Виникнення і розвиток циклонів і антициклонів

Розвиток мережі аерологічних станцій і підвищення стелі радіозондування атмосфери дозволили уточнити будову циклонів і антициклонів, а також особливостей пов’язаної з ними атмосферної циркуляції і погоди. Розроблялися і теорії виникнення і розвитку цих гігантських вихорів. Теорій циклонів починаючи з середини XIX століття і до теперішнього часу з’являлося досить багато, але більшість з них представляє лише історичний інтерес.

Деякі з цих теорій існували досить тривалий час, але закінченою математично строгої і фізично стрункої теорії, яка правильно і повно описувала процес виникнення і розвитку циклонів і антициклонів, не створено до теперішнього часу.

У сучасних теоретичних дослідженнях проблема виникнення і розвитку цих вихорів ототожнюється з проблемою зміни тиску. Розвиток теорії, що пояснює зміну тиску на основі законів гідродинаміки, дозволяє охопити такий великий коло атмосферних процесів, що в принципі можливо предвычисление (розрахунок очікуваних величин) тиску в будь-якій точці. Здавалося б, якщо можливо предвычислить зміна тиску на великій території, то тим самим повинен вийти прогноз розвитку і руху наявних циклонів і антициклонів, а також і виникнення нових. Однак це не виходить, так як облік падіння тиску (для утворення циклону) і зростання його (для утворення антициклону) — важлива, але не єдина умова. Потрібно врахувати ряд додаткових факторів, які не піддаються кількісному обліку. Серед них назвемо такі, як точний розрахунок знака зміни тиску, тобто переходу від зростання до падіння тиску, або, навпаки, від падіння до зростання, нерівномірність зміни тиску в сусідніх районах, відсутність або наявність у початковий момент часу великих горизонтальних градієнтів тиску (зміна його на одиницю відстані), характер підстилаючої поверхні, її температурні умови, відбивна здатність (альбедо), і інші фактори.

В кінці XIX століття метеорологи припускали, що циклони утворюються внаслідок прогрівання повітря над теплою поверхнею, що підстилає, а антициклони — внаслідок охолодження повітря над холодною поверхнею, що підстилає. Це припущення обґрунтовувалося тим, що, за кліматичними даними, над материками і океанами атмосферний тиск в середніх широтах у холодне і тепле півріччя розподіляється неоднаково. Дійсно, якщо звернутися до карт середнього місячного тиску за січень і липень (див. рис. 32 і 33), то неважко виявити, що над охолодженими материками північної півкулі взимку тиск високий, а над теплими водами півночі Атлантики і Тихого океану — низьке. Влітку картина змінюється корінним чином. Високий тиск переважає над відносно холодними водами океанів, а низький тиск — над прогрітими материками. Більш того, навіть над такими невеликими, але теплими водними басейнами, як Середземне або Чорне море, на середніх картах тиску взимку ясно виражені області зниженого тиску. Їх походження обумовлено різницею температур суші і моря.

Проте вже на початку XX століття на основі даних аерологічних спостережень, які проводилися в той час з допомогою куль-зондів, ця гіпотеза була відкинута. Дані спостережень показали, що в середньому температура в тропосфері в системі циклонів набагато нижче, ніж у системі антициклонів.

Концепції про причини виникнення циклонів і антициклонів. У 20-х роках XX століття норвезькими метеорологами був розроблений фронтологический аналіз (Ст. Бьеркнес, Я. Бьеркнес, Т. Бержерон і ін), який отримав розвиток в СРСР (С. П. Хромов, А. В. Аскназий та ін). В аналізі погодообразующих (синоптичних) процесів тут головна увага зверталася на фізичні особливості холодних і теплих повітряних мас і на атмосферні фронти, в системі яких розвивається багатоярусна хмарність. Автори фронтологического аналізу висунули гіпотезу про хвильовому характері розвитку циклонів. Вони вважали, що циклони виникають в результаті хвильових (коливальних) рухів існуючих в атмосфері поверхонь розділу (фронтів) між масами повітря різної щільності. Теоретичне рішення задачі про виникнення циклонического обурення запропонував Н. Е. Кочин. Однак хвильова теорія не давала вказівок про подальший розвиток циклонів. Більш того, хвильова теорія не пов’язувала виникнення і розвиток циклонів з причинами зміни атмосферного тиску. Внаслідок цього антициклони опинилися поза полем зору хвильової теорії.

Застосування у другій половині 30-х років висотних карт погоди — карт баричной топографії — розширило можливості для широких досліджень, пов’язаних з вивченням полів тиску, температури і вологості на висотах. Спільний аналіз приземних і висотних карт погоди дозволив виявити ряд невідомих раніше особливостей у розвитку атмосферних процесів. Ще на початку 30-х років на основі емпіричних досліджень було встановлено, що антициклони біля поверхні землі посилюються, якщо в середній тропосфері (близько 5 км) повітряні течії сходяться (конвергируют). При випромінювання (дивергенції) течій на висотах антициклони слабшають (В М. Міхель, 1932). Крім того, з’ясувалося, що антициклони, як і циклони, що рухаються в напрямку повітряних течій на рівні 5-6 км (С. В. Троїцький, В. М. Міхель). Ці та інші правила наприкінці 30-х років після суттєвого уточнення і доповнення були покладені в основу методу аналізу атмосферних процесів, названого адвективно-динамічним (X. П. Погосян і Н. Л. Таборовський, 1939-1946). За адвективно-динамічної теорії, зміна тиску в даному районі відбувається в результаті дії двох чинників: зміни тиску в результаті горизонтального переносу (адвекції), мас повітря і зміни тиску, що відбувається за рахунок відхилення дійсного вітру від градієнтного (агеострофичности). Перша складова була названа адвективной, друга — динамічною. Згідно адвективно-динамічної теорії переміщення циклонів або антициклонів, без зміни тиску в їх центрі, визначається адвекцией, а виникнення нових і їх еволюція — динамічним зміною тиску. Була побудована просторова структура циклонів і антициклонів (Н. Л. Таборовський, 1947), яка в подальшому була лише дещо модернізована (X. П. Погосян, А. В. Бурцев, 1957). Адвективно-динамічна теорія внесла багато нового у вивчення циклонів і антициклонів. Якщо явище виникнення і розвитку їх раніше вивчалося у відриві від зміни атмосферного тиску, то тепер ці процеси виявилися вже окремим випадком загальної проблеми зміни тиску. Згідно адвективно-динамічного аналізу найбільші адвективні і динамічні зміни тиску відбуваються в зонах великих горизонтальних градієнтів температури і тиску, тобто у фронтальних зонах. При цьому динамічний фактор значний на тих ділянках фронтальних зон, де в напрямку повітряних течій на висотах (тропосфері) спостерігається зміна швидкості вітру вздовж потоку (дивергенція та конвергенція), криволінійна форма изобар та ін. У адвективно-динамічному аналізі, як і в фронтологическом, приділяється велика увагу зонам різкого переходу між холодними і теплими масами повітря, тобто фронтальним зонам і фронтах.

Адвективно-динамічна теорія циклонів і антициклонів враховувала лише частина чинників динамічного зміни тиску. Тому ряд положень цього аналізу недостатньо виправдовувався. Однак багато хто висновки, отримані її авторами, стали основою подальшого розвитку знань про атмосферних процесах. Вони відкрили метеорологам-прогнозисту (синоптикам) широкі можливості до пізнання фізики атмосферних процесів. Синоптики отримали можливість не обмежуватися даними спостережень з поверхні землі, а ефективно використовувати аерологічні спостереження. Усе це сприяло помітному поліпшенню якості короткострокових прогнозів погоди по всіх підрозділах Гідрометслужби СРСР.

В даний час в дослідженнях виникнення і розвитку внетропических вихорів враховуються не тільки адвективні зміни температури, до і ті зміни, які викликаються вертикальними рухами повітря, тобто адіабатичні зміни. В подальшому було встановлено, що по мірі поглиблення циклону в його системі після моменту виникнення відбувається безперервне зниження температури, а в системі антициклону, навпаки,— підвищення температури.

Таким чином, адвективно-динамічна теорія поєднала процеси виникнення і розвитку циклонів і антициклонів із змінами атмосферного тиску.

Складність створення суворої кількісної теорії виникнення і розвитку циклонів і антициклонів полягає в тому, що до теперішнього часу ще не створено теорії, досить повно описує складний процес зміни атмосферного тиску.

Відомо, звичайно, що атмосферний тиск визначається вагою повітряного стовпа. Зміна ваги залежить як від зміни щільності повітря, яке може відбутися в результаті зміни температури, так і від процесів, що призводять до збільшення або зменшення маси повітря. Тому при визначенні зміни тиску, що приводить до виникнення і розвитку циклонів і антициклонів, повинні враховуватися термічні та динамічні фактори.

Вплив термічних факторів тісно пов’язане з перенесенням мас повітря різної щільності, що викликає зміну горизонтальних градієнтів температури, тиску, а відповідно і поля течій. Але температура повітря, а разом з нею поля тиску і повітряних течій піддаються безперервним змінам, що відбуваються внаслідок вертикальних рухів повітря і адиабатических змін його температури, притоку тепла від підстилаючої поверхні, витрати тепла на випаровування, виділення прихованої теплоти при конденсації водяної пари.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Ліси Росії