Внетропический циклон

Внетропический циклон — это атмосферное возмущение крупного масштаба (синоптического масштаба) с пониженным давлением в центре, возникающее и развивающееся в умеренных и полярных широтах (за пределами тропической зоны). В отличие от тропических циклонов, внетропические циклоны имеют принципиально иной механизм возникновения, связанный с взаимодействием холодных и тёплых воздушных масс, и характеризуются наличием атмосферных фронтов. Они являются основным механизмом переноса тепла и влаги в средних широтах и определяют погоду на значительных территориях, включая большую часть территории России.

Общая характеристика и механизм образования

Внетропические циклоны представляют собой гигантские атмосферные вихри диаметром от 1000 до 3000 км, реже до 4000–5000 км. Вертикальная протяжённость (высота) может достигать 10–12 км, распространяясь на всю тропосферу. Ключевой особенностью является их барическая (фронтальная) природа: они зарождаются и развиваются на границах раздела контрастных воздушных масс — полярных (арктических/антарктических) и умеренных (тропических). Этот процесс называется циклогенезом.

Основной источник энергии для внетропического циклона — потенциальная энергия, высвобождающаяся при подъёме тёплого воздуха над холодным в зоне атмосферного фронта. В отличие от тропических циклонов, которые черпают энергию из тепла конденсации влаги над тёплым океаном, для внетропических циклонов горизонтальный контраст температур является первичным и определяющим фактором.

Стадии развития (цикл жизни)

Жизненный цикл классического внетропического циклона (по норвежской модели полярного фронта) включает несколько стадий:

1. Волновая стадия (зарождение). На полярном фронте (границе между холодным и тёплым воздухом) возникает волнообразное возмущение. Тёплый воздух начинает внедряться в область холодного, а холодный — подтекать под тёплый. Начинает формироваться замкнутая изобара (линия равного давления) и область пониженного давления.
2. Стадия молодого циклона. Циклон углубляется (давление в центре падает). Формируются чётко выраженные тёплый и холодный фронты. В центре циклона возникает «тёплый сектор» — область тёплого воздуха между двумя фронтами. Погода в этой стадии наиболее контрастна: перед тёплым фронтом — затяжные обложные осадки, в тёплом секторе — относительно тёплая и влажная погода, за холодным фронтом — ливни, грозы, шквалы и резкое похолодание.
3. Стадия окклюзии (максимального развития). Холодный фронт, двигаясь быстрее тёплого, нагоняет его. Тёплый воздух вытесняется вверх, тёплый сектор сужается и исчезает. Процесс вытеснения тёплого воздуха вверх называется окклюдированием. Циклон достигает максимальной глубины (минимального давления) и наибольшей площади. Погода становится сложной, с обложными осадками и сильным ветром.
4. Стадия заполнения (диссипации). Циклон теряет источник энергии (контраст температур исчезает). Давление в центре начинает расти. Вихрь замедляется, становится малоподвижным. Осадки становятся моросящими, облачность — слоистой. В конце концов циклон полностью заполняется и исчезает.

Продолжительность жизни внетропического циклона обычно составляет от нескольких дней до 1–2 недель.

Классификация

Внетропические циклоны классифицируют по нескольким признакам.

По географическому положению

• Циклоны умеренных широт. Наиболее распространённый тип. Формируются на полярном фронте (между умеренным и арктическим воздухом) или на арктическом фронте (между арктическим и полярным воздухом).
• Субтропические циклоны. Возникают на границе умеренных и тропических широт, иногда обладают смешанными чертами с тропическими циклонами.
• Полярные (арктические/антарктические) циклоны. Формируются в высоких широтах, часто над морями (например, над Баренцевым, Норвежским морями). Отличаются меньшими размерами, но могут быть очень интенсивными.

По термическим свойствам

• Холодные циклоны. В центре вихря находится холодный воздух. Такие циклоны чаще всего являются заключительной стадией развития (стадия окклюзии) или образуются в тылу холодного фронта. Погода в них неустойчивая, с ливнями и грозами.
• Тёплые циклоны. В центре находится тёплый воздух. Это молодые, развивающиеся циклоны с тёплым сектором. Погода в них более устойчивая, но с обложными осадками на фронтах.

По степени развития (глубине)

• Слабые (глубина не менее 1000 гПа).
• Умеренные (давление 990–1000 гПа).
• Глубокие (давление 970–990 гПа).
• Очень глубокие (давление менее 970 гПа). Такие циклоны часто называют «циклонами-бомбами» из-за резкого падения давления (более 24 гПа за 24 часа). Они вызывают ураганные ветры и штормы.

Структура и погодные условия

Структура внетропического циклона сложна и включает несколько ключевых элементов:

• Центр (глаз). Область самого низкого давления. В отличие от тропических циклонов, центр не является областью ясной погоды. Он часто заполнен мощной облачностью, осадками и сильными ветрами. В центре может наблюдаться «ложе» — область относительно спокойной погоды, но она не характерна.
• Атмосферные фронты. Главные элементы, определяющие погоду. Тёплый фронт приносит обложные осадки (снег, дождь) и потепление. Холодный фронт — ливни, шквалы, грозы и резкое похолодание.
• Тёплый сектор. Область между тёплым и холодным фронтами. Характеризуется тёплой, часто пасмурной погодой с моросью или туманом. В зимнее время в тёплом секторе может наблюдаться оттепель.
• Холодный сектор. Остальная часть циклона, занятая холодным воздухом. Погода здесь более ясная, но холодная, с порывистым ветром.

В целом, прохождение внетропического циклона над одной точкой приводит к последовательной смене погоды: затишье перед фронтом → обложные осадки и потепление (тёплый фронт) → временное прояснение и тепло (тёплый сектор) → ливни, грозы, шквал и резкое похолодание (холодный фронт) → прояснение и похолодание (тыловая часть циклона).

Значение и влияние

Внетропические циклоны играют ключевую роль в климатической системе Земли.

• Перенос тепла и влаги. Они являются главным механизмом, переносящим тепло из низких широт в высокие и холод из высоких в низкие, выравнивая температурный баланс планеты. Без них климат умеренных широт был бы значительно более суровым.
• Формирование погоды. На территории России, особенно в европейской части, Сибири и на Дальнем Востоке, погода практически полностью определяется прохождением внетропических циклонов. Они приносят осадки, смену тепла и холода, ветры.
• Опасные явления. Глубокие внетропические циклоны вызывают опасные метеорологические явления: ураганные ветры (до 40–50 м/с и более), сильные снегопады и метели, продолжительные ливни, наводнения, штормовые нагоны воды на побережьях. Например, знаменитые «новороссийские боры» и «байкальские ветры» часто связаны с прохождением глубоких циклонов.
• Влияние на океан. Циклоны вызывают сильное волнение на море, перемешивают поверхностные слои воды, влияют на океанические течения.

Прогнозирование

Прогнозирование внетропических циклонов — одна из основных задач синоптической метеорологии. Для этого используются:

• Синоптические карты. Анализ карт погоды (приземных и высотных) позволяет выявить зоны фронтов, очаги низкого давления и определить стадию развития циклона.
• Спутниковые данные. Снимки из космоса позволяют наблюдать за облачными системами циклонов, их формой (например, характерная «запятая» на стадии окклюзии) и перемещением.
• Численные модели погоды. Современные компьютерные модели (например, глобальные модели GFS, ECMWF или региональные модели ICON, COSMO-Ru) рассчитывают эволюцию циклона на несколько суток вперёд с высоким разрешением. Точность прогноза траектории и глубины циклона постоянно улучшается, но остаётся сложной задачей, особенно для «циклонов-бомб».

Сравнение с тропическими циклонами

Внетропические циклоны в России

Территория России находится в зоне активного влияния внетропических циклонов круглый год.

• Европейская часть. Зимой сюда приходят циклоны с Атлантики (так называемые «атлантические циклоны»), приносящие оттепели, снегопады и метели. Летом они приносят дожди и прохладу.
• Сибирь. Зимой над Сибирью формируется мощный Сибирский антициклон, который блокирует прохождение циклонов. Однако летом циклоны с запада и севера проникают вглубь континента, принося осадки.
• Дальний Восток. На этот регион оказывают влияние циклоны с Тихого океана, а также зимние муссонные циклоны, приносящие обильные снегопады (например, на Камчатку и Сахалин). Летом сюда могут выходить тайфуны (тропические циклоны), которые, попадая в умеренные широты, трансформируются во внетропические и приносят катастрофические ливни.
• Арктика. Над арктическими морями (Баренцево, Карское) часто формируются полярные циклоны, которые оказывают влияние на погоду в прибрежных районах и на трассе Северного морского пути.

Источники

1. Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. — М.: Издательство МГУ, 2006.
2. Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
3. Воробьев В. И. Синоптическая метеорология. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
4. Атлас облаков. — М.: Росгидромет, 2011.
5. Лайонс У. Физика и динамика атмосферы. — М.: Мир, 1988.