天气学第三章(丁)

1、第三章第三章 气旋与反气旋气旋与反气旋3.1 气旋、反气旋的特征和分类气旋、反气旋的特征和分类3.2 涡度和涡度方程涡度和涡度方程3.3 位势倾向方程与位势倾向方程与方程方程3.4 温带气旋与反气旋温带气旋与反气旋3.5 东亚气旋与反气旋东亚气旋与反气旋本章主要内容：本章主要内容：涡度与涡度方程、温带气旋生命史各阶涡度与涡度方程、温带气旋生命史各阶段的温压场特征段的温压场特征3.1 气旋、反气旋的特征和分类一、气璇和反气旋的定义一、气璇和反气旋的定义气旋：气旋是占有三度空间的，在同一高度气旋：气旋是占有三度空间的，在同一高度上中心气压低于四周的流场中的涡旋。涡旋上中心气压低于四周的流场中的涡旋

2、。涡旋中的空气在北半球逆时针旋转，在南半球顺中的空气在北半球逆时针旋转，在南半球顺时针旋转。时针旋转。反气旋：反气旋是占有三度空间的，在同一反气旋：反气旋是占有三度空间的，在同一高度上中心气压高于四周的流场中的涡旋。高度上中心气压高于四周的流场中的涡旋。涡旋中的空气在北半球顺时针旋转，在南半涡旋中的空气在北半球顺时针旋转，在南半球逆时针旋转。球逆时针旋转。 二、气旋和反气旋的水平尺度二、气旋和反气旋的水平尺度 气旋、反气旋的水平尺度以最外围的闭气旋、反气旋的水平尺度以最外围的闭合等压线的直径长度来表示。合等压线的直径长度来表示。平均而言，气旋：平均而言，气旋：1000km-3000km，东亚，

3、东亚气旋比欧洲和北美的水平尺度小；气旋比欧洲和北美的水平尺度小；反气旋：一般较气旋大，大者面积可达亚反气旋：一般较气旋大，大者面积可达亚洲大陆的洲大陆的3/4。三、气旋和反气旋的强度：三、气旋和反气旋的强度：气旋：以气旋中心最低气压值来表示气旋：以气旋中心最低气压值来表示气旋中心气压值越低，气旋越强气旋中心气压值越低，气旋越强反气旋：以气旋中心最高气压值来表示反气旋：以气旋中心最高气压值来表示中心气压值中心气压值 越高，反气旋越强越高，反气旋越强气旋：气旋：970-1010hPa反气旋：反气旋：1020-1030hPa平均而言，温带的气旋和反气旋冬季强于平均而言，温带的气旋和反气旋冬季强于夏季

4、，海上的气旋强于陆上的，陆上的反夏季，海上的气旋强于陆上的，陆上的反气旋强于海上的气旋强于海上的四、气旋和反气旋的分类气旋 地理：热带气旋和温带气旋热力：锋面气旋和无锋气旋反气旋热力：冷性和暖性反气旋地理：极地、温带和副热带反气旋3.2 涡度和涡度方程一、涡度：度量空气块旋转程度和旋转方向的物理量（速度的旋度） 表达式：表达式：kyuxvjxwzuizvywwvuzyxkjiV)()()(（3.1）单位：1/秒 ( 1/s) 量级V/L：大尺度 中尺度 小尺度 在中高纬度434510101010fT=T0 T=T1产生了顺时针旋转由于大气做准水平运动，着重讨论水平面上的旋转，即垂直方向的涡度分

5、量 yuxvzyuxvpP坐标系中相对涡度的垂直分量 eaeaVVV（一）绝对涡度与相对涡度 绝对涡度相对涡度地转涡度两边求1.曲率涡度和切变涡度（自然坐标系中涡度表达式）nVVKnVRVnVsVss2.行星涡度（地转涡度） ：22eeeeeRVRVRV23.绝对涡度垂直分量 ：sin2)()(sin2)()(ppazza f=2sin为行星涡度的垂直分量，又称地转参数（二）地转风涡度（二）地转风涡度 ：以地转风代替实际：以地转风代替实际风，得地转风涡度风，得地转风涡度)(8 . 9)(22222222yHxHfyzxzfgyuxvgggT=T0 T=T1产生了顺时针旋转二、涡度方程（p坐标）

6、（一） 方程的推导y1)(x)2(的涡度有关可：要想上两式与垂直方向fuyzgpvyvvxvutvfvxzgpuyuvxuutuyuxvz垂直方向上的涡度(1)(2)()()()(yvxufpvxpuydtfdyvxufpvxpuypyfvxfuyvxutp坐标涡度方程涡度倾侧项散度项绝对涡度个别变化)()()()(yvxufpvxpuypyfvxfuyvxut涡度局地变化相对涡度平流涡度倾侧项地转涡度平流散度项涡度垂直输送0t表示气旋性涡度增加，反气旋性涡度减小0t表示反气旋性涡度增加，气旋性涡度减小（二）涡度方程的物理意义（二）涡度方程的物理意义1.涡度的局地变化涡度的局地变化2.涡度倾侧

7、项)(pvxpuy由于垂直速度在水平方向分布不均匀，使涡度水平分量转化为铅直分量)(yvxu3.绝对涡度与水平散度a)相对涡度与水平散度0时，水平辐散使气旋性涡度减小0, 0当V0时，气块f增大，为保持绝对涡度守恒，气块必须减小，使得局地相对涡度减小vyfvxfu)(6.涡度垂直输送p相对涡度随高度减小 0，局地涡度减小0p0p相对涡度随高度增加 0，局地涡度增加(三)涡度方程的简化0)()()()()(dtfdyvxufdtfdfyvxufdtfd，有当大气准水平无辐散时有又因为水平无辐散大气中绝对涡度守恒相对涡度的局地变化主要由涡度的平流变化，空气微团的南北运动以及水平辐合辐散造成)()(

8、)()(yvxufpvxpuypyfvxfuyvxut0)(dtfd空气块A在西风气流下受到南北扰动后的路径3.3 位势倾向方程与方程pffVtggg)(一、位势倾向方程由准地转涡度方程以地转风公式代入，得热流量方程为pffVftgg22)(dtdQTcpVtp1)(1dtdQppcRfpVpffVftpfpggg222222)()()(位势倾向方程)()()(22222pVpffVftpfggg位势倾向方程（不考虑非绝热加热项）地转涡度和相对涡度的地转风平流厚度（温度）平流随高度的变化项方程左端：ttfmlktpf)()(22222222方程右端：gggggVfVfV)(地转涡度和相对涡度的

9、地转风平流非绝热加热随高度的变化项非绝热加热随高度的变化项dtdQp对于一般 波长3000km的波，地转风绝对涡度平流的强弱主要取决于地转风相对涡度平流地转风相对涡度平流TVTVpRpVggg厚度（温度）平流随高度的变化项厚度（温度）平流随高度的变化项对于一般 波长3000km的波，引起位势高度 变化的物理解释：槽前脊后：借助西南风将正相对涡度从大的往小的方向输送，使得槽前脊后固定点正相对涡度增加，同时在水平地转偏向力作用下伴随水平辐散，引起低层气柱质量减少、降压，出现负变压中心，有变压风辐合；其高层水平辐散，导致上升运动，上升绝热膨胀冷却，气柱降温，等压面间厚度减小，气柱收缩，高层等压面高度

10、降低，即 ；槽脊线上变高为零，即 0t0t槽后脊前：借助西北风将负相对涡度从大的往小的方向输送，使得槽后脊前固定点负相对涡度增加，同时在水平地转偏向力作用下伴随水平辐合，引起低层气柱质量增加、加压，出现正变压中心，有变压风辐散；其高层水平辐合，导致下沉运动，下沉绝热增温，气柱增温，等压面间厚度增大，气柱膨胀，高层等压面高度升高，即 ；槽脊线上变高为零，即 0t0t 厚度（温度）平流随高度的变化项)(pVpgTVTVpRpVggg若有冷平流随高度减弱0)(pVpg0t若有暖平流随高度减弱0)(pVpg0t实际大气，对流层中温度平流随高度减弱，尤为对流层中上层。物理解释：低压中心左部与高压中心右部

11、之间对应500hPa 槽线处，风随高度逆转，此气层有冷平流，气柱降温（降温反映500hPa以下气柱明显降温）收缩， 500hPa 等压面槽线处位势高度降低，槽加深；相反低压中心右半部与高压中心左半部之间对应 500hPa脊线处 ，风随高度顺转，此气层有暖平流，气柱增温（增温反映500hPa以下气柱明显增温）膨胀， 500hPa 等压面脊线处位势高度增加，脊加强非绝热加热随高度的变化项dtdQp0dtdQp0dtdQp非绝热加热随高度增加，等压面高度降低非绝热加热随高度减小，等压面高度升高二、方程下式对p求偏导并利用静力方程，得2222)(pffVpftggpffVftgg22)(2222)(d

12、tdQpcRVtpgdtdQpcRVtpg对下式求拉普拉斯得dtdQpcRVfVpfpfpggg222222)()(方程或dtdQpcRpVfVpfpfpggg222222)()(2202222222)()2()2()(ApfLLpfyx方程左端)(ggfVpf方程右端涡度平流随高度的变化项涡度平流随高度增加（随气压减小）时，有上升运动涡度平流随高度减小（随气压增加）时，有下沉运动0,0)(ggfVp0,0)(ggfVp地面气旋上空高空处在槽前脊后（前），正相对涡度随高度增加，使得固定点正相对涡度随高度增加，同时在水平地转偏向力作用下，伴随水平辐散随高度增加，必伴有上升运动。地面反气旋上空高空

13、处在槽后脊前，负相对涡度随高度增加，使得固定点负相对涡度随高度增加，同时在水平地转偏向力作用下，伴随水平辐合随高度增加，必伴有下降运动。地面气旋反气旋中心涡度平流很弱，高空槽前为正涡度平流，槽后为负涡度平流，所以地面气旋中心对应有上升运动，反气旋中心对应有下沉运动，槽线位置高层和低层的涡度平流都很弱，因此涡度平流随高度变化项对槽线上垂直运动不起作用厚度（温度）平流的拉普拉斯pVg2TVpRpVpVggg2暖平流区有上升运动冷平流区有下沉运动0,0TVg0,0TVg低压中心左部与高压中心右部之间上空对应槽线处附近，风随高度逆转，有冷平流，伴有下沉运动。低压中心右部与高压中心左部之间上空对应脊线处

14、附近，风随高度顺转，有暖平流，伴有上升运动。 暖平流区，500hPa等压面升高，温压场不平衡，在气压梯度力作用下，产生水平辐散，高层有正变高，低层有负变压，产生辐合，为保持质量连续，必产生补偿性上升运动非绝热加热的拉普拉斯dtdQpcRp2dtdQdtdQ2非绝热加热区，有上升运动非绝热冷却区，有下沉运动0,0dtdQ0,0dtdQ加热区，500hPa等压面升高，温压场不平衡，在气压梯度力作用下，产生水平辐散，为保持质量连续，必产生补偿性上升运动3.4 温带气旋与反气旋一、温带气旋生命史四个阶段：波动阶段发展阶段锢囚阶段消亡阶段二、温带气旋的发展二、温带气旋的发展基本概念基本概念准地转适应准地

15、转适应（流线与等高线平行）（流线与等高线平行）斜压性斜压性（等压面上有等温线，等温线越密集，（等压面上有等温线，等温线越密集，温度梯度越大，热成风越大，斜压性越强）温度梯度越大，热成风越大，斜压性越强）高低层配置高低层配置（低层：地面，高层：（低层：地面，高层：500hPa）影响气旋发展的主要因子：影响气旋发展的主要因子：热力因子热力因子（冷暖平流）（冷暖平流）动力因子动力因子（涡度平流）（涡度平流）（一）（一）斜压系统斜压系统发展的物理过程及发展因子发展的物理过程及发展因子温带气旋主要是在锋区发展起来的，有很大斜温带气旋主要是在锋区发展起来的，有很大斜压性，温度场位相落后于高度场，高空槽前地

16、压性，温度场位相落后于高度场，高空槽前地面为气旋，槽后地面为反气旋。面为气旋，槽后地面为反气旋。地转适应槽前槽前正涡度平流高层风场不适应气压场气旋性涡度增加由地转偏向力产生高层辐散气柱质量减小（低层减压）低层气压场不适应风场由气压梯度力产生低层辐合产生上升运动达达到到新新的的适适应应适应原理适应原理高层辐散负涡度延缓正涡度的增加；上升冷却，气柱厚度减小，气压场与风场适应；低层质量辐合（补偿），在地转偏向力的作用下产生风场向气压场的适应）高高空空槽槽前：前：总结：槽前正涡度平流，促使地面气旋发展并产生上升运动总结：槽前正涡度平流，促使地面气旋发展并产生上升运动 槽后负涡度平流，促使地面反气旋发展

17、并产生下沉运动槽后负涡度平流，促使地面反气旋发展并产生下沉运动高空高空槽区：槽区：槽中冷平流等压面间厚度降低气压场不适应风场在气压梯度力的作用下产生高层辐合地面加压气压场不适应风场在气压梯度力的作用下产生低层辐散高层辐合低层辐散产生下沉运动达到新的地转平衡适应原理：适应原理：高层辐合有气旋性环流使风场向气压场适应，下沉运动绝热增温抵消了冷平流的作用，使地面加压不致过快；低层辐散有反气旋环流使风场向气压场适应以及补偿作用使地面加压不致过快总结：槽中冷平流产生下沉运动并使高空槽加深总结：槽中冷平流产生下沉运动并使高空槽加深。 脊区有暖平流产生上升运动，使高压脊发展脊区有暖平流产生上升运动，使高压脊

18、发展高空形势：温度场落后高度场高空由于涡度平流和冷暖平流而造成的附加流场和变高由于高空动力和热力因子所造成地面的变压和流场冷平流造成的负变高暖平流造成的正变高正涡度平流造成的附加气旋式流场负涡度平流造成的附加反气旋式流场高空，辐散有反气旋性涡度生成，以使气旋性涡度增加不会太快地面，辐合对应有气旋性涡度生成，以适应气压场地面，辐散对应有反气旋性涡度生成，以适应气压场高空，辐合有气旋性涡度生成，以使反气旋性涡度增加不会太快结论（高空槽前后）：结论（高空槽前后）：1 槽前正涡度平流使地面气旋发展，槽后负槽前正涡度平流使地面气旋发展，槽后负涡度平流使地面反气旋发展涡度平流使地面反气旋发展2 槽前正涡度

19、平流使槽前有负变高，槽后负槽前正涡度平流使槽前有负变高，槽后负涡度平流使槽后有正变高涡度平流使槽后有正变高3 气旋发展必伴有上升运动的发展，反气旋气旋发展必伴有上升运动的发展，反气旋发展必伴有下沉运动的发展发展必伴有下沉运动的发展4 流场与气压场从不适应到达到新的平衡流场与气压场从不适应到达到新的平衡地面，辐散对应有反气旋性涡度生成，以适应气压场，反气旋发展地面，辐合对应有气旋性涡度生成，以适应气压场，气旋发展冷平流区，500hPa等压面下降，温压场不平衡，在气压梯度力作用下，产生水平辐合，高层有负变高，低层有正变压，产生辐散，为保持质量连续，必产生补偿性下沉运动结论（槽区）：结论（槽区）：1

20、 槽区冷平流使槽加深，地面气旋后部槽区冷平流使槽加深，地面气旋后部出现正变压出现正变压2 脊区暖平流使脊加强，地面气旋前部脊区暖平流使脊加强，地面气旋前部出现负变压出现负变压地面：气旋后部，反气旋前部为冷平流加压反气旋后部，气旋前部为暖平流减压气旋中心和反气旋中心没有温度平流，热力因子不起作用槽前脊后正涡度平流使地面减压槽后脊前负涡度平流使地面加压热力因子使地面系统前移动力因子使地面系统发展高空：暖平流使脊加强冷平流使槽加深槽前脊后正涡度平流使槽前出现负变高槽后脊前负涡度平流使槽后出现正变高动力因子使槽脊前移热力因子使槽脊发展非绝热加热因子对气旋发展的作用：若有足够水汽，则上升运动区有水汽凝结

21、，潜热释放，会部分抵消上升绝热膨胀冷却的作用，气柱降温不至于太快，高层减压变慢，使得高层可维持较强的辐散，使低层减压增强，气旋发展更快，上升运动也增强 原先地面上有一条静止锋，锋北面是冷空气，锋南面是暖空气，冷空气自东向西运动，暖空气自西向东运动，当冷空气向南插入锋下，暖空气向北抬升，并出现12条闭合等压线波动阶段温度场落后于高度场，地面气旋位于高空槽前，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动力因子使地面气旋发展，高空系统移动。热力因子使地面气旋移动，高空槽加深但高空未出现闭合等高线天气：气旋强度不大，坏天气区域小暖锋前：雨层云，连续性降水，较坏能见度冷锋后：二型冷锋暖区：层

22、云、层积云、雾，毛毛雨，或较薄云层 随着波动的发展，气压进一步下降，闭合等压线增加，冷空气进一步向南推进，冷锋附近出现阵雨或阵雪，暖锋前也出现降水，降水区域扩大。随着气旋的发展，低层扰动逐渐向高层发展，气流作螺旋式的上升，高空低槽也逐步加深。发展阶段温度场仍落后于高度场，但低中心和冷中心比前温度场仍落后于高度场，但低中心和冷中心比前一阶段接近，高空图上等高线曲率加大，地面闭一阶段接近，高空图上等高线曲率加大，地面闭合等压线增多，气旋前部为暖平流后部为冷平流，合等压线增多，气旋前部为暖平流后部为冷平流，动力因子使地面气旋发展，高空系统移动。热力动力因子使地面气旋发展，高空系统移动。热力因子使地面

23、气旋移动，高空槽加深因子使地面气旋移动，高空槽加深天气：气旋强度加大，风速加大暖锋前：暖锋云系，向前伸展很远，离中心越近，云区越宽 冷锋后：视高空槽与地面锋位置而定一型或二型冷锋 气旋发展至最盛时期，自地面到500毫巴高度均已成为圆形闭合环流。地面冷锋逐渐追上暖锋，并将地面暖空气上抬，气旋开始锢囚。这时，云雨范围最大，强度加强，风力增大，天气变化最剧烈。但由于地面已为冷空气所占据，成为冷性涡旋，因而气旋开始减弱锢囚阶段温度场仍落后于高度场，但低中心和冷中心更加接近，高空图上出现闭合中心，涡度平流和温度平流开始减弱，减压作用开始偏离气旋中心。地面气旋中心也发展到最强阶段，闭合等压线增多，气旋开始

24、锢囚，冷平流侵入气旋南部地面低层已经被冷空气所控制，摩擦作用相对增大为主要因子天气：地面风速加大，上升气流强，水汽充沛时云和降水加剧，云系对称分布于锢囚锋两侧 气旋发展的最后阶段，暖空气仅残留在地面东南角，低层整个气旋中心辐合加强，地面加压，已变为冷性涡旋，低压中心部位开始填塞。从地面到500毫巴左右的闭合环流减弱，上升运动已消失，气旋减弱，以至消亡消亡阶段高空温压场近于重合，成为一个深厚的冷性涡旋，锋面移出，动力和热力因子迅速减弱，摩擦作用使气旋消亡天气：云、降水减弱，云底抬高卫星云图上云消散温带反气旋生命史分三个阶段：初生阶段发展阶段消亡阶段 温度场落后于高度场，地面高压脊位于高空高压脊前

25、部，地面气旋后部的冷气团南缘为通过地面气旋的锋带 地面反气旋发展到最盛期，有闭合中心、闭合等压地面反气旋发展到最盛期，有闭合中心、闭合等压线，线，500hPa也出现闭合等高线，温压场形势与初生也出现闭合等高线，温压场形势与初生阶段类似，但温度场中心与高度场中心接近。动力阶段类似，但温度场中心与高度场中心接近。动力因子和热力因子达到最强后开始减弱因子和热力因子达到最强后开始减弱 转为暖性反气旋或并入副热带高压中气旋再生：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再生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以气旋、反气旋的空气运动特征为背景的气团天气和锋面天气的综合气旋：逆时针气流，对应有辐合上升运动反气旋：顺时针气流，对应有辐散下沉运动 热低压：一种无锋气旋，一般只出现在近地面层，34km就不明显的暖性低压系统，浅薄少移动。 分为：地方性热低压和锋前热低压3.5 东亚气旋与反气旋一、东亚气旋的源地、路径和移速一、东亚气旋的源地、路径和移速1、源地：两个发生频率最大地带30-35N,45-50N东亚地区气旋主要发生地区：南方气旋（25-35N）：江淮气旋和东海气旋北方气旋（45-55N）：蒙古气旋 东北气旋 黄河气旋 黄海气旋2、东亚气旋的路径：日本以东或东南方洋面；我国东北地区；朝鲜、日