大气科学概论-第五讲(气旋与反气旋

大气的涡旋运动
第一节 气旋与反气旋
各种尺度的气旋与反气旋是造成大气中千
变万化的天气现象的重要天气系统。 气旋一般对应辐合上升运动，而反气旋
一般对应辐散下沉运动，所以气旋通常
象征阴雨天气，而反气旋象征晴好天气。
大尺度低压中三力的平衡
G：气压梯度力；A：科氏力；C：惯性离心力
大尺度高压中三力的平衡
850hPa (hecto-Pascal )高空图
5. 低压（气旋）和高压（反气旋）系统
（1）低压、高压与气旋、反气旋的区别 低气压－中心气压值低于四周 高气压－中心气压值高于四周 气旋－象江河中的旋涡，气流由四周向中心 旋转运动 反气旋－与气旋相反，气流由中心向四周旋 转流出。
请问：低气压、高气压与气旋、反气旋
在低压层大气里，特别是 在近地面附近，因反气旋 的气流是由中心旋转向外 流动。所以，在反气旋中 心必然有下沉气流，以补
充向四周外流的空气。否
则，反气旋就不能存在和发展。 所以反气旋的
存在和发展必须具备一个垂直运动与水平运动紧
密结合的完整的环流系统 。
由于在反气旋中心是下沉气流，不利于云雨的形 成。所以，在反气旋控制下的天气一般是晴朗无 云。若是在夏季，则天气炎热而干燥。如果反气 旋长期稳定少动，则常出现旱灾。我国长江流域
4、气旋和反气旋的分类
地理： 气旋
热带气旋 (Tropical Cyclone)
温带气旋 (Extra-tropical Cyclone)
热带气旋
地方性气旋
锋前热低压
热力：无锋气旋
锋面气旋 Frontal Cyclone 反气旋 地理：极地、温带和副热带反气旋
热力：冷性和暖性反气旋
锋面气旋
地面气图
锋面气旋
1005
暖锋 A E
低压槽
1000 995
冷气团 B D 冷锋 低
C
D处为比较狭窄的冷锋云 系和降水天气；E为宽阔 的暖锋云系和连续性降水 暖气团 天气；C先受暖气团控制， 未来将受冷锋影响，出现 降水天气，冷锋过后，将 受冷气团控制，降温，升 压
1. 下列天气系统示意图中， 表示在北半球的反气旋是（ ）
散度的大小和单位
u v 水平散度： D x y u v w 0 均质大气连续方程：x y z
w W 6 1 散度的大小： -1 ~ ~ ~ 10 s 大小：U/L=10-5sD z H
天气图上定性判断涡度
复习思考题
1. 气旋与反气旋的定义及分类
2. 气旋和低压、反气旋与高压的关系
的伏旱，就是在副热带反气旋长期控制下造成的。 冬季，反气旋来自高纬大陆，往往带来干冷的气 流，严重者时成为寒 流。
气旋（低压）
反气旋（高压）
示意图
低
高
气压状况 中心气压低于四周 气流状况
中心气压高于四周
从四周流入中心，中心空 由中心向四周流出，高层 气被迫上升（上升气流） 空气下沉补充（下沉气流） 下沉气流因升温不易冷凝， 天气晴朗 副热带高压
地面天气图示意图，箭头表示风的去向
高空天气图示意图，箭头表示风的去向
地面天气图模式
气压梯度力的作用下，空气由高压流向低压。
低压（气旋） 北半球的气旋 云雨天气
上升
逆时针 辐合
高压（反气旋） 北半球的反气旋 晴朗天气
下沉 顺时针辐散
高气压与低气压
北半球气旋和反气旋图示意图，箭头表示风的去向
低
高 1005.5 1002.5 1000.0 反气旋
1000.0 1002.5
1005.5 气旋
气旋
反气旋
低
1000.0 1002.5
高
1005.5 1002.5 1000.0
1005.5
高低压系统的垂直平面
高、低层之间，辐散和辐散的配置情形
在低层大气里，特别 是在近地面附近，风 向与等压线斜交，所 以气旋在北半球是一 个按逆时针方向旋转 向中心汇集的气流系 统；在南半球是按顺 时针方向旋转向中心 汇集的气流系统。
气旋：气旋是占有三度空间的，在同一高度上 中心气压低于四周的大尺度涡旋。气旋中的空
气在北（南）半球逆（顺）时针旋转。
反气旋：反气旋是占有三度空间的，在同一高 度上中心气压高于四周的大尺度涡旋。反气旋 中的空气在北（南）半球顺（逆）时针旋转。
气旋示意图
低气压和气旋 是同一种天气 系统的两种不 同称谓。
置，请从气旋活动的角度分析东南风的形成。
二、涡度的概念
从天气分析实践与理论中发现，在大尺 度天气系统的演变过程中，大气基本上是作
涡旋运动，这种涡旋的变化直接关系着天气
系统的发生、发展和移动。
小河中树叶的旋转
u 0 上半部： y
u 逆时针；下半部：y 0
顺时针
1. 涡度的定义：
涡度就是用来描述大气旋转程度（旋度）的 一个物理量（矢量）。 涡度——流体质点块的涡旋特征，微观 涡旋运动——大尺度环流的旋转特征，宏观
在低压层大气里，特别是在近地 面附近，因为反气旋的气流是由 中心旋转向外流动。所以，在反 气旋中心必然有下沉气流，以补 充向四周外流的空气。否则，反 气旋就不能存在和发展。 所以反 气旋的存在和发展必须具备一个 垂直运动与水平运动紧密结合的 完整的环流系统 。 由于在反气旋中心是下沉气流，不利于云雨的形成。所 以，在反气旋控制下的天气一般是晴朗无云。若是在夏 季，则天气炎热而干燥。如果反气旋长期稳定少动，则 常出现旱灾。我国长江流域的伏旱，就是在副热带反气 旋长期控制下造成的。冬季，反气旋来自高纬大陆，往 往带来干冷的气流，严重者时成为寒 流。
涡旋运动是流体的一种基本运动形式，它表
示了流体的转动性质。
当水平速度分布不均匀时，就有水平涡旋运 动存在，也就是说空气质块在运动过程中存 在着绕垂直轴的旋转运动。因此，旋转速度
可以用水平速度的切变来加以描述。
由于大气基本作水平运动，所以在气象上着 重讨论水平面上的旋转，即研究指向垂直方 向上的涡度分量。
大气科学概论
课程内容
第一讲 概述以及大气的基本知识 第二讲 大气运动的基本规律 第三讲 气候变化与全球变暖
第四讲 关于气团和锋的介绍
第五讲 气旋与反气旋（热带气旋）
第六讲 海气相互作用的产物———厄尔尼诺
第七讲 台风（热带气旋）
第八讲 天气预报简介
第五讲 气旋与反气旋
第一节 气旋与反气旋 第二节 涡度的概念
3. 气旋和气旋对应的天气各是什么？ 4. 涡度的定义及物理意义 5. 写出垂直涡度的表达式
梯度风
风在运动时，除气压梯度力、地转偏向力作用
外，还要受到惯性离心力的作用，当三个力作
用平衡时，有效分力为零，风沿等压曲线作惯
性等速曲线运动，这就是梯度风。
0=气压梯度力+地转偏向力+惯性离心力
1 p 0 fV f RT n V
2 f
definition of cyclone and 1. 定义： anticyclone
高
1010.0
但由于气旋、反气旋、锋面活动的影响，
1005.0
低
1002.5 局部地区会出现其他风向。如果赤壁处
槽
B 脊 C 低 在上面气压图中的B处，受气压梯度力、
地转偏向力及摩擦力的作用，就会形成 高
1007.5 东南风。 1012.5
1000.0
槽
A
1007.5
1010.0
1010.0
如果将赤壁设定在气压图(上图) A、B、C中的相应位
涡度的大小和单位
v u 对于大尺度运动： Z x y
水平尺度为几千km → L～106m；
1m/s -5 -1 水平速度为几 m/s → U ～ 10 大小：U/L=10 s
单位：风速/距离=(m/s)/m=s-1
水平速度分布不均
v u 铅直涡度： Z x y u v 水平散度： D x y
天气状况 上升空气容易凝云致雨， 多阴雨天气 天气实例 台风
由于地面气旋往往和锋面联系在一起，所以称为 锋面气旋 低压槽 暖锋
1005 1000 995 冷气团 B D 冷锋 低 A E 分析ABC三地风的性质 AB偏北风，C偏南风 暖气团 冷暖气团相遇，形成锋面
C
分析DE两地天气状 况，并分析C未来的 天气过程。
的区别 ？ 低气压、高气压 是对天气系统气 压状况的描述 气旋、反气旋 是对天气系统气 流状况的描述
为什么说低压或气旋、高压或反气旋分
别是对同一个天气系统的不同描述呢？
低
高 1005.5 1002.5 1000.0
1000.0 1002.5
1005.5
水平气压梯度力
根据水平气压梯度力、地转偏向力、摩 擦力，画出实际风向。
y u u x (a) y u1 u2 y
u 0 y
x
v1
v2
v 0 x
x
(b)
(c)
v v 图c中：当 0 逆时针；当 x 0顺时针 x
2 垂直涡度的表达式
v u z x y
如果z >0 ，空气质块作逆时针旋转，
如果z >0 ，则表示空气质块作顺时针旋转。
2、气旋和反气旋的水平尺度
气旋、反气旋的水平尺度以最外围的闭合 等压线的直径长度来表示。 气旋：1000～3000km，小的也有数百千米。 反气旋：水平尺度一般比气旋大。大的占据整 个亚洲大陆的3/4，小的直径仅数百千米。
3、气旋和反气旋的强度：
一般用其中心气压值来表示； 气旋中心气压值越低，气旋越强 反气旋中心气压值越高，反气旋越强 气旋：970～1010hPa；反气旋：1020～1030hPa 平均而言，海上的气旋强于陆上的，陆上的反气 旋强于海上的。