В метеорологии циклон ( / ˈ s aɪ . k l oʊ n / ) — это большая воздушная масса , которая вращается вокруг сильного центра низкого атмосферного давления , против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии , если смотреть сверху (в отличие от антициклона ). [1] [2] Циклоны характеризуются внутренними спиралевидными ветрами, которые вращаются вокруг зоны низкого давления . [3] [4] Крупнейшие системы низкого давления — это полярные вихри и внетропические циклоны самого большого масштаба ( синоптический масштаб ). Циклоны с теплым ядром, такие как тропические циклоны и субтропические циклоны, также лежат в синоптическом масштабе. [5] Мезоциклоны , торнадо и пыльные дьяволы лежат в меньшем мезомасштабе . [6]
Циклоны верхнего уровня могут существовать без наличия поверхностного минимума и могут отрываться от основания тропического верхнего тропосферного желоба в летние месяцы в Северном полушарии . Циклоны также были замечены на внеземных планетах, таких как Марс , Юпитер и Нептун . [7] [8] Циклогенез - это процесс образования и усиления циклонов. [9] Внетропические циклоны начинаются как волны в больших регионах с повышенными контрастами температур в средних широтах, называемых бароклинными зонами . Эти зоны сжимаются и образуют погодные фронты по мере закрытия и усиления циклонической циркуляции. Позже в своем жизненном цикле внетропические циклоны закрываются , когда холодные воздушные массы подрезают более теплый воздух и становятся системами холодного ядра. Траектория циклона направляется в течение его жизненного цикла продолжительностью от 2 до 6 дней управляющим потоком субтропического струйного течения .
Погодные фронты обозначают границу между двумя массами воздуха с разной температурой , влажностью и плотностью и связаны с наиболее заметными метеорологическими явлениями . Сильные холодные фронты обычно характеризуются узкими полосами гроз и суровой погоды , и иногда им могут предшествовать линии шквалов или сухие линии . Такие фронты формируются к западу от центра циркуляции и обычно движутся с запада на восток; теплые фронты формируются к востоку от центра циклона и обычно им предшествуют стратифицированные осадки и туман . Теплые фронты движутся к полюсу впереди пути циклона. Окклюдированные фронты формируются в конце жизненного цикла циклона вблизи центра циклона и часто охватывают центр шторма.
Тропический циклогенез описывает процесс развития тропических циклонов. Тропические циклоны образуются из-за скрытого тепла, вызванного значительной грозовой активностью, и имеют теплое ядро. [10] [11] Циклоны могут переходить между внетропической, субтропической и тропической фазами. [12] Мезоциклоны образуются как теплые циклоны над сушей и могут приводить к образованию торнадо . [13] Водяные смерчи также могут образовываться из мезоциклонов, но чаще развиваются в условиях высокой нестабильности и низкого вертикального сдвига ветра . [14] В Атлантическом и северо-восточном океанах Тихого океана тропический циклон обычно называют ураганом ( от имени древнего центральноамериканского божества ветра, Уракана ), в Индийском и южном океанах Тихого океана его называют циклоном, а в северо-западной части Тихого океана его называют тайфуном . [ 15] Рост нестабильности в вихрях не является универсальным. Например, размер, интенсивность, влажная конвекция, поверхностное испарение, значение потенциальной температуры на каждой потенциальной высоте могут влиять на нелинейную эволюцию вихря. [16]
Генри Пиддингтон опубликовал 40 статей, посвященных тропическим штормам из Калькутты между 1836 и 1855 годами в The Journal of the Asiatic Society . Он также ввел термин «циклон» , что означает «кольцо змеи». В 1842 году он опубликовал свою знаменательную диссертацию « Законы штормов» . [17]
Существует ряд структурных характеристик, общих для всех циклонов. Циклон — это область низкого давления . [18] Центр циклона (часто известный в зрелом тропическом циклоне как глаз ) — это область самого низкого атмосферного давления в регионе. [18] Вблизи центра сила градиента давления (давление в центре циклона по сравнению с давлением снаружи циклона) и сила эффекта Кориолиса должны находиться в приблизительном равновесии, иначе циклон разрушится сам по себе из-за разницы в давлении. [19]
Из-за эффекта Кориолиса поток ветра вокруг большого циклона направлен против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии. [20] Таким образом, в Северном полушарии самые быстрые ветры относительно поверхности Земли возникают на восточной стороне циклона, движущегося на север, и на северной стороне циклона, движущегося на запад; в Южном полушарии происходит обратное. [21] В отличие от систем низкого давления, поток ветра вокруг систем высокого давления направлен по часовой стрелке ( антициклон ) в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном полушарии.
Циклогенез — это развитие или усиление циклонической циркуляции в атмосфере. [9] Циклогенез — это общий термин для нескольких различных процессов, каждый из которых приводит к развитию определенного вида циклона. [23] Он может происходить в различных масштабах: от микромасштаба до синоптического.
Внетропические циклоны начинаются как волны вдоль погодных фронтов , а затем в конце своего жизненного цикла окклюдируются как системы с холодным ядром. Однако некоторые интенсивные внетропические циклоны могут стать системами с теплым ядром, когда происходит теплое уединение .
Тропические циклоны образуются в результате значительной конвективной активности и имеют теплое ядро. [11] Мезоциклоны образуются как циклоны с теплым ядром над сушей и могут привести к образованию торнадо. [13] Водяные смерчи также могут образовываться из мезоциклонов, но чаще развиваются в условиях высокой нестабильности и низкого вертикального сдвига ветра . [14] Циклолиз противоположен циклогенезу и является эквивалентом системы высокого давления, которая занимается образованием областей высокого давления — антициклогенез . [24]
Поверхностный минимум может образоваться различными способами. Топография может создать поверхностный минимум. Мезомасштабные конвективные системы могут порождать поверхностные минимумы, которые изначально являются теплыми ядрами. [25] Возмущение может перерасти в волнообразное образование вдоль фронта , и минимум располагается на гребне. Вокруг минимума поток становится циклоническим. Этот вращающийся поток перемещает полярный воздух к экватору на западной стороне минимума, в то время как теплый воздух движется к полюсу на восточной стороне. Холодный фронт появляется на западной стороне, в то время как теплый фронт формируется на восточной стороне. Обычно холодный фронт движется быстрее, чем теплый фронт, и «догоняет» его из-за медленной эрозии более плотной воздушной массы впереди циклона. Кроме того, более плотная воздушная масса, проникающая за циклон, усиливает более высокое давление, более плотную холодную воздушную массу. Холодный фронт захватывает теплый фронт и сокращает длину теплого фронта. [26] В этой точке формируется окклюдированный фронт , где теплая воздушная масса выталкивается вверх в желоб теплого воздуха наверху, который также известен как троваль . [27]
Тропический циклогенез — это развитие и усиление тропического циклона . [28] Механизмы, посредством которых происходит тропический циклогенез, существенно отличаются от механизмов, которые производят циклоны средних широт . Тропический циклогенез, развитие циклона с теплым ядром , начинается со значительной конвекции в благоприятной атмосферной среде. Существует шесть основных требований для тропического циклогенеза:
В среднем ежегодно во всем мире образуется 86 тропических циклонов с интенсивностью тропического шторма, [31] из которых 47 достигают силы урагана/тайфуна, а 20 становятся интенсивными тропическими циклонами (интенсивностью не ниже 3-й категории по шкале ураганов Саффира-Симпсона ). [32]
На синоптических картах можно выделить следующие типы циклонов.
Существует три основных типа поверхностных циклонов: внетропические циклоны , субтропические циклоны и тропические циклоны.
Внетропический циклон — это синоптическая погодная система низкого давления , которая не имеет тропических характеристик, [33] поскольку она связана с фронтами и горизонтальными градиентами (а не вертикальными) температуры и точки росы , также известными как «бароклинные зоны». [34]
« Внетропический » применяется к циклонам за пределами тропиков, в средних широтах. Эти системы также могут быть описаны как «циклоны средних широт» из-за области их формирования или «посттропические циклоны», когда тропический циклон переместился ( внетропический переход ) за пределы тропиков. [34] [35] Синоптики и широкая общественность часто описывают их как «депрессии» или «низины». Это повседневные явления, которые, наряду с антициклонами , управляют погодой на большей части Земли.
Хотя внетропические циклоны почти всегда классифицируются как бароклинные, поскольку они формируются вдоль зон градиента температуры и точки росы в пределах западных ветров , они иногда могут стать баротропными в конце своего жизненного цикла, когда распределение температуры вокруг циклона становится довольно равномерным по радиусу. [36] Внетропический циклон может трансформироваться в субтропический шторм, а оттуда в тропический циклон, если он находится над теплыми водами, достаточными для того, чтобы прогреть его ядро, и в результате развивает центральную конвекцию. [37] Особенно интенсивный тип внетропического циклона, который поражает зимой, в разговорной речи известен как nor'easter .
Полярный циклон — это мелкомасштабная, кратковременная система низкого атмосферного давления (депрессия), которая находится над океаническими областями к полюсу от главного полярного фронта как в Северном, так и в Южном полушариях. Полярные циклоны были впервые обнаружены на метеорологических спутниковых снимках, которые стали доступны в 1960-х годах, которые выявили множество мелкомасштабных облачных вихрей в высоких широтах. Наиболее активные полярные циклоны обнаруживаются над определенными свободными ото льда морскими районами в Арктике или около нее в зимний период, такими как Норвежское море, Баренцево море, море Лабрадор и залив Аляска. Полярные циклоны быстро рассеиваются, когда выходят на сушу. Антарктические системы, как правило, слабее своих северных аналогов, поскольку разница температур воздуха и моря вокруг континента, как правило, меньше [ требуется ссылка ] . Однако энергичные полярные циклоны можно обнаружить над Южным океаном. Зимой, когда холодные центры низкого давления с температурой в средних слоях тропосферы достигают −45 °C (−49 °F), перемещаются по открытым водам, формируется глубокая конвекция, которая позволяет развитию полярной депрессии стать возможным. [38] Системы обычно имеют горизонтальный масштаб длины менее 1000 километров (620 миль) и существуют не более пары дней. Они являются частью более крупного класса мезомасштабных погодных систем. Полярные депрессии могут быть труднообнаружимы с помощью обычных метеорологических отчетов и представляют опасность для высокоширотных операций, таких как судоходство и газовые и нефтяные платформы. Полярные депрессии упоминаются многими другими терминами, такими как полярный мезомасштабный вихрь, арктический ураган, арктическая депрессия и холодная воздушная депрессия. Сегодня этот термин обычно зарезервирован для более энергичных систем, которые имеют приповерхностные ветры не менее 17 м/с. [39]
Субтропический циклон — это погодная система, которая имеет некоторые характеристики тропического циклона и некоторые характеристики внетропического циклона . Они могут формироваться между экватором и 50-й параллелью. [40] Еще в 1950-х годах метеорологи не знали, следует ли их характеризовать как тропические циклоны или внетропические циклоны, и использовали такие термины, как «квазитропический» и «полутропический», для описания гибридов циклонов. [41] К 1972 году Национальный центр по ураганам официально признал эту категорию циклонов. [42] Субтропические циклоны начали получать названия вне официального списка тропических циклонов в Атлантическом бассейне в 2002 году. [40] Они имеют широкие ветровые узоры с максимальными устойчивыми ветрами, расположенными дальше от центра, чем типичные тропические циклоны, и существуют в областях со слабым или умеренным градиентом температуры. [40]
Поскольку они формируются из внетропических циклонов, которые имеют более низкие температуры наверху, чем обычно встречаются в тропиках, для их образования требуется температура поверхности моря около 23 градусов по Цельсию (73 °F), что на три градуса по Цельсию (5 °F) ниже, чем для тропических циклонов. [43] Это означает, что субтропические циклоны с большей вероятностью образуются за пределами традиционных границ сезона ураганов. Хотя субтропические штормы редко имеют ветры ураганной силы, они могут стать тропическими по своей природе, поскольку их ядра нагреваются. [44]
Тропический циклон — это штормовая система, характеризующаяся центром низкого давления и многочисленными грозами , которые вызывают сильные ветры и проливные дожди. [45] Тропический циклон питается теплом, выделяющимся при подъеме влажного воздуха, что приводит к конденсации водяного пара, содержащегося во влажном воздухе. [45] Они подпитываются другим тепловым механизмом, чем другие циклонические штормы, такие как северо-восточные , европейские штормы и полярные циклоны , что приводит к их классификации как штормовых систем с «теплым ядром». [45] [11]
Термин «тропический» относится как к географическому происхождению этих систем, которые формируются почти исключительно в тропических регионах земного шара, [46] так и к их зависимости от морских тропических воздушных масс для их формирования. Термин «циклон» относится к циклонической природе штормов, с вращением против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии . [46] В зависимости от их местоположения и силы, тропические циклоны называют другими именами, такими как ураган , тайфун , тропический шторм , циклонический шторм , тропическая депрессия или просто циклон. [46]
Хотя тропические циклоны могут создавать чрезвычайно сильные ветры и проливные дожди, они также способны создавать высокие волны и разрушительные штормовые нагоны . [47] Их ветры увеличивают размер волн, и при этом они втягивают больше тепла и влаги в свою систему, тем самым увеличивая свою силу. Они развиваются над большими объемами теплой воды, [48] и, следовательно, теряют свою силу, если перемещаются по суше. [49] Вот почему прибрежные регионы могут получить значительный ущерб от тропического циклона, в то время как внутренние регионы относительно защищены от сильных ветров. [46] Однако сильные дожди могут вызвать значительные наводнения внутри страны. [46] Штормовые нагоны — это подъемы уровня моря, вызванные пониженным давлением ядра, которое фактически «всасывает» воду вверх, и ветрами, которые фактически «накапливают» воду. Штормовые нагоны могут вызывать обширные прибрежные наводнения до 40 километров (25 миль) от береговой линии. [46] Хотя их воздействие на население может быть разрушительным, тропические циклоны также могут облегчить условия засухи . [50] Они также переносят тепло и энергию из тропиков в умеренные широты , [46] что делает их важной частью глобального механизма циркуляции атмосферы . В результате тропические циклоны помогают поддерживать равновесие в тропосфере Земли . [46]
Многие тропические циклоны развиваются , когда атмосферные условия вокруг слабого возмущения в атмосфере благоприятны. [46] Другие образуются, когда другие типы циклонов приобретают тропические характеристики. Затем тропические системы перемещаются направляющими ветрами в тропосфере ; если условия остаются благоприятными, тропическое возмущение усиливается и может даже развить глаз . С другой стороны, если условия вокруг системы ухудшаются или тропический циклон выходит на сушу, система ослабевает и в конечном итоге рассеивается. Тропический циклон может стать внетропическим по мере продвижения к более высоким широтам, если его источник энергии меняется с тепла, выделяемого конденсацией, на разницу температур между воздушными массами. [11] Тропический циклон обычно не считается субтропическим во время его внетропического перехода. [51]
Полярный , субполярный или арктический циклон (также известный как полярный вихрь ) [52] представляет собой обширную область низкого давления, которая усиливается зимой и ослабевает летом. [53] Полярный циклон представляет собой погодную систему низкого давления , обычно охватывающую от 1000 километров (620 миль) до 2000 километров (1200 миль), [54] в которой воздух циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии. Ускорение Кориолиса, действующее на воздушные массы, движущиеся к полюсу на большой высоте, вызывает циркуляцию против часовой стрелки на большой высоте. Движение воздуха к полюсу возникает из-за циркуляции воздуха полярной ячейки . Полярный циклон не вызван конвекцией, как тропические циклоны, и не вызван взаимодействием холодных и теплых воздушных масс, как внетропические циклоны, а является артефактом глобального движения воздуха полярной ячейки. Основание полярного минимума находится в средней и верхней тропосфере. В Северном полушарии полярный циклон имеет в среднем два центра. Один центр находится около Баффиновой Земли, а другой над северо-восточной Сибирью. [52] В Южном полушарии он, как правило, располагается около края шельфового ледника Росса около 160° западной долготы. [55] Когда полярный вихрь силен, его влияние можно почувствовать на поверхности как западный ветер (на восток). Когда полярный циклон слаб, происходят значительные вспышки холода. [56]
При определенных обстоятельствах холодные циклоны верхнего уровня могут отрываться от основания тропической верхней тропосферной ложбины (TUTT), которая расположена посреди океана в Северном полушарии в летние месяцы. Эти верхние тропосферные циклонические вихри, также известные как ячейки TUTT или циклоны TUTT, обычно медленно движутся с востока-северо-востока на запад-юго-запад, и их основания обычно не простираются ниже 20 000 футов (6 100 м) в высоту. Слабая перевернутая поверхностная ложбина в пределах пассата обычно находится под ними, и они также могут быть связаны с широкими областями облаков высокого уровня. Развитие вниз приводит к увеличению кучевых облаков и появлению поверхностного вихря. В редких случаях они становятся тропическими циклонами с теплым ядром . Верхние циклоны и верхние ложбины, которые следуют за тропическими циклонами, могут вызывать дополнительные каналы оттока и способствовать их интенсификации. Развивающиеся тропические возмущения могут способствовать созданию или углублению верхних ложбин или верхних минимумов на своем пути из-за отточной струи, исходящей от развивающегося тропического возмущения/циклона. [57] [58]
Следующие типы циклонов не идентифицируются на синоптических картах.
Мезоциклон — это вихрь воздуха диаметром от 2,0 км (1,2 мили) до 10 км (6,2 мили) ( мезомасштаб метеорологии ) внутри конвективного шторма. [59] Воздух поднимается и вращается вокруг вертикальной оси, обычно в том же направлении, что и системы низкого давления [60] как в северном, так и в южном полушарии. Чаще всего они циклонические, то есть связаны с локализованной областью низкого давления внутри суперячейки . [60] [61] Такие штормы могут характеризоваться сильными приземными ветрами и сильным градом . [60] Мезоциклоны часто возникают вместе с восходящими потоками воздуха в суперячейках , где могут образовываться торнадо . [60] Ежегодно в Соединенных Штатах образуется около 1700 мезоциклонов, но только половина из них производит торнадо. [13]
Торнадо — это бурно вращающийся столб воздуха, который контактирует как с поверхностью земли, так и с кучево-дождевым облаком или, [62] в редких случаях, с основанием кучевого облака. Также его называют смерчами, разговорным термином в Америке, или циклонами, хотя слово циклон используется в метеорологии в более широком смысле для обозначения любой замкнутой циркуляции низкого давления.
Пыльный вихрь — это сильный, хорошо сформированный и относительно долгоживущий вихрь, [63] от небольшого (шириной полметра и высотой в несколько метров) до большого (шириной более 10 метров и высотой более 1000 метров). [63] Основное вертикальное движение направлено вверх. [63] Пыльные вихри обычно безвредны, но в редких случаях могут вырастать достаточно большими, чтобы представлять угрозу как для людей, так и для имущества. [63]
Водяной смерч — это столбчатый вихрь, формирующийся над водой, который в своей наиболее распространенной форме является не- суперячеечным торнадо над водой, соединенным с кучевым облаком . Хотя он часто слабее большинства своих наземных аналогов, случаются и более сильные версии, порожденные мезоциклонами .
Слабый вихрь над спокойной водой или влажной землей, видимый благодаря поднимающемуся водяному пару.
Огненный вихрь, также известный как огненный дьявол, огненный торнадо, огненный торнадо или огненный смерч, — это вихрь, вызванный пожаром и часто состоящий из пламени или пепла.
Циклоны не являются уникальными для Земли. Циклонические штормы обычны на гигантских планетах , таких как Малое Темное Пятно на Нептуне . [64] Он составляет около одной трети диаметра Большого Темного Пятна и получил прозвище «Глаз Волшебника», потому что выглядит как глаз. Этот вид вызван белым облаком в середине Глаза Волшебника. [8] На Марсе также наблюдались циклонические штормы. [7] Юпитерские штормы, такие как Большое Красное Пятно, обычно ошибочно называют гигантскими ураганами или циклоническими штормами. Однако это неточно, поскольку Большое Красное Пятно, по сути, является обратным явлением, антициклоном . [ 65]