Циклогенез - Cyclogenesis

Этот коллаж из ИДЕТ 13 спутниковые снимки показывают развитие Nor'easter в течение нескольких дней.

Циклогенез развитие или усиление циклоническая циркуляция в атмосфере (а зона низкого давления ).^[1] Циклогенез - это общий термин, обозначающий по крайней мере три различных процесса, каждый из которых приводит к развитию своего рода циклон, и любого размера от микромасштаб к синоптическая шкала.

• Тропические циклоны формируются из-за скрытого тепла, вызванного значительной грозовой активностью, образуя теплое ядро.
• Внетропические циклоны формируются как волны вдоль погодные фронты перед поглощением на более поздних этапах своего жизненного цикла в виде циклонов с холодным ядром.
• Мезоциклоны образуются в виде циклонов с теплым ядром над сушей и могут привести к торнадо формирование. Водяные смерчи также могут образовываться из мезоциклонов, но чаще возникают из сред с высокой нестабильностью и низкой вертикальностью. сдвиг ветра.

Процесс, при котором внетропический циклон подвергается воздействию быстрое падение атмосферного давления (24 мбар или более) за 24-часовой период называется взрывной циклогенез, и обычно присутствует при образовании Nor'easter.^[2] Антициклонический эквивалент, процесс формирования области высокого давления, является антициклогенез.^[3] Противоположностью циклогенезу является циклолиз.

Метеорологические весы

В метеорологии рассматриваются четыре основных масштаба или размеров систем: макромасштаб, синоптическая шкала, мезомасштаб, и микромасштаб.^[4] Макромасштаб имеет дело с системами глобального размера, такими как Осцилляция Мэддена – Джулиана. Системы синоптических масштабов покрывают часть континента, например внетропические циклоны, с размерами 1000–2 500 км (620–1 550 миль) в поперечнике.^[5] Мезомасштаб - это следующий меньший масштаб, который часто делится на два диапазона: мезо-альфа-феномены варьируются от 200–2000 км (120–1240 миль) в поперечнике (область тропический циклон ), в то время как мезо-бета-явления варьируются от 20–200 км (12–124 миль) в поперечнике (масштаб мезоциклон ). Микромасштаб - это наименьшая из метеорологических шкал, ее размер составляет менее двух километров (1,2 мили) (масштаб торнадо и водяные смерчи ).^[6] Эти горизонтальные размеры не являются жесткими разделениями, 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 2 000 до 2 001 км (от 1243 до 1243 миль).

Внетропические циклоны

Основная статья: внетропический циклон

Начальная фронтальная волна (или область низкого давления) формируется в месте расположения красной точки на изображении. Обычно оно перпендикулярно (под прямым углом) к формированию облаков в виде листьев (бароклинный лист), наблюдаемых на спутнике на ранней стадии циклогенеза. Расположение оси верхнего уровня струйный поток находится в голубом.

Норвежская модель циклона

Полоса реактивных двигателей верхнего уровня. Области DIV - это области расхождения наверху, которые приведут к конвергенции поверхностей и будут способствовать циклогенезу.

В Норвежская модель циклона представляет собой идеализированную модель формирования циклонических штормов с холодным ядром, разработанную норвежскими метеорологами во время Первая мировая война.^[7] Основная концепция этой модели, относящаяся к циклогенезу, заключается в том, что циклоны проходят предсказуемую эволюцию по мере продвижения вверх по фронтальной границе, причем наиболее зрелый циклон находится у северо-восточного конца фронта, а наименее зрелый - у хвостового конца фронта. .^[8]

Предшественники для развития

Основная статья: Фронтогенез

Существующая ранее фронтальная граница, как определено в анализ приземной погоды, требуется для развития среднеширотного циклона. Циклоническое течение начинается вокруг возмущенного участка стационарного фронта из-за возмущения верхнего уровня, такого как короткая волна или корыто верхнего уровня,^[9][10] вблизи благоприятного квадранта струи верхнего уровня.^[11] Однако повышенная скорость продольного растяжения в нижней тропосфере может подавить рост внетропических циклонов.^[12][13]

Вертикальное движение влияет на развитие

Циклогенез может происходить только тогда, когда температура понижается к полюсу (к северу, в северном полушарии), а линии возмущений давления наклоняются к западу с высотой. Циклогенез наиболее вероятен в регионах с циклонической завихренностью. адвекция, ниже сильной западной струи.^[14] Комбинация адвекции завихренности и тепловой адвекции, создаваемая градиентом температуры и центром низкого давления, вызывает движение вверх вокруг минимума.^[а]Если температурный градиент достаточно сильный, адвекция температуры будет увеличиваться, вызывая более вертикальное движение. Это увеличивает общую прочность системы. Поперечные восходящие потоки^[b] являются наиболее важным фактором в определении циклонического роста и силы.^[16]

Режимы развития

Поверхностный минимум может иметь множество причин для образования. Топография может привести к низкому образованию поверхности, когда существующий бароклинная волна преодолевает горную преграду; это известно как "подветренный циклогенез", поскольку низкие формы на подветренный сторона гор.^[17][18] Мезомасштабные конвективные системы может порождать поверхностные впадины, которые изначально являются теплыми сердцевинами.^[19] Возмущение может перерасти в волнообразное образование по передний и минимум будет расположен на гребне. Вокруг минимума поток по определению станет циклоническим. Этот вращательный поток будет толкать полярный воздушный поток к западу от низины через задний холодный фронт, а более теплый воздух будет выталкивать низину через полюс через теплый фронт. Обычно холодный фронт будет двигаться более быстрыми темпами, чем теплый фронт, и «догонит» его из-за медленной эрозии воздушной массы с более высокой плотностью, расположенной впереди циклона, и воздушной массы с более высокой плотностью, распространяющейся позади циклона, что обычно приводит к сужающийся теплый сектор.^[20] На данный момент закрытый фронт формы, где теплая воздушная масса выталкивается вверх в желоб с теплым воздухом наверху, который также известен как трель (а тротьфу из шрука воздух альчасто).^[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 приземное давление.^[22]

Зрелость

Зрелость наступает после времени окклюзии, когда шторм завершил усиление и циклонический поток наиболее интенсивен.^[23] После этого сила шторма уменьшается по мере того, как циклон соединяется с желобом верхнего уровня или нижним уровнем верхнего уровня, становясь все более холодным ядром. Замедление вращения циклонов, также известное как циклолиз, можно понять с точки зрения энергетики. Когда происходит окклюзия, и масса теплого воздуха толкается вверх по воздушной массе холодного воздуха, атмосфера становится все более стабильной, а центр тяжести системы опускается.^[24] По мере того, как процесс окклюзии распространяется дальше вниз по теплому фронту и дальше от центрального минимума, все больше и больше доступной потенциальной энергии системы истощается. Этот потенциальный сток энергии создает источник кинетической энергии, который вводит последний прилив энергии в движения бури. После того, как этот процесс происходит, период роста циклона, или циклогенеза, заканчивается, и нижняя часть начинает замедляться (заполняться), поскольку в нижнюю часть циклона входит больше воздуха, чем удаляется из верхней части, поскольку расхождение верхнего уровня уменьшился.

Иногда циклогенез повторяется с перекрытыми циклонами. Когда это происходит, новый низкий центр образуется в тройной точке (точке, где встречаются холодный фронт, теплый фронт и закрытый фронт). Во время циклогенеза тройной точки закрытый родительский минимум будет заполняться по мере того, как вторичный минимум углубляется в основной погодный фактор.

• 

  На этом изображении показаны плотные облака и дугообразная полоса конвекции, указывающие на молодой развивающийся циклон.

• 

  Узор из диффузных облаков на этом изображении указывает на старую систему низкого давления, рассеивающую энергию.

• 

  На этом изображении показано взаимное расположение двух штормовых систем над северо-восточной частью Тихого океана.

Тропические циклоны

Основная статья: Тропический циклогенез

Тропические циклоны существуют в мезомасштабной альфа-области. В отличие от среднеширотного циклогенеза, тропический циклогенез управляется сильной конвекцией, организованной в центральное ядро ​​без бароклиника зоны или фронты, проходящие через их центр. Хотя формирование тропические циклоны является темой обширных текущих исследований и до сих пор не полностью изучен, существует шесть основных требований для тропического циклогенеза: температура поверхности моря достаточно теплые, атмосферная нестабильность, высокая влажность на нижнем и среднем уровнях тропосфера, довольно Сила Кориолиса для развития центра низкого давления, ранее существовавшего фокуса низкого уровня или нарушения и низкого вертикального сдвиг ветра. Эти циклоны с теплым ядром обычно образуются над океанами между 10 и 30 градусами экватора.^[25][26]

Мезоциклоны

Основная статья: Мезоциклон

Размер мезоциклонов варьируется от бета-мезоуровня до микромасштаба. Термин мезоциклон обычно используется для обозначения вращений среднего уровня во время сильных гроз,^[27] и представляют собой циклоны с теплым ядром, приводимые в действие скрытой теплотой связанной с ними грозовой активности.

Торнадо образуются в теплом секторе внетропические циклоны где существует сильная струйная струя верхнего уровня.^[28] Считается, что мезоциклоны образуются при сильных изменениях скорости и / или направления ветра с высотой ("сдвиг ветра ") заставляет части нижней части атмосферы вращаться в невидимых трубчатых валках. Затем считается, что конвективный восходящий поток грозы втягивает этот вращающийся воздух, изменяя ориентацию валков вверх (от параллельной земле к перпендикулярной). и заставляя весь восходящий поток вращаться как вертикальный столбец.

Когда восходящий поток вращается, он может образовывать так называемое пристенное облако. Пристенное облако представляет собой вращающийся слой облаков, спускающийся из мезоциклона. Стеночное облако имеет тенденцию формироваться ближе к центру мезоциклона. Стеновые облака не обязательно нуждаются в мезоциклоне для образования и не всегда вращаются. По мере опускания пристенного облака в его центре может образоваться воронкообразное облако. Это первая стадия образования смерча.^[29] Считается, что присутствие мезоциклона является ключевым фактором в формировании сильных торнадо, связанных с сильными грозами.

• 

  Вертикальный сдвиг ветра (красный) устанавливает воздушное вращение (зеленый).

• 

  Восходящий поток (синий) «поднимает» вращающийся воздух.

• 

  Затем восходящий поток начинает вращаться.

Торнадо

Основная статья: Торнадогенез

Торнадо существуют в микромасштабе или нижнем конце мезомасштабной гамма-области. Цикл начинается, когда сильная гроза развивает вращающийся мезоциклон на несколько миль вверх в атмосфере, превращаясь в суперячейку. По мере увеличения количества осадков во время шторма он увлекает за собой область быстро спускающегося воздуха, известную как нисходящая тяга заднего бока (RFD). Этот нисходящий поток ускоряется по мере приближения к земле и увлекает за собой вращающийся мезоциклон к земле.^[30]

Когда мезоциклон приближается к земле, кажется, что видимая воронка конденсата спускается из основания шторма, часто из вращающегося пристенного облака. Когда воронка опускается, RFD также достигает земли, создавая фронт порыва, который может нанести ущерб на значительном расстоянии от торнадо. Обычно воронкообразное облако начинает наносить ущерб земле (превращаясь в торнадо) в течение нескольких минут после того, как RFD достигает земли.^[31]

Смерчи

Основная статья: Водяной смерч

Водяные смерчи существуют в микромасштабе. Хотя некоторые смерчи сильны (торнадо), как и их наземные аналоги, большинство из них намного слабее и вызваны другой атмосферной динамикой. Обычно они развиваются во влажных средах с небольшими вертикальными сдвиг ветра вдоль линий конвергенции, таких как сухопутные бризы, линии фрикционного схождения от близлежащих массивов суши или поверхностных впадин.^[32] Их родительское облако может быть столь же безобидным, как умеренное кучевое облако, либо столь же значительным, как гроза. Водяные смерчи обычно развиваются по мере того, как их родительские облака находятся в процессе развития, и предполагается, что они раскручиваются по мере продвижения вверх по границе поверхности от горизонтали. сдвиг ветра у поверхности, а затем потянитесь вверх к облаку, как только сдвиговый вихрь низкого уровня совместится с развивающимися кучевыми облаками или грозой. Слабые торнадо, известные как наземные смерчи, на востоке Колорадо развивались аналогичным образом.^[33] Вспышка произошла в Великие озера в конце сентября - начале октября 2003 г. по полосе влияния озера. Сентябрь - месяц пика появления смерчей и водяных смерчей в районе Флорида и возникновения водяных смерчей вокруг Великие озера.^[33][34]

Связанные термины

Циклогенез - это противоположность циклолиза, который касается ослабления поверхностных циклонов. Термин имеет антициклонический (система высокого давления) эквивалент:Антициклогенез, который занимается формированием поверхностных систем высокого давления.^[3]

Смотрите также

• Портал погоды

• Атмосферная река
• Европейский ураган
• Динамика ураганов и микрофизика облаков
• Гибрид низкий
• Анализ погоды на поверхности

Примечания

1. С помощью Q-векторы, мы можем определить направление вертикального движения.^[15] Южный поток и теплая адвекция вызывают восходящее движение, тогда как северный поток и холодная адвекция вызывают нисходящее движение. Эти вертикальные движения вызывают растяжение нижнего края и увеличение завихренности вокруг системы. Это увеличение завихренности системы можно показать с помощью уравнения завихренности КГ (a уравнение в частных производных ):

   ${\displaystyle {D\zeta \over Dt}+\beta v=f_{0}{\partial w \over \partial z}}$,

   куда ${\displaystyle \zeta }$ относительная завихренность, ${\displaystyle f=f_{0}+\beta y}$ это Параметр Кориолиса в приближении бета-плоскости, ${\displaystyle {\partial w \over \partial z}}$ это частная производная вертикального движения по высоте, и ${\displaystyle {D\zeta \over Dt}}$ это материальная производная.^[15] Если член планетарной завихренности остается постоянным, мы можем сделать вывод, что с увеличением растяжения завихренность также должна увеличиваться. Вертикальное движение также увеличивает адвекцию температуры по уравнению ${\displaystyle v_{g}=-{1 \over f_{0}}{\partial \Phi \over \partial x}}$, куда ${\displaystyle v_{g}}$ геострофический меридиональный ветер и ${\displaystyle \Phi }$ представляет геопотенциал.^[15]
2. Сдвиговые восходящие потоки - это восходящие движения в системе вертикальных движений, меняющих направление.

Рекомендации

1. Арктическая климатология и метеорология (2006 г.). «Циклогенез». Национальный центр данных по снегу и льду. Архивировано из оригинал на 2006-08-30. Получено 2006-12-04.
2. Сандерс, Ф .; Дж. Р. Гякум (1980-06-12). «Синоптико-динамическая климатология« Бомбы »."" (PDF). Массачусетский Институт Технологий, Кембридж. Получено 2012-01-21.
3. «Циклогенез». Глоссарий по метеорологии. Американское метеорологическое общество. 26 января 2012 г.. Получено 2016-07-23.
4. Лаборатория мезомасштабной динамики и моделирования (2008-09-08). «Часть I: Введение в мезомасштабную динамику». Архивировано из оригинал на 2006-09-08. Получено 2006-12-04.
5. Арктическая климатология и метеорология (2006 г.). «Синоптическая шкала». Архивировано из оригинал на 2006-08-27. Получено 2006-10-25.
6. Университетская корпорация атмосферных исследований. Определение мезомасштаб. Проверено 25 октября 2006 г.
7. Ettream (01.09.2009). «Норвежская модель циклона». Национальная служба погоды Штаб-квартира Южного региона. Архивировано из оригинал на 2016-01-04. Получено 2009-10-26.
8. «Норвежская модель циклона» (PDF). Школа метеорологии Университета Оклахомы. Архивировано из оригинал (PDF) 1 сентября 2006 г.
9. Глоссарий по метеорологии (июнь 2000 г.). «Определение короткой волны». Американское метеорологическое общество. Архивировано из оригинал на 2009-06-09. Получено 2009-10-26.
10. Глоссарий по метеорологии (июнь 2000 г.). «Определение желоба верхнего уровня». Американское метеорологическое общество. Архивировано из оригинал на 2009-06-09. Получено 2009-10-26.
11. Карлайл Х. Уош, Стейси Х. Хейккинен, Чи-Санн Лиу и Венделл А. Нусс. Событие быстрого циклогенеза во время GALE IOP 9. Проверено 28 июня 2008.
12. Schemm, S .; Шпренгер, М. (2015). «Фронтально-волновой циклогенез в Северной Атлантике - климатологическая характеристика». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества. 141 (693): 2989–3005. Bibcode:2015QJRMS.141.2989S. Дои:10.1002 / qj.2584. HDL:1956/11634.
13. Бишоп, Крейг Х. и Торп, Алан Дж. (1994). «Устойчивость фронтальной волны во время фронтогенеза влажной деформации. Часть II: Подавление развития нелинейных волн». Журнал атмосферных наук. 51 (6): 874–888. Дои:10.1175 / 1520-0469 (1994) 051 <0874: FWSDMD> 2.0.CO; 2.
14. Уоллес, Джон М .; Питер В. Хоббс (2006). Наука об атмосфере - вводный обзор. Вашингтонский университет, Сиэтл.
15. Холтон, Джеймс Р. (2004). Введение в динамическую метеорологию. Вашингтонский университет, Сиэтл.
16. Мартин, Джонатон Э. (10 октября 2006 г.). «Американское метеорологическое общество». Ежемесячный обзор погоды. 135 (7): 2803–2809. CiteSeerX  10.1.1.529.5005. Дои:10.1175 / MWR3416.1.
17. «Взаимодействие потока с топографией». Программа COMET. Архивировано из оригинал 8 мая 2002 г.
18. «Ли циклогенез». Глоссарий по метеорологии. Американское метеорологическое общество. 25 апреля 2012 г.
19. Раймонд Д. Менард1 и Дж. М. Фрич Мезомасштабный конвективный комплексно-устойчивый инерционный вихрь с теплым ядром
20. Чу, Рэйчел (2006). «Плотность воздуха». Книга фактов по физике.
21. Сент-Луисский университет Что такое тровал? В архиве 16 сентября 2006 г. Wayback Machine
22. Джоэл Норрис (19 марта 2005 г.). "QG Notes". Калифорнийский университет, Сан Диего. Получено 2009-10-26.
23. Джоан фон Ан; Джо Сенкевич; Греггори Макфадден (апрель 2005 г.). "Ураганные внетропические циклоны, наблюдаемые с помощью QuikSCAT ветра, близкого к реальному времени". Журнал погоды моряков. 49 (1). Получено 2009-10-26.
24. Стив В. Вудрафф (12 июня 2008 г.). «О стабильности атмосферы». Колледж Пирса. Архивировано из оригинал 12 июня 2008 г.. Получено 2009-10-26.
25. Крис Ландси (2008-02-08). "Тема: A15) Как образуются тропические циклоны?". Национальный центр ураганов. Архивировано из оригинал на 2009-08-27. Получено 2009-10-26.
26. Окружающая среда Канады (18 сентября 2003 г.). «Образование тропического циклона». Архивировано из оригинал на 2006-09-27. Получено 2009-10-26.
27. Томас Аллен Джонс (11 марта 2007 г.). «Формирование и поддержание мезоциклона: обзор концептуальных моделей». Архивировано из оригинал 11 марта 2007 г.. Получено 2009-10-26.
28. Университетская корпорация атмосферных исследований (сентябрь 2000 г.). «Как образуется торнадо». Архивировано из оригинал на 2007-10-17. Получено 2009-10-26.
29. Майкл Браник (11.06.2008). «Всеобъемлющий словарь погоды». Geographic.org. Получено 2009-10-26.
30. Тимоти П. Маршалл; Эрик Н. Расмуссен (январь 1982 г.). "Мезомасштабная эволюция торнадо Уоррена, штат Оклахома". 12-я конференция по сильным локальным штормам. Архивировано из оригинал на 2009-09-21. Получено 2009-10-26.
31. Центр прогнозирования штормов. Часто задаваемые вопросы о торнадо. В архиве 2006-09-29 на Wayback Machine Проверено 25 октября 2006 г.
32. Барри К. Чой и Скотт М. Спратт. Подход WSR-88D к прогнозированию водяных смерчей. В архиве 5 октября 2006 г. Wayback Machine Проверено 4 декабря 2006.
33. Барри К. Чой и Скотт М. Спратт. Использование WSR-88D для прогнозирования смерчей в Восточной Центральной Флориде. В архиве 17 июня 2008 г. Wayback Machine Проверено 25 октября 2006 г.
34. "Великая вспышка водяного смерча в 2003 году". Журнал погоды моряков. 48 (3). Декабрь 2004 г.. Получено 2006-10-25.