Циклогенез — это развитие или усиление циклонической циркуляции в атмосфере ( область низкого давления ). [1] Циклогенез — это общий термин для по крайней мере трех различных процессов, каждый из которых приводит к развитию какого-либо вида циклона , причем любого размера — от микромасштаба до синоптического .
Процесс, при котором внетропический циклон претерпевает быстрое падение атмосферного давления (на 24 миллибара и более) в течение 24-часового периода, называется взрывным циклогенезом и обычно присутствует во время формирования северо-восточного ветра . [2] Аналогичным образом тропический циклон может претерпевать быструю интенсификацию .
Антициклонический эквивалент, процесс образования областей высокого давления , — антициклогенез . [3] Противоположность циклогенезу — циклолиз .
Существует четыре основных масштаба или размера систем, с которыми имеет дело метеорология: макромасштаб, синоптический масштаб, мезомасштаб и микромасштаб. [4] Макромасштаб имеет дело с системами с глобальным размером, такими как осцилляция Маддена-Джулиана . Системы синоптического масштаба охватывают часть континента, такие как 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-явления имеют диапазон от 200 до 2000 км (120–1240 миль) в поперечнике (область тропического циклона ), в то время как мезо-бета-явления имеют диапазон от 20 до 200 км (12–124 миль) в поперечнике (масштаб мезоциклона ) . Микромасштаб — наименьший из метеорологических масштабов, его размер составляет менее двух километров (1,2 мили) (масштаб торнадо и водяных смерчей ). [6] Эти горизонтальные измерения 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).
Норвежская модель циклона — это идеализированная модель формирования холодных циклонических штормов, разработанная норвежскими метеорологами во время Первой мировой войны . [7] Основная концепция этой модели, касающаяся циклогенеза, заключается в том, что циклоны развиваются по предсказуемой схеме по мере продвижения вверх по фронтальной границе, при этом наиболее зрелый циклон находится вблизи северо-восточного конца фронта, а наименее зрелый — вблизи хвостовой части фронта. [8]
Для развития циклона в средних широтах требуется заранее существующая фронтальная граница, как определено в анализе погоды на поверхности . Циклонический поток начинается вокруг возмущенного участка стационарного фронта из-за возмущения верхнего уровня, такого как короткая волна или ложбина верхнего уровня, [9] [10] вблизи благоприятного квадранта струи верхнего уровня. [11] Однако повышенные скорости растяжения вдоль фронта в нижней тропосфере могут подавлять рост внетропических циклонов. [12] [13]
Циклогенез может происходить только тогда, когда температура понижается к полюсу (к северу, в северном полушарии), а линии возмущения давления наклоняются на запад с высотой. Циклогенез, скорее всего, происходит в областях адвекции циклонического вихря , ниже по течению от сильной западной струи. [14] Сочетание адвекции вихря и термической адвекции, созданной градиентом температуры и центром низкого давления, вызывает восходящее движение вокруг минимума. [a] Если градиент температуры достаточно сильный, адвекция температуры увеличится, вызывая большее вертикальное движение. Это увеличивает общую прочность системы. Сдвиговые восходящие потоки [b] являются наиболее важным фактором, определяющим рост и прочность циклона. [16]
Поверхностный циклон может иметь множество причин для формирования. Топография может заставить поверхностный циклон образоваться, когда существующая бароклинная волна движется через горный барьер; это известно как «подветренный циклогенез», поскольку циклон формируется на подветренной стороне гор. [17] [18] Мезомасштабные конвективные системы могут порождать поверхностные циклоны, которые изначально являются теплым ядром. [19] Возмущение может перерасти в волнообразное образование вдоль фронта , и циклон будет располагаться на гребне. Вокруг циклона поток станет циклоническим, по определению. Этот вращающийся поток будет толкать полярный воздух к экватору к западу от циклона через его тянущийся холодный фронт, а более теплый воздух будет толкать циклон к полюсу через теплый фронт. Обычно холодный фронт будет двигаться быстрее, чем теплый фронт, и «догонять» его из-за медленной эрозии более плотной воздушной массы, расположенной впереди циклона, и более плотной воздушной массы, проникающей за циклон, что обычно приводит к сужению теплого сектора. [20] В этой точке формируется окклюдированный фронт , где теплая воздушная масса выталкивается вверх в ложбину теплого воздуха наверху, которая также известна как trowal ( ложбина теплого воздуха часто ). [21] Все развивающиеся области низкого давления имеют один важный аспект — восходящее вертикальное движение в тропосфере. Такие восходящие движения уменьшают массу местных атмосферных столбов воздуха, что снижает поверхностное давление. [ 22]
Зрелость наступает после времени окклюзии, когда шторм завершает усиление, а циклонический поток достигает максимальной интенсивности. [23] После этого сила шторма уменьшается, поскольку циклон соединяется с ложбиной верхнего уровня или низкоуровневым циклоном, становясь все более холодным ядром. Снижение скорости 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 опускается. [24] По мере того, как процесс окклюзии распространяется дальше вниз по теплому фронту и от центральной низкоуровневой области, все больше и больше доступной потенциальной энергии системы истощается. Этот сток потенциальной энергии создает источник кинетической энергии, который впрыскивает последний всплеск энергии в движения шторма. После того, как этот процесс происходит, период роста циклона, или циклогенез, заканчивается, и циклон начинает замедляться (заполняться), поскольку в нижнюю часть циклона попадает больше воздуха, чем удаляется из верхней части, поскольку дивергенция на верхнем уровне уменьшилась.
Иногда циклогенез будет повторяться с окклюдированными циклонами. Когда это происходит, новый центр низкого уровня образуется в тройной точке (точке, где встречаются холодный фронт, теплый фронт и окклюдированный фронт). Во время циклогенеза с тройной точкой окклюдированный родительский минимум будет заполняться, поскольку вторичный минимум углубляется в основной погодный фактор.
Тропические циклоны существуют в мезомасштабном альфа-домене. В отличие от среднеширотного циклогенеза, тропический циклогенез обусловлен сильной конвекцией, организованной в центральное ядро без бароклинных зон или фронтов, простирающихся через их центр. Хотя образование тропических циклонов является темой обширных текущих исследований и до сих пор не полностью изучено, существует шесть основных требований для тропического циклогенеза: достаточно теплая температура поверхности моря , атмосферная нестабильность, высокая влажность в нижних и средних слоях тропосферы , достаточная сила Кориолиса для развития центра низкого давления, уже существующий фокус или возмущение на низком уровне и низкий вертикальный сдвиг ветра . Эти теплые циклоны с ядром имеют тенденцию формироваться над океанами между 10 и 30 градусами экватора. [25] [26]
Мезоциклоны варьируются по размеру от мезомасштабных бета до микромасштабных. Термин мезоциклон обычно применяется к вращениям среднего уровня в пределах сильных гроз [27] и представляет собой теплые циклоны с ядром, приводимые в движение скрытым теплом связанной с ними грозовой активности.
Торнадо образуются в теплом секторе внетропических циклонов , где существует сильное струйное течение верхнего уровня. [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 трубкообразных валах. Затем считается, что конвективный восходящий поток грозы поднимает этот вращающийся воздух, наклоняя ориентацию валов вверх (из параллельной земле в перпендикулярную) и заставляя весь восходящий поток вращаться как вертикальный столб.
По мере вращения восходящего потока может образоваться то, что известно как стена облака. Стена облака представляет собой вращающийся слой облаков, спускающихся с мезоциклона. Стена облака имеет тенденцию образовываться ближе к центру мезоциклона. Стена облака не обязательно нуждается в мезоциклоне для формирования и не всегда вращается. По мере того, как стена облака опускается, воронкообразное облако может образоваться в ее центре. Это первая стадия формирования торнадо. [29] Считается, что наличие мезоциклона является ключевым фактором в образовании сильных торнадо, связанных с сильными грозами.
Торнадо существуют в микромасштабе или на нижнем конце мезомасштабной гамма-области. Цикл начинается, когда сильная гроза развивает вращающийся мезоциклон на высоте нескольких миль в атмосфере, становясь суперячейкой. По мере увеличения количества осадков в шторме он увлекает 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, из основания шторма, часто из вращающегося облака-стены, спускается видимая конденсационная воронка. По мере того, как воронка опускается, RFD также достигает земли, создавая фронт порывов, который может нанести ущерб на большом расстоянии от торнадо. Обычно воронкообразное облако начинает наносить ущерб на земле (становясь торнадо) в течение нескольких минут после того, как RFD достигает земли. [31]
Водяные смерчи существуют в микромасштабе. Хотя некоторые водяные смерчи сильны (торнадообразны), как и их наземные аналоги, большинство из них намного слабее и вызваны иной атмосферной динамикой. Обычно они развиваются во влажных средах с небольшим вертикальным сдвигом ветра вдоль линий конвергенции, таких как сухопутные бризы , линии фрикционной конвергенции с близлежащих массивов суши или поверхностных ложбин. [32] Их родительское облако может быть таким же безобидным, как умеренное кучевое облако, или таким же значительным, как гроза . Водяные смерчи обычно развиваются по мере того, как их родительские облака находятся в процессе развития, и теоретически предполагается, что они закручиваются по мере продвижения вверх по границе поверхности от горизонтального сдвига ветра вблизи поверхности, а затем тянутся вверх к облаку, как только низкоуровневый вихрь сдвига выровняется с развивающимся кучевым облаком или грозой. Слабые торнадо, известные как наземные смерчи, по всему восточному Колорадо были замечены развивающимися аналогичным образом. [33] Вспышка произошла в Великих озерах в конце сентября и начале октября 2003 года вдоль полосы эффекта озера. Сентябрь является пиковым месяцем возникновения смерчей и водяных смерчей вокруг Флориды и водяных смерчей вокруг Великих озер . [33] [34]
Циклогенез — это противоположность циклолизу, который касается ослабления поверхностных циклонов. Термин имеет антициклонический (система высокого давления) эквивалент — Антициклогенез , который касается формирования поверхностных систем высокого давления. [3]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )