成信工天氣學(xué)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——?dú)庑钦加腥瓤臻g，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(shí)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(shí)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(wàn)公里

三、氣旋和反氣旋的強(qiáng)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(qiáng)度變化

氣旋：“加深”；“添塞”

反氣旋：“減弱”；“增強(qiáng)”

3．對(duì)溫帶氣旋、反氣旋，冬季比夏季強(qiáng)；

氣旋在海上比陸地上強(qiáng)，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(tái)風(fēng)、熱帶低壓

無(wú)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(dá)式

1．＂z＂坐標(biāo)系相對(duì)渦度表達(dá)式

∵大氣運(yùn)動(dòng)主要是準(zhǔn)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(shí)針（氣旋式）旋轉(zhuǎn)

氣塊做順時(shí)針（反氣旋式）旋轉(zhuǎn)

表示氣塊與x軸平行的邊界轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度

同理表示氣塊與y軸平行的邊界轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)渦度

表示整個(gè)氣塊繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)——垂直渦度分量

2．“P”坐標(biāo)系的相對(duì)渦度表達(dá)式

——②

天氣圖上定性判斷渦度

圖形南風(fēng)為正北風(fēng)為負(fù)

圖形∴槽線上為負(fù)渦度

∴脊線上為負(fù)渦度

3．地轉(zhuǎn)風(fēng)渦度表達(dá)式

地轉(zhuǎn)風(fēng)

代入②式得

——③

4．熱成風(fēng)渦度表達(dá)式

熱成風(fēng)

代入②式得到：

——④

5．自然坐標(biāo)系中渦度表達(dá)式——直角坐標(biāo)

＝

取自然坐標(biāo)系，并取x軸與S軸相切，則β=0

∴——⑤

：曲率

討論⑤式的各項(xiàng)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(fù)渦度

風(fēng)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(fù)渦度

切變?cè)酱蟆獪u度越大

圖形圖形

天氣圖上急流區(qū)：

圖形

∴高空西風(fēng)急流北側(cè)為正渦度

高空西風(fēng)急流南側(cè)為負(fù)渦度

6．絕對(duì)渦度——在絕對(duì)坐標(biāo)系

：絕對(duì)速度：相對(duì)速度：牽連速度

得到：

：絕對(duì)渦度：相對(duì)渦度：行星渦度

∵

∴圖形

取自然坐標(biāo)

∴

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(duì)渦度

其垂直分量

注意：北半球，

中高緯大尺度運(yùn)動(dòng)

二、渦度方程

1．“P”坐標(biāo)系中的垂直渦度方程

由水平運(yùn)動(dòng)方程

做運(yùn)算：（注意：，）

絕對(duì)渦度個(gè)別變化——⑨

相對(duì)渦度的局地變化

——⑩

2．討論⑩式的物理意義

①相對(duì)渦度平流

圖形正渦度平流

，負(fù)渦度平流

沿著氣流方向，相對(duì)渦度減小，，正渦度平流局地渦度增加

沿著氣流方向，相對(duì)渦度增加，，負(fù)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(fù)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(fēng)，有負(fù)地轉(zhuǎn)渦度平流

槽后脊前偏北風(fēng)，有正地轉(zhuǎn)渦度平流

實(shí)際上定性判斷

短波槽以相對(duì)渦度平流為主

長(zhǎng)波槽以地轉(zhuǎn)渦度平流為主——穩(wěn)定，西退

③相對(duì)渦度的垂直輸送圖形

相對(duì)渦度隨高度增加

相對(duì)渦度隨高度減小

④渦度傾側(cè)項(xiàng)圖形

u隨高度減小，在負(fù)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，，渦度減小（產(chǎn)生負(fù)的垂直渦度）

⑤散度項(xiàng)

北半球，（大一個(gè)量級(jí)）

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(jiǎn)化

上式簡(jiǎn)化：——11

∵

∴

對(duì)于不可壓縮，水平無(wú)輻散天氣

絕對(duì)渦度守恒

第三節(jié)位勢(shì)傾向方程與ω方程

一、位勢(shì)傾向方程

公式推導(dǎo)

由簡(jiǎn)化的渦度方程

代入連續(xù)方程

——13

設(shè)大氣是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)，代入地轉(zhuǎn)風(fēng)公式：

——14

再由熱流量方程

展開——15

對(duì)取對(duì)數(shù)后并求導(dǎo)（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(xué)方程代入上式

——17

作運(yùn)算

——18

將14+18式，消去項(xiàng)

——19位勢(shì)傾向方程

2，討論19式各項(xiàng)的物理意義

①左端項(xiàng)

設(shè)

則

同理

∴

即

②地轉(zhuǎn)風(fēng)絕對(duì)渦度平流

a.地轉(zhuǎn)風(fēng)相對(duì)渦度平流

天氣圖應(yīng)用圖形

槽前脊后為正的相對(duì)渦度平流，等壓面高度降低

槽后脊前為負(fù)的相對(duì)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(wú)變化

∴相對(duì)渦度平流使槽脊東移（短波槽），對(duì)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(fēng)，則有負(fù)地轉(zhuǎn)渦度平流，，等壓面位勢(shì)高度升高

槽后脊前偏北風(fēng)，則有正地轉(zhuǎn)渦度平流，，等壓面位勢(shì)高度降低

槽脊線上為西風(fēng)，地轉(zhuǎn)渦度平流為零，等壓面位勢(shì)高度無(wú)變化

∴地轉(zhuǎn)渦度平流使槽脊西退（長(zhǎng)波槽），對(duì)槽脊發(fā)展不起作用

③厚度平流隨高度的變化項(xiàng)

代入靜力學(xué)方程，有：

∵

∴

∵在實(shí)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(xiàng)

>0,非絕熱加熱隨高度增加,,等壓面位勢(shì)高度降低

<0,非絕熱加熱隨高度減小,,等壓面位勢(shì)高度升高

補(bǔ)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(wú)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(duì)槽脊發(fā)展起主要作用

二、ω方程

１，公式推導(dǎo)

?。保?，１７式

——14

——17

作運(yùn)算：對(duì)得：——20

對(duì)得：——21

∵σ在水平方向上分布均勻

∴

將20－21，消去項(xiàng)，得到

——22ω方程

2,討論22式各項(xiàng)的物理意義

左端項(xiàng)，同19式類似，同理可證

絕對(duì)渦度平流隨高度變化項(xiàng)

正絕對(duì)渦度平流

負(fù)絕對(duì)渦度平流

絕對(duì)渦度平流隨高度增加ω<0有上升運(yùn)動(dòng)

絕對(duì)渦度平流隨高度減小ω>0有下沉運(yùn)動(dòng)

天氣圖應(yīng)用圖形

a）對(duì)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(gè)地區(qū)渦度平流隨高度增加--有上升運(yùn)動(dòng)

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(fù)渦度平流。

所以在這個(gè)地區(qū)渦度平流隨高度減弱--有下沉運(yùn)動(dòng)

③厚度平流的拉普拉斯項(xiàng)

同理可證：

代入靜力學(xué)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(yùn)動(dòng)

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(yùn)動(dòng)

④非絕熱加熱的拉普拉斯項(xiàng)

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(qiáng)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(qiáng)

b)高空正、負(fù)渦度平流使高空槽脊東移

2，對(duì)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(yùn)動(dòng)

b地面反氣旋在高空槽后脊前——有負(fù)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(yùn)動(dòng)

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(dòng)中

渦度因子使低層系統(tǒng)發(fā)展，高層系統(tǒng)移動(dòng)

熱力因子使高層系統(tǒng)移動(dòng)，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(dòng)階段圖形成熟階段圖形錮囚階段圖形消亡階段

1，波動(dòng)階段（P215圖3.13）圖形

特點(diǎn)：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(shí)，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(diǎn)：溫度槽落有于高度槽，溫度平流合渦度平流均強(qiáng)烈加強(qiáng)，地面氣旋加深，達(dá)到最強(qiáng)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(qiáng)，但仍不占主導(dǎo)地位

3，錮囚階段圖形

特點(diǎn)：高空槽達(dá)到最強(qiáng)，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(dòng)緩慢，輻合上升和摩擦作用站主導(dǎo)地位——?dú)庑傻孛嫦蚋呖仗钊?/p>

4，消亡階段圖形

特點(diǎn)：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(jìn)入而再生圖形

新冷空氣加入，斜壓性再度加強(qiáng)而鋒生

②兩錮囚氣旋合并加強(qiáng)圖形

渦度迭加而鋒生

③氣旋入海而加強(qiáng)

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(qiáng)——陰雨天氣強(qiáng)

氣旋在發(fā)展和錮囚階段陰雨天氣最強(qiáng)