эти термины обычно относятся к локализованному суточному (суточному) циклу циркуляции вблизи береговой линии повсюду, но они гораздо больше по масштабу - также более сильные и сезонные. [31]
Большие полярные циклоны помогают определять направление движения систем, движущихся через средние широты, к югу от Арктики и к северу от Антарктики . Арктические колебания представляют собой индекс, используемый для измерения величины этого эффекта в Северном полушарии. [32] Внетропические циклоны имеют тенденцию образовываться к востоку от климатологических впадин, вблизи восточного побережья континентов или западной стороны океанов. [33] Исследование внетропических циклонов в Южном полушарии показывает, что между 30-й и 70-й параллелями существует в среднем 37 циклонов в течение любого 6-часового периода. [34] Отдельное исследование, проведенное в Северном полушарии, предполагает, что каждую зиму образуется примерно 234 значительных внетропических циклона. [35] В Европе, особенно в Великобритании и Нидерландах, повторяющиеся внетропические погодные системы низкого давления обычно известны как депрессии. [36] [37] [38] Они, как правило, приносят влажную погоду в течение всего года. Термальные минимумы также случаются летом в континентальных районах субтропиков, таких как пустыня Сонора , Мексиканское плато , Сахара , Южная Америка и Юго-Восточная Азия. [25] Низины чаще всего расположены над Тибетским плато и с подветренной стороны Скалистых гор. [33]
Удлиненные области низкого давления образуются в муссонной впадине или внутритропической зоне конвергенции как часть циркуляции клеток Хэдли . [39] Муссонный провал в западной части Тихого океана достигает своего зенита по широте в конце лета, когда зимний приземный гребень в противоположном полушарии является самым сильным. Он может достигать 40 -й параллели в Восточной Азии в августе и 20-й параллели в Австралии в феврале. Его продвижение к полюсу ускоряется с наступлением летнего муссона, который характеризуется развитием более низкого давления воздуха над самой теплой частью различных континентов. [40] [41] Крупномасштабные термические минимумы над континентами помогают создавать градиенты давления, которые вызывают муссонные циркуляции. [42] В южном полушарии муссонная впадина, связанная с австралийским муссоном, достигает самой южной широты в феврале, [43] ориентирована вдоль оси запад-северо-запад/восток-юго-восток. Многие тропические леса мира связаны с этими климатологическими системами низкого давления. [44]
Тропические циклоны обычно должны образовываться на расстоянии более 555 км (345 миль) или к полюсу от 5-й параллели севера и 5-й параллели юга , что позволяет эффекту Кориолиса отклонять ветры, дующие к центру низкого давления, и создавать циркуляцию. [21] Во всем мире пик активности тропических циклонов приходится на конец лета, когда разница между температурой наверху и температурой поверхности моря наибольшая. Однако каждый конкретный бассейн имеет свои сезонные закономерности. В мировом масштабе май — наименее активный месяц, а сентябрь — самый активный месяц. Ноябрь — единственный месяц, когда возможна активность во всех бассейнах тропических циклонов. [45] Почти треть мировых тропических циклонов формируется в западной части Тихого океана, что делает его самым активным бассейном тропических циклонов на Земле . [46]
Ветер первоначально ускоряется из областей высокого давления в области низкого давления. [47] Это происходит из-за разницы в плотности (или температуре и влажности) между двумя воздушными массами . Поскольку более сильные системы высокого давления содержат более холодный или более сухой воздух, воздушная масса более плотная и течет к теплым или влажным областям, которые находятся вблизи областей с низким давлением перед соответствующими холодными фронтами . Чем сильнее разница давления или градиент давления между системой высокого давления и системой низкого давления, тем сильнее ветер. [48] Таким образом, более сильные области низкого давления связаны с более сильными ветрами.
Сила Кориолиса , вызванная вращением Земли , — это то, что дает ветрам вокруг областей низкого давления (таким как ураганы , циклоны и тайфуны ) их циркуляцию против часовой стрелки (против часовой стрелки) в северном полушарии (поскольку ветер движется внутрь и отклонено вправо от центра высокого давления) и циркуляция по часовой стрелке в южном полушарии (так как ветер движется внутрь и отклоняется влево от центра высокого давления). [49] Тропический циклон отличается от урагана или тайфуна только своим географическим положением. [50] Обратите внимание, что тропический циклон принципиально отличается от циклона средних широт. [51] Ураган — это шторм , возникающий в Атлантическом океане и северо-восточной части Тихого океана , тайфун — в северо-западной части Тихого океана, а тропический циклон — в южной части Тихого или Индийского океана . [50] [52] Трение о землю замедляет ветер, поступающий в системы низкого давления, и заставляет ветер течь более внутрь или течь более агеострофически , к их центрам. [48] Торнадо часто слишком малы и слишком кратковременны, чтобы на них могла повлиять сила Кориолиса, но они могут подвергаться такому влиянию, когда возникают из системы низкого давления. [53] [54]