天原笔记（3）气旋与反气旋

天原笔记（3）气旋与反气旋

根据《天气学原理和方法》课本总结，边复习边记下来，仅供参考，有缺漏或错误的请联系我改正，谢谢！
用最人话的人话讲天原，侧重经验性结论，公式推导部分较少，结构清晰，看着轻松

超链接有系列文章的链接，每一个对应一章

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系列文章链接汇总

第一章：大气运动的基本特征

大气运动的基本特征

第二章：气团与锋

气团与锋

第三章：气旋与反气旋

气旋与反气旋

第四章：大气环流

大气环流

第五章：天气形势及天气要素的预报

天气形势及天气要素的预报

方程汇总篇

方程汇总篇

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一、气旋反气旋的特征

1.定义

• 气旋：占有三维空间的，在同一高度上中心气压低于四周的大尺度涡旋，北半球气旋做逆时针旋转
• 反气旋：占有三维空间的，在同一高度上中心气压高于四周的大尺度涡旋，北半球气旋做顺时针旋转

2.强度

• 气旋反气旋的强度一般用其中心气压值表示，气压值越低（高），则气旋（反气旋）越强
• 平均而言，温带气旋和反气旋，冬强夏弱
• 海上温带气旋强于陆地，海上温带反气旋弱于陆地

3.分类

气旋

• 按地理位置分为：温带气旋，热带气旋
• 按热力结构和形成分为：无锋气旋，有锋气旋
• 热带气旋属于无锋气旋，又称为台风或者飓风
• 地方性气旋属于无锋气旋——由于地形的加热作用形成的热低压，基本不移动

反气旋

• 按地理位置分为：极地反气旋，温带反气旋，副热带反气旋
• 按热力结构分为冷性反气旋（冷高压），暖性反气旋（暖高压）

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二.涡度和涡度方程

1.涡度

涡度表达式

涡度表示质块速度的旋度

绝对涡度和相对涡度

• 涡度>0——气旋式旋转
• 涡度<0——反气旋式旋转

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地转风涡度

推导逻辑

• 由于只考虑大气的水平运动，展开式中带有垂直速度的全部忽略，只剩下垂直分量，该项在p坐标系的表达为
  
• 实际风用地转风代替，将地转风公式带入上式得到地转风涡度
  

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• 自然坐标系下的地转风涡度表示为
  
• 切变项：气旋性切变时该项<0，反气旋性切变时该项>0
• 切变项表示切变越大，涡度越大
• 曲率项：气旋流场中R>0,反气旋流场中R<0
• 曲率项表示流线弯曲造成的涡度，风速越大，曲率越大，涡度越大

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• 地转涡度表示为
  
  注意：x,y,z方向还需要进行矢量分解

结论和性质

• 涡度由等高线的弯曲引起
• 自然坐标系中分解为两部分
  1. 曲率项：气旋时R>0,涡度>0,反气旋相反
  2. 切变项：气旋式切变涡度>0,反气旋相反
• 行星涡度的方向与地球自转方向一致，大小为自转角速度两倍
• 地转参数f，北半球f>0,南半球f<0

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2.涡度方程

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相对涡度平流项

• 表示气流在水平方向上相对涡度分布不均匀
• 当沿气流方向相对涡度减小，则有正相对涡度产生，如槽上正相对涡度最大，槽前就有正相对涡度平流
• 当沿气流方向相对涡度增加，则有负相对涡度产生，如脊上负相对涡度最大，脊前就有负相对涡度平流

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地转涡度平流项

• 地转参数f随纬度变化而变化，因此y方向的f分布不均导致
• 吹南风时，f变大，造成局地涡度减小
• 吹北风时，f变小，造成局地涡度增大

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涡度垂直输送项

• 当相对涡度随高度减小，且有上升运动时局地涡度增加；下沉则减少
• 当相对涡度随高度增加，有上升运动时候局地涡度减小；下沉则增加

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力管项（还不是很理解）

在斜压大气中，风随高度变化，同时垂直速度在水平方向上分布不均，使得绕水平轴旋转的空气块发生倾斜，在垂直方向上有涡度的变化

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散度项

相对涡度*水平散度

• 与当前的涡度情况和散度情况都有关
• 当前是气旋性涡度：
  1. 水平辐散：使气旋性涡度减小
  2. 水平辐合：使气旋性涡度增加
• 当前是反气旋性涡度：
  1. 水平辐散：使反气旋性涡度减小
  2. 水平辐合：使反气旋性涡度增加
  注意在反气旋中用同样的方法分析时，因为反气旋本身涡度是负的，因此水平辐散时候数值增加，（如从-5到-2），虽然数字增加了，但反气旋涡度是减小的，对于反气旋数字越小则反气旋涡度越大

综上：相对涡度*水平散度项：辐散——都减弱，辐合——都加强

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地转涡度*水平散度

• 北半球f>0,因此辐合——气旋性涡度产生；辐散——反气旋性涡度产生

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涡度方程的简化

• 由尺度分析，得到
  

• 如果考虑大气是水平无辐散的，则又可以简化
  

• 水平无辐散的大气中绝对涡度守恒

三.位势倾向方程

• 倾向——就是局地变化
• 涡度方程的水平辐散项不容易从天气图的位势高度上直观判断，因此需要把他转换成易于判断形势发展的位势倾向方程
• 推导略
  
  Laplace算子处理后正比于原来的相反数，因此为了定性讨论，可以简化为
  

1.相对涡度平流项

绝对涡度平流项为：相对涡度平流+地转涡度平流（短波而言相对涡度平流影响更大，这里只讨论相对涡度平流）

物理解释

• 槽前：西南风——正涡度平流——气旋性增加——逆时针运动增强——地转偏向力向外——导致高层辐散——空气上升冷却——高层负变高——地面气流上升——地面减压
• 脊前：东北风——负涡度平流——反气旋增加——顺时针运动增强——地转偏向力向里——高层辐合——空气下沉加热——高层正变高——气流下沉到地面导致加压
• 槽脊线上：涡度的梯度为0，涡度平流为0，因此没有正负变高
• 相对涡度平流项只能让槽脊系统移动，对强度没有改变

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2.温度（厚度）平流项

第二项经过变换后等价于——温度平流随高度的变化

• 暖平流随高度减弱——正变高
• 冷平流随高度减弱——负变高
• 一般温度平流随高度升高都是减弱的，因此不讨论温度平流随高度增强的情况

物理解释

• 暖平流使气柱膨胀，气柱升高，高层正变高——高层辐散——地面减压
• 冷平流使气柱收缩，气柱降低，高层负变高——高层辐合——地面加压

出现冷暖平流的位置

• 槽上风向随高度逆转——冷平流
• 脊上风向随高度顺转——暖平流
• 温度平流主要作用于槽脊线上，使槽脊发展
• 温度平流项改变槽脊系统强度，不能使其移动

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3.非绝热加热随高度变化项

变换后等价于

和冷暖平流随高度变化的物理意义相似

• 非绝热加热随高度减弱——下层加热强强——气柱升高——高层辐散——地面减压
• 非绝热加热随高度增强——上层加热强——向下膨胀——气柱降低——高层辐合——地面加压
• 因此当低压伴随强烈降水，潜热释放可以让上层持续辐散，低压更快地发展

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4.综述

本人简化后用来定性判断的式子，更好记

• 正相对涡度平流，高层有负变高，地面减压
• 负相对涡度平流，高层有正变高，地面加压

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• 冷平流，高层负变高，地面加压
• 暖平流，高层正变高，地面减压

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• 非绝热加热随高度减弱，高空正变高，地面减压
• 非绝热加热随高度增强，高空负变高，地面加压
• 结合那几张图理解记忆！

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• 相对涡度平流能使槽脊系统移动，不改变强度
• 温度平流能使槽脊系统发展，不能使其移动，冷平流加强槽，暖平流加强脊
• 当低压伴随强烈降水，潜热释放可以让上层持续辐散，低压更快地发展

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四.ω方程

• 推导略
  

1.涡度平流随高度变化项

• 正/负涡度平流一般随高度都是增加的，则随p增大，高度降低，正/负涡度平流是减小的
• 涡度平流随高度增加（逆时针旋转程度增加），地转偏向力作用下辐散随高度增强，低层为了补偿，产生上升运动
• 负涡度平流随高度增加（顺时针旋转程度增加），地转偏向力作用下辐合随高度增强，低层为了补偿，产生下沉运动
  
• 槽前脊后有正涡度平流，涡度平流随高度增加——高层辐散——上升运动
• 槽后脊前有负涡度平流，涡度平流随高度减少（负涡度平流随高度增加）——高层辐合——下沉运动

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2.温度平流的Laplace项

变换后等价于

• 冷平流有下沉运动
• 暖平流有上升运动
• 因此槽线上有冷平流——下沉
• 脊线上有暖平流——上升
• 物理意义还是这张图
  

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3.非绝热加热的Laplace项

变换后等价于

• 非绝热加热区——上升运动
• 非绝热冷却区——下沉运动

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4.综述

本人简化的用于定性判断的式子

• 正涡度平流使高层辐散，有上升运动
• 负涡度平流使高层辐合，有下沉运动

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• 冷平流有下沉运动
• 暖平流有上升运动

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• 非绝热加热上升
• 非绝热冷却下沉

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五.温带气旋和反气旋

1.温带气旋的发展

动力因子（涡度因子）

• 槽前脊后：有西南风——正涡度平流输送——逆时针旋转加强——向外的地转偏向力——高空辐散——气流上升冷却——高空负变高——地面减压——地面气流辐合——地面气旋加深
• 槽后脊前：有东北风——负涡度平流输送——顺时针旋转加强——向内的地转偏向力——高空辐合——气流下沉加热——高空正变高——地面加压——地面气流辐散——地面反气旋加深

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• 高空是流场改变导致气压场改变
• 地面是气压场改变导致流场改变
• 涡度因子（动力因子）使地面系统发展，使高空系统移动

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热力因子

• 槽线上——冷平流输送——空气收缩下沉——高空等压面降低——气压梯度力作用下辐合——地面加压辐散
• 脊线上——暖平流输送——空气受热膨胀——高空等压面升高——气压梯度力作用下辐散——地面减压辐合

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• 气旋中心处没有温度平流，温度平流对于地面系统的发展不起直接作用
• 气旋后部，反气旋前部（槽线处）加压；气旋前部，反气旋后部（脊线处）减压——使得地面系统移动
• 虽然热力因子不对地面系统强度大小有直接作用，但是可以使得高空槽脊系统发展，间接加强地面系统
• 热力因子使地面系统移动，使高空系统发展，间接使地面系统发展

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非绝热加热因子

对于气旋如果有充足的水汽——凝结潜热释放——抵消一部分因为上升冷却的温度降低——气柱收缩减少——高层维持辐散——地面持续减压——地面上升运动增强

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综述

• 动力因子使高空移动，地面发展
• 热力因子使高空发展，地面移动，间接使地面发展

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2.温带气旋生命史

波动阶段

• 开始出现低压中心，比周围气压低2-3hpa， 移动较快，地面摩擦小
• 温度场落后于高度场
• 气旋位于高空槽前，前方为暖平流，后方为冷平流
• 热力因子使气旋移动
• 动力因子使气旋加强
• 气旋一边移动一边发展

成熟阶段

• 闭合等压线增多，比周围气压可以低10~20hpa，移动减速，地面摩擦加大
• 温压场配置和波动阶段类似，但温度场与高度场有所接近

锢囚阶段

• 摩擦影响已成为主要因子
• 暖空气被抬离地面，降水强度和范围加大，移速大大减慢，低压中心可以比周围低20hpa以上
• 等高线和等温线夹角已经减小，温度平流减小
• 气旋发展到最深阶段，移动缓慢，开始减弱
• 气旋底层被冷空气控制，高层的温度对比仍然明显

消亡阶段

• 温压场接近重合
• 地面气旋变为一个冷低压
• 由于摩擦辐合使气旋填塞而消亡

3.气旋再生

定义

再已衰亡的锋面气旋内如果有新的温度差异重新出现，锋面气旋又会重新发展起来，这个过程叫做气旋再生

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副冷锋加入后再生

• 气旋后部偏北气流将高纬度地区的新鲜冷空气带入，使气旋重新活跃起来

气旋入海后增强

• 海上的摩擦力影响小，同时暖海上非绝热加热影响——入海后发展

两个锢囚气旋合并加强

• 一个气旋锢囚后，移速变慢，开始减弱；后面的气旋也开始锢囚，但移速较快追上第一个，两者合并，气旋就可再度发展

4.气旋族

定义

同一个锋系上同时出现几个不同发展阶段的气旋序列，成为气旋族（气旋手拉手）

六. 热低压

一种无锋面气旋

1.形成机制

• 地表受到太阳照射后增温不均——增温快的地方空气膨胀大——等压面向上突起——高空由于气压梯度力作用辐散——地面减压——地面在气压梯度力作用出现闭合的气旋性环流——热低压
  

2.活动规律

• 一般很少移动，尤其是地方性热低压，多在原地消失
• 四季均可出现，一般出现在我国西北，沙漠，盆地地区

3.深厚，浅薄系统

• 热低压：浅薄
• 热高压：深厚
• 冷低压：深厚
• 冷高压：浅薄

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七.东亚气旋和反气旋

1.气旋

南方气旋

• 对应东亚南支锋区
• 范围：北纬25-35，东经70-140，我国江淮流域，东海，日本南部海面
• 以降水为主
• 种类：江淮气旋，东海气旋

北方气旋

• 对应东亚北支锋区
• 范围：北纬45-55，东经70-140，在黑龙江，吉林，内蒙交界产生最多
• 伴随大风，降温，降水量小
• 种类：蒙古气旋，东北气旋，黄河气旋，黄海气旋

路径和移速

• 锋面气旋移动方向腌对流层气流方向移动
• 日本以东或东南方向的洋面移动
• 我国东北地区
• 朝鲜，日本北部地带
• 平均30-40km/h,夏季慢冬季快，初生阶段快

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2.反气旋

范围

• 从蒙古西部到我国河套地区呈西北——东南方向的狭长地带内反气旋出现聘书最高

路径和移速

3.蒙古气旋

四季均可出现，春秋季最多
形成分为三种

暖区新生类

锋面气旋三要素：低压，冷锋，暖锋

• 低压：西伯利亚发展很深的气旋其南段受到地形阻挡，在背风坡暖区形成低压
• 冷锋：西边冷空气越山后进入低压，形成冷锋
• 暖锋：在东移的高空槽前暖平流作用下，形成暖锋

冷锋进入倒槽类（不是特别理解）

• 低压：暖性倒槽向北发展形成低压
• 冷锋：西边冷空气越山后进入低压，形成冷锋
• 暖锋：在东移的高空槽前暖平流作用下，形成暖锋

副气旋族类（不是特别理解）

• 低压：两股冷空气的嵌形作用
• 冷锋：西边冷空气越山后进入低压，形成冷锋
• 暖锋：在东移的高空槽前暖平流作用下，形成暖锋

蒙古气旋天气

• 大风——沙尘暴，吹雪
• 降温——寒潮，霜冻，降雪
• 降水少

综述

• 有利的地形或暖的下垫面——出现低压
• 高空槽前暖平流——暖锋
• 冷锋越山——冷锋
• 三要素凑齐形成蒙古气旋

4.江淮气旋

静止锋波动生成气旋（经典气旋）

• 当江淮流域有近似东西向准静止锋，如果上空有短波槽从西部移来
• 低压：高空槽前正涡度平流的减压作用
• 暖锋：准静止锋东段转为暖锋
• 冷锋：准静止锋西段转为冷锋
  

倒槽锋生气旋（还不是很理解）

• 低压：西南倒槽发展东伸
• 暖锋：倒槽东部出现暖式风切变
• 冷锋：小槽东移，冷锋进入倒槽

经典气旋和倒槽锋生气旋的区别

• 经典气旋开始就存在明显的锋面，由于高空有扰动发展成气旋
• 倒槽锋生气旋起初没有明显锋面，但高空有明显的槽，由于冷锋进入倒槽，暖锋锋生，才有明显的锋区

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• 经典气旋发生在冷高压南部
• 倒槽锋生气旋发生在倒槽中

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• 经典气旋有明显的东，西风切变
• 倒槽锋生气旋有西南风，东南风切变

江淮气旋天气

• 强降水
• 夏季暴雨

八. 爆发性气旋

• 中高纬度地区气旋发展到24h气压降低24hpa以上，或12h气压降低12hpa以上的气旋可以称为爆发性气旋，天气变化激烈，辐合很强，可生成灾难性天气
• 爆发性气旋主要发生于冬春季，夏秋季极少
• 冬春季西风急流偏南，易受青藏高原阻挡使气流分支，在东亚沿岸或日本上空汇合，急流中心位于日本附近上空
• 绝大多数爆发性气旋形成于高空西风急流出口区左侧，少数形成于入口区右侧