第五章 天气系统

第五章天气系统一、气团和锋二、中高纬度天气系统三、副热带高压四、热带天气系统第五章天气系统大气中冷热、阴晴、风雨、雷电等等气象要素和天气现象的短时间综合状况，叫做天气。天气随时间的演变过程，称为天气过程。第一节气团和锋天气现象和天气变化是由大气的物理属性和大气的运动过程所决定的，而大气的物理属性是大气在运动过程中同地理环境不断作用下形成的。地球表面如此广阔，地表性质错综复杂，在地表运动着的大气必然具有多种多样的物理属性、但从全球来看，在一定范围内存在着水平方向上物理属性(主要指温度、湿度，稳定度等)相对比较均匀的大块空气，称为气团，两种不同性质气团间的交界区称为锋。一、气团气团的水平范围从几百公里到几千公里，垂直范围可达几公里到十几公里。气团内的水平温度梯度一般小于1-2℃／100公里。(一)气团的形成气团形成需要具备两个条件：（1）大范围性质比较均匀的下垫面；（2）利于空气停滞和缓行的环流条件。空气中的热量、水分主要来源于下垫面，因而下垫面性质决定着气团属性。在冰雪覆盖的地区往往形成冷而干的气团；在水汽充沛的热带海洋上常常形成暖而湿的气团。所以，大范围性质比较均匀的下垫面，如辽阔的海洋、无垠的沙漠、冰雪覆盖的大陆和极区等等都可成为气团形成源地。气团形成条件：周围的环境要能使大范围的空气有较长时间停留或缓慢运行在同一下垫面上，逐渐获得与下垫面相适应的比较均匀的物理属性。移行缓慢的高压(反气旋)系统如高纬地区的准静止冷高压，副热带高压等等，不仅能使空气有充足时间同下垫面相互作用，以获得下垫面属性，而且高压中下沉气流在低空的辐散风场利于空气温度、湿度水平梯度减小，而趋于均匀，这是最有利于气团形成的环流条件。气团的形成物理过程：1.辐射交换过程：是大气与下垫面进行热量交换的主要方式，特别在气团比较稳定时更为明显。2.湍流对流过程：是大气从地面获得热量、水汽的重要过程，并随着对流强度、高度的增大，使下垫面的影响很快扩展到较高层次。在低纬地区，气温高、气层不稳定，对流易于发展，在气团形成过程中起着更为突出的作用。3.蒸发和凝结过程：这一过程影响着气团中湿度的分布和变化，下垫面蒸发旺盛时，气团中水汽增多；气团中水汽凝结和有降水时，大气中水汽含量减少。此外，空气的平流作用也伴随着热量和水分的输送，影响着气团中某一部分热量和水分的增减和分布状态，并可能引起气团稳定度的变化。(二)气团的变性(三)气团的分类和特性为了分析气团的特征、分布移动规律，常常对地球上的气团进行分类，分类的方法大多采用地理分类法和热力分类法两种。1.地理分类法：是根据气团源地的地理位置和下垫面性质进行的分类。首先按源地的纬度位置把北(南)半球的气团分为四个基本类型，即冰洋(北极和南极)气团、极地(中纬度)气团、热带气团和赤道气团；再根据源地的海、陆位置，把每一基本类型又分为海洋型和大陆型气团(赤道气团源地主要是海洋，不再区分海、陆型)。每个半球共有7种气团（表5-2、图5-1）。2.热力分类法：是以气团与流经地区下垫面的热力对比作为分类的基础。凡是气团温度高于流经地区下垫面温度的，称暖气团；相反，气团温度低于流经地区下垫面温度的，称冷气团。所以，冷暖气团是相对而言，两者并没有绝对的温度数量界限。日常天气分析中，还常常依据气团之间的温度对比来划分冷、暖气团，即温度相对高的气团称暖气团；温度相对低的气团，称冷气团。二、锋锋是冷暖气团间的过渡带。锋区冷、暖空气异常活跃，常常形成广阔的云系和降水区时还出现大风、降温和雷暴等剧烈天气现象。锋是重要的天气系统之一。(一)锋的概念锋是三度空间的天气系统，其水平范围与气团水平尺度相当，长达几百公里到几千公里，锋区宽度远比气团狭窄，在近地面层一般为几十公里。在高空，锋往往增宽。锋的宽度同气团宽度相比显得很狭窄，因而常常把锋区看成是一个几何面，称为锋面。锋面与地面的交线称锋线，锋面和锋线统称锋。锋垂直伸展的高度，视形成锋的气团高度而有不同，有的达到对流层的中上层，称对流层锋；有的仅仅限于对流层低层(1.5公里以下)，称近地面锋。(二)锋的特征锋是两种性质不同气团相互作用的过渡带，因而锋两侧的温度、湿度、稳定度以及风、云、气压等气象要素具有明显的差异，可以把锋看成是大气中气象要素的不连续面。1.锋面坡度：锋在空间呈倾斜状态是锋的一个重要特征。锋面倾斜的程度称锋面坡度。锋面坡度的形成和保持是地球偏转力作用的结果。tga=式中f为地转参数，g为重力加速度，ΔT=T2(暖气团气温)-T1(冷气团气温)，Tm=(Tl+T2)／ΔVg=Vg1-Vg2(Vg1、Vg2分别为冷、暖气团平行于锋线的风速分量)。TlgTgfm2、温度场：气团内部的气温水平分布比较均匀，通常在100公里距离内的气温差为1℃，最多不超过2℃，而锋附近区域内，相距100公里气温差可达几度，有时达10℃左右，意味着其水平温度梯度比气团增大5-10倍，这是锋的又一重要特征。这一特征，在天气图上表现为等温线非常密集而且同锋面近于平行；同时，由于锋面在空间呈倾斜状态，使得等温线密集区随着高度增加不断向冷区一侧倾斜，因而高空锋区位于地面锋的冷空气一侧。锋伸展得高度愈高，锋区偏离地面锋线就愈远，3、气压场锋面两侧是密度不同的冷、暖气团，因而锋区的气压变化比气团内部要大得多，表现在等压线横穿锋面时产生折角，而且折角尖端指向高压，以及锋落在低压槽中的特有气压场。4、锋附近风场锋附近的风场同气压场是相适应的。既然地面锋线处于低压槽内，根据梯度风原理，锋线附近的风场应具有气旋性切变，这种切变或是风向切变，或是风速切变，或者两者都有。(三)锋的类型和天气1.锋的类型：(1).暖锋：锋面向冷气团移动的锋。(2).冷锋：冷锋占主导地位，锋面向暖气团移动。(3).准静止锋：冷暖锋势力相当。(4).锢囚锋：两锋相遇后合并所成的锋。①冷式锢囚锋②暖式锢囚锋③中性锢囚锋(近地面无锋线)2.锋面天气：暖锋天气、冷锋天气、准静止锋天气、锢囚锋天气锋特征、天气特征第二节中高纬度天气系统一、温带气旋和反气旋气旋是占有三度空间的、中心气压比四周低的水平空气涡旋；反气旋是占有三度空间的、中心气压比四周高的水平空气涡旋。活动于中高纬的气旋和反气旋对中、高纬度间的热量和水分交换以及温带地区的天气变化具有很大的影响，是中纬度地区的重要天气系统。※天气锋面气旋天气不仅决定于气旋温压场结构，同时还与空气的稳定度、水汽条件、高空环流形势、地形以及气旋发展阶段等等因素有关。气旋是气流辐合上升系统，尤其锋面上，气流上升更为强烈，往往产生云、雨，甚至造成暴雨、雷雨、大风天气。斗发展成熟的锋面气旋的天气模式表明：气旋前方是宽阔的暖锋云系及相伴随的连续性降水天气，气旋后方是比较狭窄的冷锋云系和降水天气，气旋中部是暖气团天气。如果暖气团中水汽充足而又不稳定，可出现层云，层积云，并下毛毛雨，也有时出现露；如果气团干燥，只能生成-些薄云而没有降水。二、冷性反气旋和寒潮(一)冷性反气旋(冷高压)冷性反气旋在中，高纬经常出现，尤其冬半年活动更加频繁，势力更为强大，影响范围更加广泛，往往给活动地区造成降温，大风和降水，是中高纬地区冬季最突出的天气过程(二)寒潮冷高压活动相当频繁，就东亚地区来说，大约每3-5天就有一次，可是冷高压的强度在不同季节相差很大。夏季一般强度很弱，冬季强烈的冷高压活动带来强冷空气侵袭，如同寒冷的潮流滚滚而来，给我国广大地区带来剧烈降温、霜冻、大风等等灾害性天气。这种大范围的强烈的冷空气活动，称为寒潮。寒潮的概念：我国中央气象台规定，由于冷空气的侵入使气温在24小时内下降10℃以上，最低气温降至5℃以下，作为发布寒潮警报的标准。但实际上，这个标准太高尤其在南方，有时虽然24小时内气温下降10℃以上，而最低气温并未下降到5℃以下，也会对农作物造成很大危害。第三节副热带高压在南北半球副热带地区，经常维持着沿纬圈分布的不连续的高压带，称为副热带高压(简称副高)。副高占据广大空间，稳定少动，是副热带地区最重要的大型天气系统。它的存在和活动不仅对低、中纬度天气的发生、发展具有巨大作用，而且对全球环流的演变也有很大影响。副热带高压由于受地表海、陆相间分布的影响，沿纬圈分裂成几个具有闭合中心的高压单体，从500毫巴平均图上看，这些高压中心主要位于海洋上，位置比较固定。在北半球，高压单体中心经常有5-6个，分别位于北太平洋西部、北太平洋东部、北大西洋中部、北大西洋西部墨西哥湾和北非等地；青藏高原也有-一高压中心。南半球有南太平洋高压；南大西洋高压和南印度洋高压等。这些高压不是同时都很明显，而是有强、有弱，有时合并、有时分裂。一、结构副高是由于对流层上层空气辐合、聚积而形成，它是常年存在、稳定少动的深厚系统。它的强度和规模在冬、夏季节有很大差异。一般说，北半球副高的强度在夏季时迅速增大，盛夏时达到最强，范围几乎占整个北半球的1／5-1／4。冬季时，由于北半球降温，强度减弱、范围缩小，位置南移东退。南半球副高的季节变化状况与北半球相反。二、天气特征副高内的天气，由于盛行下沉气流，以晴朗、少云，微风、炎热为主。高压的西北部和北部边缘，因与西风带交界，受西风带锋面、气旋活动的影响，上升运动强烈，水汽也较丰富，多阴雨天气。高压南侧是东风气流，晴朗少云，低层湿度大、闷热。但当有台风、东风波等热带天气系统活动时，可能产生大范围暴雨带和中小尺度的雷阵雨及大风天气。高压东部受北来冷气流的影响，形成的逆温层低、是少云干燥的天气，长期受其控制的地区，因久旱无雨，可能出现干旱，甚至变成沙漠气候。三、西太平洋副高的活动规律副高的强度、范围、位置和形状有着明显的季节和短期变化，虽然各个地区副高变化的程度有所不同。这里主要介绍西太平洋副高的活动特征。西太平洋副高的位置有多年变化的表现。据分析，1880-1890年，副高中心偏向平均位置的东南；1900-1920年却偏向西北；1920-1930年又偏向东南，这种副高中心位置的变动，必然会引起东亚，甚至全球性的气候振动西太平洋副高的季节性活动，具有明显的规律性（图5-23）。冬季时，西太平洋副高脊线一般位于15°N附近，随着季节的转暖，脊线缓慢北移，到6月中、下旬，脊线迅速北跳，稳定于20°-25°N间。至7月上、中旬，脊线再次北跳，跃到25°N以北地区，以后就摆动在25°-30°N之间，七月底到8月初，脊线跨越30°N，到达最北的位置。从9月起，脊线开始自北、向南退缩，9月上旬脊线第一次回跳到25°N附近，10月上旬再次跳到20°N以南地区，从此结束了以年为周期的季节性南、北移动。副高的这种季节性移动并不是匀速进行的，而表现出有时稳定少动，有时缓慢移动，有时突发跳跃的方式，而且北进持续的时间比较久，速度比较缓慢，而南退却经历的时间短、速度比较快，这是副高季节变动的一般规律，在个别年份，副高的活动可能有明显出入。西太平洋副高的北进、南退，同其他地区副高的南北移动大体是一致的，只是移动的幅度更大一些。第四节热带天气系统天气学上的热带是指南、北半球副热带高压脊线之间的地区。由于副热带高压脊线随季节有南北移动，因而热带的位置和范围也不固定，有季节性变动。通常把南北纬30°以内的地区称为热带，这一地区占全球面积的一半，其中3／4是海洋，它是供给大气中水汽和能量的主要源地，对低纬以至全球的环流和天气都有重要影响。热带地区在热带环流和下垫面的作用下，气流经常处于湿热，不稳定和辐合上升状态，形成了热带地区所特有的对流性天气系统。一、赤道辐合带赤道辐合带又称热带辐合带，是低纬度大气中一种大尺度天气系统。它是介于南、北副热带高压间宽广低压区(赤道槽)内的狭窄气流辐合带。大体呈东西向分布，有时几乎环绕地球一周。在卫星云图上表现为一条狭窄的近于连续的对流云带。按赤道辐合带的气流辐合性质，可分为两种类型：一种是南、北半球信风带相交汇的渐近线；另一种是信风带与赤道西风带的过渡带（图5-24）。赤道辐合带随季节有南北移动，但各地区移动的幅度不同。东太平洋、大西洋和西非赤道辐合带移动幅度较小，终年都在赤道以北，而东非、亚洲和澳大利亚的辐合带，季节