温带气旋的形成和爆发性发展ppt课件.ppt

第六讲第六讲 温带气旋的形成和温带气旋的形成和爆发性发展爆发性发展国家气候中心高等天气学系列讲座高等天气学系列讲座单元二：中纬度天气系统单元二：中纬度天气系统1 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但由于时间所限，我们这里只讨论地面气旋问题，包括陆地气旋与海洋气旋26.1 温带气旋的发生发展与大尺度结构 根据气旋发生发展时的环流和天气形势，可以把气旋的发生发展分为三种类型第一类是经典的锋面波动发展成气旋的过程关于这类气旋发生发展的问题已经讨论得很多，总的特征可概括为以下几点：（1）锋区或最大斜压区位于近于平直的高空气流下（没有明显的涡度平流）开始发展；（2）最初没有高空冷槽存在，但当地面气旋发展时，槽加强在气旋未达到最大强度之前，高空槽和低层气旋间的距离明显保持不变；（3）高空涡度平流数值最初很小，并且在整个发展过程中一直保持较小，气旋加强的主要作用是温度平流；(4)对流层下部的斜压性开始时大，锢囚时小；（5）发展的最终结果是达到经典的锢囚气旋；一般认为这类气旋的发展由斜压不稳定使扰动增幅引起。

发展是从低层开始的，在发展中具有明显的锋区和斜压性温度平流在此类气旋发展中起着主要作用3第二类气旋发生发展的启动机制主要在高空气旋发生发展时具有如下几个特点：（1）当高空槽（其前部有强涡度平流）在低层暖平流区（或近于没有冷平流）上扩展时，气旋开始发展，这时低层可以有也可以没有锋面存在；（2）当气旋加强时，高空槽与低层系统之间的距离迅速减小，气旋发展最盛时轴线近于垂直；（3）高空涡度平流量最初很大，接近气旋最强时，平流量减少开始时温度平流量小，随低层气旋的加强而增强；（4）对流层下部斜压性开始较小，随风暴加强而增加；（5）发展的最终结果达到与经典锢囚相类似的热力结构这类气旋与第一类经典气旋的发展模式不同，在发展时，低层不一定有锋面存在，高空涡度平流是气旋发展的主要因子Petterssen和Smebye曾对这类气旋的发展作过详细分析，并从能量收支上研究了动能的来源和维持卫星云图的分析也证实了这类气旋的存在图6.1是Petterssen等总结的这类气旋的发展模式，这是地面有锋面的情况这种气旋主要发生在高空槽前正涡度平流区赶上并迭加在地面冷锋或静止锋上的时候和地方在迭加区，云带中的云量变稠密、加宽，并向冷空气一侧凸起。

4 第三类是中间尺度温带气旋的发展这类气旋的水平尺度一般在10002000km，比上述气旋的尺度小它具有以下一些特征：（1）在扰动形成的阶段，扰动与对流层上部高空槽没有关系高空经常是纬向气流，扰动的振幅只在对流层下部明显，而第一类有明显的长波槽；（2）这类气旋通常形成在一条延续的锋面上，能接连发生，形成一系列气旋族这种锋面不但地面明显，在850hPa上也有等温线密集区；（3）这类气旋主要出现在较低纬度，与湿润大气中的空气运动有密切关系具有明显的对流不稳定区，因而常发生在雨季（如梅雨季节，华南和日本东南海上、美国东南海面上）关于这类气旋的发展机制目前还不清楚 5图6.1 气旋发展的几个阶段当高空槽向前推进，高空有明显的涡度平流区（斜压区）扩展到锋区上的时候，所引起的不平衡就使低层产生辐合 6 应该指出，上述三类气旋是主要气旋类型在实际天气与预报中，气旋生成的环流与天气形势以及动力条件不限于此例如有些气旋由热带气旋北上在西风带影响下可以变性为温带气旋；在山脉的背风一侧在一定的气流条件下可以形成背风气旋；在大陆东部的临近海区，还可观测到“瞬时锢囚”的气旋发展等因而对于一个温带气旋的发生发展应根据它的实际情况进行分析与预报，这样才能做出成功的预报。

另外还应指出气旋与高空波动（Rossby波）密切相关，它们形成了三维的气旋波系统，任何气旋的预报都必须考虑高空波动的预报 下面我们重点考察第一类与第二类气旋发生发展的环流与天气条件7第一类温带气旋的发展过程第一类温带气旋的发展过程 图6.26.4是相应于第一类气旋演变过程中的次级环流分布在气旋的初生阶段（图6.2a），地面有一个弱的环流，它是在一条极锋的斜压区中发展起来的冷锋后地面是北风，但在对流层中层以上是西南风冷锋的取向近于东西向气旋性切变变形的作用是破坏正交于锋面的温度梯度通过锋面的垂直剖面图（图6.2b）表明，在沿锋面气流有气旋性切变 情况下，与锋面正交的地转风分量随高度增加，即 ，所造成的伸长变形在锋面之上推动一热力间接环流，锋上是下沉运动，锋下是上升运动地面边界层中的过程引起了为维持锋前缘锋面结构所必需的上升和辐合8图6.2 （a）具有下沉冷锋的一个初生气旋的概略图实线是地面等压线虚线是地面等温线粗实箭头代表对流层中部等高线和气流方向白短箭头代表地面地转气流b）沿正交于锋面的AA线的剖面虚线代表沿锋面的地转风分量U细实线代表正交于锋面的地转风分量V白箭头代表V的方向粗实线代表地转切变变形（ ）强迫的次级环流。

点箭头是锋面前沿的边界层辐合和垂直运动9图6.3 （a）同图6.2（a）但是对向成熟发展的气旋，具有冷暖锋；（b）通过图（a）中冷锋沿AA线的剖面图；其它同图6.2（b）但对次级环流有 ；（c）通过图（a）中暖锋沿BB线的剖面图10 高空斜压波的增幅和地面气旋的加深产生了地转变形，这有利于冷暖锋的尺度缩小及有关的次级环流发展在气旋的发展期（图6.3a），冷锋具有南北取向，并受切变变形强迫，这时沿锋面的温度梯度为负 ，正交于锋面有气旋性切变 这种地转强迫产生一热力直接环流，上升运动在前缘及锋上方与下沉冷锋不同，这种热力直接发展的冷锋具有随高度减小的正交于锋面的地转分量 ，这意味着高空强西风位于地面锋后弱西风之上（图6.3b）在这个阶段，暖锋的演变表现为在气旋的东北象限，锋两侧疏散的伸长变形 强迫一热力直接环流（图6.3c）11图6.4 （a）成熟气旋阶段，其它同图6.2（a）；（b）通过图（a）中冷锋和暖舌沿AA线的剖面图，细实线是位温线，点线是温度波波轴其它同图6.2（b）；（c）对应图（b）的次级环流（ ），其它同图6.2（b）12 在气旋的成熟阶段（图6.4），出现一狭窄的暖舌，它沿冷锋的前缘一直向北伸展。

冷锋的切变变形与发展阶段相同但一个新的特征是在暖舌轴以东出现东西方向的温度梯度 ，这与冷锋前的低空急流有关在气旋暖区中这种温度梯度的方向是使近地面的偏南急流随高度减弱过去许多观测分析都表明冷锋前可出现低空急流地面冷锋前的暖舌和低空急流也由许多人从理论上证明是成熟气旋的一种明显特征通过冷锋的剖面表明（图6.4b），暖舌轴在锋前随高度向东倾斜，低空急流在其下方图6.4c给出 和 地转分量的垂直剖面图向东倾斜的温度波及有关的低空急流强迫的共同作用强迫出一种次级环流，其地面的非地转气流从冷暖空气侧都流向锋面，在锋面前缘垂直地引起锋面上升气流这种环流可以导致狭窄的深对流云系的发展这是成熟冷锋的特征如果冷锋前的低空急流的变形是主要的环流强迫项，则低空急流环流的上升支位于冷锋之前，这时可产生锋前云雨带 13 如前所述，它表现为向东移动的短波槽槽前正涡度平流区迭加在地面强水平温度梯度区（锋面）之上这时它可在地面高空槽抵近锋区的位置诱生出低压由于三维空间中系统随高度向西倾斜，则地面气旋之上存在着暖平流和正涡度平流（随高度增加），这可由准地转- 方程进行诊断分析图6.5是发展的(a)与不发展的(b)气旋三维气流结构图。

在图6.5(a)中，温度场（厚度场）落后于500hPa风场四分之一波长由于初期地面气旋尺度不大，可忽略地球涡度平流静力稳定度也不太大则气旋的加强主要表现为上升运动的加强或低空辐合加强这主要由500hPa槽前暖平流和正涡度平流随高度增加造成第二类温带气旋的发展过程第二类温带气旋的发展过程14在地面气旋以东或东北的暖区中有上升运动，而在地面气旋以西的冷区中有下沉运动，这可导致位能向动能之转换，因而风速迅速加强，气旋发展同时气旋下游低层暖平流与上游冷平流可使地面气旋近于沿对流层中部风向移动（向东或东北）由于地面有冷平流，且在高空槽上游涡度平流随高度更为反气旋性，也会使反气旋生成和发展图6.5(b)是不发展的地面气旋和斜压波这时系统随高度向东倾斜温度场（厚度场）超前于500hPa高度场这使地面低压以东的低层暖平流导致500hPa槽的高度上升；地面低压以西的低层冷平流使500hPa脊高度下降因而在地面低压区出现下沉运动，低层辐合和气压上升，不利于其发展15图6.5 中纬斜压波温度与风场的三维结构示意图a)发展的斜压波和地面气旋500hPa温度槽（CTT）落后于气压槽四分之一波长低层地转风方向随高度顺时针旋转位于暖平流区，而反时针旋转位于冷平流区。

涡度平流随高度表现为正（负）涡度平流更明显区以及上升（ 0）区也给出在图中（取自Bluestein, 1993)16我们用图6.6说明的一个气旋生命史及物理过程的作用由于地面低压以东和东北，低层暖空气向北平流，而在低压以西和西南，低层冷空气向南平流（但在快速加深的气旋中，地面以上的垂直运动可很强，由它造成的局地变温大于平流温度变化），高空槽底的冷平流导致高空槽加深，而低压以东与东北的暖平流使下游脊加强下游脊的加强也造成了下游槽的加强同时在原来发展系统的后部，暖平流变得越来越位于气旋之北，而冷平流变得越来越位于气旋之南因为气旋在很大程度上趋于从冷平流区移向暖平流区，所以经典的中纬气旋纬向移动变小，而经向移动更快位于地面气旋西南和南方的冷锋尾部东移比气旋整体东移要快17因而冷锋与暖锋之间的暖区减小（图6.6(c)）现在高空槽的东移比地面气旋的东移分量要快得多，最终高空槽赶上并迭加在地面气旋之上地面冷锋也赶上了暖锋，地面暖区被切断，即被“锢囚”气旋附近的暖脊相应于锢囚区（图6.6(d)）这时高空槽趋于切断，成为闭合的低压中心，而暖空气完全挤向地面气旋的上方（图6.6(e)）由于热成风对高空涡度的平流消失，发展过程停止。

另外，由于高空气流成为近于园对称形式，涡度平流大大减少，使高空系统运动也停止因为温度平流减弱，地面气旋也变为准静止，其最后结果可导致北高南低的阻塞形势由于边界层中摩擦辐合的作用，气旋在摩擦层中可维持相当的时间，但在摩擦层以上，由于摩擦层中上升气流产生的辐散可使气旋涡度减少，而使气旋破坏18图6.6 一个气旋生命史概略图L是地面低压，虚线是1000-500hPa等厚度线（dam)，实线是500hPa等高线a)与(b)中箭头代表地面风场（取自Bluestein,1993）19图6.7 说明暖心的热带气旋登陆之后如何与冷锋相结合变成冷心的系统这是北美的一个例子飓风Agnes于1972年6月20日12GMT登陆美国佛罗里达州可以看到（图6.7(a)），500hPa环流强度随高度减弱，200hPa只表现为西风带中的一个弱槽由于摩擦作用，地面环流是弱的，各层温度梯度也较弱注意一条地面冷锋抵近飓风残余环流（图6.7(b)）并于6月22日00GMT赶上地面弱飓风环流在地面低压以西和西南，有冷平流，北-东北有暖平流，这使地面气旋加深（图6.7(c)），并且冷暖平流加强到6月23日12GMT，系统锢囚，并变性成冷心，环流的强度现在随高度增加。

冷空气位于气旋附近及其以西与西南由热带气旋变性形成的温带气旋由热带气旋变性形成的温带气旋20从6月20-21日，非绝热加热造成了中低层上升运动，到6月22日00GMT，低层涡度平流和温度平流变得更重要在低压西南，由冷平流在6月22日12GMT造成了强下沉运动，以后继续增加低压以西。