6丁一汇高等天气学 温带气旋的形成和爆发性发展
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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
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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。
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。
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。
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第一类温带气旋的发展过程
图6.2～6.4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
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Leabharlann Baidu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
锋前缘锋面结构所必需的上升和辐合。
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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（?V ?p ? 0）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
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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 ?V ?p ? ；0 （c） 通过图（a）中暖锋沿 BB' 线的剖面图
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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 1000～2000km，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。
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
??u g ?情y ?况0下? ，与锋面正交的地转风分量
随高度增加，即
?v g ，?所p ?造0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
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6.1 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。
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
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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，
高等天气学系列讲座 单元二：中纬度天气系统
第六讲 温带气旋的形成和爆 发性发展
丁一汇 国家气候中心
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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。
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
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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。
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。
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。
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第一类温带气旋的发展过程
图6.2～6.4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
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Leabharlann Baidu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
锋前缘锋面结构所必需的上升和辐合。
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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（?V ?p ? 0）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
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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 ?V ?p ? ；0 （c） 通过图（a）中暖锋沿 BB' 线的剖面图
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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 1000～2000km，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。
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
??u g ?情y ?况0下? ，与锋面正交的地转风分量
随高度增加，即
?v g ，?所p ?造0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
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6.1 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。
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
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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，
高等天气学系列讲座 单元二：中纬度天气系统
第六讲 温带气旋的形成和爆 发性发展
丁一汇 国家气候中心
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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。