Циклогенез

Развитие или усиление циклонической циркуляции в атмосфере.

Этот коллаж из спутниковых изображений GOES 13 показывает развитие северо-восточного ветра в течение двух дней.

Циклогенез — развитие или усиление циклонической циркуляции в атмосфере ( области низкого давления ). ^[1] Циклогенез — это общий термин, обозначающий как минимум три различных процесса, каждый из которых приводит к развитию своего рода циклона любого размера, от микромасштаба до синоптического масштаба .

• Тропические циклоны образуются из-за скрытого тепла, вызванного значительной грозовой активностью, в результате чего образуется теплое ядро.
• Внетропические циклоны формируются в виде волн вдоль погодных фронтов, а затем на более позднем этапе своего жизненного цикла закрываются в виде циклонов с холодным ядром.
• Мезоциклоны формируются как циклоны с теплым ядром над сушей и могут привести к образованию торнадо . Водяные смерчи также могут образовываться из мезоциклонов, но чаще возникают в условиях высокой нестабильности и низкого вертикального сдвига ветра .

Процесс, при котором внетропический циклон подвергается быстрому падению атмосферного давления (24 миллибара или более) в течение 24 часов, называется взрывным циклогенезом и обычно присутствует во время формирования норд-оста . ^[2] Точно так же тропический циклон может быстро усилиться .

Антициклоническим эквивалентом, процессом образования областей высокого давления , является антициклогенез . ^[3] Противоположностью циклогенеза является циклолиз .

Метеорологические весы

В метеорологии существуют четыре основных масштаба или размера систем: макромасштаб, синоптический масштаб, мезомасштаб и микромасштаб. ^[4] Макромасштаб имеет дело с системами глобального размера, такими как колебание Мэддена-Джулиана . Системы синоптического масштаба покрывают часть континента, например внетропические циклоны , с размерами 1000–2500 км (620–1550 миль) в поперечнике. ^[5] Мезомасштаб является следующим меньшим масштабом и часто делится на два диапазона: мезо-альфа-феномены варьируются от 200 до 2000 км (120-1240 миль) в поперечнике (царство тропического циклона ), тогда как мезо-бета-феномены Диапазон от 20–200 км (12–124 миль) в поперечнике (масштаб мезоциклона ) . Микромасштаб — это самый маленький из метеорологических масштабов, его размер составляет менее двух километров (1,2 мили) (масштаб торнадо и водяных смерчей ). ^[6] Эти горизонтальные размеры не являются жесткими делениями, а вместо этого отражают типичные размеры явлений, имеющих определенные динамические характеристики. Например, система не обязательно переходит от мезо-альфа к синоптическому масштабу, когда ее горизонтальная протяженность увеличивается с 2000 до 2001 км (от 1242,7 до 1243,4 миль).

Внетропические циклоны

Начальная фронтальная волна (или область низкого давления) формируется в месте красной точки на изображении. Обычно он перпендикулярен (под прямым углом) листовидному облачному образованию (бароклинный лист), наблюдаемому на спутнике на ранней стадии циклогенеза. Расположение оси струйной струи верхнего уровня показано голубым цветом.

Норвежская модель циклона

Реактивная полоса на высшем уровне. Области DIV — это области расхождения наверху, которые приведут к сближению поверхностей и содействуют циклогенезу.

Модель норвежского циклона — это идеализированная модель формирования циклонических штормов с холодным ядром, разработанная норвежскими метеорологами во время Первой мировой войны . ^[7] Основная концепция этой модели, касающаяся циклогенеза, заключается в том, что циклоны проходят предсказуемую эволюцию по мере продвижения вверх по фронтальной границе, причем наиболее зрелый циклон находится вблизи северо-восточного конца фронта, а наименее зрелый — вблизи хвостового конца. фронта. ^[8]

Прекурсоры для развития

Существующая ранее фронтальная граница, определенная при анализе приземной погоды , необходима для развития циклона в средних широтах. Циклонический поток начинается вокруг возмущенного участка стационарного фронта из-за возмущения верхнего уровня, такого как короткая волна или впадина верхнего уровня, ^{[9] [10]} вблизи благоприятного квадранта струи верхнего уровня. ^[11] Однако усиление скорости продольного растяжения в нижней тропосфере может подавлять рост внетропических циклонов. ^{[12] [13]}

Вертикальное движение, влияющее на развитие

Циклогенез может происходить только тогда, когда температура снижается к полюсу (к северу, в северном полушарии), а линии возмущения давления с высотой наклоняются на запад. Циклогенез, скорее всего, будет происходить в регионах адвекции циклонического завихрения , ниже по течению от сильной западной струи. ^[14] Сочетание вихревой адвекции и тепловой адвекции, создаваемой градиентом температуры и центром низкого давления, вызывает движение вверх вокруг минимума. ^[a] Если температурный градиент достаточно сильный, температурная адвекция увеличится, что приведет к увеличению вертикального движения. Это увеличивает общую прочность системы. Сдвиговые восходящие потоки ^[b] являются наиболее важным фактором, определяющим рост и силу циклонов. ^[16]

Способы развития

Поверхностный минимум может иметь множество причин для формирования. Топография может привести к образованию понижения на поверхности, когда существующая бароклинная волна движется через горный барьер; это известно как «подветренный циклогенез», поскольку низкие формы образуются на подветренной стороне гор. ^{[17] [18]} Мезомасштабные конвективные системы могут порождать приземные понижения, которые изначально представляют собой теплое ядро. ^[19] Возмущение может перерасти в волнообразное образование вдоль фронта, а минимум будет располагаться на гребне. Вокруг минимума течение по определению станет циклоническим. Этот вращательный поток будет толкать полярный воздух к экватору к западу от минимума через свой тянущийся холодный фронт, а более теплый воздух будет продвигаться к полюсу ниже через теплый фронт. Обычно холодный фронт движется быстрее, чем теплый фронт, и «догоняет» его из-за медленной эрозии воздушной массы с более высокой плотностью, расположенной перед циклоном, и воздушной массы с более высокой плотностью, приближающейся за циклоном, что обычно приводит к сужение теплого сектора. ^[20] В этот момент формируется фронт окклюзии , где теплые воздушные массы выталкиваются вверх во впадину с теплым воздухом наверху, которая также известна как тровал ( впадина с теплым воздухом наверху ). ^[21] Все развивающиеся области низкого давления имеют один общий важный аспект — вертикальное движение вверх в тропосфере. Такие движения вверх уменьшают массу местных атмосферных столбов воздуха, что снижает приземное давление. ^[22]

Зрелость

Зрелость наступает после момента окклюзии, когда шторм окончательно усилился и циклонический поток становится наиболее интенсивным. ^[23] После этого сила шторма уменьшается по мере того, как циклон соединяется с впадиной верхнего уровня или нижней частью верхнего уровня, становясь все более холодным ядром. Замедление вращения циклонов, также известное как циклолиз, можно понять с точки зрения энергетики. Когда происходит окклюзия и теплая воздушная масса выталкивается вверх над холодной воздушной массой, атмосфера становится все более стабильной, а центр тяжести системы понижается. ^[24] По мере того, как процесс окклюзии распространяется дальше вниз по теплому фронту и дальше от центрального минимума, все больше и больше доступной потенциальной энергии системы истощается. Этот потенциальный сток энергии создает источник кинетической энергии, который вносит последний всплеск энергии в движение шторма. После того, как этот процесс происходит, период роста циклона, или циклогенеза, заканчивается, и нижний уровень начинает вращаться вниз (заполняться), поскольку больше воздуха сходится к нижней части циклона, чем удаляется через верхнюю часть, поскольку дивергенция верхнего уровня уменьшился.

Иногда циклогенез будет повторяться с закупоренными циклонами. Когда это произойдет, в тройной точке (точке, где встречаются холодный фронт, теплый фронт и фронт окклюзии) сформируется новый низкий центр. Во время циклогенеза тройной точки окклюдированный материнский минимум будет заполняться по мере того, как вторичный минимум углубляется в главного создателя погоды.

• 
  На этом изображении видны плотные облака и дугообразная полоса конвекции, что указывает на молодой развивающийся циклон.
• 
  Рисунок диффузных облаков на этом изображении указывает на старую систему низкого давления, подвергающуюся циклолизу .
• 
  Это изображение иллюстрирует взаимное расположение двух штормовых систем над северо-восточной частью Тихого океана.

Тропические циклоны

Тропические циклоны существуют в пределах мезомасштабной альфа-области. В отличие от циклогенеза в средних широтах, тропический циклогенез обусловлен сильной конвекцией, организованной в центральное ядро ​​без бароклинных зон или фронтов, проходящих через их центр. Хотя образование тропических циклонов является темой продолжающихся обширных исследований и до сих пор до конца не изучено, существует шесть основных требований для тропического циклогенеза: достаточно теплая температура поверхности моря , нестабильность атмосферы, высокая влажность на нижних и средних уровнях тропосферы . , достаточно силы Кориолиса, чтобы создать центр низкого давления, ранее существовавший фокус или возмущение на низком уровне и низкий вертикальный сдвиг ветра . Эти циклоны с теплым ядром имеют тенденцию формироваться над океанами между 10 и 30 градусами экватора. ^{[25] [26]}

Мезоциклоны

Размер мезоциклонов варьируется от мезомасштабного бета до микромасштабного. Термин «мезоциклон» обычно используется для обозначения вращений среднего уровня во время сильных гроз ^[27] и представляет собой циклоны с теплым ядром, приводимые в движение скрытым теплом связанной с ним грозовой активности.

Торнадо образуются в теплом секторе внетропических циклонов , где существует сильное реактивное течение на верхних уровнях. ^[28] Считается, что мезоциклоны образуются, когда сильные изменения скорости и/или направления ветра с высотой (« сдвиг ветра ») заставляют части нижней части атмосферы вращаться в невидимых трубчатых рулонах. Считается, что конвективный восходящий поток грозы втягивает этот вращающийся воздух, изменяя ориентацию валков вверх (от параллельности земли к перпендикуляру) и заставляя весь восходящий поток вращаться как вертикальный столб.

По мере вращения восходящего потока он может образовывать так называемое настенное облако. Пристенное облако представляет собой вращающийся слой облаков, спускающихся с мезоциклона. Пристенное облако имеет тенденцию формироваться ближе к центру мезоциклона. Для формирования стенных облаков не обязательно нужен мезоциклон, и они не всегда вращаются. Когда пристенное облако опускается, в его центре может образоваться воронкообразное облако. Это первая стадия формирования торнадо. ^[29] Считается, что наличие мезоциклона является ключевым фактором в формировании сильных торнадо, связанных с сильными грозами.

• 
  Вертикальный сдвиг ветра (красный) приводит к вращению воздуха (зеленый).
• 
  Восходящий поток (синий) «наклоняет» вращающийся воздух в вертикальное положение.
• 
  Затем восходящий поток начинает вращаться.

Торнадо

Торнадо существуют на микромасштабе или нижнем уровне мезомасштабного гамма-домена. Цикл начинается, когда сильная гроза создает вращающийся мезоциклон на высоте нескольких миль в атмосфере, превращаясь в суперячейку. По мере увеличения количества осадков во время шторма они увлекают за собой область быстро нисходящего воздуха, известную как нисходящий поток заднего фланга (RFD). Этот нисходящий поток ускоряется по мере приближения к земле и увлекает за собой вращающийся мезоциклон к земле. ^[30]

Когда мезоциклон приближается к земле, кажется, что видимая воронка конденсации спускается от основания шторма, часто из вращающегося пристенного облака. Когда воронка опускается, RFD также достигает земли, создавая фронт порыва ветра, который может нанести ущерб на большом расстоянии от торнадо. Обычно воронкообразное облако начинает наносить ущерб земле (превращаясь в торнадо) через несколько минут после того, как RFD достигает земли. ^[31]

Смерчи

Водяные смерчи существуют на микроуровне. Хотя некоторые водяные смерчи являются сильными (смерчами), как и их наземные аналоги, большинство из них намного слабее и вызваны другой атмосферной динамикой. Они обычно развиваются во влажной среде с небольшим вертикальным сдвигом ветра вдоль линий схождения, таких как наземные бризы , линии схождения трения с близлежащих массивов суши или впадины на поверхности. ^[32] Их родительское облако может быть столь же безобидным, как умеренные кучевые облака, или таким же значительным, как гроза . Водяные смерчи обычно образуются, когда их родительские облака находятся в процессе развития, и предполагается, что они раскручиваются по мере продвижения вверх по границе поверхности от горизонтального сдвига ветра у поверхности, а затем тянутся вверх к облаку после сдвига на низком уровне. вихрь соответствует развивающимся кучевым облакам или грозе. Слабые торнадо, известные как смерчи, развивались в восточной части Колорадо аналогичным образом. ^[33] Вспышка произошла в районе Великих озер в конце сентября и начале октября 2003 г. вдоль полосы эффекта озера. Сентябрь является пиковым месяцем возникновения смерчей и водяных смерчей вокруг Флориды , а также пика возникновения водяных смерчей вокруг Великих озер . ^{[33] [34]}

Связанные термины

Циклогенез является противоположностью циклолиза, который касается ослабления поверхностных циклонов. Этот термин имеет антициклонический (система высокого давления) эквивалент — Антициклогенез , который связан с образованием поверхностных систем высокого давления. ^[3]

Смотрите также

• Погодный портал

• Атмосферная река
• Европейская буря
• Динамика ураганов и микрофизика облаков
• Гибридный низкий
• Анализ приземной погоды
• Классификация Миллера

Примечания

1. Используя Q-векторы , мы можем определить направление вертикального движения. ^[15] Южный поток и теплая адвекция вызывают движение вверх, тогда как северный поток и холодная адвекция вызывают нисходящее движение в северном полушарии. Эти вертикальные движения приводят к растяжению нижней границы и увеличению завихренности вокруг системы. Это увеличение завихренности системы можно показать через уравнение завихренности QG ( уравнение в частных производных ):

   ${\displaystyle {D\zeta \over Dt}+\beta v=f_{0}{\partial w \over \partial z}}$,

   где – относительная завихренность, – параметр Кориолиса в приближении бета-плоскости, – частная производная вертикального движения по высоте, – материальная производная . ^[15] Поскольку член планетарной завихренности остается постоянным, мы можем сделать вывод, что с увеличением растяжения завихренность также должна увеличиваться. Вертикальное движение также увеличивает адвекцию температуры по уравнению , где – геострофический меридиональный ветер и представляет собой геопотенциал . ^[15] ${\displaystyle \zeta }$ ${\displaystyle f=f_{0}+\beta y}$ ${\displaystyle {\partial w \over \partial z}}$ ${\displaystyle {D\zeta \over Dt}}$ ${\displaystyle v_{g}=-{1 \over f_{0}}{\partial \Phi \over \partial x}}$ ${\displaystyle v_{g}}$ ${\displaystyle \Phi }$
2. Сдвиговые восходящие потоки - это движения вверх в системе вертикальных движений, меняющих направление.

Рекомендации

1. Арктическая климатология и метеорология (2006). «Циклогенез». Национальный центр данных по снегу и льду. Архивировано из оригинала 30 августа 2006 г. Проверено 4 декабря 2006 г.
2. Сандерс, Ф.; Дж. Р. Гьякум (12 июня 1980 г.). «Синоптико-динамическая климатология «Бомбы»» (PDF) . Массачусетский технологический институт , Кембридж. Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2016 г. Проверено 21 января 2012 г.
3. «Циклогенез». Словарь метеорологии . Американское метеорологическое общество . 26 января 2012 года . Проверено 23 июля 2016 г.
4. Лаборатория мезомасштабной динамики и моделирования (08 сентября 2006 г.). «Часть I: Введение в мезомасштабную динамику». Архивировано из оригинала 8 сентября 2006 г. Проверено 4 декабря 2006 г.
5. Арктическая климатология и метеорология (2006). «Синоптическая шкала». Архивировано из оригинала 27 августа 2006 г. Проверено 25 октября 2006 г.
6. Университетская корпорация атмосферных исследований. Определение мезомасштаба. Проверено 25 октября 2006 г.
7. JetStream (01 сентября 2009 г.). «Модель норвежского циклона». Штаб-квартира Национальной метеорологической службы Южного региона. Архивировано из оригинала 4 января 2016 г. Проверено 26 октября 2009 г.
8. «Модель норвежского циклона» (PDF) . Школа метеорологии Университета Оклахомы . Архивировано из оригинала (PDF) 1 сентября 2006 г.
9. Глоссарий метеорологии (июнь 2000 г.). «Определение короткой волны». Американское метеорологическое общество . Архивировано из оригинала 9 июня 2009 г. Проверено 26 октября 2009 г.
10. Глоссарий метеорологии (июнь 2000 г.). «Определение желоба верхнего уровня». Американское метеорологическое общество . Архивировано из оригинала 9 июня 2009 г. Проверено 26 октября 2009 г.
11. Карлайл Х. Уош, Стейси Х. Хейккинен, Чи-Санн Лиу и Венделл А. Нусс. Событие быстрого циклогенеза во время GALE IOP 9. Проверено 28 июня 2008 г.
12. Шемм, С.; Шпренгер, М. (2015). «Фронтально-волновой циклогенез в Северной Атлантике – климатологическая характеристика». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества . 141 (693): 2989–3005. Бибкод : 2015QJRMS.141.2989S. дои : 10.1002/qj.2584 . hdl : 1956/11634 .
13. Бишоп, Крейг Х. и Торп, Алан Дж. (1994). «Устойчивость фронтальных волн во время влажного деформационного фронтогенеза. Часть II: Подавление развития нелинейных волн». Журнал атмосферных наук . 51 (6): 874–888. Бибкод : 1994JAtS...51..874B. doi : 10.1175/1520-0469(1994)051<0874:FWSSDMD>2.0.CO;2 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
14. Уоллес, Джон М.; Питер В. Хоббс (2006). Наука об атмосфере. Вводный обзор . Вашингтонский университет , Сиэтл.
15. Холтон, Джеймс Р. (2004). Введение в динамическую метеорологию . Вашингтонский университет , Сиэтл.
16. Мартин, Джонатон Э. (10 октября 2006 г.). «Американское метеорологическое общество». Ежемесячный обзор погоды . 135 (7): 2803–2809. CiteSeerX 10.1.1.529.5005 . дои : 10.1175/MWR3416.1. 
17. «Взаимодействие потока с топографией». Программа КОМЕТА . Архивировано из оригинала 8 мая 2002 года.
18. «Циклогенез Ли». Словарь метеорологии . Американское метеорологическое общество. 25 апреля 2012 г.
19. Раймонд Д. Менард1 и Дж. М. Фрич Мезомасштабный конвективный комплексный инерционно стабильный вихрь с теплым ядром, генерируемый комплексом
20. Чу, Рэйчел (2006). «Плотность воздуха». Справочник по физике .
21. Университет Сент-Луиса Что такое травал? Архивировано 16 сентября 2006 г. в Wayback Machine.
22. Джоэл Норрис (19 марта 2005 г.). «Заметки QG». Калифорнийский университет , Сан-Диего . Проверено 26 октября 2009 г.
23. Джоан фон Ан; Джо Сенкевич; Греггори Макфадден (апрель 2005 г.). «Внетропические циклоны ураганной силы, наблюдаемые с помощью QuikSCAT, ветры почти в реальном времени». Журнал погоды Моряков . 49 (1) . Проверено 26 октября 2009 г.
24. Стив В. Вудрафф (12 июня 2008 г.). «Об устойчивости атмосферы». Пирс Колледж. Архивировано из оригинала 12 июня 2008 года . Проверено 26 октября 2009 г.
25. Крис Лэндси (08 февраля 2009 г.). «Тема: А15) Как образуются тропические циклоны?». Национальный центр ураганов . Архивировано из оригинала 27 августа 2009 г. Проверено 26 октября 2009 г.
26. Окружающая среда Канады (18 сентября 2003 г.). «Формирование тропического циклона». Архивировано из оригинала 27 сентября 2006 г. Проверено 26 октября 2009 г.
27. Томас Аллен Джонс (11 марта 2007 г.). «Формирование и поддержание мезоциклона: обзор концептуальных моделей». Архивировано из оригинала 11 марта 2007 года . Проверено 26 октября 2009 г.
28. Университетская корпорация атмосферных исследований (сентябрь 2000 г.). «Как образуется торнадо». Архивировано из оригинала 17 октября 2007 г. Проверено 26 октября 2009 г.
29. Майкл Браник (11 июня 2008 г.). «Всеобъемлющий глоссарий погоды». Географический.орг . Проверено 26 октября 2009 г.
30. Тимоти П. Маршалл; Эрик Н. Расмуссен (январь 1982 г.). «Мезомасштабная эволюция торнадо Уоррена, Оклахома». 12-я конференция по сильным локальным штормам . Архивировано из оригинала 21 сентября 2009 г. Проверено 26 октября 2009 г.
31. Центр прогнозирования штормов. Часто задаваемые вопросы по онлайн-торнадо. Архивировано 29 сентября 2006 г. на Wayback Machine . Проверено 25 октября 2006 г.
32. Барри К. Чой и Скотт М. Спратт. Подход WSR-88D к прогнозированию смерчей. Архивировано 5 октября 2006 г. в Wayback Machine . Проверено 4 декабря 2006 г.
33. Барри К. Чой и Скотт М. Спратт. Использование WSR-88D для прогнозирования водяных смерчей в восточно-центральной Флориде. Архивировано 17 июня 2008 года в Wayback Machine . Проверено 25 октября 2006 г.
34. «Великая вспышка смерча 2003 года». Журнал погоды Моряков . 48 (3). Декабрь 2004 года . Проверено 25 октября 2006 г.