天气学原理

天气学原理基础一、大气运动的基本特征1、真实力：气压梯度力、地心引力、摩擦力（1）气压梯度力：作用于单位质量气块上的净压力，由于气压分布不均匀而产生（2）地心引力：地球对单位质量空气的万有引力不变，指向地心。（3）摩擦力：单位质量空气受到的净粘滞力一般只在行星边界层（摩擦层）考虑摩擦作用，自由大气中则忽略摩擦作用。2、视示力：惯性离心力、地转偏向力惯性离心力：地球受到了向心力的作用却不作加速运动，违背牛顿第二定律，为了解释这种现象引入惯性离心力，其大小与向心力相等而方向相反地转偏向力(科氏力）：观测者站在旋转地球上观测单位质量空气块运动，发现在北半球有一个向右偏的力，在南半球向左偏的力。称此力为地转偏向力，又名科氏力。由于坐标系的旋转导致物体没有受力却出现加速度，违背牛顿第二定律，从而引入，以使牛顿运动定律在旋转参考系中成立地转偏向力的特点：在纬圈平面内；只改变气块运动方向，不改变其速度大小；在北半球，地转偏向力指向运动方向右侧，在南半球，地转偏向力指向运动方向左侧；地转偏向力的大小与相对速度成正比重力：地心引力与惯性离心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大重力是垂直方向上的，而大气运动是准水平的；科氏力始终垂直于速度方向，故只改变方向，不作功；所以，引起大气运动的最重要作用是：由于压力分布不均匀而产生的压力梯度力（热力作用引起的）。3、控制大气运动的基本规律：能量守恒、质量守恒、动量守恒牛顿第二运动定律——运动方程质量守恒定律——连续方程能量守恒定律——热力学能量方程气体实验定律——气体状态方程4、地转风地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。风沿等压线（等高线、等位势线）吹，背风而立低压在左高压在右地转风性质：1）地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下近似成立的赤道上（φ=0）水平地转偏向力为零，地转风不存在2）地转风的大小与水平气压梯度力成正比3）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律）4）地转风速大小与纬度成反比，但在赤道上=0地转平衡不成立。无科氏力存在，所以低纬度不能用地转风近似。5、梯度风空气块作曲线运动，风沿等压线或等位势线吹，在三个力，即水平气压梯度力、水平地转偏向力、惯性离心力的作用下风呈气旋性弯曲（逆时针旋转）或反气旋性弯曲（顺时针旋转），这种风称为梯度风。（1）适用范围：北半球中高纬地区，大尺度系统运动，曲线运动，三力平衡。（2）气压场风场高压周围的风场是顺时针旋转，低压周围的风场是逆时针旋转。流线与轨迹：（1）定义流线：是指在某一固定时刻，处处与风向相切并指向气流方向的曲线。轨迹：是指在某一段时间内个别空气块运动的路径。（2）流线能表现在某一时刻的天气图上，而轨迹却不能。所以日常中，等压线、等高线近似为流线，不能当作轨迹线。6、热成风：地转风随高度的改变量（1）适用范围：北半球中高纬度地区，自由大气中大尺度系统。（2）大小：a．与纬度成反比，与等厚度线的疏密成正比b．与纬度、等压面差距、温度有关（3）方向热成风沿气层的等厚度线（等平均温度线）吹，背风而立，厚度（平均温度）高的在右。地转风随高度顺转有暖平流，地转风随高度逆转有冷平流正压大气：大气中密度的分布仅仅随着气压而变，等压面和等密度面（等温面）重合，没有热成风斜压大气：大气中密度的分布不仅随气压变化，还随温度变化。等压面和等密度面（或等温面）是相交的。等压面上具有温度梯度，地转风随高度变化，就有热成风热成风存在于斜压大气中7、地转偏差实际风与地转风之差称为地转偏差。地转偏差很小，但很重要地转偏差对大气运动的演变有极为重要的作用。地转偏差使空气微团穿越等压线引起质量的重新分布，造成风压场的变化，是天气系统演变的一个动力因子。摩擦层中的地转偏差：垂直于摩擦力的方向，指向摩擦力方向右侧。风向比应有的梯度风风速小，指向低压。摩擦层中由于摩擦作用，低压辐合上升，高压辐散下沉。自由大气中的地转偏差：梯度力和地转偏向力不平衡时，产生加速度。地转偏差垂直于加速度的方向，并指向加速度方向的左方一般来说，中纬度对流层中，高层以法向和切向地转偏差造成的辐合辐散为主，低层以变压风造成的辐合辐散为主，所以在高层槽前脊后辐散，槽后脊前辐合；在低层槽前脊后辐合，槽后脊前辐散。因此，槽前脊后低层辐合，高层辐散，有上升运动；槽后脊前低层辐散，高层辐合，有下沉运动二、气团与锋1、气团定义：气象要素水平分布比较均匀的大范围的空气团。尺度：水平方向数千公里，垂直范围可达几公里到十几公里。气团控制的天气：水平方向：天气现象基本相同，温湿分布均匀；垂直方向：气象要素分布相同（包括稳定度）气团源地：具有形成气团温、湿属性比较均匀条件的地区。形成条件：性质均匀的广阔的地球表面，下沉辐散，稳定的环流方式：各种尺度的湍流、系统性垂直运动、蒸发、凝结和辐射等物理过程分类：地理分类法：北极气团（冰洋气团）、极地气团、热带气团、赤道气团。极地气团和热带气团又有大陆性和海洋性之分。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。冬季：极地大陆气团和热带海洋气团、北极气团夏季：西伯利亚气团、热带海洋气团、热带大陆气团、赤道气团春季：西伯利亚气团、热带海洋气团秋季：变性西伯利亚气团主导，热带海洋气团。2、锋锋：冷暖气流相遇所形成的狭窄过渡带锋区：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空气团一侧倾钭，这样的等温线密集带通常称为锋区。实际上，锋区就是密度不同的两个气团之间的过渡区。水平宽度约几十到几百公里，一般上宽下窄。锋面：由于锋区的宽度同气团宽度相比显得很狭窄，因而常把锋区看成是空间一个面锋线：锋面与地面的交线锋面的坡度公式1）其他条件不变，锋面坡度随纬度增高而增大。赤道上，没有锋面存在2）锋两侧温差越大坡度越小，温差为零则不会有锋面3）锋两侧风速差为零时，锋面不存在；锋存在时，两侧平行于它的地转风分速应具有气旋式切变。锋面坡度与锋面两侧风速差成正比4）冷暖气团的平均温度越高坡度越大分类：按移动过程中冷、暖气团所占地位：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运动暖锋：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运动静止锋：冷暖气团势力相当，锋面移动很少锢囚锋：暖气团、较冷气团、更冷气团相遇时先构成两个锋面，然后其中一个追上另一个锋面即形成锢囚。按锋伸展高度：对流层锋、地面锋、高空锋按气团的不同地理类型：冰洋锋（北极锋）、极锋、副热带（热带）锋锋面附近气压场、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。风随高度顺转，暖平流最强且热成风最大的高度为高空暖锋区；风随高度逆转，冷平流最强且热成风最大的高度为高空冷锋区；热成风很大而无明显平流，可能是静止锋地面图上确定锋面：温度、露点、气压和风、变压、云和降水。锋面天气的输送带模式输送带是指以天气系统为坐标系的相对气流，它们是系统内产生云和雨区的主要气流。分为暖输送带：向后上滑暖输送带、向前上滑暖输送带和冷输送带锋生、锋消锋生：指密度不连续性形成的一种过程或指已经有的一条锋面，其温度或位温水平梯度加大的过程。锋消：指作用相反的过程锋生带概况：南方锋生带：华南到长江流域；北方锋生带：河西走廊到东北锋生时的温压场形势高空温压场——锋生区的上空有低槽移入和发展地面气压场——地面天气图上，锋生常发生在低压或低槽中锋生时气象要素的变化变压场——冷锋锋生前，地面常有明显的正3h变压出现；暖锋锋生前，地面常有明显的负3h变压出现风场——江南地区，暖锋锋生前常有明显的气旋性风切变天气状况——锋生前天气有明显变化锋消概况：我国主要锋消区：青藏高原以东30-40ºN三、气旋与反气旋1、气旋（反气旋）是占有三度空间的，在同一高度上中心气压低（高）于四周的流场中的涡旋。气旋在北半球逆（顺）时针旋转，在南半球相反。温带的气旋和反气旋冬季强于夏季，海上的气旋强于陆上的，陆上的反气旋强于海上的气旋按地理分为热带气旋和温带气旋；按热力结构分为锋面气旋和无锋气旋反气旋地理分为极地、温带和副热带反气旋；按热力结构分为冷性和暖性反气旋2、涡度方程、位势倾向方程、ω方程涡度：表示流体质块的旋转程度和旋转方向水平无辐散大气中绝对涡度守恒地转风绝对涡度平流可分为地转涡度的地转风平流和相对涡度的地转风平流判断槽脊移动：波长3000km的短波，以相对涡度平流为主槽前脊后：正相对涡度平流，有负变高；槽后脊前：负相对涡度平流，有正变、、、、、、、、、、、、、、、槽线、脊线：相对涡度平流为0，等压面高度没有变化，槽脊不会发展，而是向前移动。波长3000km的长波，以地转涡度平流为主槽前脊后：有偏南风时，有正变高槽后脊前：有偏北风时，有负变高槽线、脊线上无变高，槽无加深减弱，向后移动即向西移动。自由大气中，温度平流总是随高度减弱的，若有暖平流时，等压面升高；若有冷平流，等压面降低。正涡度平流随高度增加，有上升运动槽前脊后，暖平流，有上升运动槽后脊前，冷平流，有下沉运动3、动力因子和热力因子动力因子（涡度因子）－－相对涡度平流主要是高空槽前的正涡度平流促使了地面气旋的发展。也可以说，是上下层涡度平流的差异(地面低压中心涡度平流很弱)促使了地面气旋的发展。我们称它为气压变化的动力因子，也称涡度因子。高空槽脊向前移动，地面气旋、反气旋加强发展。热力因子——温度平流地面气旋后部，反气旋前部为冷平流加压；气旋前部，反气旋后部为暖平流减压，分别使气旋和反气旋向前移动。在高空相反，冷平流使槽加深，暖平流使脊加强。4、温带气旋的发展阶段和温压场波动阶段：温度场落后于高度场，地面气旋位于高空槽前；但高空未出现闭合等高线。温度平流零线穿过气旋中心，气旋前部为暖平流，后部为冷平流。成熟阶段：高空槽加深并已出现闭合中心，温度场仍落后于高度场，但两者比前一阶段接近。锢囚阶段：高空槽出现闭合中心，温度场仍落后于高度场，但低中心和冷中心更加接近。地面气旋发展到最强阶段，开始锢囚。消亡阶段：高空温压场近于重合，成为一个深厚的冷低压。地面气旋也变成一冷低压，锋面移到气旋的外围。反气旋：初生阶段、发展阶段、消亡阶段5、气旋再生、气旋族、热低压和爆发性气旋的含义气旋再生：趋于消亡或已经消亡的气旋在一定的条件下又重新发展起来的过程。有三类——副冷锋加入后再生、气旋入海后加强、两个锢囚气旋合并加强。气旋族：在同一条锋系上出现的气旋序列热低压：一种无锋面气旋，由于近地面加热，一般只出现在近地面层（700hPa以下），3－4km就不明显的暖性低压系统，浅薄而少移动。通常可分为地方性热低压和锋前热低压。爆发性气旋：温带气旋移出陆地后常突然猛烈加强，中心气压24h下降大于24hPa。6、北方气旋、南方气旋南方气旋（25º-35ºN）：江淮气旋（发生地主要在长江中下游、淮河流域和湘赣地区）和东海气旋（活动于东海地区，有的是江淮气旋东移入海后而改称的，有的是在东海地区生产的）北方气旋（45º-55ºN）：蒙古气旋（多生成在蒙古中部、东部）、东北气旋（又称东北低压，多系蒙古气旋或河套、华北以及渤海等地气旋移到东北地区而改称的）、黄河气旋（生成于河套及黄河下游地区）和黄海气旋（生成于黄海和由内陆移来的气旋）7、倒槽锋生型气旋江淮气旋：静止锋上波动、倒槽锋生倒槽锋生型：地面变性高压东移入海后，由于高空南支锋区上西南气流将暖空气向北输送地面减压形成倒槽并东伸。这时在北支锋区上有一小槽从西北移来，在地面上配合有一条冷锋和锋后冷高压。