天气学原理

天气学原理湖南省气候中心吴贤云第一章大气环流一大气环流概念一般来说，大气环流是指全球范围的大尺度大气运动的基本状况。第一章大气环流二热力环流概念假定地球表面性质都一样，地球也不旋转，那么由于太阳辐射不均匀，南北方向上的温度差就产生了高层有从赤道指向极地的位势梯度。在位势梯度力的作用下，空气就产生向极地运动，空气在极地冷却将下沉，质量堆积又造成对流层下部有指向赤道的气压梯度力，也就产生了由极地向赤道的气流。空气在低纬加热将垂直上升，就构成了一个南北向的闭合环流。其特征是：在赤道附近为上升运动，极地为下沉运动，北半球高空为南风，低层为北风。这种环流圈是由于大气加热不均匀造成，故又称为直接热力环流圈。但由于地球有自转，存在地转偏向力，地球表面性质也并不单一，所以这种单一的环流圈实际上是不存在的。第一章大气环流二热力环流概念第一章大气环流三三圈环流形成原理及科学假设地球-大气系统所接受的辐射能，各纬度分布并不均匀，产生由热带指向两极的温度水平梯度，这样，在对流层中、上部就产生了指向极地的气压梯度，同时在低层又有指向赤道的气压梯度。在北半球，高空空气在气压梯度力的作用下由赤道向北运动，受地转偏向力的作用，在约30°N附近，气压梯度力与地转偏向力达到平衡，空气运动方向转为自西向东。自赤道源源不断向北的空气也就在30°N附近发生辐合，由质量堆积，使地面气压升高，而且自赤道向北的空气不断辐射冷却，因而产生了下沉运动，分别向南和向北辐散。在低层向南运动的空气在地转偏向力作用下，在北半球转为东北风，称为东北信风。同理，南半球也存在东南信风。第一章大气环流三三圈环流形成原理及科学假设在赤道附近低层存在东北信风与东南信风汇合的地带称为赤道辐合带，暖空气在辐合带中上升到对流层上部向南北极地方向流动，由于地转偏向力的作用，到达副热带上空形成质量堆积，从而形成了副热带高压，并产生下沉气流，这支下沉气流到达低空时，分为向北、向南两支气流，一支向南流动到达赤道辐合带，形成了哈得来环流圈；另一支向北流动到达中高纬度，与极地下沉向南流动的冷空气，在中高纬度地区汇合形成极锋锋区，并沿极锋上升到对流层上部时，再分成两支向北、向南气流，其中向南的气流到达副热带地区下沉，形成了费雷尔环流圈，并在对流层上部形成副热带锋区；另一支向北气流到达极地上空冷却下沉形成了极地环流圈。第一章大气环流三三圈环流形成原理及科学假设第一章大气环流四极地环流（1）1月：北半球1月份500hPa平均图上，极地涡旋断裂为两个闭合中心(下图a)，一个在格陵兰西侧与加拿大之间；另外一个在亚洲的东北部，极地是一个槽区。700hPa平均图基本上与500hPa一样，在新地岛500hPa平均图上有槽的地方，在700hPa上是一个闭合的小低压，其他两个位于格陵兰与加拿大之间及亚洲东北部的低中心，在700hPa上的位置比500hPa偏向东南（图a）。在地面图上，则基本上是一个高压带。但冰岛低压很强大，向大西洋的极圈伸出一个槽，约占极地一半面积。第一章大气环流四极地环流(2)、7月：气压系统明显减弱，500hPa极地涡旋中心在极点附近，700hPa低中心也在极点附近，低压中心的轴线几乎垂直，地面图上除了在加拿大地区尚有一闭合低压中心外，其他系统不明显。极地地区，地面图上多年平均气压是高压。第一章大气环流四极地环流第一章大气环流四极地环流第一章大气环流五冬夏季全球平均纬向风分量和经向风风量分布第一章大气环流五冬夏季全球平均纬向风分量和经向风风量分布第一章大气环流五冬夏季全球平均纬向风分量和经向风风量分布1.平均纬向风分量的经向分布。在中高纬度的对流层中冬、夏季均为西风，冬强夏弱。在低纬度对流层中冬、夏季基本上都是东风区，东风夏强冬弱。2.平均经向风分量的经向分布。平均经向风速最大只有3.5米/秒，比平均纬向风速小得多。北半球冬季经向环流较强。第一章大气环流六大气活动中心概念大气活动中心是指在海平面气压图上出现的永久性或半永久性的支配大范围区域内大气运动的高压或低压。如太平洋副热带高压、格陵兰高压、冰岛低压、阿留申低压等。支配大气运动的大型高、低气压系统。是大气环流的重要组成部分。其位置和强弱反映广大地区大气环流的特点，其变化决定着冷、暖气流和天气、气候的特点。一年四季都存在的大气活动中心称为永久性活动中心，只在一定季节存在的大气活动中心称为半永久性活动中心或季节性活动中心。北半球主要的永久性活动中心有5个,复北冰洋冷高压、冰岛低压、阿留申低压、北大西洋高压和北太平洋高压。季节性活动中心有4个,即冬季的西北利亚高压和加拿大高压、夏季的南亚低压和北美低压。在南半球的永久性活动中心有南太平洋、南大西洋和印度洋3个副热带高压，南极洲冷高压和副极地低压。澳大利亚附近因受大陆影响，冬季为高压，夏季为低压，为季节性活动中心。第一章大气环流七对流层各个层次大气环流的平均状况对流层中层1月第一章大气环流七对流层各个层次大气环流的平均状况对流层中层7月第一章大气环流七对流层各个层次大气环流的平均状况对流层底层1月第一章大气环流七对流层各个层次大气环流的平均状况对流层底层7月第一章大气环流八高空急流的概念和形成原理高空急流是指在对流层上部环绕地球的窄而强的气流带，它的中心最大风速必须大于或等于30m/s，风速水平切变量级为每100km5m/s，垂直切变量级为每千米5～10m/s。副热带急流的成因可以用大气角动量平衡加以说明。由于哈得来环流的作用，低纬度暖空气上升至高空后再向北输送，在高空没有外力矩的作用下，向北输送的空气块要保持绝对角动量守恒。因此,西风(u0)随着气块所处的纬度(φ)增加而加强。西风因纬度增加而增强的数值是可观的，以致在副热带纬度带上空产生了副热带急流。在急流形成的同时，急流轴的南侧向极区行进的空气在该处堆积而下沉，形成了对流层中部和下部副热带高压带。第一章大气环流八高空急流的概念和形成原理极锋急流，主要是靠大气中大尺度涡旋输送能量来维持的。中纬度对流层中、上部的大气经常处于扰动状态，出现各种长波系统。这些扰动在把热量向极地净输送的同时，又把副热带上空的大角动量往极地方向输送，把中、高纬的小角动量往低纬输送，造成角动量向中、高纬的净输送。因此，角动量在中纬度集中，就形成了极锋急流。热带东风急流的形成，同夏季在青藏高原和北非上空对流层上部出现强而稳定的暖性反气旋有关系，在这种反气旋的南侧,出现了很强的气压梯度,往南流的空气在科里奥利力作用下，形成了强大的东风急流。此急流的强度和位置的逐年变化，同印度季风和北非的旱涝有很大关系。第一章大气环流九东亚地区的地形特征和热力特征东亚地区是位于全球最大陆地的东岸，濒临最大的大洋，西部有地形十分复杂的高原。海陆之间的热力差异和高原的热力、动力作用，使得东亚地区称为一个全球著名的季风区，天气气候的差异比同纬度其他地区悬殊得多。第一章大气环流十东亚环流的特点1、在对流层底部，由海陆差异造成东亚的四个大气活动中心（蒙古冷高、阿留申低压，印度热低压和太平洋副热带高压）几乎都是全球最强的气压系统，季节变化也最明显，风系转换也显著。冬季盛行偏北风、偏西风，夏季偏南风、偏东风。冬季天气干冷，夏季湿热，雨量大部分集中在夏季。2、对流层中部，冬季东亚上空500hPa为一脊一槽（脊在高原北部，槽在亚洲沿岸）高空基本气流为西北风。夏季则变成一槽一脊，与冬季的完全是反位相，高空基本气流在30°N以北为西风，30°N以南为偏东风。第二章气团和锋一气团的概念、气团变性和气团的分类气团是指气象要素水平分布比较均匀的大范围的空气团。在同一气团中，各地气象要素的垂直分布几乎相同，天气现象也大致一样。气团的水平尺度可达几千千米，垂直范围可达几千米到十几千米，常常从地面伸展到对流层顶。当气团在广大的源地上取得大致与源地相同的物理属性后，离开源地移至与源地性质不同的下垫面时，二者之间又产生了热量与水分的交换，则气团的物理属性又逐渐发生变化，这种变化称为气团变性。老的气团变性过程亦是新的气团形成的过程。第二章气团和锋一气团的概念、气团变性和气团的分类气团的分类法，主要有按地理分类和按热力分类。1.地理分类法：以北半球为例，北极地区形成的气团称为极地气团；在副热带高压及其以南的广大信风区形成的气团称为热带气团。赤道地区形成的气团成为赤道气团。极地气团和热带气团又有大陆性和海洋性之分。2.热力分类法：根据气团温度和气团所经过的下垫面温度对比来划分的。按照这种分类法，气团可以分为暖气团和冷气团两种类型。当气团向着比它暖的下垫面移动时，称为冷气团，冷气团所经之处气温下降。相反，当气团向着比它冷的下垫面移动时，称为暖气团，所经之处气温将升高。第二章气团和锋二锋面、锋区和锋线的概念天气图上温度水平梯度大而窄的区域，如果它又随高度向冷区倾斜，这样的等温线密集带通常称为锋区。所谓锋区就是密度不同的两个气团之间的过渡区。锋区的宽度约为几十千米到几百千米，一般是上宽下窄，在天气图上由于比例尺小，锋区的宽度表示不出来，可把它看作为空间的一个面，称为锋面。锋面与地面的交线称为锋线。第二章气团和锋三锋面的热力分类根据锋在移动过程中冷、暖气团所占的主、次地位可将锋分为：冷锋、暖锋、准静止锋、锢囚锋。第二章气团和锋三锋面的热力分类冷锋：锋面在移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动，这种锋面称为冷锋。冷锋过境后，冷气团占据原来暖气团所在位置。暖锋：锋面在移动过程中，暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧移动，这种锋面称为暖锋。暖锋过境后，暖气团占据原来冷气团所在位置。准静止锋：当冷暖气团势力相当，锋面移动很少时，称为准静止锋。在这期间，冷暖气团势力相当，互相对峙着，有时冷气团占主导地位，有时暖气团占主导地位，使锋面来回摆动。第二章气团和锋三锋面的热力分类锢囚锋：暖气团、较冷气团和更冷气团（三种性质不同的气团）相遇时先构成两个锋面，然后其中一个锋面追上另一个锋面，即形成锢囚。将冷锋后部冷气团与暖锋前面冷气团的交界面称为锢囚锋。锢囚锋可分为三种，如果暖锋前的冷气团比冷锋后的冷气团更冷，其间的锢囚锋称为暖式锢囚锋；如果冷锋后的冷气团比暖锋前的冷气团更冷，其间的锢囚锋称为冷式锢囚锋；如果锋前后的冷气团属性无大差别，则其间的锢囚锋称为中性锢囚锋。第二章气团和锋四锋面附近气压场、温度场、风场的特征气压场：锋面两侧的气压梯度不连续，等压线通过锋线时产生折角，并且折角指向高压，锋区处在低压槽内。温度场：锋区内温度的水平梯度远比其两侧气团中大；锋区走向与地面锋线基本平行；锋区在空间上是向冷空气一侧倾斜，所以高空图上锋区的位置是偏在地面锋线的冷空气一侧；等压面高度越高，向冷空气一侧偏的越多；等温线越密集，水平温度梯度越大，锋区越强。风场：由于锋线是处于低压槽内，而风场与气压场有地转风近似关系，所以，锋线两侧风场是气旋性切变。第二章气团和锋五各类锋面附近天气现象和锋面降水特征1、冷锋天气1)冷锋前坏天气。当700hPa高空槽线位于地面锋线附近或锋前时，锋前由较远处向锋线一般依次出现下列云系：卷云→卷层云→高层云或复高积云→降水性高层云或雨层云或层积云等。高空槽和冷锋过后，偏北风加大，云层变薄，天气即转好（图2.12）。若冷锋前的暖空气比较干燥，则锋前后均无云，锋面过境只出现风沙或吹雪，这种锋也称为干冷锋。夏半年，暖空气层结不稳定时，由于锋面猛烈抬升，锋前可形成积雨云并伴有雷阵雨天气，如图2.13。第二章气团和锋五各类锋面附近天气现象和锋面降水特征冷锋前坏天气第二章气团和锋五各类锋面附近天气现象和锋面降水特征2)冷锋后坏天气模式，如图2.14所示，当700hPa的高空槽线落在地面锋线的后面时，如果暖空气比较湿而稳定，则锋前的天气由晴转多云天气，冷锋过后，风雨交加，700hPa高空槽过后大雨即停，转为中云天气。待500hPa高空槽过后才会转为晴或高云天气。但在高寒地区，如严冬季节在东北和西北地区，锋上仅有卷层云，也有降雪。如果暖空气已层结不稳定，则在雨层云中可能发展成积雨云和雷阵雨天气。第二章气团和锋五各类锋面附近