中國天氣——西風(fēng)帶環(huán)流和寒潮

一. 西風(fēng)環(huán)流概述

1. 概念

• 西風(fēng)帶：中高緯度地區(qū)平均水平環(huán)流在對流層盛行西風(fēng)，稱之為西風(fēng)帶
• 西風(fēng)帶波動：西風(fēng)帶圍繞極渦沿緯圈運(yùn)動，平均而言表現(xiàn)為冬季三槽三脊，夏季四槽四脊，這種波狀流型被稱為西風(fēng)帶波動
• 平直西風(fēng)環(huán)流：有時西風(fēng)帶的波狀流型與緯圈大致平行
• 經(jīng)向環(huán)流：有時有較大的南北向氣旋，甚至出現(xiàn)閉合的暖高壓和冷低壓，這種環(huán)流狀態(tài)稱之為經(jīng)向環(huán)流

2. 形成

• 緯向環(huán)流和經(jīng)向環(huán)流一般在時間和空間中交替出現(xiàn)，且可以互相轉(zhuǎn)化
• 假設(shè)原先為平直西風(fēng)環(huán)流——>由于緯度不同接收的太陽輻射不同，產(chǎn)生了溫度梯度——>有效位能增大，發(fā)展成大型擾動（大槽大脊）——> 由于存在大槽大脊，經(jīng)向方向熱量交換加強(qiáng)，溫度梯度減小——>有效位能轉(zhuǎn)化為動能——>大型擾動逐漸減弱甚至消失——>恢復(fù)緯向環(huán)流

3. 環(huán)流指數(shù)（西風(fēng)指數(shù)）

• 羅斯貝把35-55度之間的平均地轉(zhuǎn)西風(fēng)定義為西風(fēng)指數(shù)
• 實際中將兩個緯度帶之間的平均位勢高度差作為西風(fēng)指數(shù)
• 指數(shù)高——>緯向環(huán)流
• 指數(shù)低——>經(jīng)向環(huán)流

4. 指數(shù)循環(huán)

• 西風(fēng)環(huán)流變化主要變現(xiàn)為高低指數(shù)交替循環(huán)的過程

二. 西風(fēng)波動

1. 長波

• 波長：3000至10000km（50至90個經(jīng)距，緯圈約有3至7個波，中高緯度水平尺度可達(dá)與地球半徑相比，稱為行星波或羅斯貝波
• 振幅：10到20個緯距
• 移速：10經(jīng)距/日以下，準(zhǔn)靜止，甚至?xí)魍?/li>
• 特征：波長長，振幅大，移動慢，維持時間長
• 長波的強(qiáng)度在對流層隨高度增加而增加
• 熱力特征：暖性脊冷性槽

1.1長波的辨認(rèn)方法

• 制作時間平均圖：短波移動快，連續(xù)幾天短波疊加后就會消去
• 制作空間平均圖
• 繪制平均高度廓線圖
• 辨別長波：在200hp左右，那里波動型式光滑且振幅很大
• 計算速度：在600hpa左右，波速公式在這里適用

2. 短波

• 波長：2000至3000km，40經(jīng)距以下
• 移速：10到20個經(jīng)度/日，生命史短
• 出現(xiàn)在對流層中下部，往往疊加在長波之上
  

3. 尺度劃分

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三. 羅斯貝波的傳播

通過位渦守恒傳播（無輻合，無輻散層位渦守恒）

當(dāng)西風(fēng)遇到阻擋，擾流的時候，向南的一支f（地轉(zhuǎn)參數(shù)）減小，渦度就會變大，f在北方比南方大，又會被拉回來

1. 波速公式的推導(dǎo)

2. 性質(zhì)

• c：風(fēng)速 B：地轉(zhuǎn)參數(shù) L波長
• 波速取決于u,L,西風(fēng)強(qiáng)時，移動快；波長短時移動快
• 波速小于緯向風(fēng)速

3. 臨界風(fēng)速

4. 臨界波長

5. 定性經(jīng)驗

• 波速公式應(yīng)用在600hpa最好，因為這個高度近于無輻散層，與公式條件比較相符，實際工作中用500hpa分析
• u和L取最大風(fēng)速軸上的最好
• 預(yù)報上游槽的時候，要去看其下游一個或兩個波長處槽的情況，下游變慢，上游

四. 長波調(diào)整

含義：長波波數(shù)的變化及長波的更替稱為長波調(diào)整
通過看調(diào)整后冷暖平流的改變，判斷下游是如何改變的

1. 上下游效應(yīng)

• 概念：大范圍上下游系統(tǒng)環(huán)流變化的聯(lián)系——上下游效應(yīng)
• 上游效應(yīng)：波動傳播速度和波能量傳播速度不等，能量傳播快于波的傳播，使下游有槽脊發(fā)展或減弱，看似是上游系統(tǒng)的發(fā)展影響了下游，稱為上游效應(yīng)
• 下游效應(yīng)則是能量傳播滯后于波的傳播，看似是下游系統(tǒng)的發(fā)展影響了上游

2. 長波群速

• 復(fù)雜的非正弦波，都可以把他看作各種不同波長的正弦波疊加起來的波
• 假設(shè)有兩個波，波速為C1>C2,開始時和振動最大值在A處，由于C1>C2,一段時間波峰在B處重合，這樣振幅最大值的移動速度就是波群速
  
• 推導(dǎo)略，長波的波群速為黑實線——范圍線的移動速度
  

這種波動最大振幅的傳播，就是波動能量的傳播，稱為能量頻散

3. 性質(zhì)和預(yù)報經(jīng)驗（這個經(jīng)驗的理論依據(jù)具體是咋樣）

• 波群速>風(fēng)速>波速
• 波群速等于沿下游方向各個槽脊增大的速率
• 對于正壓水平無輻散大氣長波，其群速度為正值——即自西向東傳播
• 如果在廣大范圍內(nèi)環(huán)流相當(dāng)平直，而平直氣流不能持續(xù)太久，則可以預(yù)報將有地區(qū)有長波槽脊形成
• 在平直多波動的西風(fēng)帶上，若上游有一個移速不太快的槽強(qiáng)烈發(fā)展，可以預(yù)報24-46h后下游的一個長波槽也會加深
• 如果上游地區(qū)波長與靜止波相近，則槽脊椎發(fā)展完整，可以預(yù)測未來長波調(diào)整將從下游開始

五. 深厚系統(tǒng)淺薄系統(tǒng)

• 暖高壓是深厚系統(tǒng)，暖低壓是淺薄系統(tǒng)
• 冷高壓是淺薄系統(tǒng)，冷低壓是深厚系統(tǒng)
• 暖高壓是暖空氣從高處下沉形成，比如副高和阻高，隨高度增加是加強(qiáng)的，到一定高度達(dá)到最強(qiáng)，是深厚系統(tǒng)
• 由于冷低壓中心的溫度低，所以低壓中心的氣壓隨高度而降低的程度較四周氣壓更加劇烈，因此，低壓中心附近的氣壓越到高空比四周的氣壓降低得越多，即冷低壓越到高空越強(qiáng)。
• 暖高壓中心溫度高，所以高壓中心的氣壓隨高度降低的較四周慢，因此暖高壓越到高空也越強(qiáng)。

六. 阻塞高壓

1. 概念

• 在西風(fēng)帶中長波槽脊發(fā)展演變過程中，脊不斷北伸，與南方暖空氣的聯(lián)系會被冷空氣切斷，在脊的北邊初夏你閉合環(huán)流，形成暖高壓中心，稱為阻塞高壓
• 在地面圖和500hpa圖上，必須同時出現(xiàn)閉合的等值線
• 氣流繞過高壓后匯聚，分支點(diǎn)和匯合點(diǎn)之間的緯向距離大于40-50個經(jīng)距
• 阻塞高壓中心位于30N以北，東亞地區(qū)常位于50N以北
• 阻塞高壓持續(xù)時間至少為5天
• 阻塞高壓西側(cè)盛行偏南氣流，東側(cè)偏北氣流
• 閉合等高線和等溫線基本重合
• 是深厚的暖性高壓系統(tǒng)
  

2. 結(jié)構(gòu)

3. 出現(xiàn)地區(qū)和時間

• 亞洲主要出現(xiàn)在烏拉爾山和鄂霍茨克海區(qū)域
• 平均持續(xù)時間8天，最短3至5天
• 5，6，7月出現(xiàn)最多

4. 形成

• 第一階段：阻塞高壓生成區(qū)的上游有一個槽強(qiáng)烈發(fā)展
• 第二階段：在這個槽的下游，即高壓脊的西部，有強(qiáng)暖平流導(dǎo)致高空脊強(qiáng)烈發(fā)展
• 第三階段：繼續(xù)發(fā)展，那個槽形成了切斷低壓，脊形成了阻塞高壓
• 在高壓脊的西側(cè)有西北東南走向的槽，東側(cè)有東北西南走向的槽，從而使高壓脊斷開,形成阻塞中心
  

5. 崩潰

• 開始階段：溫度場振幅大于高度場，但相位相同，槽前有冷平流和正渦度平流侵入阻高后部
• 第二階段：下游的阻高基本不動，上游的槽移動，并入阻高，讓脊減弱
• 第三階段：阻高中心逐漸消失，

6. 阻高重建

• 溫度場超前高度場且振幅比高度場大，槽前有明顯的冷平流侵入阻塞高壓后部，使阻塞高壓減弱
• 原來的阻塞高壓由于正渦度平流和冷平流作用下崩潰
• 溫度場有落后于高度場，振幅大于高度場，脊后有暖平流
• 原阻塞高壓后方的槽前形成了一個高壓脊，和已崩潰的阻高相疊加
• 阻高重新建立

7. 阻塞形勢

• 阻塞高壓出現(xiàn)后，

七. 切斷低壓

1. 概念

在西風(fēng)帶中長波槽脊發(fā)展演變過程中，槽不斷向南加深，高空槽與冷空氣的聯(lián)系會被暖空氣阻斷，在槽的南邊形成一個孤立的閉合冷性低壓中心

2. 形成

• 在槽不斷加深的過程中，在槽的難免形成一個孤立的閉合冷性低壓中心——又叫冷渦
• 冷平流使得空氣下沉，天氣特別好，光照特別足——夏初的時候陽光又好，形成下暖上冷的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生雷陣雨

3. 結(jié)構(gòu)

• 出現(xiàn)在對流層中上層，在300hpa最清楚
• 地面圖上有一冷高壓與它對應(yīng)

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八. 寒潮概述

1. 概念

• 是一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣活動過程
• 主要特點(diǎn)是劇烈降溫和大風(fēng)，有時伴有雨，雪，雨凇，霧凇
• 寒潮可能導(dǎo)致交通中斷，糧食減產(chǎn)等災(zāi)害
• 過程降溫10度以上，溫度負(fù)距平均值達(dá)到五度，可稱為寒潮
• 寒潮最早出現(xiàn)于九月下旬，最晚結(jié)束使次年五月
• 春季三月和秋季10-11月使寒潮和強(qiáng)冷空氣活動最頻繁的季節(jié)

2. 寒潮的進(jìn)入路線

• 影響我國的寒潮一般出生于冰島，在西伯利亞發(fā)展壯大，之后兵分三路進(jìn)入我國，冷空氣喜歡走低洼的地方
• 寒潮關(guān)鍵區(qū)：西伯利亞中部（70-90E,43-65N）

2.1 西北路（中路）

• 路徑：關(guān)鍵區(qū)——蒙古——河套附近南下
• 影響范圍：長江以北地區(qū)產(chǎn)生寒潮天氣，江南地區(qū)因為南支鋒區(qū)波動可能有雨雪天氣

2.2 東路

• 路徑：關(guān)鍵區(qū)——蒙古——華北北部——渤?！S河下游——兩湖盆地
• 影響范圍：使渤海，黃海，黃河下游及長江下游出現(xiàn)東北大風(fēng)，華北華東氣溫較低且連續(xù)陰雨天氣

2.3 西路

• 路徑：關(guān)鍵區(qū)——新疆——青?！鞑馗咴鞅?#xff0c;西南，江南
• 影響范圍：對西北，西南，江南影響較大，但降溫幅度不大，但南支鋒區(qū)與北支鋒區(qū)波動相位疊加時，可以造成明顯的降溫

2.4 東路加西路

• 東路冷空氣從河套南下+西路冷空氣從青海南下——在黃土高原高原東側(cè)，黃河長江之間匯合——合兵南下
• 影響范圍：大范圍出現(xiàn)雨雪天氣，出現(xiàn)大風(fēng)和明顯降溫

2.5 山脈對寒潮的影響

• 山體南側(cè)相對溫暖，北側(cè)冷空氣堆積
• 南北走向的山脈形成冷空氣通道，使冷空氣可以分流南下，影響到長江中下游地區(qū)

九. 寒潮天氣系統(tǒng)

1. 極渦

• 定義：北半球冬季極區(qū)對流層中上層500hpa上繞極區(qū)氣旋式漩渦
• 極渦是大規(guī)模極寒冷的空氣的象征
• 為淺薄冷高壓
• 平均持續(xù)天數(shù)超過五天
• 北美洲北部沒有什么山脈阻擋，容易有炸彈氣旋
• 只有極渦分裂變形，才有利于寒潮冷空氣的形成

1.1. 極渦的移動路徑

• 經(jīng)向性運(yùn)動：極渦中心從一個半球經(jīng)極地移動到另一個半球
• 緯向性運(yùn)動：沿緯向方向移動，一般發(fā)生在亞歐大陸的高緯地區(qū)
• 轉(zhuǎn)游性運(yùn)動

1.2. 極渦的分類

• 繞極型：只有一個極渦中心，中心在北緯80度以上，不出來
• 偏心型：中心位于80度以南，不對稱單波型
• 偶極型：分裂為兩個中心，分別位于亞洲北部和加拿大
• 多極性：有三個及三個以上的極渦中心

2. 極地高壓

• 導(dǎo)致極渦分裂呈偶極型，常常是由于中高緯度的阻塞高壓進(jìn)入極地并維持導(dǎo)致
• 當(dāng)極地高壓向南衰退與西風(fēng)帶上的長波脊疊加時，我國將有寒潮天氣過程爆發(fā)
• 定義：
  1. 500hpa圖上有完整的反氣旋環(huán)流，能分析出不少于一根閉合等高線
  2. 有相當(dāng)范圍的暖中心與位勢高度場配合
  3. 暖性高壓主題在70N以北
  4. 維持三天以上
• 極地高壓是深厚的暖高壓
• 極地高壓由中高緯度的阻塞高壓進(jìn)入極地形成

3. 寒潮地面高壓

• 含義：寒潮全過程中冷鋒后地面高壓，多數(shù)屬于 熱力不對稱系統(tǒng)， 高壓前部有強(qiáng)冷平流；后部則為暖平流，中心溫度平流趨于零，少數(shù)高壓始終為冷性
• 可用來表示冷空氣強(qiáng)弱，中心移動路徑可作為冷空氣的移動路徑

4. 寒潮冷鋒

• 含義：寒潮地面高壓前端有一條強(qiáng)度較強(qiáng)的冷鋒作為寒潮的前鋒
• 冷鋒的移動方向與寒潮地面高壓的路徑和地形都有關(guān)系

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十. 寒潮中期天氣過程

• 寒潮中期過程有三大類：
  1. 倒Ω型
  2. 極渦偏心型
  3. 大型槽脊東移型

1. 倒Ω型

兩個大洋暖型高壓脊發(fā)展——寒潮爆發(fā)——東亞大槽重建——為期2-3周

• 初始階段：
  1. 兩個大洋脊發(fā)展；
  2. 極渦一分為二或偏于東半球；
  3. 兩個大洋的脊，挾持一個大極渦
• 醞釀階段：
  1. 大倒Ω流型向亞洲地區(qū)收縮，在烏拉爾山和鄂霍茨克海建立暖性高壓
  2. 亞洲極渦加強(qiáng)并南壓，形成東亞地區(qū)的倒Ω型
  3. 極渦底部有一支強(qiáng)西風(fēng)，伴隨著強(qiáng)鋒區(qū)
  4. 鋒區(qū)上有長波發(fā)展或橫槽逐漸南壓
• 爆發(fā)階段
  1. 中緯度長波急速發(fā)展，或橫槽轉(zhuǎn)豎，或橫槽南壓
  2. 最后東亞大槽加深并重建，過程結(jié)束
     
• 爆發(fā)階段：中緯度長波急速發(fā)展；橫槽轉(zhuǎn)豎；東亞大槽加深重建

兩個暖脊在中期天氣過程的作用

十一. 寒潮中短期天氣過程

• 區(qū)別于中期天氣過程
• 與中期天氣過程同樣都是高空斜壓擾動的不穩(wěn)定發(fā)展
• 主要分為三大類型：小槽發(fā)展型，橫槽型，低槽東移型

1. 小槽發(fā)展型

溫壓場配合

1.1發(fā)展過程（待完善）

• 不穩(wěn)定小槽，溫度場落后于高度場，有冷平流，可能槽線呈疏散狀，都有利于槽的發(fā)展
• 小槽周圍的脊，溫度場也落后于高度場，脊也發(fā)展，導(dǎo)致槽前北風(fēng)更強(qiáng)，槽強(qiáng)烈發(fā)展
• 上下游效應(yīng)？
• 小槽發(fā)展成大槽，東亞大槽完成了一次更替，寒潮影響結(jié)束

1.2 小槽發(fā)展型寒潮本質(zhì)

• 原本不穩(wěn)定的小槽變成不穩(wěn)定的大槽，更替東亞大槽

1.3 預(yù)報時注意

渦度平流，熱成風(fēng)渦度平流、溫度平流對槽脊發(fā)展的貢獻(xiàn)，并注意地形的影響以及等高線的形狀、上下游效應(yīng)和長波調(diào)整

2. 低槽東移型

新鮮冷空氣并入

2.1 發(fā)展過程

• 低槽東移時，在新鮮冷空氣或殘留冷空氣的冷平流作用下槽加強(qiáng)

• 低槽東移倒烏拉爾山以東時，從黑海到里海有強(qiáng)烈的暖平流，使脊發(fā)展

• 脊發(fā)展使偏北冷空氣加速與低槽中的冷空氣合并，此時寒潮發(fā)生

• 實質(zhì)：穩(wěn)定的長波系統(tǒng)+趕槽=>穩(wěn)定長波系統(tǒng)被破壞，經(jīng)向發(fā)展

3. 橫槽型寒潮

4. 各類寒潮天氣過程的異同

共同點(diǎn)：

• 都有冷空氣的堆積
• 地面上有冷高壓活動

不同點(diǎn)：

• 冷空氣的源地不同
• 路徑不同
• 冷高壓南下形式不同
• 促使寒潮爆發(fā)的流場不同