《气旋与反气旋》PPT课件.ppt
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1、天气学 气旋和反气旋,中国气象局气象干部培训学院湖北分院 业务培训部徐丽娅,1,2,气旋和反气旋,参考书:天气学原理与方法,朱乾根等,气象出版社 现代天气学原理,伍荣生,高等教育出版社 天气学教程,张元箴,气象出版社,一、准地转理论,3,将零级近似的地转关系应用于一级近似运动方程中的某些项中去,这种假定称为准地转假定或准地转近似。,物理量的“尺度”,是指具有代表意义能反映该物理量一般大小的量值,又称“特征值”。其大小是用数量级来表示的。,尺度分析,尺度分析是针对某种类型的运动估计基本方程各项量级的一种简便方法。通过尺度分析,保留大项,略去小项,可以使方程得到简化。,步骤:写出方程中各项的特征值
2、 根据运动的类型写出各项的数量级 略去小项、保留大项得到近似简化方程,5,2023/7/19,5,1.零级简化:方程中只保留最大量级的项。,2.一级简化:除保留最大项外,还保留比最大项小一个量级的项。,大气运动方程组的简化,6,6,三、,二、位势倾向方程,由中纬带大尺度准地转涡度方程及与厚度的关系得到由热流量方程作 运算得(为静力稳定度和比容),7,7,位势倾向方程意义,将涡度方程和热流量方程相加,消去垂直运动项,得(3.19)式位势倾向绝对涡度平流厚度平流的垂直变化非绝热加热的垂直变化,若不考虑非绝热加热,公式中第三项可以略去:,8,分别表示地转涡度和相对涡度的地转风平流对于短波(3000k
3、m)来说,第二项大于第一项。槽前脊后沿气流方向相对涡度减少,为正涡度平流,0,等压面的高度降低()槽后脊前 0,等压面的高度升高(),所以槽向前移动;脊也一样。不会发展。,9,10,对于长波(波长5000km以上),f g,则地转涡度平流更重要。,正地转涡度平流,等压面高度降低。,负地转涡度平流,等压面高度升高。,地转涡度平流使长波槽脊西移,暖平流随高度减弱,则此项小于零,冷平流随高度减弱,此项大于零,槽线附近有冷平流,等压面位势降低,槽发展脊线附近有暖平流,等压面位势升高,脊发展,12,13,当非绝热加热项随高度增加时,等压面高度降低;当非绝热加热项随高度减小时,等压面高度升高。,14,14
4、,对方程,对P偏微商,得:,对,作2的运算,得,三、方程,将准地转涡度方程对p微商,再以静力方程代入 得到与热力学方程作 运算并相加(消去)得 方程,15,15,方程的意义,方程是一诊断方程,由右端项可以诊断出垂直速度的分布。第一项为涡度平流随高度变化项,当涡度平流随高度增加时,有上升运动 0,反之有下沉运动。第二项为厚度或温度平流的拉普拉斯项,在暖平流区有上升运动,冷平流区有下沉运动。第三项为非绝热项拉普拉斯项,在加热的地方有上升运动,冷却的地方有下沉运动。,16,16,方程与低层垂直运动,涡度平流随高度变化和温度平流造成的低层垂直运动。虚线:1000hPa等高线,实线:500hPa等高线,
5、17,17,或,18,18,19,19,20,20,21,四、尺度的概念各种不同的天气系统,其所占的空间范围大小不同,活动的时间长短也不相同。根据经验,凡是大型系统,生命史长些,小型系统生命史短些。这种关于天气系统空间范围的大小和活动时间的长短的概念通常称为天气系统的“尺度”,也就是大气运动的“尺度”。,22,时间尺度(T)是指某一种运动状态从开始到结束的时间。空间尺度是指这一运动所占有的空间范围,包括水平尺度(L)和垂直尺度(H)。,23,(1)行星尺度的运动:一般把水平尺度为几千公里的及其以上的大气运动称为行星尺度或大型波动。比如世界规模的中高纬度西风带和低纬度东风带,叠加在西风带上的超长
6、波和长波(行星波或Rossby波)。再有副热带高压,对流层上部的青藏高压,赤道辐合带等都是行星尺度系统。其时间尺度为一周左右,长者可达二、三周。,24,(2)天气尺度运动:水平尺度自几百公里到二、三千公里,时间尺度为34天的运动。大多数天气现象是由这类系统产生的,一个这样的系统在几天内可影响到几个省的天气。两类天气尺度系统:叠加在长波扰动上或平直西风上尺度为2000到3000公里的短波系统,如短波槽、切变线、低涡、锋面气旋、副热带气旋或锋、台风、东风波等;另一类是几百公里至一千公里尺度的运动,又称为中间尺度系统。,25,(3)中尺度运动:水平尺度在几十公里到一、二百公里,时间尺度在几小时之间的
7、运动。如飑线、暴雨、积云群、海陆风等。(4)小尺度运动:对流尺度系统,水平尺度在10公里以下,时间尺度在1小时左右的运动。如雷暴、龙卷、积云单体等天气系统。这些不同尺度的运动系统有不同的物理特性,各种尺度也是相互联系和相互转化的。研究不同尺度天气系统之间的相互联系和相互作用,是天气学研究的重要内容。,26,五、温带气旋和反气旋1.概念气旋是同一高度中心气压低于四周的、占有三度空间的大尺度涡旋。在北半球,气旋范围内的空气作逆时针旋转,在南半球其旋转方向为顺时针。从气压场的角度看气旋又是低气压,因而又称为“低压”。反之,同一高度上中心气压高于四周的大尺度涡旋叫做反气旋。直径平均10003000公里
8、,属天气尺度,27,2.分类气旋地理:热带气旋和温带气旋热力:锋面气旋和无锋面气旋 锋面气旋:气旋中有锋面的气旋,温压场不对称,移动 性大,是带来云和降水的主要天气系统。无锋面气旋:台风或飓风;地形低压或热低压,28,反气旋地理:极地反气旋、温带反气旋和副热带反气旋热力:冷性反气旋和暖性反气旋。中高纬大陆近地面层反气旋多属冷性反气旋,又称冷高压,出现在副热带地区的副热带高压多属暖性反气旋。,29,气旋与反气旋,30,北半球地面气旋发生频率的分布及主要路径图(a)1月;(b)7月,31,3.发生频数对东亚气旋发生情况的统计表明,无论冬夏东亚气旋在3035N和4550N两个地带中生成的频数最高,前
9、者与长江淮河流域的纬度相当,称南方气旋。后者相当于我国的北部边疆,称为北方气旋。夏半年北方气旋发生的频数比冬半年多;而南方气旋则是冬半年发生的频数大于夏半年;冬半年这两个地带中气旋发生的百分比接近,而夏半年北方气旋发生的百分比明显比南方气旋大得多。,32,这与行星锋区由冬季到夏季,从南到北的移动有着密切的关系。另外,在太行山背风侧的华北平原,日本海和巴尔喀什湖附近是气旋发生频数较多的地区。而110E以西、40N以南,由于青藏高原的存在,大部分地区并无气旋发生。,33,1958-1987年期间平均的东亚气旋事件分布(10-1/2.5经纬度/月)及气旋的主要活动路径(a:冬季;b:春季;c:夏季;
10、d:秋季),34,4.温带气旋的经典模型J.Bjerknes(1919)提出的经他和Solberg(1921,1926)修改后的气旋基本模式:突出特点是温带气旋形成于一条锋面上,相邻两气团之间绝大部分温度对比集中形成一条狭窄的过渡层,按天气尺度来看,实际上相当于一条温度或密度的不连续线。,35,锋面气旋模式上下图为沿气旋不同部位的截面,36,如图所示的气旋模式中,气旋表现为波状,“暖区”介于暖锋和冷锋之间,根据云和降水的观测,暖锋云系与倾斜的锋面有密切的关系。在暖锋上面,暖湿空气沿着倾斜的锋面爬升,并形成大片云层。在冷锋上空,高层冷空气运动比低层锋面移动快,从剖面图上看,空气有沿锋面向下运动的
11、分量,结果锋面过境后不久,天空转晴。但地面冷锋处或地面冷锋前不远处,由于锋面对低层湿空气的抬升,而形成一条狭窄的降水带。实际大气中,气旋的发生发展要有一个从生成到消亡的生命史过程。,37,5.温带气旋从生成到消亡经历的过程 挪威的经典概念模型认为在气旋发生阶段,可以把它看成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,波锋附近的气压开始下降。在初始扰动发生以后,气压的分布就有利于在波锋附近形成一个气旋环流。这种环流的一个重要特点,是在波锋后面有一个从冷空气吹向暖空气的分量,而在波锋前面有一个从暖空气吹向冷空气的分量。,38,39,冷锋向前行进和暖锋向
12、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。,40,在锢囚锋的两边冷气团性质可以有所不同。气旋发展到下一个阶段时,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。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。,41,6.锋面气旋天气锋面气
13、旋的天气可看成以气旋的空气运动特征为背景的气团天气与锋面天气的综合。锋面气旋在对流层的中下层主要是辐合上升气流占优势,因此对应着云雨天气。但由于上升气流的强度和锋面结构的不同,以及组成气旋的冷、暖空气随着季节和地区的差异,锋面气旋在不同的发展阶段会有很大的差异。实际工作中,人们往往通过概念模型把云、降水分布与各种环流系统联系起来,为预报提供一个大致轮廓。,42,下面是锋面气旋在不同发展阶段的天气模型:(1)初生阶段强度较弱,上升运动不强,云和降水坏天气区域不大在暖锋前会形成云雨和连续性降水,能见度恶劣。当大气层结不稳定时,暖锋上还可以出现阵性降水。在冷锋后,云和降水带通常比暖锋前要窄一些。,4
14、3,(2)发展阶段气旋区域内的风速普遍增大,气旋前部有暖锋天气特征,云系向前伸展很远,靠近气旋中心处云区最宽;离中心越远,云区越窄。气旋后部具有冷锋后冷气团的天气特征。靠近气旋中心的一段冷锋移动较快,锋前及地面锋线附近为对流云及阵性降水。远离气旋中心的一段冷锋一般处于高空槽后,移动缓慢,锋后云雨区较宽。,44,在气旋的暖区部分,其天气特点主要取决于暖区气团的性质:若是热带大陆气团,由于空气干燥,一般无降水,至多只有一些薄的云层;如果是热带海洋气团控制,水气充沛,则在层结稳定时出现层云或雾,层结不稳定时易有对流性天气发展。在发展强的气旋中,暖区可出现偏南大风,冷锋后的冷区则可能出现西北大风,在干
15、燥季节,伴随大风会出现风沙,能见度变坏。,45,(3)锢囚阶段当锋面气旋发展到锢囚阶段时,地面风速很大,辐合上升气流加强,在水汽充沛时,云和降水范围扩大,降水强度加剧,云系比较对称地分布在锢囚锋两侧。(4)衰亡阶段云和降水开始减弱,云底抬高。以后随着气旋趋于减弱消失,云和降水也随着逐渐消失。,46,47,第二类锋面气旋,1地面倒槽阶段.南面有较强的暖空气活动,在地面形成一个暖性倒槽。在高空图上有比较明显的槽存在。槽后有微弱的冷平流,与高空槽相配合,地面有一条冷锋,其后部有一个冷高压存在。2暖锋锋生阶段.当冷锋开始侵入低槽时,在低槽东面,由于暖空气向北活动较强,在地面图上,从气压、风、天气、云系
16、与降水等各方面都逐渐表现出明显暖性特征,称之为暖锋锋生阶段。高空图上高空槽振幅加大,冷暖平流加强,但暖平流强度向北减弱。,3气旋形成阶段.地面冷锋侵入暖性倒槽中与新生的暖锋相连接,这时气压下降,地面低压中心出现,形成锋面气旋,高空图上形成明显锋区。4.锢囚消失阶段.气旋形成后发展为锢囚,然后消失。,48,49,如江淮气旋,50,气旋的再生:趋于消亡或已在消亡的气旋,在一定条件下又重新发展起来的过程,称为气旋的再生。,在锢囚阶段或已消亡的锋面气旋内,若有新的温度梯度出现,其对称的温压场结构受到破坏,使气旋发展的热力因子和动力因子又会起作用,锋面气旋便重新发展起来。这一重新发展的过程称作气旋再生。
17、在东亚地区气旋再生过程一般有三种情况。,51,副冷锋进入锢囚气旋后再生,气旋后部的偏北气流带下高纬度新鲜的冷空气,与变性冷空气之间构成新的温度对比,形成副冷锋。由于副冷锋的侵入,使气旋重新活跃起来。东北低压常会出现这种情况。,气旋入海后加强,当气旋在大陆上发展到锢囚并开始衰亡,但到海上后又可再度加强。如东北低压等。原因:(1)海上摩擦力比陆地小;(2)暖海上非绝热加热影响。,52,两个锢囚气旋合并加强,53,当第一个气旋锢囚后,移速变慢,同时开始减弱,后面第二个气旋还在发展,也开始锢囚,而且移速较快,赶上第一个,两者合并,气旋就可再度发展。,气旋族,锋面气旋,有的单独出现,有的则是一连串气旋在
18、一条锋上出现,沿锋线顺次移动。最先一个可能已经锢囚,其后跟着一个发展成熟的气旋,再后跟着一个初生气旋等。这种在同一条锋系上出现的气旋序列,称为气旋族。在我国江淮梅雨季节,往往单个气旋入海后,在日本及其东南海面上常有气旋族发展起来。欧洲气旋族较常出现,而单个气旋少见。,54,55,1999年月日我国风云(FY-1C)卫星观测到的北太平洋温带气旋可见光和近红外合成云图(国家卫星气象中心提供),56,2000年月14日中国西北地区的可见光和近红外合成冷涡云图,57,2000年月6日气旋大风与沙尘暴云图,气旋锋后的黄色沙尘已经开始影响北京,58,2001年月日气旋与影响我国北方地区的强沙尘暴,六、大气
19、长波,长波波速公式(槽线方程、罗斯贝波速公式),59,60,性 质,U和L对波的移动速度C起着决定性的作用。西风强,波动移动快,反之,移动慢;波长短,移动快,反之较慢。叠加在西风基本气流上的长波,传播速度小于纬向风速。当 时,C=0,即波静止;时,波前进;时,波后退。称为临界纬向风速。,60,61,4.当 时,C=0,即波静止,L=Ls的波称为静止波,LLs的波为后退波,LLs的波为前进波。静止波波长Ls是临界波长。在固定纬度,是常数,静止波波长随西风增强而增大。5.公式用在600hPa或者500hPa比较好,因为近似无辐散层。6.由于地形作用,或者南北部西风强度不同,南北部波长不同,波动各部
20、分的移动情况有很大不同,应用波速公式时应特别注意。根据经验,公式应用在最大风速轴上较好。,61,62,预报长波移动定性经验(a)预报上游槽的移动时,要看它下游一个波长和两个波长处的两个槽的情况:如下游槽变慢,上游槽也要变慢;如下游槽发展,上游槽也要变慢。(b)长波数目不变而且比较稳定时,如上游槽突然移动,则下游槽也将依次移动。(c)当长波槽位于平均槽位置时(如冬季东亚大槽位置),尽管上游槽移来,下游槽也将不动,只有当形势有大的变动时(长波调整),它才明显变化。,62,长波调整,一般仅把长波波数的变化及长波的更替称为长波调整。长波稳定,环流很少变动,天气过程按一定型式发展,预报容易;长波调整,天
21、气过程发生剧烈变化,预报容易失败。,63,64,七、阻塞高压和切断低压在西风带长波槽脊的发展演变过程中,当槽不断向南加深时,高空冷槽与北方冷空气的联系会被暖空气切断,在槽的南边形成一个孤立的闭合性冷低压中心,叫做切断低压。在脊不断北伸时,其南部与南方暖空气的联系会被冷空气所切断,在脊的北面出现闭合环流,形成孤立的暖高压中心,叫做阻塞高压。两者往往同时出现,由于这种阻塞高压和切断低压的形成与维持阻挡着上游波动向下游传递,破坏了正常的西风带环流,使地面天气图上的气旋和反气旋的移动受到阻挡,所以这种环流形势称之为阻塞形式。,65,(一)阻塞高压概述具备以下几个条件的高空高压称为阻塞高压:(1)中高纬
22、度(一般在50N以北)高空有闭合暖高压中心存在,表明南来的强盛暖空气被孤立于北方高空。(2)暖高至少要维持三天以上,但它维持时期内,一般呈准静止状态,有时可以向西倒退,偶而即使向东移动时,其速度也不超过78经度/天。,66,(3)在阻塞高压区域内,西风急流主流显著减弱,同时急流自高压西侧分为南北两支,绕过高压后再会合起来,其分支点与会合点间的范围一般大于4050个经度。阻塞高压是高空深厚的暖性高压系统,在它的东西两侧盛行南北气流,其南侧有明显的偏东风,暖高凌驾于地面变性冷高之上,地面图上高压的东西两侧都有气旋活动,常以西侧更为活跃。在亚洲地区,阻塞高压经常出现在乌拉尔山及鄂霍次克海地区,一般维
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