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, облачной, ветреной, с возможными дождями или штормами), [1] в то время как области высокого давления связаны с более слабыми ветрами и ясным небом. [2] Ветры вращаются против часовой стрелки вокруг низких уровней в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии из-за противодействующих сил Кориолиса . Системы низкого давления образуются под областями дивергенции ветра, которые происходят в верхних слоях атмосферы ( на высоте). Процесс формирования области низкого давления известен как циклогенез . В метеорологии дивергенция атмосферы на высоте происходит в двух типах мест:
Расходящиеся ветры наверху, перед этими ложбинами, вызывают подъем атмосферы в тропосфере , поскольку воздух движется вверх от поверхности, что снижает поверхностное давление, поскольку это восходящее движение частично противодействует силе тяжести, которая прижимает воздух к земле.
Термические минимумы образуются из-за локализованного нагрева, вызванного большим солнечным падением на пустыни и другие массивы суши. Поскольку локализованные области теплого воздуха менее плотные, чем их окружение, этот более теплый воздух поднимается, что снижает атмосферное давление вблизи этой части поверхности Земли . Крупномасштабные термические минимумы над континентами помогают управлять муссонными циркуляциями. Области низкого давления также могут образовываться из-за организованной грозовой активности над теплой водой. Когда это происходит над тропиками в сочетании с зоной внутритропической конвергенции , это известно как муссонная ложбина . Муссонные ложбины достигают своей северной протяженности в августе, а южной — в феврале. Когда конвективный минимум приобретает очень горячую циркуляцию в тропиках, это называется тропическим циклоном . Тропические циклоны могут образовываться в течение любого месяца года по всему миру, но могут происходить как в северном, так и в южном полушарии в течение декабря.
Атмосферный подъем также обычно создает облачный покров посредством адиабатического охлаждения , как только температура воздуха падает ниже точки росы по мере ее подъема, облачное небо, типичное для областей низкого давления, действует, чтобы смягчить дневные экстремальные температуры . Поскольку облака отражают солнечный свет , входящая коротковолновая солнечная радиация уменьшается, что вызывает более низкие температуры в течение дня. Ночью поглощающее воздействие облаков на исходящую длинноволновую радиацию , такую как тепловая энергия с поверхности, обеспечивает более теплые ночные минимумы во все времена года. Чем сильнее область низкого давления, тем сильнее ветры, испытываемые в ее окрестностях. В глобальном масштабе системы низкого давления чаще всего расположены над Тибетским плато и с подветренной стороны Скалистых гор . В Европе (особенно на Британских островах и в Нидерландах ) повторяющиеся погодные системы низкого давления обычно известны как «низкие уровни».
Циклогенез — это развитие и усиление циклонических циркуляций или областей низкого давления в атмосфере. [3] Циклогенез противоположен циклолизу и имеет антициклонический (система высокого давления) эквивалент, который имеет дело с образованием областей высокого давления — антициклогенез . [4] Циклогенез — это обобщающий термин для нескольких различных процессов, все из которых приводят к развитию некоторого вида 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] Крупнейшие системы низкого давления — это полярные циклоны с холодным ядром и внетропические циклоны, которые лежат в синоптическом масштабе . Циклоны с теплым ядром, такие как тропические циклоны, мезоциклоны и полярные циклоны , лежат в пределах меньшего мезомасштаба . Субтропические циклоны имеют промежуточный размер. [9] [10] Циклогенез может происходить в различных масштабах, от микромасштаба до синоптического масштаба. Крупномасштабные ложбины, также называемые волнами Россби, являются синоптическими по масштабу. [11] Коротковолновые ложбины, встроенные в поток вокруг крупномасштабных ложбин, имеют меньший масштаб или мезомасштабную природу. [12] Как волны Россби, так и короткие волны, встроенные в поток вокруг волн Россби, мигрируют в экваториальном направлении 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 восходящие движения уменьшают массу локальных атмосферных столбов воздуха, что снижает поверхностное давление. [14]
Внетропические циклоны формируются как волны вдоль погодных фронтов из-за прохождения короткой волны наверху или струйной полосы верхнего уровня [ требуется разъяснение ] перед тем, как позже в своем жизненном цикле они скроются как циклоны с холодным ядром. [15] [16] [17] [18] Полярные циклоны — это мелкомасштабные, кратковременные атмосферные системы низкого давления, которые возникают над океаническими областями к полюсу от главного полярного фронта как в Северном, так и в Южном полушариях. Они являются частью более крупного класса мезомасштабных погодных систем. Полярные циклоны может быть трудно обнаружить с помощью обычных метеорологических сводок, и они представляют опасность для высокоширотных операций, таких как судоходство и морские платформы . Это мощные системы, в которых скорость приповерхностных ветров 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 образования необходимо соблюдение определенных критериев. В большинстве случаев температура воды должна быть не менее 26,5 °C (79,7 °F) до глубины не менее 50 м (160 футов); [21] вода такой температуры делает вышележащую атмосферу достаточно нестабильной, чтобы поддерживать конвекцию и грозы. [22] Другим фактором является быстрое охлаждение с высотой, что позволяет высвобождать тепло конденсации , которое питает тропический циклон. [21] Необходима высокая влажность, особенно в нижней и средней тропосфере ; когда в атмосфере много влаги, условия более благоприятны для развития возмущений. [21] Необходимы низкие величины сдвига ветра , поскольку высокий сдвиг нарушает циркуляцию шторма. [21] Наконец, для формирования тропического циклона необходима уже существующая система нарушенной погоды, хотя без циркуляции циклоническое развитие не произойдет. [21] Мезоциклоны формируются как теплые циклоны над сушей и могут привести к образованию торнадо. [23] Водяные смерчи также могут образовываться из мезоциклонов, но чаще развиваются 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 термическим минимумом . [25] Муссонные циркуляции вызваны термическими минимумами, которые формируются на больших площадях суши, и их сила обусловлена тем, что земля нагревается быстрее, чем окружающий близлежащий океан. Это создает устойчивый ветер, дующий в сторону суши, принося с собой влажный приповерхностный воздух над океанами. [26] Аналогичные осадки вызваны подъемом влажного океанского воздуха вверх горами , [27] нагревом поверхности, [28] конвергенцией на поверхности, [29] дивергенцией наверху или оттоком, вызванным штормом на поверхности. [30] Однако подъем происходит, воздух охлаждается из-за расширения в области более низкого давления, что, в свою очередь, вызывает конденсацию . Зимой земля быстро остывает, но океан сохраняет тепло дольше из-за своей более высокой удельной теплоты. Горячий воздух над океаном поднимается, создавая область низкого давления и бриз от земли к океану, в то время как над землей формируется большая область сухого высокого давления, увеличенная зимним охлаждением. [26] Муссоны напоминают морские и сухопутные бризы , термины, обычно относящиеся к локализованному, суточному (ежедневному) циклу циркуляции вблизи береговых линий повсюду, но они гораздо больше по масштабу - также сильнее и сезоннее. [31]
Крупные полярные циклоны помогают определить направление систем, движущихся через средние широты, к югу от Арктики и к северу от Антарктики . Арктическое колебание обеспечивает индекс, используемый для оценки величины этого эффекта в Северном полушарии. [32] Внетропические циклоны, как правило, формируются к востоку от климатологических положений провала на высоте около восточного побережья континентов или западной стороны океанов. [33] Исследование внетропических циклонов в Южном полушарии показывает, что между 30-й и 70-й параллелями в среднем существует 37 циклонов в течение любого 6-часового периода. [34] Отдельное исследование в Северном полушарии предполагает, что примерно 234 значительных внетропических циклона образуются каждую зиму. [35] В Европе, особенно в Соединенном Королевстве и в Нидерландах, повторяющиеся внетропические погодные системы низкого давления обычно известны как депрессии. [36] [37] [38] Они, как правило, приносят влажную погоду в течение всего года. Термические минимумы также случаются летом над континентальными районами субтропиков, такими как пустыня Сонора , Мексиканское плато , Сахара , Южная Америка и Юго-Восточная Азия. [25] Чаще всего минимумы располагаются над Тибетским плато и с подветренной стороны Скалистых гор. [33]
Вытянутые области низкого давления формируются в муссонном желобе или внутритропической зоне конвергенции как часть циркуляции ячеек Хэдли . [39] Муссонный желоб в западной части Тихого океана достигает своего зенита по широте в конце лета, когда зимний поверхностный хребет 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 началом 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 управляют муссонными циркуляциями. [42] В южном полушарии муссонный желоб, связанный с австралийским муссоном, достигает своей самой южной широты в феврале, [43] ориентированный вдоль оси запад-северо-запад/восток-юго-восток. Многие из тропических лесов мира связаны с этими климатологическими системами низкого давления. [44]
Тропические циклоны обычно должны формироваться более чем в 555 км (345 миль) или в направлении полюса от 5-й северной параллели и 5-й южной параллели , что позволяет эффекту Кориолиса отклонять ветры, дующие в сторону центра низкого давления, и создавать циркуляцию. [21] Во всем мире пик активности тропических циклонов приходится на конец лета, когда разница между температурами наверху и температурой поверхности моря является наибольшей. Однако каждый конкретный бассейн имеет свои собственные сезонные закономерности. В мировом масштабе май является наименее активным месяцем, а сентябрь — наиболее активным месяцем. Ноябрь — единственный месяц, когда возможна активность во всех бассейнах тропических циклонов. [45] Почти треть тропических циклонов мира формируется в западной части Тихого океана, что делает его самым активным бассейном тропических циклонов на Земле . [46]
Ветер изначально ускоряется от областей высокого давления к областям 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 сухой воздух, воздушная масса плотнее и течет к областям, которые теплые или влажные, которые находятся вблизи областей низкого давления, прежде чем их связывают с холодными фронтами . Чем сильнее разница в давлении 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 придает ветрам вокруг областей низкого давления (например, в ураганах , циклонах и тайфунах ) их циркуляцию против часовой стрелки (против часовой стрелки) в северном полушарии (поскольку ветер движется внутрь и отклоняется вправо от центра высокого давления) и циркуляцию по часовой стрелке в южном полушарии (поскольку ветер движется внутрь и отклоняется влево от центра высокого давления). [49] Тропический циклон отличается от урагана или тайфуна только географическим положением. [50] Тропический циклон принципиально отличается от циклона средних широт. [51] Ураган — это шторм , который возникает в Атлантическом океане и северо-восточной части Тихого океана , тайфун возникает в северо-западной части Тихого океана, а тропический циклон возникает в южной части Тихого океана или Индийском океане . [50] [52] Трение о землю замедляет ветер, текущий в системы низкого давления, и заставляет ветер течь больше внутрь или течь более агеострофически , к их центрам. [48] Торнадо часто слишком малы и слишком кратковременны, чтобы на них влияла сила Кориолиса, но могут подвергаться такому влиянию, когда возникают в системе низкого давления. [53] [54]