В метеорологии циклон ( / ˈs aɪ.k l oʊ n / ) — 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 (напротив часовой стрелки ) . антициклону ) . [1] [2] Циклоны характеризуются направленными внутрь ветрами, которые вращаются вокруг зоны низкого давления . [3] [4] Крупнейшими системами низкого давления являются полярные вихри и внетропические циклоны крупнейшего масштаба ( синоптического масштаба ). Циклоны с теплым ядром, такие как тропические циклоны и субтропические циклоны, также лежат в пределах синоптического масштаба. [5] Мезоциклоны , торнадо и пылевые дьяволы лежат в пределах меньшего мезомасштаба . [6]
Циклоны верхнего уровня могут существовать без наличия приземного минимума и могут отрываться от основания тропической впадины верхней тропосферы 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 интенсификации циклонов. [9] Внетропические циклоны начинаются как волны в больших регионах с повышенным температурным контрастом в средних широтах, называемых бароклинными зонами . Эти зоны сжимаются и образуют погодные фронты по мере того, как циклоническая циркуляция закрывается и усиливается. На более позднем этапе своего жизненного цикла внетропические циклоны закрываются , поскольку холодные воздушные массы подрывают более теплый воздух и становятся системами с холодным ядром. Траектория циклона на протяжении его жизненного цикла (от 2 до 6 дней) направляется направляющим потоком субтропического реактивного течения .
Погодные фронты отмечают границу между двумя массами воздуха различной температуры , влажности и плотности и связаны с наиболее яркими метеорологическими явлениями . Сильные холодные фронты обычно характеризуются узкими полосами гроз и суровой погодой , и иногда им могут предшествовать линии шквалов или засушливые линии . Такие фронты формируются западнее центра циркуляции и обычно движутся с запада на восток; теплые фронты формируются к востоку от центра циклона, которым обычно предшествуют слоистые осадки и туманы . Теплые фронты движутся к полюсам впереди пути циклонов. Окклюдированные фронты формируются на поздних стадиях 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 внетропическими, субтропическими и тропическими фазами. [12] Мезоциклоны формируются как циклоны с теплым ядром над сушей и могут привести к образованию торнадо . [13] Водяные смерчи также могут образовываться из мезоциклонов, но чаще возникают в условиях высокой нестабильности и низкого вертикального сдвига ветра . [14] В Атлантическом и северо-восточном Тихом океанах тропический циклон обычно называют ураганом ( от имени древнего центральноамериканского божества ветра Уракана ), в Индийском и южном Тихом океанах его называют циклоном. , а в северо-западной части Тихого океана его называют тайфуном . [15] Рост неустойчивости в вихрях не является универсальным. Например, на нелинейную эволюцию вихря могут влиять размер, интенсивность, влажно-конвекция, поверхностное испарение, значение потенциальной температуры на каждой потенциальной высоте. [16] [17]
Генри Пиддингтон опубликовал в «Журнале Азиатского общества» 40 статей, посвященных тропическим штормам в Калькутте между 1836 и 1855 годами . Он также ввел термин «циклон» , означающий клубок змеи. В 1842 году он опубликовал свою знаковую диссертацию « Законы бурь» . [18]
Существует ряд структурных характеристик, общих для всех циклонов. Циклон – это область низкого давления . [19] Центр циклона (часто известный в зрелом тропическом циклоне как « глаз ») — это область самого низкого атмосферного давления в регионе. [19] 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 на себя. из-за разницы давлений. [20]
Из-за эффекта Кориолиса поток ветра вокруг большого циклона движется против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии. [21] 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; обратное происходит в Южном полушарии. [22] В отличие от систем низкого давления, ветровые потоки вокруг систем высокого давления направлены по часовой стрелке ( антициклонически ) в северном полушарии и против часовой стрелки в южном полушарии.
Циклогенез — развитие или усиление циклонической циркуляции в атмосфере. [9] Циклогенез – это общий термин для нескольких различных процессов, которые приводят к развитию своего рода циклона. [24] Это может происходить в различных масштабах: от микромасштаба до синоптического.
Внетропические циклоны начинаются как волны вдоль погодных фронтов, а затем на более позднем этапе своего жизненного цикла закрываются в виде систем 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 формируются как циклоны с теплым ядром над сушей и могут привести к образованию торнадо. [13] Водяные смерчи также могут образовываться из мезоциклонов, но чаще возникают в условиях высокой нестабильности и низкого вертикального сдвига ветра . [14] Циклолиз является противоположностью циклогенеза и является эквивалентом системы высокого давления, которая занимается образованием областей высокого давления — Антициклогенеза . [25]
Поверхностный минимум может формироваться разными способами. Топография может создать понижение поверхности. Мезомасштабные конвективные системы могут порождать поверхностные минимумы, которые изначально являются теплыми ядрами. [26] Возмущение может перерасти в волнообразное образование вдоль фронта , а минимум расположен на гребне. В районе минимума течение становится циклоническим. Этот вращательный поток перемещает полярный воздух к экватору на западной стороне минимума, а теплый воздух движется к полюсу на восточной стороне. Холодный фронт появляется на западной стороне, а теплый фронт формируется на восточной стороне. Обычно холодный фронт движется быстрее, чем теплый фронт, и «догоняет» его из-за медленной эрозии воздушной массы с более высокой плотностью перед циклоном. Кроме того, воздушная масса с более высокой плотностью, проносящаяся за циклоном, усиливает более высокое давление и более плотную холодную воздушную массу. Холодный фронт берет верх над теплым фронтом и уменьшает длину теплого фронта. [27] В этот момент формируется фронт окклюзии , где теплые воздушные массы выталкиваются вверх во впадину с теплым воздухом наверху, которая также известна как травал . [28]
Тропический циклогенез — развитие и усиление тропического циклона . [29] Механизмы, посредством которых происходит тропический циклогенез, заметно отличаются от тех, которые производят циклоны средних широт . Тропический циклогенез, развитие циклона с теплым ядром , начинается со значительной конвекции в благоприятной атмосферной среде. Существует шесть основных требований тропического циклогенеза:
Ежегодно во всем мире образуется в среднем 86 тропических циклонов с интенсивностью тропического шторма, [32] из которых 47 достигают силы урагана/тайфуна, а 20 становятся интенсивными тропическими циклонами (по крайней мере, категории 3 интенсивности по шкале ураганов Саффира-Симпсона ). [33]
На синоптических картах можно выделить следующие типы циклонов.
Существует три основных типа наземных циклонов: внетропические циклоны , субтропические циклоны и тропические циклоны.
Внетропический циклон представляет собой погодную систему низкого давления синоптического масштаба , которая не имеет тропических характеристик, [34] поскольку она связана с фронтами и горизонтальными градиентами (а не вертикальными) температуры и точки росы , также известными как «бароклинные зоны». [35]
« Внетропический » применяется к циклонам за пределами тропиков, в средних широтах. Эти системы также можно описать как «циклоны средних широт» из-за области их формирования или «посттропические циклоны», когда тропический циклон вышел за пределы тропиков ( внетропический переход ). [35] [36] Синоптики и широкая общественность часто описывают их как «депрессии» или «падения». Это повседневные явления, которые вместе с антициклонами определяют погоду 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 однородным в зависимости от радиуса. [37] Внетропический циклон может трансформироваться в субтропический шторм, а оттуда в тропический циклон, если он обитает над теплыми водами, достаточными для нагрева его ядра, и в результате развивает центральную конвекцию. [38] Особенно интенсивный тип внетропического циклона, который поражает зимой, в просторечии известен как северо-восточный циклон .
Полярный минимум — это мелкомасштабная, недолговечная атмосферная система низкого давления (впадина), которая встречается над областями океана к полюсу от главного полярного фронта как в Северном, так и в Южном полушариях. Полярные минимумы были впервые обнаружены на метеорологических спутниковых снимках, которые стали доступны в 1960-х годах и на которых было обнаружено множество мелкомасштабных облачных вихрей в высоких широтах. Наиболее активные полярные минимумы зимой наблюдаются над некоторыми свободными ото льда морскими районами в Арктике или вблизи нее, например, в Норвежском море, Баренцевом море, море Лабрадора и заливе Аляски. Полярные минимумы быстро рассеиваются, когда они достигают берега. Антарктические системы , как правило, слабее, чем их северные аналоги, поскольку разница температур воздуха и моря вокруг континента, как правило, меньше . Однако над Южным океаном можно обнаружить сильные полярные депрессии. Зимой, когда минимумы холодного ядра с температурами на средних уровнях тропосферы достигают -45 ° C (-49 ° F) движутся над открытыми водами, формируется глубокая конвекция, что делает возможным развитие полярных депрессий . [39] Системы обычно имеют горизонтальную протяженность менее 1000 километров (620 миль) и существуют не более пары дней. 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 газовые и нефтяные платформы. Полярные минимумы обозначались многими другими терминами, такими как полярный мезомасштабный вихрь, арктический ураган, арктический минимум и депрессия холодного воздуха. Сегодня этот термин обычно применяется к более энергичным системам, в которых скорость ветра у поверхности составляет не менее 17 м/с. [40]
Субтропический циклон — это погодная система, которая имеет некоторые характеристики тропического циклона и некоторые характеристики внетропического циклона . Они могут образоваться между экватором и 50-й параллелью. [41] Еще в 1950-х годах метеорологи не знали, следует ли их характеризовать как тропические циклоны или внетропические циклоны, и использовали такие термины, как квазитропические и полутропические, для описания гибридов циклонов. [42] К 1972 году Национальный центр ураганов официально признал эту категорию циклонов. [43] Субтропические циклоны начали получать названия из официального списка тропических циклонов в Атлантическом бассейне в 2002 году. [41] Они имеют широкий характер ветров с максимальными устойчивыми ветрами, расположенными дальше от центра, чем типичные тропические циклоны, и существуют в районах со слабыми ветрами. до умеренного температурного градиента. [41]
Поскольку они образуются из внетропических циклонов, температура которых наверху ниже, чем обычно в тропиках, для их образования необходима температура поверхности моря около 23 градусов Цельсия (73 °F), что на три градуса Цельсия (5 °F) ниже, чем для тропических циклонов. [44] Это означает, что субтропические циклоны с большей вероятностью формируются за пределами традиционных границ сезона ураганов. Хотя субтропические штормы редко сопровождаются ураганными ветрами, они могут стать тропическими по своей природе по мере нагревания их ядра. [45]
Тропический циклон — это штормовая система, характеризующаяся центром низкого давления и многочисленными грозами , вызывающими сильные ветры и паводковые дожди. [46] Тропический циклон питается теплом, выделяющимся при подъеме влажного воздуха, что приводит к конденсации водяного пара , содержащегося во влажном воздухе. [46] Они питаются другим тепловым механизмом, чем другие циклонические ураганы, такие как северо-восточные , европейские ураганы и полярные циклоны , что приводит к их классификации как штормовые системы с «теплым ядром». [46] [11]
Термин «тропический» относится как к географическому происхождению этих систем, которые формируются почти исключительно в тропических регионах земного шара, [47] , так и к их зависимости от морских тропических воздушных масс в их формировании. Термин «циклон» относится к циклоническому характеру штормов с вращением против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии . [47] В зависимости от своего местоположения и силы тропические циклоны называются другими именами, такими как ураган , тайфун , тропический шторм , циклонический шторм , тропическая депрессия или просто циклон. [47]
Хотя тропические циклоны могут вызывать чрезвычайно сильные ветры и проливные дожди, они также способны вызывать высокие волны и разрушительные штормовые нагоны . [48] Их ветры увеличивают размер волн, и при этом они втягивают в свою систему больше тепла и влаги, тем самым увеличивая свою силу. Они развиваются на больших водоемах с теплой водой [49] и, следовательно, теряют свою силу, если передвигаются по суше. [50] Именно по этой причине прибрежные регионы могут получить значительный ущерб от тропического циклона, в то время как внутренние регионы относительно безопасны от сильных ветров. [47] Однако проливные дожди могут вызвать значительные наводнения внутри страны. [47] Штормовые нагоны — это подъемы уровня моря, вызванные пониженным давлением ядра, которое фактически «засасывает» воду вверх, а также ветрами, которые фактически «накапливают» воду вверх. Штормовые нагоны могут вызвать обширные прибрежные наводнения на расстоянии до 40 километров (25 миль) от береговой линии. [47] Хотя их воздействие на население может быть разрушительным, тропические циклоны также могут облегчить условия засухи . [51] Они также переносят тепло и энергию из тропиков и переносят их в умеренные широты , [47] что делает их важной частью глобального механизма атмосферной циркуляции . В результате тропические циклоны помогают поддерживать равновесие в тропосфере Земли . [47]
Многие тропические циклоны развиваются при благоприятных атмосферных условиях вокруг слабого возмущения в атмосфере. [47] Другие образуются, когда другие типы циклонов приобретают тропические характеристики. Тропические системы затем перемещаются направляющими ветрами в тропосфере ; если условия остаются благоприятными, тропическое беспокойство усиливается и может даже развиться глаз . На другом конце спектра, если условия вокруг системы ухудшаются или тропический циклон обрушивается 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 изменится с тепла, выделяемого при конденсации, на разницу температур между воздушными массами. [11] Обычно считается, что тропический циклон не становится субтропическим во время перехода во внетропический период. [52]
Полярный , субполярный или арктический циклон (также известный как полярный вихрь ) [53] — это обширная область низкого давления , которое усиливается зимой и ослабевает летом. [54] Полярный циклон — это погодная система низкого давления , обычно охватывающая расстояние от 1000 километров (620 миль) до 2000 километров (1200 миль), [55] в которой воздух циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке. направление в южном полушарии. Ускорение Кориолиса, действующее на воздушные массы, движущиеся к полюсу на большой высоте, вызывает на большой высоте циркуляцию против часовой стрелки. Движение воздуха к полюсам происходит за счет циркуляции воздуха в Полярной ячейке . Полярный минимум не вызван ни конвекцией, как тропические циклоны, ни взаимодействием холодных и теплых воздушных масс, как внетропические циклоны, а является артефактом глобального движения воздуха в полярной ячейке. Основание полярной депрессии находится в средней и верхней тропосфере. В Северном полушарии полярный циклон имеет в среднем два центра. Один центр расположен недалеко от Баффинова острова, а другой — на северо-востоке Сибири. [53] В южном полушарии он, как правило, расположен недалеко от края шельфового ледника Росса, около 160 градусов западной долготы. [56] Когда полярный вихрь силен, его влияние можно ощутить на поверхности как западный ветер (в сторону востока). Когда полярный циклон слаб, происходят значительные похолодания. [57]
При определенных обстоятельствах холодные минимумы верхнего уровня могут оторваться от основания тропической впадины верхней тропосферы (TUTT), которая в летние месяцы расположена посреди океана в Северном полушарии. Эти верхние тропосферные циклонические вихри, также известные как ячейки TUTT или минимумы TUTT, обычно медленно движутся с востока-северо-востока на запад-юго-запад, а их основания обычно не простираются ниже 20 000 футов (6 100 м) по высоте. Под ними обычно находится слабая перевернутая поверхностная впадина пассата , и они также могут быть связаны с обширными областями высоких облаков. Развитие вниз приводит к увеличению кучевых облаков и появлению приземного вихря. В редких случаях они превращаются в тропические циклоны с теплым ядром . Верхние циклоны и верхние впадины, следующие за тропическими циклонами, могут создавать дополнительные каналы оттока и способствовать их усилению. Развитие тропических возмущений может помочь создать или углубить верхние впадины или верхние минимумы вслед за ними из-за струи оттока, исходящей от развивающегося тропического возмущения/циклона. [58] [59]
Следующие типы циклонов не идентифицируются на синоптических картах.
Мезоциклон — это воздушный вихрь диаметром от 2,0 километров (1,2 мили) до 10 километров (6,2 мили) ( мезомасштаб метеорологии ) внутри конвективного шторма . [60] Воздух поднимается и вращается вокруг вертикальной оси, обычно в том же направлении, что и системы низкого давления [61] как в северном, так и в южном полушарии. Чаще всего они являются циклоническими, то есть связаны с локализованной областью низкого давления внутри сверхячейки . [61] [62] Такие штормы могут сопровождаться сильным приземным ветром и сильным градом . [61] Мезоциклоны часто возникают вместе с восходящими потоками в суперячейках , где могут образовываться торнадо . [61] Ежегодно в Соединенных Штатах образуется около 1700 мезоциклонов, но только половина из них производит торнадо. [13]
Торнадо — это сильно вращающийся столб воздуха, который контактирует как с поверхностью земли, так и с кучево-дождевым облаком или, [63] в редких случаях, с основанием кучевого облака. Также называется смерчами, разговорным термином в Америке, или циклонами, хотя слово «циклон» используется в метеорологии в более широком смысле для обозначения любой замкнутой циркуляции низкого давления.
Пылевой вихрь — сильный, хорошо сформированный и сравнительно долгоживущий вихрь [64] от небольшого (полметра в ширину и несколько метров в высоту) до большого (более 10 метров в ширину и более 1000 метров в высоту). . [64] Основное вертикальное движение — вверх. [64] Пылевые дьяволы обычно безвредны, но в редких случаях могут вырасти настолько большими, что представляют угрозу как для людей, так и для имущества. [64]
Водяной смерч представляет собой столбчатый вихрь, образующийся над водой, который в своей наиболее распространенной форме представляет собой торнадо, не являющийся сверхячейкой, над водой, соединенный с кучевообразным облаком . Хотя он часто слабее, чем большинство его наземных аналогов, встречаются и более сильные версии, порожденные мезоциклонами .
Легкий вихрь над спокойной водой или влажной землей, видимый по поднимающемуся водяному пару.
Огненный вихрь, также известный как огненный дьявол, огненный смерч, огненадо или огненный смерч, — это вихрь, вызванный огнем и часто состоящий из пламени или пепла.
Циклоны не уникальны для Земли. Циклонические штормы распространены на планетах-гигантах , таких как Малое Темное Пятно на Нептуне . [65] Оно составляет около трети диаметра Великого Темного Пятна и получило прозвище «Глаз Волшебника», потому что оно похоже на глаз. Такое появление вызвано белым облаком в центре Глаза Волшебника. [8] На Марсе также наблюдались циклонические штормы. [7] Юпитерианские штормы, такие как Большое Красное Пятно, обычно ошибочно называют гигантскими ураганами или циклоническими штормами. Однако это неточно, поскольку Большое Красное Пятно на самом деле является обратным явлением — антициклоном . [66]