成信工天氣學原理教案03氣旋和反氣旋

第三章氣旋和反氣旋

——溫帶鋒面氣旋（地面）

氣旋，反氣旋的特征和分類

一、定義：

氣旋——氣旋是占有三度空間，在同一高度上中心氣壓低于四周的大尺度渦旋。在北半球，氣旋范圍內(nèi)氣流作逆時針旋轉(zhuǎn)，南半球相反。

反氣旋——反氣旋是占有三度空間，在同一高度上中心氣壓高于四周的大尺度渦旋。在北半球，反氣旋范圍內(nèi)氣流作順時針旋轉(zhuǎn)，南半球相反。

二、氣旋和反氣旋的水平尺度

圖形

氣旋水平尺度平均1000公里

反氣旋水平尺度>>氣旋，幾千~上萬公里

三、氣旋和反氣旋的強度

1．地面氣旋中心氣壓平均：970~1010hpa

地面反氣旋中心氣壓平均：1020~1030hpa

2．強度變化

氣旋：“加深”；“添塞”

反氣旋：“減弱”；“增強”

3．對溫帶氣旋、反氣旋，冬季比夏季強；

氣旋在海上比陸地上強，反氣旋則反之

四、氣旋和反氣旋的分類

氣旋圖形

地理分類溫帶氣旋

熱帶氣旋

熱力分類

鋒面氣旋

熱帶氣旋：臺風、熱帶低壓

無鋒面氣旋地方性氣旋下墊面加熱

地形影響

鋒前熱低壓：高空暖平流

反氣旋

地理分類：極地反氣旋，溫帶反氣旋，副熱帶反氣旋

熱力分類：冷性反氣旋，暖性反氣旋

第2節(jié)渦度和渦度方程

渦度

渦度——流體質(zhì)塊速度的旋度

表達式

1．＂z＂坐標系相對渦度表達式

∵大氣運動主要是準水平,垂直渦度是主要的

——①

說明意義：圖形

設(shè)u=0

則

∵

∴

氣塊做逆時針（氣旋式）旋轉(zhuǎn)

氣塊做順時針（反氣旋式）旋轉(zhuǎn)

表示氣塊與x軸平行的邊界轉(zhuǎn)動的角速度

同理表示氣塊與y軸平行的邊界轉(zhuǎn)動的角速度

氣塊做氣旋式旋轉(zhuǎn)——正渦度

氣塊做反氣旋式旋轉(zhuǎn)——負渦度

表示整個氣塊繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)——垂直渦度分量

2．“P”坐標系的相對渦度表達式

——②

天氣圖上定性判斷渦度

圖形南風為正北風為負

圖形∴槽線上為負渦度

∴脊線上為負渦度

3．地轉(zhuǎn)風渦度表達式

地轉(zhuǎn)風

代入②式得

——③

4．熱成風渦度表達式

熱成風

代入②式得到：

——④

5．自然坐標系中渦度表達式——直角坐標

＝

取自然坐標系，并取x軸與S軸相切，則β=0

∴——⑤

：曲率

討論⑤式的各項意義

①曲率渦度

∵V>0

∴Ks>0氣旋性曲率正渦度

Ks<0反氣旋性曲率負渦度

風速越大，曲率越大——渦度越大

天氣圖上

圖形槽線上具有曲率渦度極大值

脊線上具有曲率渦度極小值

②切變渦度

氣旋式切變正渦度

反氣旋式切變負渦度

切變越大——渦度越大

圖形圖形

天氣圖上急流區(qū)：

圖形

∴高空西風急流北側(cè)為正渦度

高空西風急流南側(cè)為負渦度

6．絕對渦度——在絕對坐標系

：絕對速度：相對速度：牽連速度

得到：

：絕對渦度：相對渦度：行星渦度

∵

∴圖形

取自然坐標

∴

行星渦度大小為地球自轉(zhuǎn)角速度兩倍

行星渦度方向與地球自轉(zhuǎn)角速度的方向一致

∴絕對渦度

其垂直分量

注意：北半球，

中高緯大尺度運動

二、渦度方程

1．“P”坐標系中的垂直渦度方程

由水平運動方程

做運算：（注意：，）

絕對渦度個別變化——⑨

相對渦度的局地變化

——⑩

2．討論⑩式的物理意義

①相對渦度平流

圖形正渦度平流

，負渦度平流

沿著氣流方向，相對渦度減小，，正渦度平流局地渦度增加

沿著氣流方向，相對渦度增加，，負渦度平流局地渦度減小

天氣圖應(yīng)用

圖形

槽前脊后有正的渦度平流

槽后脊前有負的渦度平流

槽脊線為渦度平流零線

正圓形的高，低系統(tǒng)渦度平流為零

②地轉(zhuǎn)渦度平流

北半球f>0,

圖形f隨緯度增加而增大，f客觀分布南小北大

天氣圖上的應(yīng)用圖形

槽前脊后偏南風，有負地轉(zhuǎn)渦度平流

槽后脊前偏北風，有正地轉(zhuǎn)渦度平流

實際上定性判斷

短波槽以相對渦度平流為主

長波槽以地轉(zhuǎn)渦度平流為主——穩(wěn)定，西退

③相對渦度的垂直輸送圖形

相對渦度隨高度增加

相對渦度隨高度減小

④渦度傾側(cè)項圖形

u隨高度減小，在負y方向，產(chǎn)生切變渦度

ω隨y軸增大

∴，水平渦度傾斜

，渦度增大（產(chǎn)生正的垂直渦度）

反之，水平渦度傾斜，，渦度減?。óa(chǎn)生負的垂直渦度）

⑤散度項

北半球，（大一個量級）

空氣輻合產(chǎn)生正渦度，氣流做氣旋式旋轉(zhuǎn)

空氣輻散產(chǎn)生輻渦度，氣流做反氣旋式旋轉(zhuǎn)圖形

3，渦度方程的簡化

上式簡化：——11

∵

∴

對于不可壓縮，水平無輻散天氣

絕對渦度守恒

第三節(jié)位勢傾向方程與ω方程

一、位勢傾向方程

公式推導

由簡化的渦度方程

代入連續(xù)方程

——13

設(shè)大氣是準地轉(zhuǎn)，代入地轉(zhuǎn)風公式：

——14

再由熱流量方程

展開——15

對取對數(shù)后并求導（等壓面上p=const）

代入狀態(tài)方程

同理可得到

代入15式

靜力穩(wěn)定度參數(shù)

——16

用靜力學方程代入上式

——17

作運算

——18

將14+18式，消去項

——19位勢傾向方程

2，討論19式各項的物理意義

①左端項

設(shè)

則

同理

∴

即

②地轉(zhuǎn)風絕對渦度平流

a.地轉(zhuǎn)風相對渦度平流

天氣圖應(yīng)用圖形

槽前脊后為正的相對渦度平流，等壓面高度降低

槽后脊前為負的相對渦度平流，等壓面高度升高

槽脊線上渦度平流為零，等壓面高度無變化

∴相對渦度平流使槽脊東移（短波槽），對槽脊的發(fā)展不起作用

b.地轉(zhuǎn)渦度平流

∵

∴圖形

天氣圖應(yīng)用圖形

槽前脊后偏南風，則有負地轉(zhuǎn)渦度平流，，等壓面位勢高度升高

槽后脊前偏北風，則有正地轉(zhuǎn)渦度平流，，等壓面位勢高度降低

槽脊線上為西風，地轉(zhuǎn)渦度平流為零，等壓面位勢高度無變化

∴地轉(zhuǎn)渦度平流使槽脊西退（長波槽），對槽脊發(fā)展不起作用

③厚度平流隨高度的變化項

代入靜力學方程，有：

∵

∴

∵在實際大氣中,冷暖平流一般隨高度減弱

∴暖平流層,高空等壓面升高,有利于高空脊發(fā)展

冷平流層,高空等壓面降低,有利于高空槽發(fā)展

④

非絕熱加熱隨高度的變化項

>0,非絕熱加熱隨高度增加,,等壓面位勢高度降低

<0,非絕熱加熱隨高度減小,,等壓面位勢高度升高

補充：冷暖平流在天氣圖上的應(yīng)用

①等壓面圖上冷暖平流的判斷

a）

圖形

等溫線與等高線有交角處有溫度平流

等溫線與等高線沒有交角處無溫度平流

b）

＞０暖平流

＜０冷平流

②溫度槽脊落后于高度槽脊

圖形

③溫度槽脊超前于高度槽脊圖形

∴溫度平流對槽脊發(fā)展起主要作用

二、ω方程

１，公式推導

?。保矗保肥?/p>

——14

——17

作運算：對得：——20

對得：——21

∵σ在水平方向上分布均勻

∴

將20－21，消去項，得到

——22ω方程

2,討論22式各項的物理意義

左端項，同19式類似，同理可證

絕對渦度平流隨高度變化項

正絕對渦度平流

負絕對渦度平流

絕對渦度平流隨高度增加ω<0有上升運動

絕對渦度平流隨高度減小ω>0有下沉運動

天氣圖應(yīng)用圖形

a）對地面低壓中心，一般位于高空的槽前脊后，低層渦度平流很小，高層為正渦度平流。

所以在這個地區(qū)渦度平流隨高度增加--有上升運動

b）地面的高壓中心，一般位于高空的槽后脊前，低層渦度平流很小，高層為負渦度平流。

所以在這個地區(qū)渦度平流隨高度減弱--有下沉運動

③厚度平流的拉普拉斯項

同理可證：

代入靜力學方程

圖形

天氣圖應(yīng)用

圖形

a）高空槽附近（地面低壓前部和高壓后部）為冷平流區(qū)，有下沉運動

b）高空脊附近（地面低壓后部和高壓前部）為暖平流區(qū)，有上升運動

④非絕熱加熱的拉普拉斯項

同理可證：

非絕熱加熱：凝結(jié)潛熱

下墊面加熱

第4節(jié)溫帶氣旋與反氣旋

一、溫帶氣旋與反氣旋發(fā)展的物理因子

1，高空的溫度槽脊落后與高度槽脊是斜壓性強的發(fā)展槽脊

a)冷平流使高空槽加深，暖平流使高空脊加強

b)高空正、負渦度平流使高空槽脊東移

2，對地面氣旋和反氣旋

1）a地面氣旋在高空槽前脊后——有正渦度平流，氣旋性渦度增加，整層等壓面高度降低，地面減壓，氣旋發(fā)展，伴隨上升運動

b地面反氣旋在高空槽后脊前——有負渦度平流，反氣旋性渦度增加，整層等壓面高度升高，地面加壓，反氣旋發(fā)展，伴隨下沉運動

2)a高空槽附近的冷平流區(qū)——地面加壓，使氣旋，反氣旋東移

b高空脊附近的暖平流區(qū)——地面減壓，使氣旋，反氣旋東移

3，在斜壓擾動中

渦度因子使低層系統(tǒng)發(fā)展，高層系統(tǒng)移動

熱力因子使高層系統(tǒng)移動，低層系統(tǒng)發(fā)展

二、溫帶氣旋的發(fā)展過程（P121圖3.11）

圖形波動階段圖形成熟階段圖形錮囚階段圖形消亡階段

1，波動階段（P215圖3.13）圖形

特點：在高空鋒區(qū)上有發(fā)展淺槽，溫度槽脊落落后于高度槽脊，槽前正渦度平流使地面減壓，初步成一根閉合等壓線的地面氣旋，溫度平流使氣旋中的冷暖鋒形成，并使氣旋前部減壓，后部加壓，所以氣旋一面快速東移，一面發(fā)展，此時，輻合上升和地面摩擦作用均很小

2，成熟階段（P125圖3.13）圖形

特點：溫度槽落有于高度槽，溫度平流合渦度平流均強烈加強，地面氣旋加深，達到最強盛階段，出現(xiàn)數(shù)根閉合等壓線，氣旋移速減慢，冷暖鋒之間暖區(qū)縮小，輻合上升和地面摩擦作用增強，但仍不占主導地位

3，錮囚階段圖形

特點：高空槽達到最強，出現(xiàn)閉合低壓中心，高空渦度平流減弱，地面減壓區(qū)偏離氣旋中心，溫度槽上出現(xiàn)閉合冷中心，并且與高度槽趨于重合，冷暖平流減弱，地面曲線中心逐漸被冷空氣控制，暖區(qū)抬到空中出現(xiàn)錮囚鋒，地面的中心與高空低中心趨于重合，移動緩慢，輻合上升和摩擦作用站主導地位——氣旋由地面向高空填塞

4，消亡階段圖形

特點：高空冷中心與低中心重合，渦度平流與溫度平流很弱，地面低中心與高空低中心重合，成為深厚性低壓，鋒面脫離氣旋消失，輻合和摩擦使氣旋填塞而消亡

三、溫帶反氣旋的發(fā)展過程（P127圖3.14）

1，初生階段圖形

2，發(fā)展成熟階段圖形

3，消亡階段

①原地減弱消亡圖形②變性減弱圖形

四、鋒面氣旋的再生與氣旋族

1，氣旋的再生

消亡階段的氣旋，在一定條件下重新得到發(fā)展，稱為氣旋的再生

①副冷鋒進入而再生圖形

新冷空氣加入，斜壓性再度加強而鋒生

②兩錮囚氣旋合并加強圖形

渦度迭加而鋒生

③氣旋入海而加強

大陸至海上水氣增加（凝結(jié)潛熱）

摩擦力減小

2，氣旋族圖形

同一條鋒系上出現(xiàn)一串氣旋系列，稱為氣旋族

五、氣旋與反氣旋的天氣

1，鋒面氣旋的天氣——陰雨天氣為主圖形

氣旋前部具有暖鋒天氣特征

氣旋后部具有冷鋒天氣特征

氣旋的中部和前部輻合上升強——陰雨天氣強

氣旋在發(fā)展和錮囚階段陰雨天氣最強