Механизм образования циклонов

КОМИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ГЕОГРАФО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра географии

 

 

 

Курсовая работа

По дисциплине: «…»

на тему:

«Механизм образования  циклонов» 

 

 

 

Выполнила: студентка 2 курса

Группы 221

Левченко А. С.

 

Научный руководитель:

Профессор Силин В. И.

 

 

 

 

Сыктывкар 2013 г.

 

Оглавление

Введение. 3

Глава 1. Теоретическая часть. 5

1.1. Циклон как атмосферное явление. 5

1.2. Принцип действия циклона. 6

1.3. Причины возникновения циклонов. 7

1.3.1. Теория Мона. 7

1.3.2. Теория Бьеркнеса. 8

1.3.3. Теория воздействия силы Кориолиса. 8

1.3.4. Гидродинамическая теория. 9

1.3.5. Волновая теория. 9

1.3.6. Теория Кочина. 10

1.3.7. Теория Манташьяна. 10

Глава 2. Практическая часть. 11

Глава 3. Заключение. 14

Список источников. 15

 

Введение.

 

В течение первого года обучения я поняла, что для меня достаточно интересны вопросы климатологии (наука, изучающая вопросы климатообразования, описания и классификации климатов земного шара, антропогенные влияния на климат.)  Климатология  входит в систему географических наук, поскольку климат является одной из географических характеристик местности, но климатообразующие процессы имеют геофизическую природу; поэтому климатология опирается на выводы геофизической науки — метеорологии, в составе которой она возникла и с которой остаётся тесно связанной (сейчас климатология представляет собой мультидисциплинарную науку - самостоятельный раздел наук об атмосфере). Климатология иногда определяют как географическую часть метеорологии.

Начальные представления  о климате и его закономерностях  сложились ещё в Древней Греции. В XVII и XVIII вв. появляются первые описания климатов на базе инструментальных метеорологических наблюдений. Э. Галлей, Дж. Хэдли в Великобритании и М. В. Ломоносов в России высказывают первые соображения о влиянии атмосферной циркуляции на климат. В начале XIX в. немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт положил начало систематическому описанию и объяснению климатов Земли и построил первые климатические карты. Во 2-й половине 19 в. климатологические исследования стали планомерными и с особым успехом развивались в России, где были сосредоточены в открытой в 1849 Главной физической обсерватории под руководством Г. И. Вильда. В это же время А. И. Воейков выполнил ряд исследований, в которых стремился обосновать как географические закономерности, так и геофизическую природу климата. Среди учёных, последователей Воейкова — А. А. Каминский (исследования по ветровому режиму и влагообороту), Л. С. Берг (работы в области палеоклиматологии и биоклиматологии, а также по классификации климатов Земли, основанной на выделении климатических зон), В. Ю. Визе и др. Ряд важных климатологических закономерностей был установлен и за рубежом. Климатолог В. Кеппен разработал в 1900—20 широко распространённую до сих пор классификацию климатов земного шара, основанную на выделении климатических зон по соотношению годичных режимов приземной температуры воздуха и осадков, а также заложил основы исследований связи климата с солнечной активностью. Австрийских климатолог Ю. Ханн в конце XIX в. составил трёхтомную монографию «Руководство по климатологии» (т. 1 опубликован в 1883) и провёл большое количество региональных исследований.

Фактический материал о типах  климата и их распределении по земному шару, полученный из статистической обработки многолетних рядов  метеорологических наблюдений является содержанием климатографии. Учение о генезисе климата, его физической обусловленности служит предметом физической климатологии, которая опирается, прежде всего, на представления о тепловом и водном балансах земной поверхности и атмосферы и об их климатообразующей роли. Особой ветвью физической климатологии является динамическая климатология, рассматривающая климаты и их распределение по Земле в зависимости от процессов общей циркуляции атмосферы. Вопросы изучения климата высоких слоев атмосферы выделяются в аэроклиматологию, климат приземного слоя воздуха является предметом микроклиматологии. Особое положение занимает палеоклиматология (учение о климатах геологического и исторического прошлого, тесно примыкающее к исторической геологии). Большое практическое значение К. явилось причиной возникновения ряда прикладных климатологических дисциплин, пограничных с др. науками. Сюда относятся биоклиматология — учение о влиянии климата на живую природу и человека, Агроклиматология — учение о влиянии климата на земледелие, курортная и медицинская климатология,  техническая климатология, в которой выделяются такие дисциплины, как авиационная климатология, транспортная климатология, строительная климатология и др.

Предметом моей курсовой работы является механизм образования циклонов и антициклонов. Этим вопросом подробно занимается физическая климатология.

 

Глава 1. Теоретическая часть.

1. Циклон как  атмосферное явление.

 

Цикло́н (от др.-греч. κυκλῶν — «вращающийся») — атмосферный вихрь огромного (от         сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.

 Воздух в циклоне циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.

Минимум давления находится в центре циклона, и отсюда давление во все  стороны повышается. Соединив линиями  места с одинаковым давлением, мы получим изобары, большей частью имеющие форму эллиптическую.

Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.

Различают два основных вида циклонов — внетропические и тропические. Первые образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.

Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но бо́льшие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также т. н. «глаз бури» — центральная область диаметром 20—30 км с относительно ясной и безветренной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вовсе.

Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже многие годы наблюдается так называемое Большое красное пятно, которое является, по всей видимости, долгоживущим антициклоном. Однако циклоны в атмосферах других планет изучены недостаточно.

2. Принцип действия циклона.

 

 В центре циклона находится  область малого давления, к которой  воздух притекает от периферии.  Притекающие к центру массы  воздуха испытывают постепенное  восходящее движение, которое происходит  не только в центре, но и  на довольно значительном от  него расстоянии. Движение воздуха от периферии к центру циклона происходит не по прямой линии, а вследствие вращения земли воздух отклоняется вправо в северном полушарии и влево в южном, вместо восточного ветра получается в северном полушарии юго-восточный, вместо северного - северо-восточный, вместо южного - юго-западный и т. д. 
Скорость движения воздуха зависит при этом от градиента давления. Рассматривая направление ветров в циклоне, мы заметим, что в циклонах северного полушария движение воздуха происходит по спирали обратно движению стрелки часов, а в циклонах южного полушария - по часовой стрелке. Так как отклонение от первоначального направления обратно пропорционально трению, то движение воздуха на суше более приближается к направлению градиента, в особенности в гористой местности, где трение велико, на морях же оно происходит почти по изобарам. Циклоны занимают внизу очень значительную площадь, иногда в несколько тысяч квадратных километров, и оказывают в широтах умеренного пояса на погоду значительное влияние.

Нетрудно заметить, что  в циклонах северного полушария  в юго-восточной, передней части  преобладают ветры южного направления, именно юго-восточные, южные или  юго-западные ветры, тогда как в  задней, северо-западной, половине преобладают  ветры северных направлений. Следовательно, юго-восточная часть циклона является более теплой, а задняя, северо-западная, часть - более холодной. 
Если в циклоне провести, кроме изобар, еще линии, показывающие распределение воздушных течений (это будут кривые линии, проведенные так, что касательные к ним совпадают с направлением господствующего ветра), и проследить изменения температур, то можно обнаружить, что во всяком циклоне выделяются линии теплого и холодного фронтов, которые сходятся в центре циклона. Между этими линиями располагается область с более теплым воздухом - теплый сектор циклона. У теплого фронта происходит натекание этого теплого воздуха на массы более холодного воздуха, находящегося перед ним. Вдоль холодного фронта, наоборот, массы более холодного воздуха гонят вперед теплый воздух и подтекают под теплый воздух, вытесняя его наверх. Теплые масс поднимаются, процесс этот сопровождается шквалами, возникают энергичная конденсация и кратковременные, но сильные шквалистые осадки. Осадки возникают также вдоль теплого фронта, но характер их совершенно иной. Поднятие теплых масс происходит сравнительно спокойно, под малым углом к горизонту, воздух постепенно охлаждается, и осадки тут носят длительный и спокойный характер при южных и юго-западных ветрах. По обе стороны теплого сектора циклона более плотные холодные массы воздуха растекаются, устремляясь к югу, и теплый сектор постепенно суживается у своего основания. В дальнейшем массы холодного воздуха изолируют теплый сектор циклона от питающих его масс теплого воздуха. Происходит смыкание фронтов холодного и теплого - так называемая окклюзия, и циклон начинает ослабевать. Теплый сектор его теперь уже отделен, как сказано выше, от питающей его массы теплого воздуха, а сомкнувшиеся внизу массы холодного воздуха постепенно вытесняют теплый воздух вверх. В этой стадии циклон у поверхности земли состоит лишь из холодных масс воздуха - теплые массы вытеснены наверх, и циклон, заполнившись массами холодного воздуха, постепенно исчезает. Окклюзия, однако, далеко не всегда является концом циклонической деятельности. Окклюдированные циклоны часто продолжают свое существование, а иногда окклюзия дает даже начало зарождению нового циклона.

Циклоны подвижны: они постоянно  передвигаются, причем преобладающее  направление их движения в умеренном  поясе с запада на восток. Обыкновенно  приближение циклона знаменуется  тем, что на небе появляются перистые облака; это первые предвестники теплого  фронта циклона. Затем облачность становится все больше и больше, наконец, все  небо заволакивается облаками, барометр падает, а температура повышается, и начинает накрапывать дождь. Преобладают  ветры южных направлений. Облачность и дождь обусловливаются, главным  образом, восходящими токами воздуха  вдоль теплого и холодного  фронтов и близ центра циклона, в  силу чего происходит охлаждение поднимающихся  масс воздуха и конденсация паров. 
Потом, когда центр циклона передвинется к востоку и холодный фронт минует данную местность, ветер меняет резко направление и дует с противоположной стороны, т. е. с севера и северо-запада, барометр поднимается, по временам проглядывает солнце, и становится холоднее. Зимой все эти изменения гораздо резче. При прохождении первой половины циклона часто бывает оттепель; при прохождении второй становится морозно. 
Пути циклонов довольно разнообразны. Один из наиболее излюбленных трактов циклонов по Европе - от Великобритании к Балтийскому морю и Ботническому заливу, затем по Европейской части СССР на восток или юго-восток. Другой тракт - из Атлантического океана через Средиземное море на юг СССР и дальше на северо-восток. Существует еще много других путей циклонов. Так как в умеренном поясе один циклон часто следует за другим, то изменение погоды в этих широтах происходит довольно часто. 
При рассмотрении движения циклонов надо иметь в виду, что барометрическая депрессия стремится заполниться вследствие притока воздуха к центру. Если приток воздуха к центру компенсируется оттоком его в верхних частях, то депрессия не изменяется. Если приток воздуха меньше его расхода, то циклон усиливается; если приток воздуха от периферии больше его расхода, то депрессия заполняется, и циклон ослабевает. Кроме того, в передней стороне циклона, куда притекают более теплые массы воздуха, и близ центра циклона, где вследствие восходящего движения происходят конденсация паров и выделение скрытой теплоты, имеются условия для повышения температуры, а следовательно, и для дальнейшего понижения давления и перемещения минимума к востоку. К задней части циклона притекают, наоборот, более холодные массы воздуха с севера и северо-запада, которые способствуют заполнению депрессии и затуханию прежнего центра. Уже по этой причине циклоны должны перемещаться в преобладающем восточном направлении. 
Но главная причина передвижения циклонов на восток заключается в западной циркуляции, свойственной умеренным широтам. Встречая на своем пути области повышенного давления (антициклоны), циклоны, как правило, их обходят. Таким образом, конкретный путь движения циклона в значительной мере определяется расположением антициклонов.

1.3. Причины возникновения циклонов.

1.3.1. Теория Мона.

 

Прежде предполагали, что  циклоны образуются исключительно  вследствие более значительного  нагревания какой-либо области поверхности  земли по сравнению с соседними (теория Мона). По воззрениям Мона, образовавшаяся барометрическая депрессия сама себя поддерживает вследствие восходящего тока влажного воздуха и выделения значительного количества скрытого тепла.  
Действительно, циклоны возникают и по этой причине, но это местные циклоны, очень сильные, правда, но имеющие небольшие размеры. Сюда относятся некоторые циклоны тропических стран и затем циклоны, образующиеся у нас летом и часто сопровождающиеся грозой. Против теории, по которой причина образования циклонов лежит только в неравномерном нагревании земной поверхности, говорит то обстоятельство, что в Европе в особенно большом числе циклоны возникают на океанах и зимой, когда не может быть таких температурных контрастов в степени нагревания, как летом на материке.

1.3.2. Теория Бьеркнеса.

 

Согласно воззрениям Бьеркнеса и его учеников, циклоны образуются преимущественно в области фронта. Здесь находится поверхность раздела между холодными и теплыми массами воздуха. Эта поверхность разделяет массы, имеющие различную плотность и разные скорости движения, вследствие чего она должна испытывать волнообразные колебания. 
В изгибах фронта и образуются циклоны и антициклоны, причем циклоны возникают в тех местах, где теплые воздушные массы внедряются далеко па север, а антициклоны возникают там, где фронт приближается к югу. Таким образом, в изгибах фронта, в промежутках между циклонами, там, где образуется вторжение холодных воздушных масс к югу, располагаются антициклоны. Такие вторжения холодных воздушных масс особенно часто приходят на территорию СССР из Арктики, над которой располагается как бы шапка тяжелого плотного воздуха. Вот почему, по выражению В. П. Мультановского, Арктика является для европейской территории Союза и Западной Сибири «кузницей» или «кухней» погоды. Циклоническая деятельность является, по воззрениям Бьеркнеса, передаточным звеном в обмене воздуха между различными широтами в общей циркуляции атмосферы. В умеренных широтах она является даже сущностью этой циркуляции. 
В тропическом поясе циклоны бывают иного характера и по большей части сопровождаются сильными бурями. Таковы ураганы Атлантического океана, тайфуны Китайского моря и циклоны Индийского океана. Направление движения циклонов в тропической области иное, чем циклопов умеренных и полярных стран, именно : в северном полушарии, возникнув на границе штилевой полосы, они чаще всего движутся с юго-востока или востока к северо-западу, но, попав в область преобладающих западных ветров, они продолжают свое движение уже в этом направлении, т. е. к востоку.