南大天氣學原理第五章1

第五章低緯天氣系統(tǒng)我國天氣不但受中高緯度天氣系統(tǒng)的影響，也受低緯度天氣系統(tǒng)的影響。我國所處的地理位置低緯與中高緯大氣環(huán)流的相互作用低緯地區(qū)是30oN-30oS以內(nèi)的地區(qū)，包括熱帶和副熱帶地區(qū)。熱帶地區(qū)中的10oN-10oS范圍又稱為赤道地區(qū)。地理學：南北回歸線之間(23.5oN-23.5oS)的地區(qū)定義為熱帶。天氣學：依據(jù)天氣系統(tǒng)和天氣過程來劃分，南北半球副熱帶高壓之間的地區(qū)，即赤道兩側(cè)盛行東風帶的地區(qū)定義為熱帶地區(qū)，將盛行東風帶與盛行西風帶之間的過渡區(qū)，即副熱帶高壓活動區(qū)定義為副熱帶地區(qū)。天氣學所指的熱帶地區(qū)隨季節(jié)南北移動。低緯地區(qū)的大氣運動與中高緯度地區(qū)的差異：中高緯度地區(qū)天氣系統(tǒng)主要有長波、鋒面、鋒面氣旋等，其運動能量主要來源于與水平溫度梯度有關(guān)的有效位能的釋放，而潛熱釋放和輻射加熱等非絕熱加熱作用是次要的。低緯地區(qū)水平溫度梯度很小，近正壓狀態(tài)，大氣儲存的有效位能很少，但該地區(qū)水汽充沛，潛熱釋放成為該地區(qū)天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的主要能量來源。低緯地區(qū)天氣系統(tǒng)：§5.1熱帶氣旋§5.2西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓§5.3熱帶輻合帶和熱帶云團§5.4東風波§5.5熱帶副熱帶渦旋§5.1熱帶氣旋§5.1.1活動概況時空分布、群集性、移動路徑§5.1.2熱帶氣旋的基本結(jié)構(gòu)溫壓場、流場、眼和螺旋云雨帶§5.1.3熱帶氣旋的天氣§5.1.4熱帶氣旋的發(fā)生與發(fā)展1.形成的必要條件2.物理機制—第二類條件不穩(wěn)定§5.1.5熱帶氣旋的移動1.影響熱帶氣旋的移動的各種力2.影響熱帶氣旋移動的大型環(huán)流系統(tǒng)

2000年4號熱帶氣旋

熱帶氣旋是形成在熱帶或副熱帶洋面上，具有有組織的對流和確定的氣旋性地面風環(huán)流的非鋒面性的天氣尺度系統(tǒng)。熱帶氣旋的分類

(根據(jù)中心附近最大風速)1989年前強臺風(12級以上)臺風(8-11級)熱帶低壓(6-7級)1989年后臺風(12級以上;32.7m/s)強熱帶風暴(10-11級;24.5-32.6m/s;)熱帶風暴(8-9級;17.2-24.4m/s)熱帶低壓(6-7級;10.8-17.1m/s)超強臺風(16級或以上;≥51.0m/s)強臺風(14-15級;41.5-50.9m/s)臺風(12-13級;32.7-41.4m/s)2006年西北太平洋和南海熱帶氣旋（臺風）命名

第31屆臺風委員會通過的西北太平洋和南海熱帶氣旋命名表，共有140個名字，分別由亞太地區(qū)的柬埔寨、中國、朝鮮、中國香港、中國澳門、日本、老撾、馬來西亞、密克羅尼西亞聯(lián)邦、菲律賓、韓國、泰國、美國和越南等14個成員提供（每個成員提供10個名字）?！?.1.1熱帶氣旋活動概況1、熱帶氣旋活動的時空分布全球臺風形成區(qū)域1.赤道附近5oN-5oS無臺風2.大部分臺風形成于5-20o范圍內(nèi)3.東南太平洋和南大西洋很少出現(xiàn)臺風西北太平洋臺風活動頻率臺風季節(jié)我國是世界上受臺風襲擊最多的國家之一西北太平洋是全球臺風發(fā)生最多的海域，平均每年約有30個臺風生成，其中能登陸我國的有7個。我國北起遼寧南至兩廣的沿海一帶,每年都有遭受臺風襲擊的可能,其中在廣東、福建和臺灣三省登陸的最多。2、熱帶氣旋活動在時間上的群集性熱帶氣旋有在一個時段成群生成的趨勢，有時在15-25天時段內(nèi)全球范圍可觀測10-20個熱帶氣旋，這一階段稱為熱帶氣旋活動盛期，在兩個熱帶氣旋盛期之間有一個時間尺度相當?shù)臒釒庑顒用黠@減少的時段，這一階段稱熱帶氣旋活動衰期，這種熱帶氣旋活動的盛期和衰期交替出現(xiàn)的現(xiàn)象稱為熱帶氣旋活動的群集性，其周期約為30-50天。在西北太平洋，當赤道西風活動強度增強，向東爆發(fā)越過130o-140oE以東時，ITCZ變得活躍，熱帶氣旋易于連續(xù)發(fā)生，出現(xiàn)熱帶氣旋的盛期;反之，當赤道西風活動范圍西縮，強度減弱，低緯大部分地區(qū)受東風控制時，熱帶氣旋活動顯著減弱。3、熱帶氣旋的移動南太平洋熱帶氣旋向東路徑東北太平洋向西移動臺風路徑1949-2002西北行西行西轉(zhuǎn)向westof125oE中轉(zhuǎn)向東轉(zhuǎn)向125oand140oEeastof140oE北上東北行異常40N30N20N10NEQ40N30N20N10NEQ40N30N20N10N各種路徑在每個月所占的百分率（%）

123456789101112北上0003211055201西北行8001311283425208126西行46554323517111616304244東轉(zhuǎn)向12019211148102021911中轉(zhuǎn)向273624152117162125221922西轉(zhuǎn)向491015392814149111411東北行0005113453101異常405502342343§5.1.2成熟熱帶氣旋的基本結(jié)構(gòu)熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)包括從氣旋中心向外幾百公里范圍內(nèi)的風場、氣壓場、溫濕場、云雨等的分布狀況和海洋狀況。熱帶氣旋范圍(以最外圍的閉合等壓線為準)的平均直徑約7-9個緯距，巨型熱帶氣旋個別超過10個緯距，微型熱帶氣旋的直徑在2個緯距以下，其垂直范圍一般到對流層頂，有的可以伸展到平流層。

因此熱帶氣旋的垂直尺度和水平尺度之比為1/50-1/75，它是一個扁平的氣旋性渦旋。熱帶氣旋具有獨特的螺旋狀云雨帶和眼區(qū)，眼區(qū)的平均直徑30-40km，最大的可達200km，小的只有10km左右。由熱帶氣旋的外圍向內(nèi)，地面氣壓迅速下降，地面風力增強，并伴有傍沱大雨，但在熱帶氣旋中心(眼區(qū))，天氣卻比較平靜。1.熱帶氣旋的溫壓場熱帶氣旋的氣壓場特征表現(xiàn)為極低的中心氣壓和極大的水平氣壓梯度，成熟的熱帶氣旋中心最低氣壓一般在960hPa以下。在地面天氣圖上，熱帶氣旋表現(xiàn)為一個準圓形對稱的、梯度極大的閉合低壓系統(tǒng)。水平氣壓梯度可達5-10hPa/10km。熱帶氣旋中心附近具有明顯的暖性結(jié)構(gòu)，暖核在250hPa最寬最暖。漏斗狀暖性結(jié)構(gòu)2.熱帶氣旋的流場低層有強烈的氣旋性切向風和強烈的徑向流入;高層有強烈的流出，流出的形式近中心是氣旋性的，外圍是反氣旋性的。在距中心200-300km的范圍內(nèi)(眼區(qū)除外)有整層上升運動，300km以外，上升氣流和下沉氣流交替出現(xiàn)。垂直流場18km

8km

0km垂直方向熱帶氣旋可分為三層:(1)地面到3km左右的氣旋性流入層，有強烈的向中心的輻合流入氣流，其中1km以下的行星邊界層中輻合最強烈；(2)3-8km的中層（螺旋式上升層），徑向氣流很小，主要是氣旋性切向氣流，垂直氣流很強，低層輻合的暖濕氣流通過這一層輸向高層;(3)8km到熱帶對流層頂部是流出層，最大輻散氣流出現(xiàn)在12km左右。流出的空氣和四周的環(huán)境空氣混合下沉到低層，組成熱帶氣旋的徑向垂直環(huán)流。水平方向(1)眼區(qū):在中心附近，一般范圍為30－40km，眼區(qū)內(nèi)風弱、干暖、少云。眼是熱帶氣旋區(qū)別于溫帶氣旋的主要特征之一；(2)最大風速區(qū):圍繞眼區(qū)，有一環(huán)狀的最大風速區(qū)，平均寬度為8-50km。最大風速區(qū)一般與熱帶氣旋眼壁的云墻相一致，最強烈的對流和狂風暴雨就發(fā)生在這里;(3)外區(qū):從最大風速區(qū)外緣到熱帶氣旋的邊緣，在這個區(qū)域中，風速向外減弱。眼區(qū)（內(nèi)圈）最大風速區(qū)（中圈）外區(qū)（外圈）3.熱帶氣旋的眼和螺旋云雨帶熱帶氣旋的眼和螺旋云雨帶是其區(qū)別于溫帶氣旋的兩個重要特征。熱帶氣旋的眼的大小一般為30－40km，最大的可達200km，小的只有10km左右。在眼區(qū)中，水平風速小，有下沉運動或弱的上升運動，無云或少云，和眼外的狂風暴雨相比，這里顯得風平浪靜，眼區(qū)一般隨熱帶氣旋的加強而縮小。從眼區(qū)外的最大風速區(qū)向外，往往有幾條螺旋云雨帶，它有兩種類型:一類是移動性的，一類是準靜止(相對于熱帶氣旋而言)云雨帶，后者從熱帶輻合帶北側(cè)，環(huán)繞熱帶氣旋東側(cè)旋向近中心區(qū)。這類云雨帶比移動性云雨帶大得多，它隨熱帶氣旋移動。熱帶氣旋螺旋云雨帶的分布是非對稱的。臺風云系成熟臺風的云系分布圖§5.1.3熱帶氣旋的天氣暴雨大風風暴潮1.熱帶氣旋降水熱帶氣旋降水：300～400mm，陣性降水影響范圍：南北約跨30個緯度，東西可達30個經(jīng)度。熱帶氣旋降水有四類：云墻區(qū)降水外圍螺旋云雨帶降水熱帶氣旋與其他天氣系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的降水與熱帶氣旋相聯(lián)系的熱帶云團的降水影響熱帶氣旋降水的主要因子：熱帶氣旋內(nèi)的水汽含量和水汽輸送，上升運動和大氣穩(wěn)定度。它的直接制造者是熱帶氣旋中的中小尺度系統(tǒng)(如切變線、輻合線、中低壓等)。在云墻區(qū)，大氣最不穩(wěn)定，上升運動強烈，中小尺度擾動活躍，所以這里降水劇烈，而且愈近中心降水量愈大，特別是在眼區(qū)周圍暴雨強度最大。熱帶氣旋眼內(nèi)由于下沉增溫、相對濕度小，故一般無雨，但在填塞階段有云層充塞并發(fā)展時，也可有降水發(fā)生。登陸后熱帶氣旋暴雨常常會突然增幅臺風特大暴雨駐馬店75.8大暴雨天氣形勢臺風大暴雨的典型天氣形勢：臺風倒槽2.熱帶氣旋大風熱帶氣旋的風速有很大的陣性，其瞬時極大風速和極小風速之差可達30m/s以上，強熱帶氣旋的平均最大風速常?？蛇_60-70m/s，有的最大風速可達100m/s以上。危險半圓熱帶氣旋的風速分布并不均勻，這與氣旋周圍的氣壓場分布有關(guān)，一般來說，熱帶氣旋的右前方往往和副熱帶高壓相鄰，在這里水平氣壓梯度最大，最大風速區(qū)也出現(xiàn)在這里。熱帶氣旋登陸后，由于摩擦加大和水汽供應減少，強度都要減弱。登陸后熱帶氣旋的風速受地形影響較大，一般講，平原地區(qū)的風速比山區(qū)大。我國是臺風風災最為嚴重國家之一

據(jù)統(tǒng)計在1982-1990年間我國死于臺風風災的年均463人年均直接經(jīng)濟損失約41.6億人民幣。風災3.風暴潮熱帶氣旋可造成海上巨大的波浪。波浪的大小與風速及大風持續(xù)時間成正比。一般風力達8級的熱帶低壓，浪高可達4米；風力12級的臺風，浪高可達15米。越近臺風中心，浪高越大：熱帶氣旋前進方向的右側(cè)比左側(cè)大，最大浪高出現(xiàn)在右后方距中心約20-50浬的地方。這是因為一般熱帶氣旋風力右側(cè)比左側(cè)大，而且右側(cè)的波向和熱帶氣旋的移向一致。當波浪離開熱帶氣旋向四周傳播時，由于風力的減小和能量消耗，浪高逐漸減小，波峰變圓，周期變長，形成長浪。長浪增幅到一定程度就是所謂的“風暴潮”。我國是臺風災害最為深重的國家之一.臺風災害的類型:狂風（32-100m/s）特大暴雨（200mm/day以上）風暴潮（潮位高出海平面5-6米）

熱帶氣旋

熱帶氣旋§5.1.4熱帶氣旋的發(fā)生與發(fā)展1.熱帶氣旋形成的必要條件初始擾動暖性洋面：海水溫度＞26.5℃地轉(zhuǎn)偏向力作用：距赤道5個緯距以上對流層風垂直切變小臺風形成（1）初始擾動是熱帶氣旋的“胚胎”。在西太平洋和南海地區(qū)熱帶輻合帶中的擾動東風波中高緯長波槽中的切斷低壓，或高空冷渦斜壓性擾動（2）廣闊的高溫洋面，是熱帶氣旋形成的重要的基本條件。因為暖的洋面，蘊藏著較大的熱量，海面蒸發(fā)也旺盛，通過海氣間的湍流輸送，空氣的溫度升高，濕度變化，并且氣層變?yōu)闂l件性不穩(wěn)定層結(jié)。這種空氣層中，一旦低層空氣受到擾動抬升到自由對流高度后，氣塊就加速上升，為積云對流和熱量、水汽的向上輸送提供了十分有利的條件。通過積云對流釋放出大量的凝結(jié)潛熱，熱帶氣旋得以發(fā)展和維持。熱帶氣旋只能在海面溫度大于26.5C的區(qū)域發(fā)生。在西北太平洋全年都是高海溫，所以熱帶氣旋發(fā)生最頻繁；在東南太平洋，由于全年海溫低于26.5C，沒有熱帶氣旋發(fā)生。熱帶氣旋的形成不僅與海面溫度有關(guān)，而且與海面以下的水溫垂直結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般從海面至60m深處的水溫要超過26C，才可能形成熱帶氣旋。要形成熱帶氣旋，不僅能量的供給要大量，而且必須是持續(xù)的。具有較廣闊的海域才可能提供充足的水汽來源，以保證不穩(wěn)定潛能的供給。（3）地轉(zhuǎn)偏向力的作用由簡化的渦度方程(5.1)式，對給定的輻合值，渦度隨時間的變化正比于絕對渦度的大小。在赤道上，f=0，近赤道附近f≈0，而在擾動的初期ζ≈0，這時雖有一定的輻合流場，仍然有dζ/dt≈0，即擾動的渦度不會增加。離開赤道一定緯度的地區(qū)f≠0，輻合能引起渦度的增加。（4）較小的風速垂直切變這是因為，如果風速的垂直切變小，上下層空氣相對運動很小，則凝結(jié)釋放的潛熱始終加熱一個有限范圍內(nèi)的氣柱，使之很快增暖形成暖心結(jié)構(gòu)。如果風速的垂直切變很大，則通風顯著，在對流層中釋放出來的大量潛熱就要被平流出去，使得熱量無法在擾動區(qū)內(nèi)集中，不利于形成暖性結(jié)構(gòu)。2.熱帶氣旋形成的物理機制

——第二類條件不穩(wěn)定熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展的能量來源主要是凝結(jié)潛熱，潛熱和熱帶氣旋動能之間轉(zhuǎn)換的物理機制-CISK機制.CISK機制（第二類條件不穩(wěn)定）：在海洋上由于摩擦作用，產(chǎn)生低空的水汽向內(nèi)的水平輻合流入和向上輸送，形成積云對流。積云單體通過凝結(jié)潛熱釋放，使大氣層增暖，高層質(zhì)量流出輻散，引起地面氣壓降低，從而增強低空氣旋性環(huán)流。在邊界層摩擦作用下，向中心的風分量增加，這使得低空的輻合增強，輻合引起更多的積雨云，釋放更多的潛熱，從而使地面氣壓能繼續(xù)下降。如此循環(huán)下去。這種由積云對流和大尺度擾動兩者相互作用所產(chǎn)生的不穩(wěn)定，稱為第二類條件性不穩(wěn)定，縮寫為CISK。在積云對流和熱帶低壓的相互作用過程中，邊界層摩擦不只是消耗能量的因子，而且通過艾克曼抽吸和積云對流成為能量的制造者。上述第二類條件性不穩(wěn)定理論中，高空輻散是由于行星邊界層內(nèi)摩擦輻合導致上升運動氣柱增暖而產(chǎn)生的。但是，天氣實踐表明，高空輻散氣流也常由于其他環(huán)境因子造成，它對于熱帶氣旋得到進一步發(fā)展起了重要作用。從200hPa流場考慮，有三種情況有利于低層擾動發(fā)展成熱帶氣旋：在副高南側(cè)高空東風流出氣流的下方，反氣旋性曲率沿氣流增加的地方；在西風槽前高層流出氣流的下方；在洋中槽和東風流出氣流的下方。3.熱帶氣旋的消亡和變性影響熱帶氣旋消亡和變性的主要原因是能量來源的枯竭和環(huán)流形勢的變化，其顯著的特征是暖心結(jié)構(gòu)被破壞。登陸后消失在海上消失變性為溫帶氣旋熱帶氣旋登陸后消失的機制：熱帶氣旋登陸后，海洋熱源被切斷，水汽供應和輻合減少，垂直向上輸送也隨之減少，于是積雨云活動減弱，高層潛熱釋放減少，因而使暖心結(jié)構(gòu)減弱和被破壞，結(jié)果斜壓性漸弱，動能制造減少，同時在高層向外徑向流出也減少，因而導致低層輻合大于高層輻散，這樣整個熱帶氣旋區(qū)有凈的質(zhì)量輻合，氣壓上升，熱帶氣旋漸趨填塞。海上消失的原因有的是由于熱帶氣旋沒有發(fā)展成熟，強度較弱，當它北移入副高脊的薄弱部位時，下沉氣流破壞了熱帶氣旋的環(huán)流；有些是因為有強冷空氣從熱帶氣旋北部侵入，所以熱帶氣旋減弱填塞。熱帶氣旋的變性熱帶氣旋北移進入西風帶后，如有冷空氣從熱帶氣旋西北部侵入，則熱帶氣旋可能演變成溫帶鋒面氣旋。這種變性氣旋往往還會發(fā)展，其能量一方面來自潛熱的釋放，另一方面還來自位能的釋放?！?.1.5熱帶氣旋的移動1.影響熱帶氣旋移動的各種力（5.7）熱帶氣旋的移動由作用于整個熱帶氣旋的科氏力、背景場的氣壓梯度力和內(nèi)力決定。（5.7）熱帶氣旋運動的物理因子分析（5.7）第一部分第二部分第三部分由此可見，對一個結(jié)構(gòu)對稱的熱帶氣旋，由于內(nèi)部空氣質(zhì)點受地轉(zhuǎn)偏向力和氣旋內(nèi)上升運動的作用，存在著向西北方向的力，也就是受內(nèi)力的作用，熱帶氣旋向西北方向移動。引起熱帶氣旋加速運動的因子有外力（地轉(zhuǎn)偏向力和大型流場的氣壓梯度力）和