6章天气系统与大气环流

2023/9/151第六章

天气系统与大气环流2023/9/1527节，8学时第一节中高纬度地区的天气系统第二节温带气旋与反气旋第三节中、小尺度天气系统第四节热带天气系统第五节季风与梅雨2023/9/153天气是指某一地区、在某一时段内由各种气象要素所综合体现的大气状态。大气中发生的阴、晴、风、雨、雷、电、雾、霜、雪等等都是天气现象，它们的产生都与天气系统的活动有密切的关系，天气与人类的生活、社会、经济活动有十分密切的关系。

2023/9/154天气系统是指具有一定的温度、气压或风等气象要素空间结构特征的大气运动系统。如有的以空间气压分布为特征组成高压、低压、高压脊、低压槽等。有的则以风的分布特征来分，如气旋，反气旋，切变线等。有的又以温度分布特征来确定，如锋。还有则的以某些天气特征来分，如雷暴，热带云团等。2023/9/155天气系统通常构成天气系统的气压，风，温度及气象要素之间都有一定的配置关系。大气中各种天气系统的空间范围是不同的，水平尺度可从几公里到1—2千公里。其生命史也不同，从几小时到几天都有。2023/9/156地球上每一个地方的天气变化是与大气中移动着的天气系统有关如气象台发布有寒潮要过境，这是向人们发布从西北方向有强冷气要移过来；又如气象台发布台风警报，这是告诉人们从热带西太平洋有凶猛的暴风雨要移过来这些（冷高压、台风）在气象学中称为天气系统。如果利用气象卫星从高空向地球上空飘浮的云团拍摄照片，就可以看到大大小小的天气系统夹杂在一起，最大的天气系统可达几千公里，而最小天气系统只有几公里。天气系统是在全球大气环流上演变的扰动系统，因此，它与全球大气环流是密不可分的。本章将阐述中、高纬地区和热带地区的天气系统和全球大气环流的特征和结构。2023/9/157常见的各种尺度的天气系统水平尺度(km)2*1032*102

2尺度定义大尺度中间（天气）尺度中尺度小尺度天

气

系

统温带超长波、长波

气旋、锋

背风波

雷暴副热带副热带高压

副热带低压、切变线

飑线、暴雨

龙卷风热带

热带辐合带、季风

台风、云团

热带风暴、对流群

对流单体2023/9/158第一节

中高纬度地区的天气系统2023/9/159中、高纬度地区的大气是斜压大气即大气中等压面与等温面不重合，温度在水平分布存在着明显的不均匀性。典型的天气系统有：锋面温带气旋和反气旋阻塞高压、切断低压急流等2023/9/1510气团是指在水平方向上大气的物理属性主要指温度、湿度和稳定度相对比较均匀的大块空气块。其水平尺度达到几百至几千公里，垂直尺度约几公里到十几公里。气团的形成必须具有范围大，性质均匀的下垫面，还须有合适的环流条件。2023/9/1511气团的分类按形成的地理位置分极地气团极地大陆气团极地海洋气团热带气团热带海洋气团热带大陆气团中纬度气团它们主要来自极地或热带的变性气团。按热力分类冷气团暖气团2023/9/1512活动于我国的主要气团，随季节而有变化冬季以极地大陆气团为主南方部分地区则会受热带海洋气团影响夏季主要受热带海洋和热带大陆气团影响北方则仍会受极地大陆气团影响。春、秋季则主要有变性极地大陆气团和热带海洋气团。影响我国的气团活动示意图

2023/9/1513一、锋面

(一)锋面的定义在中纬度的对流层存在着水平范围达数千公里，热力性质不同的气团，即冷气团和暖气团。冷、暖气团之间总存在一个交界面，这个交界面就是锋面。当冷气团控制时，天气很冷，常常天气晴朗如冬季寒潮过境后，我国北天气又冷又干；而在暖气团控制时，天气暖和而潮湿如在夏季我国长江流域梅雨季节，空气又热又潮。锋面概念是皮叶克尼斯于1919创立的，这个概念至今还广泛在气象学和天气预报中应用。2023/9/15142023/9/15152023/9/1516虚线来示温度，实线表示位温，粗实线表示锋区上、下界和对流层顶2023/9/1517如图所示，锋面是一个温度的不连续面，锋面的南北长度可达数千公里，它的宽度可达几百公里。它在近地面层中宽约数十公里，在高层可达200-400公里。冷气团空气密度大，位于下方，暖气团空气密度小，位于上方。一般把锋面增强过程，称为锋生（frontogenesis）相反，把锋面上温度梯度变小过程，称为锋消（frontolysis）锋面与地面相交而成的线，叫做锋线。一般把锋面和锋线统称为锋。2023/9/15182023/9/1519锋面坡度2023/9/1520(二)锋面的分类锋面按照它移动的方向分为：冷锋暖锋静止锋锢囚锋2023/9/1521(1)冷锋冷气团向着暖气团方向移动的锋面称冷锋。2023/9/1522(2)暖锋暖气团向着冷气团移动的锋面称暖锋。2023/9/1523(3)准静止锋冷暖气团势力相当，使锋面呈来回摆动，这种锋的移动速度很小，可近似看作静止。2023/9/1524(4)锢囚锋是冷锋追上暖锋，将地面空气挤至空中，地面完全为冷空气所占据，造成冷锋后面冷空气与暖锋前部的冷空气相接触的锋面。如果前面的冷气团比较暖湿，后面的冷气团比较寒干，则后面的冷气团就楔入前面冷气团的底部，形成冷锋式锢囚锋；如果后面的冷空气不如前面的冷空气那样冷而干，则后面相对暖的冷气团会滑行于前面冷气团之上，形成暖式锢囚锋。2023/9/1525(三)锋面结构由于锋面是冷、暖气团的交界面，因此，它的结构有如下特征：在高空，锋面为等温线的密集带，锋面内的水平温度梯度很大，锋面内等温线上、下界处有一明显的折角；在锋区内垂直温度梯度很小。这点与锋区外温度分布的结构相反，在锋区外，温度的垂直梯度很大，而水平梯度较小。虚线来示温度，实线表示位温粗实线表示锋区上、下界和对流层顶2023/9/1526(三)锋面结构锋面可以近似看成是物质面，根据第三章所述，在绝热条件下，气块的位温在运动过程中是守恒的，因此，可以运用位温很好地分析锋面的结构等位温线的分布可以直观地表征锋面厚度和斜率，如图，在锋面外等位温线一般由北向南降低，而锋区内位温垂直梯度比锋区外大。锋区内等位温线密集，且与锋区平行。虚线来示温度，实线表示位温粗实线表示锋区上、下界和对流层顶2023/9/1527(三)锋面结构由于水平温度梯度大，锋区中风速随高度迅速增大，最大风速中心位于锋面上空。2023/9/1528我国位于欧亚大陆的东部，在冬、春季经常可观测到西伯利亚冷气团的前锋有寒带极锋活动。由于锋面能够把暖空气抬升，所以在锋面过境时将会伴随大风与阴雨天气出现。2023/9/15292023/9/1530第二节

温带气旋与反气旋2023/9/1531温带气旋与反气旋是与温带中低、高压相伴的大气环流系统。温带气旋和反气旋的概念至今还在日常天气预报中广泛应用本节着重阐述温带气旋和反气旋模式，它们的生命史和结构等。2023/9/1532一、温带气旋模型和生命史温带气旋是指生成和活动于中高纬温带地区的低气压系统。从气压场看，是中心气压低于四周，并有闭合等压线的低压系统。从风场看，在北半球低压区内，风绕低压中心作逆时针旋转。气象上将这种风逆时针旋转系统称为气旋。温带气旋往往由冷、暖气团组成并伴随有冷、暖锋活动。这种温带气旋也称为锋面气旋。2023/9/15332023/9/1534(一)关于气旋模型的发展史在19世纪菲兹洛依（Fitz-Roy）提出有关温带气旋的初步模型，他指出：温带气旋是两种气团所构成的，这两气团中温度、水汽和运动各不相同暖湿气团来自副热带，而冷气团来自极地温带气旋形成于这两种气团的交界面，它的运动方式取决于两气团气流间的运动。2023/9/1535(一)关于气旋模型的发展史（续1）然而，在19世纪末赫姆霍茨(Helmhotz)和一些学者提出了气旋是一种不连续面。他们主要根据当时在欧洲进行试验所得的结果，构想了气旋的气压形式可能是一种涡，他们并不考虑气旋系统的运动。2023/9/1536(一)关于气旋模型的发展史（续2）在第一次世界大战的末期，皮叶克尼斯在1918年总结了在斯堪的纳维亚半岛比较密集的测站观测结果，提出了一种气旋模型。之后，皮叶克尼斯和索尔贝格（J.BjerknesandSalberg）1921年又提出了气旋模型（如图）。2023/9/15372023/9/1538(一)关于气旋模型的发展史（续3）虽然这两种模型略有差别，它们有共同之处，在北半球气旋的气流都是成反时针旋转。在皮叶克尼斯所提出的气旋模型中冷空气成为一楔状插在冷空气的下方，云雨分布可以由冷暖锋上暖空气绝热上升冷却很好地解释，气旋的动能是来源于冷暖气团的位能差。皮叶克尼斯所提出的气旋概念符合实际观测，迄今还在天气预报中广泛应用。2023/9/1539(一)关于气旋模型的发展史（续4）皮叶克尼斯认为气旋扰动来源于波状扰动，这为Rossby在20世纪30年代提出Rossby波奠定了基础；并且，他认为气旋能量来源于冷暖气团的位能差，这为40年代恰尼提出斜压不稳定奠定了基础。2023/9/1540(二)气旋的生命史气旋在正常情况要经历一系列典型阶段：初始扰动阶段发展阶段锢囚阶段2023/9/15411.初始扰动阶段如图所示，初始场扰动可以从一平直的准静止锋上形成一小振幅的波动，在锋的两侧气流方向相反，在锋面上气流有气旋性切变（即成反时针方向旋转）。2023/9/15422.发展阶段初始场扰动波幅不断增大，这时可以明显见到冷锋与暖锋的发展在冷锋的西边也有强劲的西北风和冷空气，而在冷锋的前方有西南风和暖空气；并且在暖空气的前方有暖锋，在暖锋后方有西南风，而在它的前方有东南风。2023/9/15433.锢囚阶段随着暖空气沿暖锋上升到高层，同时冷空气成楔状切入暖空气。这样，暖区渐渐减小；而后冷锋步步追赶上暖锋，当冷锋与暖锋重合，这时气旋称锢囚。2023/9/15443.锢囚阶段（续）在气旋锢囚阶段，暖锋很弱，甚至完全消失，随之，云雨区也渐渐消失了，这就意味着气旋经历了锢囚阶段；之后，气旋就慢慢消失。2023/9/1545锋面气旋系统由生成、发展而至消散的过程（称为生命周期life-cycle）ｄ的时候冷锋在气旋的中心一带已经赶过暖锋了，称为「囚锢」（occlusion）至ｅ时冷锋完全赶过暖锋，冷空气和暖空气相互混合，锋面乃告消失，或剩下不清不楚的滞留锋面。图中上面一排为较北边那条虚线处的垂直剖面，可看到气旋中心（低气压中心）的降水系统。下面一排则为较南边虚在线的垂直剖面，冷锋和暖锋上的降水系统也充分的显示出来。2023/9/15462023/9/1547温带气旋的平均直径约1000公里左右，有的可达2—3千公里，并大体呈园形。在我国活动的温带气旋主要有：北方气旋：蒙古气旋，东北低压，黄河气旋南方气旋：江淮气旋东海气旋等2023/9/1548二、温带反气旋及其分类是指生成和活动于中高纬、温带地区的高气压系统。从气压场看是中心气压高于四周，并有闭合等压线的高压系统。从风场看，在北半球高压区内，风绕高压中心作顺时针旋转。因此也称为反气旋。2023/9/1549二、温带反气旋及其分类（续）反气旋经常与气旋伴随产生。然而，反气旋的形成、演变与气旋有很多不同特征：气旋就其形成、生长和衰亡所具的形式有相当的一致性而反气旋无论形成、演变则显得很不规则，看起来是变化缓慢而具有被动的系统。西风带中反气旋虽也有发展阶段，甚至有时可以达到很强的强度，但是，它的这种演变总是与西风带中气旋的发展相伴随发生。2023/9/1550二、温带反气旋及其分类（续）从反气旋的结构来看可分为以下几类：副热带高压极地大陆高压寒潮高压2023/9/1551(一)副热带高压是指存在于副热带地区一般指南、北纬20—40°之间广大地区的深厚的暖性高气压系统，它是全球大气环流的一个重要成员。副热带高压的水平范围可达数千公里，几乎占了全球面积的1/5—1/4。它们在对流层中，低部约500hpa表现明显。2023/9/1552在北半球主要有三个中心：太平洋副热带高压大西洋副热带高压北非副热带高压对我国有重要影响的是太平洋副热带高压的西侧，习惯上称西太平洋副高。2023/9/1553西太平洋副高随季节变化而有季节性移动。在春季高压脊线还在北纬15°以南。到5月北移到15°N左右。6月上旬到7月上旬则北移到20—25°N左右。7月上、中旬—8月初脊线到达30°N左右。9月上旬后脊线又南撤25°N左右。10月上旬以后即南撤至20°N以南，转入冬季副高即全部退到海上，对我国影响就明显减少。2023/9/1554由于副高的季节性变动，其西北侧一方面可从洋面上输送大量水汽，另一方面与北方冷空气交汇，可形成大范围降雨天气并有大暴雨出现。所以，西太平洋副高活动又与我国汛期有密切关系，如4—5月份的华南的前汛期，6—7月份的江淮地区的梅雨。以及7—8月份的华北、东北的雨季都与副高季节性活动有密切关系。2023/9/1555(一)副热带高压——副高天气副热带高压上空是下沉气流，并且，若气块是绝热下沉运动，则气块就会增温，因此，在副热带高压所控制的地区天气又闷又热，如我国长江流域盛夏处于副热带高压控制，因此，这里盛夏常常出现闷热天气。我国以三大火炉著称的重庆、武汉、南京都位于长江流域，在盛夏受副热带高压控制而出现闷热天气，出现似“火炉”的天气。2023/9/1556(一)副热带高压——副高大小、维持时间副热带高压是庞然大物，它不仅系统大，而且东西方向又伸展得很长；副热带高压维持时间很长，在季节或月平均气压图上可以明显见到。在夏半年月平均图上，副热带高压只能在海洋上空观测到，在大陆上往往是分散的低压区所占据；而在冬半年，副热带高压往往与北方大陆的冷性反气旋相联系。这种气压系统随季节变化是造成季风环流的基本原因。2023/9/1557(一)副热带高压——副高厚度由于这个系统是与冷暖的热力作用相关联，因此，副热带高压主要位于低层大气，在2～3km？的对流层下层，副热带高压在25°N附近成为一条围绕地球的长带。2023/9/1558(二)极地大陆高压冬季在北方大陆经常可观测到一种冷性反气旋环流，这是极地大陆高压。极地大陆高压也是一种垂直方向比较浅薄的系统，其垂直厚度不超过2km。最显著而长久维持的极地大陆高压有西伯利亚高压和北美大陆高压。2023/9/1559(三)寒潮高压在气旋的后部，经常有深厚的冷气团，并随气旋向南移，它的演变如图所示。寒潮高压的发展史实线表示1000hPa等高线，虚线表1000~500hPa等厚度线，H表示高压2023/9/15601.初始阶段如图a所示，当冷锋加强，冷空气向南伸展，在气压楔上发展一单独的冷性反气旋。2023/9/15612.发展阶段如图b、c所示，此冷性反气旋随着冷锋向南移动并逐渐加强，它的温度更加降低，并随着锋面南移，此冷性反气旋逐渐发展并控制大范围地区。在我国冬、春季随着冷锋过境，伴随着强西北风，一个强大冷性反气旋逐渐控制我国东北部，这就是经常造成我国冬季主要气象灾害之一的天气现象——寒潮。寒潮不仅可以造成我国东部大范围强风风降温，使农作物遭受冷害，而且可以引起暴风雪、风暴潮，从而严重地影响工农业生产。2023/9/15623.衰减阶段如图d所示，当冷性反气旋南下后，伴随着锋消过程，由于高空的下沉运动，下沉会引起绝热增温，这时天气晴朗，风力减弱；并且，由于冷性反气旋南移过程中受下垫面热量垂直输送和传导作用，致使冷性反气旋逐渐变性，经2～3d后，有的甚至达一周，此冷性高压逐渐变性成副热带高压的性质。之后，由于新的气旋又移过来，使得此冷性反气旋控制的区域又变成气旋控制的区域，这时天气又转恶劣，经常会出现阴雨或降雪等天气。2023/9/1563第三节

中、小尺度天气系统2023/9/1564小尺度天气系统一般指对流胞（Convectivecell）或对流单体，它的水平尺度1～10km；中尺度天气系统是指水平尺度为10～1000km的天气系统。中、小尺度的天气系统常常会引起与强对流相联系的暴雨、冰雹、飑线和龙卷风等天气灾害，从而造成重大经济损失。因此，它是国内外大气科学的前沿研究课题之一。2023/9/1565一、小尺度天气系统小尺度天气系统一般指气团中对流胞或对流单体。2023/9/1566(一)雷暴单体生命史雷暴单体是一般积雨云强烈发展所致，伴随有短时雷雨大风和阵雨发生。这种积雨云经常在大气不稳定层结并在风速切变较大时发生。它的水平尺度一般为1～10km左右，时间尺度为0.5h。对流胞又称雷暴单体有如下发展、成熟和消散过程：2023/9/15671.发展阶段如图a所示，云内上升气流强，并温度比周围气温高，由于浮力大，降水粒子虽在云底生成，但由于上升气流的输送作用不致于下落；然而，因降水粒子愈来愈多，这样重力的作用超过上升气流的作用，因此，在对流胞的下层出现下降气流。2023/9/15682023/9/15692023/9/15702.成熟阶段如图b所示，云顶仍为上升气流，因在对流胞下层已出现下降气流，迫使对流胞中上层上升气流减弱，并由于重力作用使得雨滴降落到地面。2023/9/15713.消散期由于云内上升气流全部消失，水滴蒸发，云内温度降低，整个云内均为下降气流，雨势变弱，云内所余的云滴或冰粒因蒸发而消散（如图c所示）2023/9/1572(二)气团雷暴雷暴一般发生在热带暖湿气团或夏季移到大陆上暖湿海洋性气团中，在中纬度夏季伴随锋面过境也时常有雷暴发生，这些雷暴称气团雷暴。气团雷暴一般由多个雷暴单体（对流胞）组成，但是，这些单体都是不规则排列。气团雷暴一般生命较短，不常出现破坏性强风或冰雹，这是由于它内部会产生下沉气流，从而抑制上升气流，使得它不会带来强烈天气。2023/9/1573二、中尺度天气系统的特征与分类2023/9/1574(一)中尺度天气系统的特征中尺度天气系统有许多不同于大尺度天气系统的特征：2023/9/1575(1)时空尺度较小水平尺度小一般为10～数百公里左右时间尺度小为几小时到十几小时而大尺度天气系统水平尺度一般为1000km以上，比中尺度天气系统要大10倍时间尺度为数天。2023/9/1576(2)垂直运动很强中尺度天气系统之所以会带来剧烈的天气，是因为它的垂直运动很强。它的涡度和散度同量级，可以达到10-4/s比大尺度天气系统（10-5/s）大1个量级它的垂直运动可以达到10～100cm/s比大尺度天气系统大1个量级以上。2023/9/1577(3)温压场梯度大温度场、气压场水平梯度较大温度场水平梯度可达0.3℃/km气压场梯度可达到1～3hPa/km气压场与温度场随时间的变化也大如飑线过境时，变温可达0.3℃/min，变压可达到0.4hPa/min可见它可带来剧烈的天气。2023/9/1578(4)非静力平衡在大尺度天气系统中垂直运动较小，故垂直方向加速度项很小，可以忽略，因此，气压梯度力和浮力平衡，即满足静力平衡。但是，由于中尺度天气系统上升气流很强，垂直速度很大有的系统垂直方向加速度项比气压梯度力和浮力项小1个量级，有个别系统可以达到同量级，因此，气压梯度力与浮力不平衡，即不满足静力平衡从而，在讨论中尺度天气系统动力过程时会带来很大麻烦。2023/9/1579(5)非地转平衡在大尺度天气系统中，气块质元的水平加速度项要比气压梯度力和科里奥利力小，一般气压梯度力和科里奥利力相平衡，满足地转平衡而中尺度天气系统则不然，气块质元的水平加速度项是与气压梯度力、科里奥利力相同量级，因此它不满足地转平衡，系统中非地转偏差很大。2023/9/1580(二)中尺度天气系统的分类中尺度天气系统按天气状况划分有很多不同类型：强风暴系统多雷暴单体如飑线超级雷暴单体如冰雹与龙卷暴雨系统中尺度雨带中尺度对流辐合体（MCC）中尺度云团2023/9/1581(1)强风暴系统这种系统都是由于很强高低空风速切变形成的。天气表现为短时的剧烈恶劣天气，如大风、阵雨和冰雹，并且，由于它风力大，雨强大并时常带有冰雹，对农作物和果树有很大的毁坏作用，如龙卷风不仅对建筑物，而且对人民生命财产也构成威胁。强风暴系统包括了多雷暴单体，如飑线；超级雷暴单体，如冰雹与龙卷。2023/9/1582(2)暴雨系统这类中尺度系统经常带来很大的降水，产生洪涝，给工农业生产带来很大危害。它包括中尺度雨带、中尺度对流辐合体（MCC）和中尺度云团等。关于强风暴系统和暴雨系统在三、四小节将详细阐述。2023/9/1583三、强风暴系统强风暴基本上是由强的风切变而形成的。它常表现出中尺度天气特征，常见有飑线，它是由多单体风暴组成以及由超级单体风暴形成的龙卷和冰雹等。强风暴大致可分多胞型（multi－cell）超级胞型（Super－cell）。超级胞型(单体)或多胞型，一般水平尺度30～40km因此，它应是中尺度系统。2023/9/1584(一)多胞型强风暴与气团雷暴虽均是由多个对流胞组成，但是它与气团雷暴中多对流跑是不同的。气团雷暴中的多个对流胞是随机分布的，而强风暴中多个对流胞是有规则分布的。2023/9/1585多单体风暴照片

2023/9/1586一个多单体风暴结构的示意2023/9/1587飑线示意图

2023/9/1588(一)多胞型（续1）如图所示，风暴自北向南移动，云的自北向南标记为n-2，n-1，n，n+1等，它们分别代表对流胞的各个阶段：n-2为处于消散阶段的对流胞n-1为已处于成熟阶段的对流胞n为处于发展阶段的对流胞n+1为处于新生的对流胞2023/9/1589强风暴的发展过程风暴前方的入流中层的干空气由低层流入下降气流冷的下沉气流与前方暖的上升气流形成飑线。飑线抬升其前方的暖湿空气，形成新的对流胞。2023/9/1590(一)多胞型（续2）若从宏观观察整个风暴的气流，可发现高温、高湿的空气从风暴前方流入风暴内，然后上升到云上层，再从风暴后方向外流出；而中层的干空气由低层流入风暴内，并由于云上部降水粒子下落途中蒸发而冷却，致使形成下降气流，并在云下层盛行下降气流；这种下降气流到达地面附近向水平方向辐散，并与风暴前方流入的高温、高湿的空气又产生辐合，并使高温、高湿空气抬升，从而可产生新对流胞。因此，整个风暴过程就是对流胞新生—>发展—>成熟—>消散—>新生这样反复过程。这个循环过程大约15~30min，这就是说，大约为15~30min就会在风暴前方再新生一对流胞。2023/9/1591(一)多胞型（续3）飑线是多胞型的典型天气系统，它是多个对流飑紧密结集成一线性分布，这种风暴伴随地面阵性大风，有时也伴随阵性暴雨，故称飑线，它对农作物和建筑物都有很大破坏性作用。我国长江流域、华南和华北初夏可观测到这种天气系统。此外，在北美中部夏季经常可观测到右移多风暴单体，这些风暴单体沿对流层中层气流偏右方向移动。2023/9/1592雷暴过境时地面要素的变化风向突变风速急增气压猛升气温骤降

2023/9/15932023/9/1594(二)超级胞型（超级雷暴系统）超级胞型又称超级风暴单体，它是由多个对流胞聚集而成为一巨大云块，它是强风切变形成的。2023/9/1595超级风暴照片

2023/9/1596一个超级单体的垂直剖面图2023/9/1597超级单体风暴是单一的强大环流系统。1962年Browning和Ludlam曾给出一个风暴内部气流的二维模式。

2023/9/1598强风暴气流模式L(低)和M(中)分别表示上升气流和下沉气流起源的主要层次，阴影区表示地面降水的范围；锯齿线是地面冷锋的位置；V是风暴移速2023/9/1599超级胞型的形成过程在对流层下层风暴前缘空气流入风暴内，形成上升气流；由于气流很强，致使云底附近可生成云滴，这种云滴来不及增长就会被上升气流运送到对流层并且，中层的气流从上升气流的东边迂回进入，并由于上层落下雨滴因蒸发而使云内温度下降并形成下降气流，这样，在上升气流的西北方形成降雨此下降的冷气流达到地面附近从风暴内流出并与流入风暴的暖湿气流遭遇，形成阵风锋面（gustfront），从而伴随强的阵风2023/9/15100穹隆是风暴中强上升气流所在处。这里上升速度可达25～40m/s以上。由于上升速度强，水滴常常尚未来得及增长便被携出上升气流，形成弱(或无)回波区。一个超级单体的三维结构示意图

2023/9/15101(二)超级胞型（超级雷暴系统）超级胞型的风暴生命可达数小时。强风暴，特别是龙卷（tornadoes）它的水平尺度，根据龙卷的破坏范围来推测，其地面直径一般在几米到几百米之间，最大可达1公里；在空中2-3公里处，大多数龙卷的直径为1公里左右，再往上，直径更大，可达3-4公里，最大可达10公里。在垂直方向，有的龙卷能从地面伸展到母云(产生龙卷的的对流云)的顶部，其高度一般都超过10公里，最高可达15公里。它周围空气旋转的速度可达100m／s。因此，龙卷可以造成很大灾害，它不仅造成人、畜伤亡，而且可造成工厂和建筑物破坏和交通中断。2023/9/151022023/9/15103(二)超级胞型（超级雷暴系统）龙卷在北美可经常观测到。我国春季在西北，尤其在甘肃可观测到黑风暴这是由于风暴旋转风速很大，而西北地区植被少，遍地是黄沙与黄土，当黑风暴过境时，黄土和黄沙被旋转风扬起使得阳光被挡住，能见度降至很低。由数个对流胞成线状排列称云带或雨带（rainband），我国夏季梅雨期就出现明显的中尺度雨带；还有中尺度云团（cluster），它是由数个积雨云一起发展，并且它们云顶所吹出的云砧连成一片所致。2023/9/15104四、暴雨系统我国由于处于季风区，加上地形复杂，使得暴雨系统经常在我国出现，使我国夏季经常遭受到暴雨袭击，从而造成严重洪涝。1954年是20世纪我国梅雨锋暴雨最严重的年份，长江流域讯期降水量比常年多了2倍以上，达到1600mm左右。汉口水文站水位达到29.73m，长江在汉口段的最大流量达到7.6×104m3／s2019年是20世纪我国梅雨锋暴雨第二严重的年份，讯期降水量比常年多了1~1.5倍，达到1200mm以上，汉口水文站水位达到29.43m，长江在汉口段的最大流量达到7.2×104m3／s。这些严重洪涝主要是由于持续性暴雨所造成。除了台风，我国暴雨系统一般有两种：一种是梅雨锋上中尺度系统造成的；另一类是温带气旋锋面暴雨系统造成的。2023/9/15105(一)梅雨锋上中尺度暴雨系统由于受东亚季风影响，我国东部的江南、江淮流域，朝鲜半岛的南部和日本从初夏起经常可观测到一条东西方向的锋系，这就是梅雨锋系。梅雨锋上有许多中尺度暴雨系统，这些系统成带状分布，故又称中尺度雨带。它们的水平尺度大约为100km左右，水平速度大约为60km/h。这些中尺度系统产生于暖湿空气的上升区，并且，暴雨云由于处于中尺度系统中，故对流发展旺盛，云顶高度可达300hPa而在暴雨区外，云层低而零乱，一般为层积云或者积云。2023/9/151061991年夏我国淮河和长江中、下游流域发生了严重洪涝，它主要是由于梅雨锋上中尺度暴雨系统所致。根据统计，这些中尺度雨带的水平尺度最小只有10km，最大可达到540km，平均为70km左右它的生命史一般为1~2h，降水强度可达10～20mm/h。如在1991年7月1~11日11天中，在长江中、下游流域计发生了190个梅雨锋上中尺度对流暴雨系统，每天大约发生17.3个，最多达到一天发生25个，这11天中最大降水量达到800mm，造成了严重洪涝。梅雨锋上中尺度暴雨系统一般可分为移动性和静止型两种。2023/9/151071.移动性暴雨系统我国江南、江淮流域夏季，由于受东亚季风的影响，当副热带高压位于华南和西太平洋上空，这使印度季风从印度洋和南海输送来的水汽与由东南季风从热带西太平洋输送来的水汽在西太平洋副热带高压的西北侧形成暖湿舌；并且夏季由于青藏高原的尾流效应，在四川盆地经常形成低涡，此低涡沿西南季风气流东移，从而形成移动性的中尺度雨带，这样容易在鄱阳湖、洞庭湖以及湘江、资水、沅江、灃水流域形成强暴雨系统，从而产生强降水，造成严重洪涝。2023/9/151081.移动性暴雨系统图是从气象卫星所拍摄的2019年8月13日梅雨锋上强暴雨系统的云图相片，可以见到，梅雨锋上有一个个的中尺度暴雨系统。2023/9/151091.移动性暴雨系统若西太平洋副热带高压稳定在我国江南上空，则梅雨锋会在江淮河流域维持，当从四川盆地低涡移出时，则会在淮河流域形成移动性暴雨系统。2023/9/151102.静止型暴雨当西太平洋副热带高压比较稳定在江南上空，在江淮流域就会出现稳定的梅雨锋系。当在乌拉尔山地区和鄂霍次克海上空有稳定的高压脊，而在贝加尔湖一带有低压槽，这样沿槽后经常有小股弱冷空气南下到梅雨锋上，并且由于在西太平洋副热带高压的西北部的低层形成一暖湿区，在此区域的下层是低位温的空气，上层是暖湿输送带，在暖湿区形成了位势不稳定气层，当北方有弱冷空气南下时，此位势不稳定将为扰动动能提供能量，从而使中尺度扰动系统猛烈发展，因此，中尺度暴雨系统就容易突然发生；并且，此暴雨系统可维持一段时间，从而在江淮流域经常可观测到静止的暴雨系统。2023/9/15111从以上可以见到，在东亚季风气流的背景下，由于受西太平洋副热带高压和青藏高压的作用，我国长江流域和江淮流域具有暴雨多发性的条件，从而容易形成持续性暴雨，造成严重洪涝。2023/9/15112(二)温带气旋暴雨系统在温带气旋中可经常观测到中尺度对流云带，这些中尺度对流云带将导致温带气旋中暴雨系统活动。这种系统长几十到几百公里，宽为5～100km。2023/9/15113气旋中尺度对流云带或中尺度暴雨带，根据一些研究，如图所示，可分为：暖锋雨带暖区内雨带宽冷锋雨带窄冷锋雨带锋后雨带2023/9/15114(1)暖锋雨带这种中尺度雨带大多是由于暖锋锋面空气抬升所形成，下层为上升气流，上层为冰晶，冰晶在缓慢下落过程中因水汽升华或过冷却水滴附着而成长，在接近融解层中，雪片相互结合而增大，通过融解层后形成水滴，之后降落速度增大并与云滴碰撞而成长。2023/9/15115(2)暖区内雨带这种雨带较强，经常发生飑线，并经常连续发生。2023/9/15116(3)窄冷锋雨带窄冷锋雨带出现在冷锋前缘，雨带虽比较窄，但上升气流较强，有高耸的对流胞。

上面所阐述两种暴雨型，其中温带气旋的中尺度暴雨要比梅雨锋上中尺度暴雨弱得多，降水也比梅雨锋上暴雨降水量少得多。2023/9/15117第四节

热带天气系统2023/9/15118热带地区由于温度高，并且由于大部分是海洋，这里对流活动很活跃，所以，对流活动所产生的潜热给热带扰动提供大量的能量。热带主要天气系统有台风中尺度对流系统（包括飑线）云团2023/9/15119一、台风每年约有80多个最大风速可超过17.2m/s的热带气旋在热带洋面上生成，其中约有1/3～1/2发展成为风速超过39m／s的强台风或飓风，这些统称为热带风暴。2023/9/15120(一)台风造成的灾害大风风力经常可达到12级大降水给工农业生产、交通运输、国民经济带来严重危害我国多台风，每年8～10个2023/9/151211.狂风造成的灾害台风周围的风力一般为20～35m／s，最大可超过40m／s以上。一般，离台风中心500～600km远的地区，风力可达6级（10.8～13.8m／s）离中心200～300km远的地区风力可达8级（17.2～20.7m／s）台风周围100～200km的范围风力可达25～30m／s。台风带来的狂风不仅可以破坏建筑物，造成房屋倒塌和人员伤亡，而且可以毁坏农作物如台风可以使南方水稻倒伏，严重影响水稻的产量台风还影响果树水果的成熟如在荔枝与龙眼成熟时，经常遇到强台风，使大批未成熟的龙眼、荔枝落地，严重影响龙眼、荔枝的成熟，台风有时甚至把果树连根拔起。2023/9/151221.狂风造成的灾害台风带来的狂风可以带来风暴潮和巨浪一般6级风，造成的海浪为3～4m高12级风力可造成浪高15～20m最强台风可造成40m高的海浪。这些风暴潮和巨浪对渔船会造成毁灭性的灾难，并经常使海上航行的轮船造成重大损夫，许多海难事故发生在台风过境时。因此，台风会给沿海渔业、水产养殖、轮船航行、港口造成很大破坏2023/9/151231.狂风造成的灾害许多台风由于造成严重风暴潮，产生巨大增水，加上台风经常发生在7～9月，处于天文大潮，因此，在台风登陆时，容易造成海水漫滩，淹没农困。如1980年7月22日由于8007号台风在广东徐闻登陆，造成了南海历史上最大一次增水，湛江港的潮位达到4.62m，海南和湛江沿海412km长的海堤，其中93％被冲垮，海水倒灌，大片农困被淹，损失惨重。2023/9/151242.台风暴雨造成的灾害台风会带来严重暴雨，台风暴雨是我国严重暴雨之一。一般，台风可带来100～200mm的降水，严重的可达到1000mm以上。1967年10月17～19日发生在我国台湾省新寮的台风暴雨日降水量达到1672mm，三天的总降水量达到2769mm，创造我国台湾地区暴雨的最高纪录。1975年8月7日7503号台风深入到内陆，发生在我国河南确山的冷锋与北上的台风相互作用产生了严重暴雨，日降水量达到1060mm，创造了我国大陆日最大降雨量的纪录，致使两座大型水库和10余座中、小型水库同时垮塌，造成了人民生命财产的严重损失。1994年9417号台风登陆浙江，造成了许多人丧生，百亿元经济损失。2023/9/15125(二)台风的构造台风的构造和中纬度锋面很不一样，除台风眼以外，台风中的气温和水汽的分布大体上是均匀的，南北方向的梯度很小。它主要发生在热带地方，故台风没有冷暖锋面，且中心附近近似为轴对称构造。下面从云、风速、气压、温度、湿度来分析台风的构造。2023/9/151261.云的分布台风有台风眼，台风眼上空没有云，一般直径为8～10km左右而在台风眼的外周有云墙，似如断崖峻壁耸立着在云墙的外侧有若干成气旋性旋转的螺旋状云带。从卫星观测的台风云顶的亮度温度看，台风云墙的云顶温度可达-75℃，与对流层顶温度相当，这就是说，台风云墙的高度可达到对流层顶。2023/9/151272.风速分布由于台风是一似圆形的旋转气团，它可分为切线速度与径向速度。台风切线速度一般是很重要的，它是台风对农作物、建筑物造成危害的重要物理量，也是衡量台风强弱的一个标准。台风切线速度与离台风中心的距离和高度有关。如图6.4.2所示，台风的切线速度在边界层上层900hPa风速最大并且在水平方向，一般愈接近台风中心，其风力愈大若某台风中心风力为24m／s，则在离台风中心200km处的风速为20m／s，离台风中心300km处的风速为16m/s一般称台风风力为几级指的是台风眼附近的风力。2023/9/15128台风的径向风速由于台风的风场成气旋性旋转，因此，在低层，台风的风场指向台风眼，在整个对流层内，径向风速很弱，但均指向台风眼，而在对流层上层，台风风场流向台风外围。台风风场一般并不一定成轴对称，往往在台风的西北部其风速为最大。2023/9/151292023/9/151302023/9/151312023/9/151323.气温分布台风眼的气温高于周围的气温。台风中心气温比周围高，这对于台风的发展具有重要意义。2023/9/15133(三)台风的发生与发展

1.台风的发生条件台风为什么易发生在热带海洋上？这是由于热带海洋的海温比较高据统计，台风必须发生在洋面温度要高于26.5℃的海域上空，洋面温度低于26.5℃不容易发生台风。由于台风是对流云发展很强盛的一种热带天气系统，它必须有很高的洋面温度，从而提供大量的水汽蒸发和促进强对流发生的热力条件。2023/9/15134产生台风的条件，主要有三个：一是比较高的温度；二是充沛的水汽；三是南北两半球信风相遇的激荡处。2023/9/15135台风发生一般以夏季、秋季为多，登陆我国的台风一般以夏季、秋季最多。冬季台风发生的纬度偏南，靠近赤道；夏季台风发生的纬度偏北，一般位于20°N附近。2023/9/151362.台风的生命史台风的生命史一般以台风中心的气压来划分，可分为：发生发展成熟衰亡4个阶段。2023/9/15137(1)发生阶段此阶段气压比较高，一般为990hPa左右，此时风速不太大。这种情况一般也称为热带低压。2023/9/15138(2)发展阶段当台风中心的气压继续下降，经常可观测到台风中心气压下降到960hPa左右，但从卫星云图也还无法辨认出台风眼来。这时积雨云发展很旺盛，其上方被卷云所覆盖，台风南侧有约300km长带状云群从西南向东延伸，再从北侧旋转到台风中心附近，这就是带来强辐合且产生暴雨的螺旋云带。台风下层为南来的暖湿空气以反时针方向旋转流入中心内部，这些螺旋云带是由许多宽为10km左右的中尺度云带所组成；台风上层为卷云并以反气旋性旋转而外流这种中、下层空气以气旋性旋转，而上层以反气旋旋转，从而形成了中、下层气流辐合，而上层气流辐散的特征，从而使台风不断发展。2023/9/15139(3)成熟阶段当台风不断发展，台风中心气压继续下降，最低海面气压可达到920hPa左右，并且从卫星云图可清楚见到台风眼，此时，台风达到成熟阶段。在台风达到成熟阶段，切线风速很大，在台风左前方可观测到强风区与暴雨区。2023/9/15140(4)衰亡阶段当台风从海上向西或西北方向移动，并登陆到我国东部、日本或韩国。由于地面摩擦的缘故，风力逐渐减弱，气压逐渐上升，并将逐渐减弱成温带气旋。有时台风登陆后与西风带南下的低压槽相遇，合并成温带气旋，这将会引起严重暴雨，我国江淮流域和以北地区有许多暴雨在这种情况下发生。如图6.4.1c和d所示，台风经菲律宾西进到我国南海而逐渐衰减成低压。2023/9/151413.台风发展的物理机制台风发展主要是由于积云群与大尺度环流相互作用使得大尺度环流产生不稳定，这种不稳定称第二类条件不稳定（简称为CISK）。由于在热带西太平洋洋面温度较高，这里积云发展很旺盛，积云发展会释放大量热量，并强迫出次级环流，这个次级环流将与大尺度环流相互作用，其结果使得下层产生强的气流辐合和强的上升气流。并且，由于热带大气下层具有条件不稳定层，这样，下层强迫产生很强的上升气流并产生许多积云，这些积云由于水汽凝结释放大量潜热而加热大气，从而使得台风中心气温上升，故台风眼的温度比周围的温度高。2023/9/15142第一类条件不稳定γm＜γ＜γd

，对于末饱和大气是静力稳定的，而对饱和湿空气来说是静力不稳定，这种大气层结称为“条件不稳定”层结。为区别近年来提出的第二类条件不稳定(CISK)的概念，把这里所说的条件性不稳定称为“第一类条件不稳定”。2023/9/15143第二类条件不稳定CISK第二类条件不稳定CISK—(ConditionalInstabilityofSecondKind）指由热带地区大尺度扰动与积云对流小尺度运动相互作用所导致的大尺度系统不稳定性增长的过程。2023/9/15144二、热带云团与飑线热带地区的降水主要来自对流云，它们的尺度小到只有孤立的一朵积云，大到面积可达5х104km2的中尺度对流系统。它可分为飑线（squallline）云团（cloudclusters）2023/9/15145(一)热带云团热带云团是热带中尺度系统中最常见的系统，它发生在热带对流层下层气流的辐合区，也就是说，热带云团经常发生在热带的东风波所伴随的辐合区域中，即发生在热带辐合带（ITCZ）中。热带云团的生命史也可分为3个阶段。2023/9/151462023/9/15147(1)发展期如图a所示这阶段降水是对流性的，经常有几个对流胞同时发生，并且，旧的对流胞不断变化成层状云，新的对流胞不断发生。2023/9/15148(2)成熟期如图b所示由于云团前缘新的对流胞不断产生，这时云团由数个发展旺盛的对流胞与范围宽广的层状降雨云所组成。2023/9/15149(3)消散期如图c所示云团渐渐变化为层状云，其尺度可达150～200km左右。2023/9/15150(二)飑线飑线也是热带地区经常见到的天气系统。它的特征：一是移动速度快，可达到15m／s左右二是飑线后方厚度大，可为6～10km，水平尺度10～100km，并有宽广的云砧。2023/9/15151第五节

季风与梅雨2023/9/15152在亚洲南部与东部、澳洲的北部冬季盛行的风与夏季盛行风的风向几乎相反，且比较稳定，有冬季风与夏季风之分。气象上一般把季节盛行风向出现频率大于40%，而冬、夏季盛行风的风向变化大于120°，并且这种风系的改变与降水关系密切的现象称为季风。2023/9/15153季风环流是全球大气环流中一种很重要的环流现象，它与降水有直接关系。如在东亚的夏季，偏南季风往往与我国的梅雨、日本的Baiu、朝鲜半岛的“Changma”有密切关系；而冬季偏北季风往往与又冷又干的气候，特别是寒潮频频爆发有直接的关系。2023/9/15154季风活动在南亚、东亚表现尤其清楚东亚冬季盛行西北风，蒙古高原吹来的西北风在我国东海南部与南海又变成东北风，并经我国南海吹向中印半岛、孟加拉湾、印度半岛；在夏季，东亚又盛行西南风，从索马里来的跨赤道气流到了阿拉伯海转向东吹到印度、中印半岛和我国南海。2023/9/15155我国地处东亚季风区，东亚季风的变异严重地影响我国东部的旱涝气候灾害和天气灾害，从而给我国带来严重的经济损失。因此，我国许多学者早在20世纪30年代就重视季风的研究，经过几十年的研究，对亚洲季风有了深入而系统的了解。2023/9/15156一、东亚季风系统的组成亚洲季风系统可分为：东亚季风系统具有热带和副热带季风性质南亚季风系统（印度季风）纯属热带季风性质2023/9/15157一、东亚季风系统的组成印度季风系统的主要组成包括：在低空有南半球的马斯克林高压索马里越赤道低空气流位于印度北部的季风槽在高空有南亚高压高空自北半球向南半球的越赤道气流2023/9/15158一、东亚季风系统的组成根据陶诗言和陈隆勋的研究东亚夏季风系统的成员包括：印度的西南季风气流澳大利亚的冷性反气旋沿100°E以东的越赤道气流南海和赤道西太平洋的季风槽（或ITCZ）西太平洋副高赤道东风气流梅雨锋中纬度的扰动2023/9/15159一、东亚季风系统的组成因此，东亚夏季风是一个与印度季风环流系统相对独立的环流系统，它不仅受到印度西南季风气流的影响，而且还受到副热带高压和中纬度扰动系统的影响。研究还表明，东亚季风系统成员在东亚的分布偏北或偏南就会引起我国江淮流域、朝鲜半岛和日本的干旱或洪涝。2023/9/15160二、东亚夏季风的经向环流因为青藏高原位于印度季风区北部和东亚季风区的西部，所以从东亚季风区到澳大利亚的经向环流与印度季风区的经向环流不同。2023/9/15161在东亚季风区的初夏，气流越过中纬度可到达华南，季风槽(ITCZ)位于15°N，从那里对流活动剧烈，并且盛行强的上升运动由于季风槽所导致的对流层上层强的辐散作用，在15°N上空产生了向北及向赤道的经向气流由于科氏力效应，向赤道流的经向环流可形成东风急流（在15°N到10°N）并且我国的梅雨锋区（日本的Baiu、朝鲜半岛的Changma区）同样有强的对流活动，并导致强上升运动。与前面所述相同，由于在此区域的上升运动，东亚季风区对流层上层形成向南和向北的经向环流这样从ITCZ区域来的向北气流与从梅雨锋区来的向南气流相辐合，在25°N上空形成下沉运动，这个下沉运动对副热带高压的形成和维持有重要作用）2023/9/15162强弱夏季风其经向环流有明显不同，东亚夏季风强，其经向环流强，而东亚夏季风弱，其经向环流弱。2023/9/15163三、东亚夏季风区水汽输送特征及其与印度季风的差别夏季东亚季风区的水汽分布特征与印度季风区有很大差别。由于印度季风区水汽分布比较均匀，东西和南北梯度均比较小；而东亚季风区水汽分布却很不均匀，南北梯度很大。因此，在东亚季风区水汽的辐合辐散主要是由于湿度平流所造成；而印度季风区水汽的辐合辐散主要是由于风场的辐合辐散所造成的。并且，印度季风夏季水汽输送特征是以纬向输送为主要，经向输送很小；而东亚季风区夏季水汽输送特征是水汽经向输送很大。2023/9/15164从以上的分析可以看到，东亚夏季风与印度夏季风同属于亚洲季风系统，但东亚夏季风与印度夏季风无论从成员、结构与水汽输送、降水均具有不同特征。因此，东亚夏季风与印度夏季风是既有相互联系，又具有不同特征相对独立的两个亚洲季风子系统。2023/9/15165四、梅雨与梅雨锋2023/9/15166(一)关于梅雨的定义梅雨是初夏发生在我国长江流域、淮河流域，连续降雨并伴随高温、高湿而风力很弱的特殊天气阶段。由于在这段特殊天气时期正好是长江流域梅子成熟，故称梅雨。这段时期又是高温、高湿、风力很弱，很多物品经常发霉，因此有时也称“霉雨”。在韩国、日本也有类似的现象，不过在韩国称这种特殊的天气阶段为“Changma”，在日本称这种特殊的天气阶段为“Baiu”。关于梅雨期的定义大概有以下两种：2023/9/151671.只有一个雨期的情况若长江流域上海、南京、芜湖、南昌和武汉5个观侧站一天中总降水量超过10mm，称1个雨天，若在这个时期中任何10天中至少有4个雨天且没有连续5天以上的晴天，则这段时期称梅雨期。这个特殊时期第一天称入梅日，最后一个雨天的第二天则称出梅