成信工天气学原理教案03气旋和反气旋

第三章气旋和反气旋

——温带锋面气旋（地面）

气旋，反气旋的特征和分类

一、定义：

气旋——气旋是占有三度空间，在同一高度上中心气压低于四周的大尺度涡旋。在北半球，气旋范围内气流作逆时针旋转，南半球相反。

反气旋——反气旋是占有三度空间，在同一高度上中心气压高于四周的大尺度涡旋。在北半球，反气旋范围内气流作顺时针旋转，南半球相反。

二、气旋和反气旋的水平尺度

图形

气旋水平尺度平均1000公里

反气旋水平尺度>>气旋，几千~上万公里

三、气旋和反气旋的强度

1．地面气旋中心气压平均：970~1010hpa

地面反气旋中心气压平均：1020~1030hpa

2．强度变化

气旋：“加深”；“添塞”

反气旋：“减弱”；“增强”

3．对温带气旋、反气旋，冬季比夏季强；

气旋在海上比陆地上强，反气旋则反之

四、气旋和反气旋的分类

气旋图形

地理分类温带气旋

热带气旋

热力分类

锋面气旋

热带气旋：台风、热带低压

无锋面气旋地方性气旋下垫面加热

地形影响

锋前热低压：高空暖平流

反气旋

地理分类：极地反气旋，温带反气旋，副热带反气旋

热力分类：冷性反气旋，暖性反气旋

第2节涡度和涡度方程

涡度

涡度——流体质块速度的旋度

表达式

1．＂z＂坐标系相对涡度表达式

∵大气运动主要是准水平,垂直涡度是主要的

——①

说明意义：图形

设u=0

则

∵

∴

气块做逆时针（气旋式）旋转

气块做顺时针（反气旋式）旋转

表示气块与x轴平行的边界转动的角速度

同理表示气块与y轴平行的边界转动的角速度

气块做气旋式旋转——正涡度

气块做反气旋式旋转——负涡度

表示整个气块绕垂直轴的旋转——垂直涡度分量

2．“P”坐标系的相对涡度表达式

——②

天气图上定性判断涡度

图形南风为正北风为负

图形∴槽线上为负涡度

∴脊线上为负涡度

3．地转风涡度表达式

地转风

代入②式得

——③

4．热成风涡度表达式

热成风

代入②式得到：

——④

5．自然坐标系中涡度表达式——直角坐标

＝

取自然坐标系，并取x轴与S轴相切，则β=0

∴——⑤

：曲率

讨论⑤式的各项意义

①曲率涡度

∵V>0

∴Ks>0气旋性曲率正涡度

Ks<0反气旋性曲率负涡度

风速越大，曲率越大——涡度越大

天气图上

图形槽线上具有曲率涡度极大值

脊线上具有曲率涡度极小值

②切变涡度

气旋式切变正涡度

反气旋式切变负涡度

切变越大——涡度越大

图形图形

天气图上急流区：

图形

∴高空西风急流北侧为正涡度

高空西风急流南侧为负涡度

6．绝对涡度——在绝对坐标系

：绝对速度：相对速度：牵连速度

得到：

：绝对涡度：相对涡度：行星涡度

∵

∴图形

取自然坐标

∴

行星涡度大小为地球自转角速度两倍

行星涡度方向与地球自转角速度的方向一致

∴绝对涡度

其垂直分量

注意：北半球，

中高纬大尺度运动

二、涡度方程

1．“P”坐标系中的垂直涡度方程

由水平运动方程

做运算：（注意：，）

绝对涡度个别变化——⑨

相对涡度的局地变化

——⑩

2．讨论⑩式的物理意义

①相对涡度平流

图形正涡度平流

，负涡度平流

沿着气流方向，相对涡度减小，，正涡度平流局地涡度增加

沿着气流方向，相对涡度增加，，负涡度平流局地涡度减小

天气图应用

图形

槽前脊后有正的涡度平流

槽后脊前有负的涡度平流

槽脊线为涡度平流零线

正圆形的高，低系统涡度平流为零

②地转涡度平流

北半球f>0,

图形f随纬度增加而增大，f客观分布南小北大

天气图上的应用图形

槽前脊后偏南风，有负地转涡度平流

槽后脊前偏北风，有正地转涡度平流

实际上定性判断

短波槽以相对涡度平流为主

长波槽以地转涡度平流为主——稳定，西退

③相对涡度的垂直输送图形

相对涡度随高度增加

相对涡度随高度减小

④涡度倾侧项图形

u随高度减小，在负y方向，产生切变涡度

ω随y轴增大

∴，水平涡度倾斜

，涡度增大（产生正的垂直涡度）

反之，水平涡度倾斜，，涡度减小（产生负的垂直涡度）

⑤散度项

北半球，（大一个量级）

空气辐合产生正涡度，气流做气旋式旋转

空气辐散产生辐涡度，气流做反气旋式旋转图形

3，涡度方程的简化

上式简化：——11

∵

∴

对于不可压缩，水平无辐散天气

绝对涡度守恒

第三节位势倾向方程与ω方程

一、位势倾向方程

公式推导

由简化的涡度方程

代入连续方程

——13

设大气是准地转，代入地转风公式：

——14

再由热流量方程

展开——15

对取对数后并求导（等压面上p=const）

代入状态方程

同理可得到

代入15式

静力稳定度参数

——16

用静力学方程代入上式

——17

作运算

——18

将14+18式，消去项

——19位势倾向方程

2，讨论19式各项的物理意义

①左端项

设

则

同理

∴

即

②地转风绝对涡度平流

a.地转风相对涡度平流

天气图应用图形

槽前脊后为正的相对涡度平流，等压面高度降低

槽后脊前为负的相对涡度平流，等压面高度升高

槽脊线上涡度平流为零，等压面高度无变化

∴相对涡度平流使槽脊东移（短波槽），对槽脊的发展不起作用

b.地转涡度平流

∵

∴图形

天气图应用图形

槽前脊后偏南风，则有负地转涡度平流，，等压面位势高度升高

槽后脊前偏北风，则有正地转涡度平流，，等压面位势高度降低

槽脊线上为西风，地转涡度平流为零，等压面位势高度无变化

∴地转涡度平流使槽脊西退（长波槽），对槽脊发展不起作用

③厚度平流随高度的变化项

代入静力学方程，有：

∵

∴

∵在实际大气中,冷暖平流一般随高度减弱

∴暖平流层,高空等压面升高,有利于高空脊发展

冷平流层,高空等压面降低,有利于高空槽发展

④

非绝热加热随高度的变化项

>0,非绝热加热随高度增加,,等压面位势高度降低

<0,非绝热加热随高度减小,,等压面位势高度升高

补充：冷暖平流在天气图上的应用

①等压面图上冷暖平流的判断

a）

图形

等温线与等高线有交角处有温度平流

等温线与等高线没有交角处无温度平流

b）

＞０暖平流

＜０冷平流

②温度槽脊落后于高度槽脊

图形

③温度槽脊超前于高度槽脊图形

∴温度平流对槽脊发展起主要作用

二、ω方程

１，公式推导

取１４，１７式

——14

——17

作运算：对得：——20

对得：——21

∵σ在水平方向上分布均匀

∴

将20－21，消去项，得到

——22ω方程

2,讨论22式各项的物理意义

左端项，同19式类似，同理可证

绝对涡度平流随高度变化项

正绝对涡度平流

负绝对涡度平流

绝对涡度平流随高度增加ω<0有上升运动

绝对涡度平流随高度减小ω>0有下沉运动

天气图应用图形

a）对地面低压中心，一般位于高空的槽前脊后，低层涡度平流很小，高层为正涡度平流。

所以在这个地区涡度平流随高度增加--有上升运动

b）地面的高压中心，一般位于高空的槽后脊前，低层涡度平流很小，高层为负涡度平流。

所以在这个地区涡度平流随高度减弱--有下沉运动

③厚度平流的拉普拉斯项

同理可证：

代入静力学方程

图形

天气图应用

图形

a）高空槽附近（地面低压前部和高压后部）为冷平流区，有下沉运动

b）高空脊附近（地面低压后部和高压前部）为暖平流区，有上升运动

④非绝热加热的拉普拉斯项

同理可证：

非绝热加热：凝结潜热

下垫面加热

第4节温带气旋与反气旋

一、温带气旋与反气旋发展的物理因子

1，高空的温度槽脊落后与高度槽脊是斜压性强的发展槽脊

a)冷平流使高空槽加深，暖平流使高空脊加强

b)高空正、负涡度平流使高空槽脊东移

2，对地面气旋和反气旋

1）a地面气旋在高空槽前脊后——有正涡度平流，气旋性涡度增加，整层等压面高度降低，地面减压，气旋发展，伴随上升运动

b地面反气旋在高空槽后脊前——有负涡度平流，反气旋性涡度增加，整层等压面高度升高，地面加压，反气旋发展，伴随下沉运动

2)a高空槽附近的冷平流区——地面加压，使气旋，反气旋东移

b高空脊附近的暖平流区——地面减压，使气旋，反气旋东移

3，在斜压扰动中

涡度因子使低层系统发展，高层系统移动

热力因子使高层系统移动，低层系统发展

二、温带气旋的发展过程（P121图3.11）

图形波动阶段图形成熟阶段图形锢囚阶段图形消亡阶段

1，波动阶段（P215图3.13）图形

特点：在高空锋区上有发展浅槽，温度槽脊落落后于高度槽脊，槽前正涡度平流使地面减压，初步成一根闭合等压线的地面气旋，温度平流使气旋中的冷暖锋形成，并使气旋前部减压，后部加压，所以气旋一面快速东移，一面发展，此时，辐合上升和地面摩擦作用均很小

2，成熟阶段（P125图3.13）图形

特点：温度槽落有于高度槽，温度平流合涡度平流均强烈加强，地面气旋加深，达到最强盛阶段，出现数根闭合等压线，气旋移速减慢，冷暖锋之间暖区缩小，辐合上升和地面摩擦作用增强，但仍不占主导地位

3，锢囚阶段图形

特点：高空槽达到最强，出现闭合低压中心，高空涡度平流减弱，地面减压区偏离气旋中心，温度槽上出现闭合冷中心，并且与高度槽趋于重合，冷暖平流减弱，地面曲线中心逐渐被冷空气控制，暖区抬到空中出现锢囚锋，地面的中心与高空低中心趋于重合，移动缓慢，辐合上升和摩擦作用站主导地位——气旋由地面向高空填塞

4，消亡阶段图形

特点：高空冷中心与低中心重合，涡度平流与温度平流很弱，地面低中心与高空低中心重合，成为深厚性低压，锋面脱离气旋消失，辐合和摩擦使气旋填塞而消亡

三、温带反气旋的发展过程（P127图3.14）

1，初生阶段图形

2，发展成熟阶段图形

3，消亡阶段

①原地减弱消亡图形②变性减弱图形

四、锋面气旋的再生与气旋族

1，气旋的再生

消亡阶段的气旋，在一定条件下重新得到发展，称为气旋的再生

①副冷锋进入而再生图形

新冷空气加入，斜压性再度加强而锋生

②两锢囚气旋合并加强图形

涡度迭加而锋生

③气旋入海而加强

大陆至海上水气增加（凝结潜热）

摩擦力减小

2，气旋族图形

同一条锋系上出现一串气旋系列，称为气旋族

五、气旋与反气旋的天气

1，锋面气旋的天气——阴雨天气为主图形

气旋前部具有暖锋天气特征

气旋后部具有冷锋天气特征

气旋的中部和前部辐合上升强——阴雨天气强

气旋在发展和锢囚阶段阴雨天气最强