南信工气象学与气候学课件05天气系统

第五章天气系统（1）资源与环境科学学院地理系2006-11-152本讲主要内容气团－形成、变性、分类锋－特征、温度场、气压场锋的类型和天气锋生和锋消2006-11-153天气－一定区域短时段内的大气状态及其变化的总称。天气系统－通常是指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。各种天气系统都具有一定的空间尺度和时间尺度。许多天气系统的组合，构成大范围的天气形势，构成半球甚至全球的大气环流。认识和掌握天气系统的形成、结构、运动变化规律以及同地理环境间的相互关系，对于了解天气、气候的形成、特征、变化和预测地理环境的演变都是十分重要的。2006-11-154一、气团定义：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℃/100km，垂直稳定度及天气现象也都变化不大。2006-11-1551、气团的形成气团形成的源地需要两个条件：一是范围广阔、地表性质比较均匀的下垫面。二是有一个能使空气物理属性在水平方向均匀化的环流场。（比如缓行的高压系统）在具备了上述两个条件下，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，从而形成气团。2006-11-1562、气团的变性（AIRMASSMODIFICATION）气团原有物理属性的改变过程称为气团变性。气团形成后，随着环流条件的变化，由源地移行到另一新的地区时，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。气团的变性过程同气团的形成过程一样，也是通过湍流、大范围垂直运动和蒸发、凝结、辐射等物理过程来实现的。2006-11-157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与气团源地下垫面性质差异离开源地时间的长短空气运动状态的变化

同时，不同气团变性的难易也是不同的。一般来说，冷气团移向暖区时容易变暖，暖气团移向冷区时则不易变冷。（为什么？）干气团容易变湿，湿气团不容易变干。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。2006-11-1583、气团的分类（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。每个半球划分出7种气团优点是能够直接从气团源地了解气团的主要特征，但它不易区分相邻两个气团的属性，也无法表示气团离开源地后的属性变化。2006-11-159（2）热力分类法依据气团与流经地区下垫面间热力对比进行的分类。气团温度高于流经地区下垫面温度的，称暖气团。相反，气团温度低于流经地区下垫面温度的，称冷气团。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，不仅会引起流经地区地面增温，而且气团低层不断失热而逐渐变冷，气团温度直减率减小，气团趋于稳定，甚至有时可能发展成逆温层，以至暖气团中热力对流不易发展，往往呈现出稳定性天气。冷气团一般形成干冷天气。如果从源地移向暖区（低纬度）时，气团低层因不断吸热而增温，气团温度直减率趋向增大，层结稳定度减小，对流运动容易发展，可能发展成不稳定天气。如果冷气团来自海洋，水汽较多，可能出现积状云，产生阵性降水天气。活动在我国境内的气团，大多是从其它地区移来的变性气团，其中最主要的是极地大陆（变性）气团和热带海洋气团。2006-11-1510二、锋锋是温带地区重要的天气系统。锋是冷、暖气团相交绥的地带。锋面两侧气温水平梯度达5——10℃/100km。该地带冷、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。2006-11-15111、锋的概念锋由两种性质不同的气团相接触形成的三度空间天气系统。其水平范围与气团水平尺度相当，长达几百千米到几千千米。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。2006-11-15122、锋的特征锋是冷、暖气团间的过渡带，因而锋两侧的温度、湿度、稳定度以及风、云、气压等气象要素都有明显差异，锋是大气中气象要素的不连续面。（1）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。锋面坡度的形成和维持是地球偏转力作用的结果。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。然而，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。2006-11-1513（2）锋区的水平温度梯度比锋两侧的单一气团内的温度梯度大得多是第二个特征。锋附近区域气温差是气团内水平温度梯度的5～10倍，说明锋面是大气斜压性集中带，是大气位能的积蓄区。锋区温度场在天气图上表现为等温线非常密集，而且同锋面近于平行。由于锋面在空间呈倾斜状态，使得各等压面上的等温线密集区位置随高度升高不断向冷区一侧偏移。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，锋区偏离地面锋线愈远。2006-11-1514

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。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。右图的探空曲线，表明了三种不同的锋面逆温。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。2006-11-1515（3）锋面两侧是密度不同的冷、暖气团，因而锋两侧的气压倾向是不连续的，当等压线横穿锋面时便产生折角，折角尖端指向高压一方，锋落在低压槽中。2006-11-1516锋区常见的几种基本气压场和风场型式：上面三幅图是等压线与锋平行时的情况，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。下面三幅是锋处的等压线呈V型槽时的情况，这种锋是移动型锋。2006-11-1517（4）锋附近的风场是同气压场相适应的。地面锋既然处于低压槽内，依据梯度风原理，锋线附近的风场应具有气旋性切变，尤其近地面层大气，由于摩擦作用，风向和风速的气旋性切变都很明显。当冷锋呈东北-西南走向时，锋前多为西南风，锋后多为西北风，表现出风向的气旋式切变。2006-11-1518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。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，风随高向左偏转。在静止锋情况下，风向少变或反转，风速显著加大。2006-11-1519三、锋的类型和天气1、锋的类型冷锋(Coldfront)：锋在移动过程，锋后冷气团占主导地位，推动着锋面向暖气团一侧移动的锋。冷锋又因移动速度快慢不同，分为一型（慢速）冷锋和二型（快速）冷锋。暖锋(WarmFront)：锋在移动过程中，锋后暖气团起主导作用，推动着锋面向冷气团一侧移动的锋。准静止锋(StationaryFront)：是冷、暖气团势力相当或有时冷气团占主导地位，有时暖气团又占主导地位，锋面很少移动或处于来回摆动状态的锋。锢囚锋(Occluded)：是当冷锋赶上暖锋，两锋间暖空气被抬离地面锢囚到高空，冷锋后的冷气团与暖锋前的冷气团相接触形成的锋。2006-11-15202006-11-15212、锋面天气（1）暖锋天气暖锋的坡度较小，暖气团在推挤冷气团过程中缓慢沿锋面向上滑行，滑行过程中绝热冷却，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。典型云序为：卷云（Ci）、卷层云（Cs）、高层云（As）、雨层云（Ns）。暖锋降水主要发生在雨层云内，多是连续性降水。有时也因空气湿度和垂直速度分布不均匀而造成不连续，可能出现几千米甚至几百千米的无云空隙。在我国明显的暖锋出现得较少，大多伴随着气旋出现。春、秋季一般出现在江淮流域和东北地区，夏季多出现在黄河流域。2006-11-1522（2）冷锋天气冷锋根据移动速度的快慢分为两种类型，一型冷锋（缓行冷锋）移动缓慢、锋面坡度较小。当暖气团比较稳定、水汽比较充沛时，产生与暖锋相似的层状云系，只是云系的分布序列与暖锋相反，而且云系和雨区主要位于地面锋后。由于锋面坡度大于暖锋，因而云区和雨区都比暖锋窄些，且多稳定性降水。但当锋前暖气团不稳定时，在地面锋线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。二型冷锋（急行冷锋）移动快、坡度大。冷锋后的冷气团势力强，移速快，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带，产生对流性降水天气。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。2006-11-1523（3）准静止锋天气同暖锋天气类似，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。准静止锋天气一般分为两类：一类是云系发展在锋上并有明显降水（我国华南准静止锋，清明时节雨纷纷）；另一类是主要云系发展在锋下，并无明显降水的准静止锋（昆明准静止锋），这类准静止锋主要出现在我国华南、西南和天山北侧。2006-11-1524（4）锢囚锋天气它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。锢囚锋过境时，出现与原来锋面相联系而更加复杂的天气。在中国锢囚锋主要出现在锋面频繁活动的东北、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。2006-11-15252006-11-1526四、锋生和锋消（frontogenesisandfrontolysis）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。（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。

2006-11-1527（2）空气垂直运动。上升运动使上升空气发生绝热降温，下沉运动使下沉空气发生绝热增温。当大气温度直减率（γ）小于干绝热直减率（γd）时，不论锋面冷空气一侧的气流上升或暖空气一侧的空气下沉，或者两者同时发生，都能引起原有温度梯度增大，利于锋生。当大气温度直减率大于干绝热直减率时，结果相反。（3）空气的热量交换。锋两侧的冷、暖气团同下垫面间时刻进行着热量交换，影响着锋两侧温度水平梯度的变化。大多数情况是锋两侧的气团都移行到性质大致相似的下垫面上，利于锋消。2006-11-15282006-11-1529Thelifecycleofafrontalwave2006-11-1530实践证明，在对流层低层气流水平辐合、辐散是锋生、锋消的一种主要因素；在对流层高层，垂直运动是一个重要因素，而水平气流辐合、辐散也是一个重要因素；在对流层中层，气流水平辐合、辐散和垂直运动往往同等重要，但两者所起作用相反。凝结潜热释放对锋生也起着一定作用。第五章天气系统（2）资源与环境科学学院地理系2006-11-2132§2中高纬度天气系统一、高空主要天气系统大气长波阻塞高压和切断低压极地涡旋高空低压槽和切变线二、温带气旋和反气旋温带气旋的结构、天气、发生发展冷性反气旋、移动性反气旋2006-11-2133一、高空主要天气系统中高纬度的对流层上空盛行着波状西风气流，由于高空大气满足地转平衡，所以波状流型的波谷对应于低压槽，波峰对应于高压脊。西风带的波动大体上分为两类：一是波长比较长的长波；二是叠加在长波上的波长比较短的短波。在长波、短波发展演变过程中，有时形成闭合的高压和低压。这些长波、短波和闭合高压、低压系统不仅相互联系，而且可以相互转化，共同构成了中高纬度高空的主要天气系统。2006-11-21341、大气长波是指波长较长、波幅较大、移动较慢、维持时间较长的波动。长波在高空图上同等高线的波状型相对应，等温线也呈波形，一般情况下等温线的位相稍稍落后于等高线，具有冷槽、暖脊的温压场结构。长波一般在5000—7000km，因而围绕着中高纬的纬圈可出现3—6个长波。长波自西向东移动，移速较慢，通常1天不超过10个经度。长波维持的时间一般3—5天以上。槽线槽线脊线脊线极涡

D副高G槽前是暖平流，槽前脊后上升运动，阴雨天气槽后是冷平流，槽后脊前下沉运动，晴朗天气2006-11-2136活动与中国的高空槽：西北槽、青藏槽、印缅槽2006-11-21372、阻塞高压和切断低压

1）阻塞高压－阻高

在高空槽脊的发展演变过程中，当脊不断北伸，向北加强时，其南部与暖空气的联系会被冷空气切断，在脊的北边出现闭合的高压环流，形成暖高压中心，称为阻塞高压。通常把阻塞高压出现后的大范围环流形势称为阻塞形势。

阻塞高压是温压场比较对称的深厚的暖性高压。特征：①有闭合的高压中心，并位于50°N以北。②维持的平均时间为5—7天，有时可达20天以上。③沿纬向移动每天不超过7—8个经度，常呈准静止状态，有时甚至向西倒退。2006-11-21382）切断低压在高空槽脊的发展演变过程中，当槽不断向南加深时，其北部与冷空气的联系会被暖空气切断，在槽的南边形成闭合的低压环流，形成冷低压中心，称为切断低压。它常常和阻塞高压相伴生成，并位于阻高的东南或西南侧，与阻高共同构成了大气环流中阻塞形势。也有的切断低压单独出现，并没有显著的阻高存在，只西侧有一较强的高压脊或闭合高压。

2006-11-2139阻塞高压和切断低压的发展2006-11-2140阻高控制下的天气一般是晴朗的，但阻高的不同部位由于运行气流属性的差异，形成的天气有所不同。高压东部盛行偏北气流，有冷平流和下沉运动，天气以冷晴为主。西部盛行偏南气流，有暖平流和上升运动，天气较暖且多云雨。南北两侧多稳定的西风气流，并常伴有短波活动，天气时阴、时晴。切断低压内的天气因部位不同而有差异。低压前部（东和东南侧）因低层有冷暖空气交汇，常有锋面气旋波动发生，有云雨天气出现。后部（西侧）因不断有冷空气南下，常有冷锋和切变线生成，有阵性降水出现。

2006-11-21412006-11-21423、极地涡旋－极涡是极地高空冷性大型涡旋系统，是极区大气环流的组成部分。其位置、强度以及移动不仅对极区，而且对高纬地区的天气都有明显影响。极地是地球的冷极，也是大气的冷源，因而在极地低空形成冷性高压，在极地上空则形成冷性低压。当极涡偏离极地向南移动时，常导致锋区位置比平均情况偏南，寒潮活动增多、增强。据统计，在10个冬半年影响我国的171次寒潮中，有102次是亚洲上空出现持久极涡，其中6次强寒潮过程都与极涡在亚洲上空的位置明显偏南相关2006-11-21434、高空低压槽和切变线（短波）1）高空低压槽－又称高空槽是活动在对流层中层西风带上的短波槽。一年四季都会出现，春季频繁。高空槽的波长大约1000多km，自西向东移动。槽前盛行暖湿的西南气流，常成云致雨。槽后盛行干冷的西北气流，多晴冷天气。一次高空槽活动反映了不同纬度间冷、暖空气的一次交换过程，给中、高纬地区造成阴雨和大风天气。活动于我国的高空槽有西北槽、青藏槽和印缅槽，它们大多从上游移来，很少产生于我国。在纬向环流比较平直时，高空槽一个接一个的东移，易造成阴晴相间周期变化的天气。如果移动过程中受高压所阻，将减速或停滞，可能造成持续性降水。2006-11-21442）切变线指风向或风速分布的不连续线，是发生在850hPa或700hPa等压面上的天气系统。切变线两侧风向构成气旋式切变，但两侧的温度梯度却很小，这是切变线与锋的主要差别。随着切变线两侧气流的强弱变化可以相互转化。切变线上的气流呈气旋式环流，水平气流辐合明显，利于发展上升气流，产生云雨天气。切变线在一年中各个季节都可能出现，以冷、暖空气频繁活动的晚春、初夏为多。是我国暖季重要的降水天气系统。根据切变线附近的风场形式一般划分为三种类型：a.冷锋式切变线：偏北风为主，水汽含量少，移动速度快，降水时间不长，降水量不大。b.暖锋式切变线：气旋性环流强，偏南风含有水汽多，云层厚，降水时间较长，降水量较多，有时还形成雷阵雨和阵性大风。c.准静止锋式切变线：虽然风向切变很强，但气流辐合较弱，云层相对较薄，降水时间较长，但降水量不大。冷式切变线暖式切变线准静止式切变线2006-11-2146请判断下列切变线的类型2006-11-2147例：影響華南及其沿岸海域的颮線通常會在春末夏初時伴隨著南下的冷鋒或低壓槽出現。2005年5月9日影響香港的強烈颮線便是一例。當時香港有超過100宗樹木及棚架倒塌報告。从当天的地面風分佈圖看，當颮線經過时風向由西南風迅速變為西北風(紅色虛線為風向切變線)。2006-11-21483）低涡－冷涡是出现在中纬度中层大气中的一种强度较弱、范围较小的冷性低压。低涡范围较小，一般只有几百千米。它存在和发展时，在地面图上可诱导出低压或使锋面气旋发展加强。低涡中有较强的辐合上升气流，可产生云雨天气，尤其东部和东南部上升气流最强，云雨天气更为严重。低涡经常出现在我国西北和西南地区，分别称为西北涡和西南涡，成为影响江淮流域甚至华北地区的天气系统。2006-11-2149二、温带气旋和反气旋中纬度地面气压系统最主要的两类是温带气旋和反气旋。人们更关注地面气旋。因为这种系统发展迅速、激烈，经常带来破坏性大风、暴雨、对流等，成为所谓温带风暴。但地面反气旋也不能忽略，如冬季冷高压可以带来寒潮与冷空气活动，入海后可以产生偏东风回流天气或切变线。在大多数中国暴雨过程中都有冷空气活动参与，它们也常以冷高压形式表现出来。地面气旋与反气旋是密切相关的。2006-11-21501、气旋气旋是指在同一高度上中心气压比周围低、占有三度空间的大尺度涡旋。低压（气压场）中心气压比周围低气旋（流场）气流逆时针旋转（北半球）气流顺时针旋转（南半球）

表示水平尺度：以最外围的一条闭合的等压线的直径长度来表示。强度：以中心气压值表示。2006-11-2151温带气旋（锋面气旋）活动在中高纬地区的气旋，多为锋面气旋。结构：锋面气旋是一个呈逆时针方向旋转的涡旋，自中心向前方伸展出一条暖锋，向后方伸展出一条冷锋，冷、暖锋以南为暖空气，以北为冷空气。2006-11-2152锋面气旋天气模式2006-11-2153

锋面气旋在对流层的中下层主要是辐合上升的气流，产生云和降水天气。天气情况：云：近中心宽、远中心窄降水：近中心对流云，阵性降水；远中心降水区较宽。

如果暖空气为热带大陆气团，锋面上无降水或出现一些薄云；如果暖空气为热带海洋气团，当空气层结稳定时，锋面上出现一些层云和雾；当空气层结不稳定时，易有对流性天气发展。

风：暖区一侧偏南大风，冷区一侧西北大风，在干燥季节，伴随大风会出现风沙。2006-11-2154发生和发展：（挪威学派的经典概念模式）1、初生阶段：是具有气旋性切变的准静止锋上的一个小扰动，初始小扰动一旦发生，暖空气稍稍上升到冷空气上面，波峰附近的气压就开始下降2、发展阶段：在初始扰动发生以后，气压分布有利于在波峰附近形成一个气旋环流。这种环流的一个重要特点，是在波峰后面有一个从冷空气吹向暖空气的分量，而在波峰前面有一个从暖空气吹向冷空气的分量。冷锋向前行进和暖锋向东撤退，使整个锋面波大致沿着摩擦层以上的暖区气流方向前进。随着初始扰动的振幅逐渐增大，同时气旋中心的气压不断降低，周围的环流增强。而且可以看到冷锋一般比暖锋移动得更快。最后冷锋追上暖锋，暖空气完全从地面抬升到高空。这种过程称为“锢囚”，所形成的锋称为锢囚锋。3、成熟阶段：在锢囚锋的两边，冷气团性质可以有所不同。气旋继续发展，冷锋追上暖锋的地方(即锢囚锋)离气旋中心越来越远，锢囚的范围扩大，气旋的范围也变大，并转变成对流层下部的一个大冷涡，但暖空气仍然在其上空。4、衰亡阶段：最后气旋大体上成为一个正压涡旋，这时它丧失了锋的特性，并且由于摩擦作用，气旋逐渐消散，整个过程完结。

2006-11-2155这个概念模型的一个基本特点，在于它说明了气旋发生发展过程中能量的转换问题。在锢囚过程期间，最初范围很大的暖空气区域逐渐减小范围，并被入侵的冷空气所替代。在气旋中心附近，整个大气的中心是降低了，所以位能减小，但同时气旋系统的动能却增加了。J.Bj