6章 天气系统与大气环流

2020/1/171第六章天气系统与大气环流2020/1/1727节，8学时第一节中高纬度地区的天气系统第二节温带气旋与反气旋第三节中、小尺度天气系统第四节热带天气系统第五节季风与梅雨2020/1/173天气是指某一地区、在某一时段内由各种气象要素所综合体现的大气状态。大气中发生的阴、晴、风、雨、雷、电、雾、霜、雪等等都是天气现象，它们的产生都与天气系统的活动有密切的关系，天气与人类的生活、社会、经济活动有十分密切的关系。2020/1/174天气系统是指具有一定的温度、气压或风等气象要素空间结构特征的大气运动系统。如有的以空间气压分布为特征组成高压、低压、高压脊、低压槽等。有的则以风的分布特征来分，如气旋，反气旋，切变线等。有的又以温度分布特征来确定，如锋。还有则的以某些天气特征来分，如雷暴，热带云团等。2020/1/175天气系统通常构成天气系统的气压，风，温度及气象要素之间都有一定的配置关系。大气中各种天气系统的空间范围是不同的，水平尺度可从几公里到1—2千公里。其生命史也不同，从几小时到几天都有。2020/1/176地球上每一个地方的天气变化是与大气中移动着的天气系统有关如气象台发布有寒潮要过境，这是向人们发布从西北方向有强冷气要移过来；又如气象台发布台风警报，这是告诉人们从热带西太平洋有凶猛的暴风雨要移过来这些（冷高压、台风）在气象学中称为天气系统。如果利用气象卫星从高空向地球上空飘浮的云团拍摄照片，就可以看到大大小小的天气系统夹杂在一起，最大的天气系统可达几千公里，而最小天气系统只有几公里。天气系统是在全球大气环流上演变的扰动系统，因此，它与全球大气环流是密不可分的。本章将阐述中、高纬地区和热带地区的天气系统和全球大气环流的特征和结构。2020/1/177常见的各种尺度的天气系统水平尺度(km)2*1032*1022尺度定义大尺度中间（天气）尺度中尺度小尺度天气系统温带超长波、长波气旋、锋背风波雷暴副热带副热带高压副热带低压、切变线飑线、暴雨龙卷风热带热带辐合带、季风台风、云团热带风暴、对流群对流单体2020/1/178第一节中高纬度地区的天气系统2020/1/179中、高纬度地区的大气是斜压大气即大气中等压面与等温面不重合，温度在水平分布存在着明显的不均匀性。典型的天气系统有：锋面温带气旋和反气旋阻塞高压、切断低压急流等2020/1/1710气团是指在水平方向上大气的物理属性主要指温度、湿度和稳定度相对比较均匀的大块空气块。其水平尺度达到几百至几千公里，垂直尺度约几公里到十几公里。气团的形成必须具有范围大，性质均匀的下垫面，还须有合适的环流条件。2020/1/1711气团的分类按形成的地理位置分极地气团极地大陆气团极地海洋气团热带气团热带海洋气团热带大陆气团中纬度气团它们主要来自极地或热带的变性气团。按热力分类冷气团暖气团2020/1/1712活动于我国的主要气团，随季节而有变化冬季以极地大陆气团为主南方部分地区则会受热带海洋气团影响夏季主要受热带海洋和热带大陆气团影响北方则仍会受极地大陆气团影响。春、秋季则主要有变性极地大陆气团和热带海洋气团。影响我国的气团活动示意图2020/1/1713一、锋面(一)锋面的定义在中纬度的对流层存在着水平范围达数千公里，热力性质不同的气团，即冷气团和暖气团。冷、暖气团之间总存在一个交界面，这个交界面就是锋面。当冷气团控制时，天气很冷，常常天气晴朗如冬季寒潮过境后，我国北天气又冷又干；而在暖气团控制时，天气暖和而潮湿如在夏季我国长江流域梅雨季节，空气又热又潮。锋面概念是皮叶克尼斯于1919创立的，这个概念至今还广泛在气象学和天气预报中应用。2020/1/17142020/1/17152020/1/1716虚线来示温度，实线表示位温，粗实线表示锋区上、下界和对流层顶2020/1/1717如图所示，锋面是一个温度的不连续面，锋面的南北长度可达数千公里，它的宽度可达几百公里。它在近地面层中宽约数十公里，在高层可达200-400公里。冷气团空气密度大，位于下方，暖气团空气密度小，位于上方。一般把锋面增强过程，称为锋生（frontogenesis）相反，把锋面上温度梯度变小过程，称为锋消（frontolysis）锋面与地面相交而成的线，叫做锋线。一般把锋面和锋线统称为锋。2020/1/17182020/1/1719锋面坡度2020/1/1720(二)锋面的分类锋面按照它移动的方向分为：冷锋暖锋静止锋锢囚锋2020/1/1721(1)冷锋冷气团向着暖气团方向移动的锋面称冷锋。2020/1/1722(2)暖锋暖气团向着冷气团移动的锋面称暖锋。2020/1/1723(3)准静止锋冷暖气团势力相当，使锋面呈来回摆动，这种锋的移动速度很小，可近似看作静止。2020/1/1724(4)锢囚锋是冷锋追上暖锋，将地面空气挤至空中，地面完全为冷空气所占据，造成冷锋后面冷空气与暖锋前部的冷空气相接触的锋面。如果前面的冷气团比较暖湿，后面的冷气团比较寒干，则后面的冷气团就楔入前面冷气团的底部，形成冷锋式锢囚锋；如果后面的冷空气不如前面的冷空气那样冷而干，则后面相对暖的冷气团会滑行于前面冷气团之上，形成暖式锢囚锋。2020/1/1725(三)锋面结构由于锋面是冷、暖气团的交界面，因此，它的结构有如下特征：在高空，锋面为等温线的密集带，锋面内的水平温度梯度很大，锋面内等温线上、下界处有一明显的折角；在锋区内垂直温度梯度很小。这点与锋区外温度分布的结构相反，在锋区外，温度的垂直梯度很大，而水平梯度较小。虚线来示温度，实线表示位温粗实线表示锋区上、下界和对流层顶2020/1/1726(三)锋面结构锋面可以近似看成是物质面，根据第三章所述，在绝热条件下，气块的位温在运动过程中是守恒的，因此，可以运用位温很好地分析锋面的结构等位温线的分布可以直观地表征锋面厚度和斜率，如图，在锋面外等位温线一般由北向南降低，而锋区内位温垂直梯度比锋区外大。锋区内等位温线密集，且与锋区平行。虚线来示温度，实线表示位温粗实线表示锋区上、下界和对流层顶2020/1/1727(三)锋面结构由于水平温度梯度大，锋区中风速随高度迅速增大，最大风速中心位于锋面上空。2020/1/1728我国位于欧亚大陆的东部，在冬、春季经常可观测到西伯利亚冷气团的前锋有寒带极锋活动。由于锋面能够把暖空气抬升，所以在锋面过境时将会伴随大风与阴雨天气出现。2020/1/17292020/1/1730第二节温带气旋与反气旋2020/1/1731温带气旋与反气旋是与温带中低、高压相伴的大气环流系统。温带气旋和反气旋的概念至今还在日常天气预报中广泛应用本节着重阐述温带气旋和反气旋模式，它们的生命史和结构等。2020/1/1732一、温带气旋模型和生命史温带气旋是指生成和活动于中高纬温带地区的低气压系统。从气压场看，是中心气压低于四周，并有闭合等压线的低压系统。从风场看，在北半球低压区内，风绕低压中心作逆时针旋转。气象上将这种风逆时针旋转系统称为气旋。温带气旋往往由冷、暖气团组成并伴随有冷、暖锋活动。这种温带气旋也称为锋面气旋。2020/1/17332020/1/1734(一)关于气旋模型的发展史在19世纪菲兹洛依（Fitz-Roy）提出有关温带气旋的初步模型，他指出：温带气旋是两种气团所构成的，这两气团中温度、水汽和运动各不相同暖湿气团来自副热带，而冷气团来自极地温带气旋形成于这两种气团的交界面，它的运动方式取决于两气团气流间的运动。2020/1/1735(一)关于气旋模型的发展史（续1）然而，在19世纪末赫姆霍茨(Helmhotz)和一些学者提出了气旋是一种不连续面。他们主要根据当时在欧洲进行试验所得的结果，构想了气旋的气压形式可能是一种涡，他们并不考虑气旋系统的运动。2020/1/1736(一)关于气旋模型的发展史（续2）在第一次世界大战的末期，皮叶克尼斯在1918年总结了在斯堪的纳维亚半岛比较密集的测站观测结果，提出了一种气旋模型。之后，皮叶克尼斯和索尔贝格（J.BjerknesandSalberg）1921年又提出了气旋模型（如图）。2020/1/17372020/1/1738(一)关于气旋模型的发展史（续3）虽然这两种模型略有差别，它们有共同之处，在北半球气旋的气流都是成反时针旋转。在皮叶克尼斯所提出的气旋模型中冷空气成为一楔状插在冷空气的下方，云雨分布可以由冷暖锋上暖空气绝热上升冷却很好地解释，气旋的动能是来源于冷暖气团的位能差。皮叶克尼斯所提出的气旋概念符合实际观测，迄今还在天气预报中广泛应用。2020/1/1739(一)关于气旋模型的发展史（续4）皮叶克尼斯认为气旋扰动来源于波状扰动，这为Rossby在20世纪30年代提出Rossby波奠定了基础；并且，他认为气旋能量来源于冷暖气团的位能差，这为40年代恰尼提出斜压不稳定奠定了基础。2020/1/1740(二)气旋的生命史气旋在正常情况要经历一系列典型阶段：1.初始扰动阶段2.发展阶段3.锢囚阶段2020/1/17411.初始扰动阶段如图所示，初始场扰动可以从一平直的准静止锋上形成一小振幅的波动，在锋的两侧气流方向相反，在锋面上气流有气旋性切变（即成反时针方向旋转）。2020/1/17422.发展阶段初始场扰动波幅不断增大，这时可以明显见到冷锋与暖锋的发展在冷锋的西边也有强劲的西北风和冷空气，而在冷锋的前方有西南风和暖空气；并且在暖空气的前方有暖锋，在暖锋后方有西南风，而在它的前方有东南风。2020/1/17433.锢囚阶段随着暖空气沿暖锋上升到高层，同时冷空气成楔状切入暖空气。这样，暖区渐渐减小；而后冷锋步步追赶上暖锋，当冷锋与暖锋重合，这时气旋称锢囚。2020/1/17443.锢囚阶段（续）在气旋锢囚阶段，暖锋很弱，甚至完全消失，随之，云雨区也渐渐消失了，这就意味着气旋经历了锢囚阶段；之后，气旋就慢慢消失。2020/1/1745锋面气旋系统由生成、发展而至消散的过程（称为生命周期life-cycle）ｄ的时候冷锋在气旋的中心一带已经赶过暖锋了，称为「囚锢」（occlusion）至ｅ时冷锋完全赶过暖锋，冷空气和暖空气相互混合，锋面乃告消失，或剩下不清不楚的滞留锋面。图中上面一排为较北边那条虚线处的垂直剖面，可看到气旋中心（低气压中心）的降水系统。下面一排则为较南边虚在线的垂直剖面，冷锋和暖锋上的降水系统也充分的显示出来。2020/1/17462020/1/1747温带气旋的平均直径约1000公里左右，有的可达2—3千公里，并大体呈园形。在我国活动的温带气旋主要有：北方气旋：蒙古气旋，东北低压，黄河气旋南方气旋：江淮气旋东海气旋等2020/1/1748二、温带反气旋及其分类是指生成和活动于中高纬、温带地区的高气压系统。从气压场看是中心气压高于四周，并有闭合等压线的高压系统。从风场看，在北半球高压区内，风绕高压中心作顺时针旋转。因此也称为反气旋。2020/1/1749二、温带反气旋及其分类（续）反气旋经常与气旋伴随产生。然而，反气旋的形成、演变与气旋有很多不同特征：气旋就其形成、生长和衰亡所具的形式有相当的一致性而反气旋无论形成、演变则显得很不规则，看起来是变化缓慢而具有被动的系统。西风带中反气旋虽也有发展阶段，甚至有时可以达到很强的强度，但是，它的这种演变总是与西风带中气旋的发展相伴随发生。2020/1/1750二、温带反气旋及其分类（续）从反气旋的结构来看可分为以下几类：1.副热带高压2.极地大陆高压3.寒潮高压2020/1/1751(一)副热带高压是指存在于副热带地区一般指南、北纬20—40°之间广大地区的深厚的暖性高气压系统，它是全球大气环流的一个重要成员。副热带高压的水平范围可达数千公里，几乎占了全球面积的1/5—1/4。它们