第5章1天气系统

第五章

天气系统王锡平河北师范大学第一节

天气系统发生发展的背景天气

一定区域短时段内的大气状态（如冷暖、风雨、干湿、阴晴等）及其变化的总称。天气可以理解为天气现象和天气过程（演变过程）的统称。天气系统

引起天气变化和分布的高压、低压和高压脊、低压槽等具有典型特征的大气运动系统各种天气系统具有一定的空间尺度和时间尺度：即一个系统在空间上的大小，或者在时间上持续的长短。如大气波动的一个波长、大气涡旋的直径；天气系统从生成、发展到衰亡所经历的时间作为系统的时间尺度。>20002000-200200-10天气系统总是处在不断新生、发展和消亡过程中，在不同发展阶段有其相对应的天气现象分布。一个地区的天气和天气变化是同天气系统及其发展阶段相联系的，是大气的动力过程和热力过程的综合结果各类天气系统都是在一定的大气环流和地理环境中形成、发展和演变着。反映着一定地区的环境特性。极区及其周围终年覆盖着冰雪，空气严寒、干燥，为极区低空冷高压和高空极涡、低槽形成、发展的背景条件。赤道和低纬地区终年高温、潮湿，大气处于不稳定状态，是对流性天气系统产生、发展的必要条件。中高纬度是冷、暖气流经常交绥地带，不仅冷暖气团你来我往交替频繁，而且其斜压不稳定，是锋面、气旋系统得以形成、发展的重要基础。天气系统的形成和活动反过来又会给地理环境的结构和演变以深刻影响。------本章-----天气系统的形成、结构、运动变化规律*斜压:等压面与等温面相交的大气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。在一定范围内水平方向上------物理属性相对均匀的大块空气物理属性很不均匀的狭窄空气带一、气团气象要素（主要指温度、湿度和大气静力稳定度）在水平分布上比较均匀的大范围空气团。其水平范围从几百千米到几千千米，垂直范围可达几千米到十几千米。同一气团内的温度水平梯度一般小于1－2℃/100㎞，垂直稳定度及天气现象也都变化不大。（一）气团的形成气团的源地是指最初形成气团的地域。气团的形成是大范围空气取得比较均匀的热力属性的过程。气团形成的两个条件1、范围广阔、地表性质比较均一的下垫面.如辽阔的海洋、无垠的大沙漠、冰雪覆盖的大陆和极区等等都可成为气团形成的源地。2、使大范围空气能较长时间停留在均匀的下垫面上的环流条件.以使空气能有充分时间和下垫面交换热量和水汽，取得和下垫面相近的物理特性。

下垫面原因：地球所获得的热量来源于太阳辐射，但大气所获得的热量和水分却主要来自于下垫面，下垫面的性质决定着气团的属性。冰雪覆盖的地区冷而干的气团why？水汽充沛的热带海洋暖而湿的气团沙漠或干燥大陆上干而热的气团2、必须有使大范围空气能较长时间停留在均匀的下垫面上的环流条件，以使空气能有充分时间和下垫面交换热量和水汽，取得和下垫面相近的物理特性。

比如缓行的高压（反气旋）系统（高纬度地区的准静止冷高压和副热带高压等），在其控制的区域不仅能使空气有充足的时间同下垫面进行热量和水分交换，以获得下垫面属性，而且高压中的低空辐散流场利于空气温度、湿度的水平梯度减小，趋势于均匀化，形成气团形成的环流条件。

气团形成的过程：在具备条件的情况下，主要通过大气中各种尺度的湍流、大范围系统性垂直运动以及蒸发、凝结和辐射等动力、热力过程而与地表间进行水汽和热量交换。并经过足够长的时间来获得下垫面的属性影响。此外，空气中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，并可能引起气团稳定度的变化。（二）气团的变性气团由源地移行到另一个新的地区时，由于下垫面性质以及物理过程的改变，气团的属性也随之发生相应的变化，这种气团原有物理属性的改变过程称为气团的变性。

通过湍流、大范围垂直运动和蒸发、凝结、辐射等物理过程来实现。气团变性的快慢和变性程度的大小，取决于流经地区下垫面性质和气团源地下垫面性质差异的大小，离开源地的时间长短以及空气运动状态的变化等。还有气团本身变性难易程度不一样冷-暖；干-湿思考题：冷气团更容易变性还是暖气团（考虑稳定度）？干气团变湿容易还是湿气团变干容易（考虑蒸发和凝结过程）？气团总是随着大气的运动而不停地移动着，停滞或缓行的状态只是暂时的，相对的。因而气团的变性是经常的，绝对的。而气团的形成只是不断变性过程中的一个相对稳定阶段。日常所见到的气团大多是已经离开源地而有不同程度变性的气团。119（三）气团的分类根据:气团的特性、分布、移动规律1、地理分类法2、热力分类法1、地理分类法

根据气团源地的地理位置和下垫面性质进行分类。

按纬度,四个基本类型：冰洋气团（两极）极地气团（中纬度）热带气团赤道气团按海陆性质,二个基本类型:海洋型大陆型中纬地区？地理分类法的优点是能够直接从气团源地了解气团的主要特征，不易区分相邻的两气团的属性，也无法表示气团离开源地后的属性变化。2、根据气团流经地区下垫面间热力对比进行分类---热力分类法凡是气团向着比它冷的下垫面移动时，即气团温度高于下垫面的温度称为暖气团；相反，凡是向着比它暖的下垫面移动时，即气团温度低于流经地区下垫面温度，称为冷气团。或与相邻气团间温度对比区分冷、热气团暖气团一般含有丰富的水汽，容易形成云雨天气。但是，当其移向冷区（高纬度）时，气团趋于稳定（？），如果暖气团中湍流作用较强，也可能形成层云、层积云，甚至毛毛雨、小雨等天气。冷气团一般形成干冷天气。可能发展成不稳定天气（为什么？）。如果水汽较多，可能出现积状云，产生阵性降水天气冷暖气团的天气特征在不同季节、不同下垫面可能有所差别。夏季的暖气团，水汽含量丰富，如被地形或外力抬升时，可以出现不稳定天气。冬季的冷气团不仅水汽含量少而且气层非常稳定，可能出现稳定性天气。同时，冷暖气团在不同纬度所产生的天气也不完全一样。（四）影响中国的气团

我国的大部分地区处于中纬度，冷、暖气流交绥频繁，缺少气团形成的环流条件。同时，地表性质复杂，没有大范围均匀的下垫面作为气团源地。我国境内，大多是从其它地区移来的变性气团，最主要的是极地大陆（变性）气团和热带海洋气团。冰洋（北极、南极）大陆气团Ac冰洋北极、南极）海洋气团Am极地中纬度或温带）大陆气团Pc极地中纬度或温带）海洋气团Pm热带大陆气团Tc热带海洋气团Tm赤道气团E冬季北半球冬季南半球冰洋（北极、南极）大陆气团Ac冰洋北极、南极）海洋气团Am极地中纬度或温带）陆气团Pc极地中纬度或温带）海洋气团Pm热带大陆气团Tc热带海洋气团Tm赤道气团E夏季北半球夏季南半球二、锋锋是冷暖气团相交绥的地带，是温带地区常见的天气系统。（一）锋的概念锋带地区冷、暖空气异常活跃，常常形成广阔的云系和降水天气，有时还出现大风、降温和雷暴等剧烈天气现象。因此，锋是温带地区重要的天气系统。锋的水平范围与气团水平尺度相当，长达几百千米到几千千米。水平宽度在近地面层一般为几十千米，窄的只有几千米，宽者也不过几百千米，到高空增宽，可达200—400km，甚至更宽些。锋的宽度同气团宽度相比显得很狭窄，因而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为锋线，锋面和锋线统称锋。锋向空间伸展的高度视气团的高度而有不同，凡伸展到对流层中上层者，称对流层锋，仅限于对流层低层（1.5km以下）者，称近地面锋。锋具有一定的厚度并在空间呈倾斜状态，随高度它总是向冷气团一侧倾斜。锋的下方为冷气团，上方为暖气团。靠近冷气团一侧的界面叫下界，靠近暖气团一侧的界面叫上界。（二）锋的分类根据锋在移动过程中冷、暖气团所占的主次地位，可将锋分为四种类型:冷锋（coldfront）暖锋（wormfront）准静止锋（stationaryfront）锢囚锋（occludedfront）。（1）冷锋锋面在移动的过程中，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。（2）暖锋锋面在移动的过程中，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。（3）准静止锋当冷暖气团势力相当，锋面移动很慢时，称为准静止锋。（4）锢囚锋

冷气团、暖气团、更冷气团（三种性质不同的气团）相遇时先构成2个锋面，然后其中一个锋面追赶上另一个锋面，即形成锢囚锋。

(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。1.锋面坡度锋的一侧是冷气团，另一侧是暖气团，由于冷暖气团密度不同，在两气团间便产生了一个由冷气团指向暖气团的水平气压梯度力（G），这个力迫使冷气团呈楔形伸向暖气团下方，并力图把暖气团抬挤到它的上方，使两者分界面趋于水平。当水平气压梯度力开始作用时，地转偏向力（A）就随之起作用，并不断地改变着冷空气的运动方向，使其逐渐同锋线趋于平行。当地转偏向力和锋面气压梯度力达到平衡时，气流平行于锋面作地转运动，这时冷、暖气团的分界面就不再向水平方向过渡而呈现为倾斜状态。当锋面保持稳定时有：

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)／2；ΔVg=Vg1-Vg2；Vg1、Vg2分别为冷、暖气团平行于锋线的风速分量。

---锋面坡度的正切函数值与温度成正比，与风速梯度成正比忽略了摩擦力，和加速度（相对稳定状态）2、温度场：锋面温度梯度要比两侧单一气团内的温度梯度大得多。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，在锋区附近，因为锋的下部是冷气团，上部是暖气团，所以自下而上通过锋区时，出现气温随高度增高而增加的现象，称锋面逆温。逆温层的底部相当于锋面下界面，逆温层的上部相当于锋面的上界面。如果锋面两侧冷暖气团的温差较小，锋区的温度垂直分布会表现出等温或微弱递减。图5·4的探空曲线，表明了三种不同的锋面逆温。

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。实线为原暖气团等压线虚线为锋面形成后的等压线（P124）上,等压线与锋平行时，锋处在低压槽中或相对低压槽（称隐槽，槽两侧水平气压梯度值不同，而方向相同，如右方两图情况）中，这时的锋呈准静止状态。下,锋处的等压线呈V型槽时的情况，这种锋是移动型锋。?图5·6是锋区常见的6种基本气压场和风场型式。

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（三个力）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。锋附近风随高度变化状况需视锋的性质而有不同。一般而言，锋区是水平温度梯度很大的区域，通过锋面的热成风应该很大，即风的垂直切变很大。图5·8表明，在地面暖锋前面，锋上盛行暖平流，通过锋时，风随高度向右偏转。在地面冷锋后面，风随高度向左偏转。在静止锋情况下，风向少变或反转，风速显著加大。P102-热成风

(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(2)暖锋天气

暖锋是向冷气团向移动的，在它移动的过程中，暖空气一方面向冷空气方向移动，另一方面又沿锋面缓慢向上滑行，绝热冷却。当升到凝结高度后在锋面上产生云系，如果暖空气滑行的高度足够高，水汽又比较充足时，锋上常常出现广阔的、系统的层状云系。典型云系为：在地面锋线的最前缘是卷云、以后依次是卷层云、高层云、雨层云。这个云系沿着整个锋面可连绵数百公里，离地面锋线越近，云层越低且厚度越厚，云顶可达6千米以上。降水发生在雨层云中内，一般多属于连续性降水，降水的宽度约为300～400公里，降水区一般处于锋前。由于从锋面上降落的雨滴蒸发使空气饱和，加上低层辐合、湍流混合作用，在锋下靠近地面锋线的冷空气里，常产生层积云和积云。当空气中的饱和层到达地面时，可形成锋面雾---稳定性？。一型冷锋（缓行冷锋）移动缓慢，锋面坡度较小（在1/100左右）。暖空气沿着冷空气楔向上滑升，所以主要云系和暖锋大体相似，只是云雨区在地面锋线后面，且云系排列次序与暖锋相反。由于此型冷锋坡度通常比暖锋大，所以云区和降水区比暖锋窄且多为连续性降水。但当锋前的暖气团不稳定时，在地面锋线的附近也常出现积雨云和雷阵雨天气。这类冷锋是影响中国天气的重要天气系统之一，一般由西北向东南移动。2、冷锋天气二型冷锋（急行冷锋）移动快，坡度大（1/40—1/80。冷锋后的冷气团势力强，移动快？（锋面坡度公式），猛烈地冲击着暖空气，使暖空气急速上升，形成范围较窄、沿锋线排列很长的积状云，产生对流性降水天气。夏季时，空气受热不均，对流旺盛，冷锋移来时常常狂风骤起、乌云满天、暴雨倾盆、雷电交加，气象要素发生剧变。这种天气历时短暂，锋线过后气温急降，天气豁然开朗。在冬季，由于暖气团湿度较小、气温较低，不可能发展成强烈不稳定天气，只在锋前方出现卷云、卷层云、高层云、雨层云等云系。当水汽充足时，地面锋线附近可能有很厚、很低的云层和宽度不大的连续性降水。锋线一过，云消雨散，出现晴朗、大风、降温天气。

这种冷锋在我国较少，春季见于长江流域，秋季见于黄河流域。冷锋在我国活动范围甚广，几乎遍及全国，尤其在冬半年，北方地区更为常见，它是影响我国天气的重要天气系统我国的冷锋大多从俄罗斯、蒙古进入我国西北地区，然后南下。冬季时多二型冷锋，影响范围可达华南，但其移到长江流域和华南地区后，常常转变为一型冷锋或准静止锋。夏季时多一型冷锋，影响范围较小，一般只达黄河流域。同暖锋天气类似，只是坡度比暖锋更小，沿锋面上滑的暖空气可以伸展到距锋线很远的地方，所以云区和降水区比暖锋更为宽广，降水强度比较小，但持续时间长，可能造成绵绵细雨连日不止的连阴天气。（3）准静止锋天气

准静止锋天气一般分为两类，一类是云系发展在锋上并有降水我国华南准静止锋，大多由冷锋南下过程中冷气团消弱、暖气团增强演变而成，因而天气和第一型冷锋相似，只是锋面坡度更小、云雨区更宽，而且降水区不限于锋线地区，可以延伸到锋后很大范围内，降水强度较小，为连续性降水。由于准静止锋移动缓慢，并常常来回摆动，使阴雨天气持续时间长达10天至半个月，甚至一个月以上，“清明时节雨纷纷”就是江南地区这种天气的写照。初夏时，如果暖气团湿度增大、低层升温，气层可能呈现不稳定状态，锋上也可能形成积雨云和雷阵雨天气。另一类是主要云系发展在锋下，并无明显降水的准静止锋。例如昆明准静止锋---南下冷空气被山脉所阻而呈现准静止状态、锋上暖空气比较干燥而且滑升缓慢，产生不了大规模云系和降水，而锋下冷气团变性含水汽较多，沿山坡滑升，再加上湍流、混合作用容易形成层积云或不厚的雨层云，并常伴有连续性降水。这类准静止锋主要出现在我国华南、西南和天山北侧，以冬半年为多，对这些地区及其附近天气影响很大。

冷空气暖空气（4）锢囚锋天气锢囚锋是由两条移动着的锋合并而成。所以它的天气仍保留着原来两条锋的天气特征。如果锢囚锋是由两条具层状云系的冷、暖锋合并而成，则锢囚锋的云系也呈现层状，并近似对称地分布在锢囚点的两侧。如果两锋锢囚时，一条锋是积状云，另一条是层状云，锢囚锋降水不仅保留着原来锋段降水的特点，而且由于锢囚作用促使上升作用发展，暖空气被抬升到锢囚点以上，利于云层变厚、降水增强、降雨区扩大。在锢囚点以下的锋段，根据锋是暖式或冷式而出现相应的云系。在中国锢囚锋主要出现在锋面频繁活动的条件,东北、华北地区，以春季较多东北地区的锢囚锋大多由蒙古、俄罗斯移来，多属冷式锢囚锋。华北锢囚锋多在本地生成，属暖式锢囚锋。冬半年在西北、华北、华东地区，还出现地形锢囚锋。4、锢囚锋天气

（四）锋生和锋消锋生指锋的生成或加强的过程，锋消指锋的消失或减弱的过程。锋生、锋消的主要标志是冷、暖气团间水平温度梯度的大小和变化。当某些大气物理过程促使空气的水平温度梯度沿着一条线附近迅速加大时，这条线附近有锋生。反之，有锋消。在自由大气中大气的水平运动、垂直运动和非绝热过程都可能造成锋生或锋消。1.水平气流辐合、辐散相向或同向速度不同的气流，在辐合过程中，可促使冷、暖气团接近，水平温度梯度增大，利于锋生。反之，水平气流辐散则促使冷、暖气团远离，水平温度梯度减小，利于锋消。2.空气垂直运动上升运动使上升空气发生绝热降温，下沉运动