3.4 温带气旋概念模型在线视频

同学们

大家好

我是袁俊鹏老师

欢迎大家来到《天气学》课堂

温带气旋是发生在中纬度地区

一种重要的天气系统

这是一张1999年风云1号卫星

拍摄到的温带气旋的云图

可以看到温带气旋的大致结构

温带气旋中常常有锋面伴随而生

因此也被称为锋面气旋

锋面气旋发生时

会带来剧烈的云和降水天气

如果温带气旋发生在北方

还会带来大风和沙尘天气

从2000年４月6日这张云图中可以看到

温带气旋的发生伴随着大风和严重的沙尘暴天气

气旋锋后的黄色沙尘已经开始影响北京了

温带气旋是中纬度地区的一种高影响天气系统

本节课将系统地介绍温带气旋的经典概念模型

今天要给大家介绍的温带气旋概念模型

是著名的挪威学派创始人J.Bjerknes

早在上个世纪20年代

基于欧洲气旋有关的大量云和降水的观测事实

所提出的经典概念模型

也被称为是锋面气旋模型

在这个模型中

温带气旋主要包含了冷空气

暖空气

以及冷暖空气相遇后形成的冷锋

和暖锋四大主体元素

在气旋的前部

是由南方吹来的暖空气

它与气旋北侧的相对较冷的冷空气之间

由于温度的强烈对比

形成了一条暖锋

而在气旋的后部

则是来自北方的冷空气

与前部暖空气之间形成的一条冷锋

在模式中

温带气旋表现为波状结构

暖区介于暖锋和冷锋之间

而温带气旋形成于一条锋面之上

相邻的冷暖气团之间

绝大部分温度对比

都集中在它们之间的一条狭窄过渡层中

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

根据云和降水的观测

Bjerknes发现

暖锋云系与倾斜的锋面有密切的关系

两者相结合的方式如图中的垂直剖面图所示

在暖锋上

暖湿空气沿着倾斜的锋面爬升

并形成大片的云层

降水主要发生在暖锋的前面

而在冷锋部分

由于地面摩檫力的作用

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

运动较快的冷空气强烈撞击前面的暖空气

形成发展旺盛的对流云系

表现为冷峰前一条狭窄的降水带

而在气旋的北部

冷暖锋的交界处

低层被冷空气所占据

暖空气被抬升到高空

云和降水则呈现出锢囚锋的特征

这个模型是根据云和降水的观测结果

给出的一个静态的概念图

事实上

气旋的发展是一个动态过程

Bjerknes也对温带气旋动态发展过程进行了描述

温带气旋的发展过程

包含了四个阶段

第一个阶段是初生阶段

也叫锋面波阶段

挪威的经典概念模型认为在气旋发生阶段

可以把它看成具有气旋性切变的

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

实际上

这时候冷空气和暖空气的相对运动

造成暖空气开始抬升到冷空气之上

其本质是斜压不稳定能量的释放

造成了气旋的发展

第二个阶段是发展阶段

也被称为是成熟阶段

在这个阶段

随着不稳定能量的获得

扰动振幅逐渐增大

气旋中心气压不断降低

周围的环流增强

气旋就逐渐发展起来了

这时

冷锋在其后部冷空气的推动下向前行进

而暖锋在暖空气的推动下向东撤退

由于气旋后部的冷空气非常强大

使得冷锋移动速度要比暖锋更快

看起来很像是冷锋追赶暖锋

当冷锋追上暖锋

近地面就被相对比较沉的冷空气占据

而暖空气被抬升到高空

锢囚起来

但气旋的上部仍为冷暖空气交汇之处

气旋涡旋在低层已经成为冷性涡旋

气旋的发展就进入了第三个阶段

锢囚阶段

随着锢囚的加深

冷涡旋的厚度也越来越大

移动速度也大大减慢

最后

气旋与锋面逐渐脱离

气旋大体上成为一个冷性正压涡旋

气旋由下而上发展成为一个冷性的正压涡旋

失去了维持气旋发展所需要的斜压不稳定能量

并且由于摩擦作用

气旋逐渐消散

整个过程完结

这是气旋的第四个阶段

消亡阶段

温带气旋在不同的阶段

所对应的天气特征也有显著不同

总体来说

锋面气旋的天气可看成

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的轮廓

在此基础上再结合具体因素

如考虑地形的影响

下垫面的特征

季节的变化

气团的稳定性

水汽的多寡等等

加以修正

Bjerknes的这种通过大量个例分析

首先建立天气系统的共性概念模型

然后用模型快速预报的思路和理念

为天气分析和天气预报提供了极大的便利

在初生阶段

环流强度较弱

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

在发展阶段

随着气旋环流的增强

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

而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

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

在干燥季节

伴随大风会出现风沙

能见度变坏

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

而在消亡阶段

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

我们来总结一下今天给大家介绍的

挪威学派提出的温带气旋经典模型的特点

挪威学派的这个气旋模型

简单明了

通过不同性质气团的空气沿倾斜锋面的相对运动

来解释云和降水的分布特征

具有一定的代表性

当年提出这个模型的论文发表的时候

被誉为天气学中极具美感的天气学模型

和天气学文献中最引人注目的作品

挪威学派温带气旋模型的一个基本特点

在于它说明在气旋发生发展过程中能量的转换问题

在锢囚过程期间

最初范围很大的暖空气区域逐渐缩小

并被入侵的冷空气所代替

在气旋中心附近

整个大气的中心降低了

所以位能减小

但同时气旋系统的动能却增加了

J. Bjerknes和Solberg认为

这种有效位能的释放转化为了气旋发展的能量

该模型仅仅采用冷、暖空气

以及冷暖空气相遇后的相对运动

这几个简单的要素就勾勒了温带气旋的结构

发展历程以及相对应的天气现象

其中还论述了气旋发展的本质能量的转换过程

其构思之精美

处理之巧妙

至今仍让人叹为观止

此外

该模型突破性的意义在于

将天气预报建立在清晰的物理概念和原理的基础上

与过去的经验预报方法相比

更容易应用和推广

从而带来了天气预报业务革命性的转变

也为大气环流与大尺度动力学研究提供了思路

从这个角度来说

温带气旋模型的提出

是具有划时代意义的

具有里程碑式的重要性

最后

请大家思考一个问题

挪威学派提出的经典气旋模型

是不是完全完美的呢

这个理论有没有局限性

如果应用到我们东亚地区来进行温带气旋的预报

是否合适

如果不合适

要如何改进呢

大家可以课后深入阅读一些文献资料

尝试对这个问题进行回答

好了

今天的课

就到这儿了

同学们

下节课再见