1、第三节大气运动和天气系统,第三节 大气运动和天气系统, 风,空气的水平运动称为 风；空气的垂直运动称为 上升气流或下沉气流。地 球上大气的运动形式以水 平运动最为广泛和持久。,W,N,S,E,NE,SE,SW,NW,风是矢量，既有风向，又 有风速。风向指风的来向，以 16个方位或 360方位角表示。 风速以 ms 或 km h 表示； 根据风速的大小，可将风力划 分为13级（0 12级）。,蒲福风级（Beaufort scale）,由英国海军上将蒲福，于1805年首创的风力 分级标准，后逐渐发展成现今通用的风级 。,为蒲福风级数； 为风速（ ms ）。这是现今普遍采用的经验公式。,一、大气的水
2、平运动,（一）影响大气水平运动的四种力,气压梯度力（原动力）；地转偏向力（改变方向）；惯性离心力（改变方向）；摩擦力（减速、改变方向）。,当气压梯度存在时，作用于单位质量空气 上的力，称为气压梯度力。气压梯度力可分 为垂直气压梯度力和水平气压梯度力两种。 水平气压梯度力使空气从高压区流向低压 区，是大气水平运动的原动力，其表达式为：,G 水平气压梯度力； 空气密度； p 两条等压线之间的气压差； n 两条等压线之间的垂直距离； p n 为水平气压梯度； “ ” 负号表示方向由高压指向低压。,1、气压梯度力,1007,1005,1003,1001,气压梯度大,气压梯度小,等压线疏密与气压梯度大小
3、,气压梯度,2、地转偏向力,指由于地球的自转而使地表上运动的物体 发生方向偏转的力。它包括水平和垂直两个 分力。水平地转偏向力为：,m ：空气质量；v ：风速；：地球自转角 速度；j ：地理纬度。 地转偏向力是使运动空气发生偏转的力， 它总是与空气运动方向垂直。在北半球，它 使风向右偏；它的大小与风速和纬度成正比， 在赤道为零，随纬度而增大，在两极达最大。 地转偏向力只能改变风的方向，而不能改 变风的速度。,2、地转偏向力,3、惯性离心力,离心力是指空气作曲线运动时，受到一个 离开曲率中心而沿曲率半径向外的作用力。 这是空气为了保持惯性方向运动而产生的， 所以称为惯性离心力。它的方向与空气运动
4、 方向垂直。,C 离心力；V 空气运动 速度；r 曲率半径。,在一般情况下，空气运动路径的曲率半径 很大，惯性离心力远小于地转偏向力；但在 空气运动速度很大而曲率半径很小时，如龙 卷风、台风，离心力很大，甚至超过地转偏 向力。,4、摩擦力,摩擦力指地面与空气之间，不同运动状况的 空气层之间相互作用而产生的阻力。气层之间 的阻力，称为内摩擦力；地面对空气的阻力， 称为外摩擦力。 摩擦力以近地面层最显著，随高度增加而迅 速减弱，一般到 1 2 km 以上就可以忽略不 计了，此高度以上气层称为自由大气。 摩擦力方向与风向相反，使风速减小，导致 地转偏向力也相应减弱。陆地表面摩擦力总是 大于海洋表面。
5、,（二）自由大气中的空气运动,1、地转风指自由大气中 空气作等速、 直线水平运动。,1020,1010,1000,hPa,高压,低压,气压梯度力,地转偏向力,地转风,地转风出现时，地转偏向力（A）与 气压梯度力（G）平衡。地转风（ Vg ）风速与气压梯度（ ） 成正比，与空气密度（）及纬度的正弦 （ sin j ）成反比。地转风方向与水平气压梯度力的方向 垂直，即平行于等压线。在北半球，背风 而立，高压在右，低压在左，南半球相反， 此称为白贝罗风压定律。,2、梯度风,自由大气中，当空气作曲线运动时，水平气 压梯度力G、地转偏向力A和惯性离心力C三个 力达到平衡时的空气水平运动，称为梯度风。,L
6、,H,G,A、C,G、C,A,V,V,G,A,Vg,北半球,逆时针,顺时针,L,H,地转风,梯度风解析,以北半球圆形等压线为例，在低压中，气压 梯度力 G指向低压中心，而地转偏向力 A和惯性 离心力 C都指向外，而且 A C G ，由于地 转偏向力和惯性离心力都与风向垂直，所以梯度 风的方向是沿着等压线按逆时针方向吹；在高压 中则相反， G C A ， 梯度风绕高压中心按 顺时针吹。南半球的情况刚好相反。梯度风的风向，也遵从白贝罗风压定律，即 在北半球，背风而立，高压在右，低压在左，南 半球则相反。,3、风随高度的变化热成风,气温水平梯度的存在，引起气压梯度力随 高度发生变化，影响风随高度发生
7、相应变化。 由于水平温度梯度引起的上下层风的向量差， 称为热成风（VT）。 热成风风向与等温线平行，在北半球，背 热成风而立，高温在右，低温在左，南半球则 相反。 热成风的大小与气层平均水平温度梯度及 气层的厚度成正比。在自由大气中，随着高度 的增加，风越来越趋于热成风，如北半球中纬 度对流层顶部的西风急流。,4、摩擦层中空气的水平运动,在摩擦层中，空气的水平运动因受摩擦力 的作用，风速减小，风向改变。如地转风斜穿 等压线从高压吹向低压，梯度风斜穿等压线， 低压向中心辐合，高压自中心向外辐散。地面摩擦作用随高度减小，风速随高度增 大，不断右偏，达到摩擦层顶部，最终风向与 等压线平行。,二、大气
8、环流,大气环流是指地球上具有一定稳定性 的各种气流运行的综合现象。,（一）全球环流,1、全球7个纬向气压带赤道低压带；极地高压带；副热带高压带；副极地低压带。,2、行星风系,行星风系是指不考虑海陆分布和地形 起伏等的影响，全球性的低层盛行风带。主要包括三个盛行风带：信风带：由副热带高压带吹向赤道。北 半球为东北信风，南半球为东南信风；盛行西风带：由副热带高压带吹向高纬 地区。北半球为西南风，南半球为西北风；极地东风带：由极地高压向外辐散形成。,3、经向三圈环流,65N,N,S,30N,30S,65S,H,H,H,H,L,L,L,E,E,NE,SE,W,W,W,W,W,W,极地高压,副极地低压,
9、副热带高压,赤道低压,副热带高压,副极地低压,极地高压,0,经向三圈环流,信风环流圈（Hadley环流）：分布于赤道 与南北纬 30 之间。 高空由赤道吹向副热 带高压带（西风），地面由副热带吹向赤道 （信风）。 中纬度环流圈（Ferrel环流）： 分布于中 纬度约 30 65 地带。地面由副热带高 压带吹向副极地低压带（西风），高空由副 极地低压带返回。 极地环流圈： 分布于高纬度约 60 与极 地之间地带。地面由极地高压带吹向副极地 低压带（东风），高空由副极地低压带返回 （西风）。,全球大气环流示意图,40S 60S 盛行西风带,40S60S 盛行西风带,开普敦,好望角,全球风速分布图,
10、（二）季风环流,季风的英文名称是 “monsoon”， 源自阿拉伯语 “mausem”，意为季节。以一年为周期，大范围地区的盛行风 随季节而有显著改变的现象，称为季风。 季风是由于海洋与大陆之间的热力差异 而形成的大范围热力环流。 夏季，风由海洋吹向陆地，形成夏季 风；冬季，风由陆地吹向海洋，形成冬 季风。,世界季风区,分布：约在 30W 170E，20S 35N 的范围， 其中以东亚和南亚的季风最显著。 东亚季风范围广、强度大，冬季风强于夏季风。 南亚季风（印度季风），夏季风强于东季风。,亚洲季风区,非洲季风区,澳洲季风区,亚洲夏季风,南太平洋副高（澳大利亚高压）,东南信风,过赤道流,西南季
11、风,西太平洋副高（夏威夷高压）,梅雨锋,极地气团,T,U,S,R,Q,O,P,亚洲低压 （印度低压）,夏季风,季,风,槽,0,10N,20N,30N,40N,50N,60N,西太平洋副高,西南季风,东南季风,印度低压,季风槽,夏季，在 大陆地表 形成并保 持的低压 槽称为季 风槽，导 致低层大 气往这个 地带辐合， 进而形成 雨带。,冬季风,0,10N,20N,30N,40N,50N,60N,亚洲高压,东北风,西北风,阿留申低压,东亚季风与南亚季风,（三）局地环流,指由于局部环境如地形起伏、受热不均等 而产生的小范围环流，也称地方性风系。1、海陆风： 白天，地面风由海向陆，上层风 则由陆向海；
12、夜晚风向相反；2、山谷风： 白天， 地面风从谷地吹向山坡， 夜晚风向相反；3、焚风： 背风坡气温比迎风坡同高度上的气 温高很多、干燥很多。在山区，一年四季均可 出现。,海陆风与山谷风,海 陆 风,山 谷 风,谷风,地形雨与焚风,迎风坡,背风坡,三、天气系统,指大气中引起天气变化的 水平或垂直分布的各种尺度 的运动系统（ P98 ）。 根据其水平范围可以分为： 小尺度天气系统 101 km 级，存在数小时内； 中尺度天气系统 101102 km 级，存在1天内； 大尺度天气系统 103 km 级，存在数天或以上。,天气系统,天气过程 天气系统的发生、发展、消亡及 其相应的天气演变的全过程。 如一
13、次雷雨天气过程可分为： 生长阶段（积云积雨云）； 成熟阶段（积雨云降雨）； 消散阶段（云消雨散）。天气形势 天气系统的分布状况。天气形势 分析是天气预报的重要依据。,（一）气团与锋,气团是指在水平方向上物理属性比较均匀 的大块空气。其水平范围几百到几千公里， 垂直范围几到十几公里。同一气团内部的水 平温度梯度一般小于 1 2 100 km 。气团形成的条件： 范围广阔、地表性质比较均匀的下垫面； 有利空气停滞和缓行的环流条件。气团变性：当气团离开源地，其物理属性 逐渐改变，这种过程就称为气团变性。日常 所见的气团，大多属于变性气团。,1、气团的分类,地理分类法（地理位置和下垫面性质） 按气团源
14、地分成四个基本类型： 冰洋气团、极地气团、热带气团、赤道气团； 按气团源地的海陆位置，又把每一基本类型 分为海洋气团和大陆气团。赤道气团源地是 海洋，不再分海、陆型。 热力分类法 凡是气团温度高于流经下垫面温度的，称为 暖气团；相反，气团温度低于流经下垫面温 度的，称为冷气团。,2、锋,冷气团,暖气团,地面,对流层顶,下界,上界,宽度,高度,指两种性质不同的气团相遇时，在它们之间 形成一个狭窄的过渡带。通常把锋看成是一个几 何面，称为锋面，锋面与地面的交线称为锋线。 锋面和锋线统称为锋。,锋面云,锋面云,锋的分类,根据锋面两侧冷暖气团移动方向和结构可分为： 冷锋：冷气团主动向暖气团方向移动的锋
15、； 暖锋：暖气团主动向冷气团方向移动的锋； 准静止锋：很少移动或移动速度很慢的锋； 锢囚锋：两条移动的锋相遇合并所形成的锋。根据形成锋的气团源地可分为： 冰洋锋：冰洋气团极地气团； 极锋： 极地气团热带气团； 赤道锋：热带气团赤道气团；,锋的符号,锋的符号,暖锋,冷锋,锢囚锋,准静止锋,冷锋,冷锋,冷气团,暖气团,暖锋,暖锋,冷气团,暖气团,3、锋面天气,是指锋附近的云、降水、风 等气象要素的分布状况。,冷锋天气,一型冷锋： 移动慢，锋面坡度较小（1100）。锋后为 稳定性降水区。由于移动慢，暖空气上升较 慢较平稳而出现层状云，降雨缓和。冷锋过 境时，气温下降，气压升高。二型冷锋： 移动快，锋
16、面坡度较大（140180）， 云雨区较窄。由于移动快，暖空气受冷空气 猛烈冲击快速上升而成浓厚的积雨云，常有 雷雨狂风。冷锋过境时，气温急降，但时间 短暂，锋线一过天气转晴。,暖锋天气：锋面坡度小 （ 1150 ）。 锋前为较宽的连续性降水区，广阔的云 雨区连绵数百公里，造成持续不断的降 雨。暖锋会使所经过地区的气温增高。准静止锋天气： 锋面坡度比暖锋更 小（ 1250 ）， 锋前连续性降水区更 宽广，但降水强度小，持续时间更长。 锋面带上常有低气压扰动发生并伴随中 到大雷阵雨。,暖锋天气,冷锋与暖锋天气,冷锋,暖锋,锋后,锋前,锋后,锋前,锋后降水区,锋前降水区, 梅雨锋,梅雨锋,“ 梅雨锋
17、 ”属于准静止锋 “ 梅雨 ” 之名起源于每 年6、7月间我国江南一带 梅子成熟季节的连绵降雨 由于久雨不晴，器物容易 发霉，所以又称“霉雨”,梅雨卫星云图,梅雨卫星云图,锢囚锋天气,冷空气,凉空气,冷空气,凉空气,暖空气,冷锋,暖锋,暖空气,暖空气,大雨,小雨,锢囚锋,锢囚锋,（二）气旋与反气旋,大气中占据三度空间的 大尺度水平空气涡旋，中 心气压比周围低的，称为 气旋；中心气压比周围高 的，称为反气旋。从气压 场来说，分别称为低气压 和高气压。,气旋与反气旋,气旋、反气旋的大小，以地面最外一条 闭合等压线为界。气旋为 102 103 km 数 量级。反气旋比气旋大得多，大的占据最 大的大陆
18、或海洋（如冬季亚欧大陆的蒙古 反气旋），小的则可能只有几百公里。气旋、反气旋的强度，用地面最大风速 来度量。风速与水平气压梯度力成正比。 中心气压值越低，气旋越强，反气旋越弱； 中心气压值越高，反气旋越强，气旋越弱。,1、锋面气旋（温带气旋）,生成和活动在温带地区的气旋，称为温带 气旋。其中，最常见的是带有锋面的温带气 旋，所以又称锋面气旋。锋面气旋是温带地 区产生大范围云雨天气的主要系统。温带气 旋主要出现在东亚、北美、地中海等地区。发展成熟的锋面气旋天气模式为：气旋前 方是宽阔的暖锋云系和相伴的连续性降水天 气，气旋后方是比较狭窄的冷锋云系和降水 天气，气旋中部是暖气团天气。,锋面气旋,锋
19、 面 气 旋,暖锋,冷锋,云雨区域,图 例,暖锋,暖锋,冷锋,冷锋,L,L,冷气团,暖气团,H,H,锋面气旋的形成与消亡,L,冷气团,准静止锋,准静止锋,暖气团,冷锋,冷锋,冷锋,冷锋,暖锋,L,L,暖锋,暖锋,暖锋,锢囚锋,新生期：冷、暖气团对峙,新生期：气旋生成,成熟期：冷、暖锋相互入侵,降水,降水,降水,成熟期：气旋加深，降水扩大,锢囚期：气旋趋于消亡,消散期：冷、暖气团恢复对峙,北半球冬季的气旋、锋面系统,P102,冷空气,冷空气,暖空气,暖空气,赤道,北回归线,南回归线,2、热带气旋,生成于热带海洋上的强大而深厚的气旋性涡旋。,赤道,全世界平均每年发生热带气旋和台风为79.8次,南北
20、纬 5 20，年平均水温26.5。,赤道,热带气旋按中心附近地面最大风速划分,台风的形成,热带海洋上的空气因受热而对流上升，四 周较冷的空气流入补充，然后再受热上升， 如此循环往复，形成了热带低压。在夏秋季 节，西南季风与东北信风相遇时造成扰动产 生旋涡。这种扰动与对流作用相辅相成，使 已形成的热带低压的旋涡继续加深，也就是 使四周空气流动得更快，风速加大，于是就 演变成热带风暴强热带风暴台风。 台风常常带来狂风暴雨，一天的降雨量可 达30亿吨，多的甚至超过 200 亿吨。,大西洋飓风；印度洋旋风。,台风形成过程,台风形成过程,菲律宾,菲律宾,菲律宾,菲律宾,热带扰动，台 风形成前一天,热带低
21、压形成,加强为热带风暴,台风形成,台风形成的基本条件,低空存在一个热带扰动，造成辐合流场， 是热带气旋发展的基础； 有广阔的高温洋面，蒸发大量水汽到空 中凝结，提供台风形成所需的巨大潜热； 有一定的地转偏向力，使忧动气流渐变 为气旋性旋转的水平涡旋； 基本气流的风速垂直切变要小，使潜热 不扩散，形成、保持暖心结构及加强对流 运动。,台风的流场,云柱向上发展旺盛 垂直高度：15-20km 下：逆入；上：顺出,台风的特征,台风的空间形态就象一个巨大的云柱，其半径 一般 200 300 km，最大的可500 km。 台风 的顶部是大致圆形呈螺旋状顺时针向外旋出的气 流，台风的底部在北半球是绕台风中心
22、逆时针旋 进的气流（在南半球则作顺时针方向旋进）。在台风云柱中央有一个直径约 50 km的基本无 风、无云、无雨的区域，这就是台风眼。离开台 风眼向外就是云层最厚的暴雨带，再向外则是大 风区。台风的生命周期，短者只一、两天，长者可达 两星期，平均约四五天。,台风的结构与天气,大风区,台风眼,暴雨带,暴雨带,500 km,台风云系1,台风云系,台风云系2,台风，太平洋,台风云系3,飓风，北美,台风“丽莉”,国际空间站，2002年,台风“丽莉”约15浬宽的“台风眼”,台风 “ 飞燕 ” 袭击福州,20010623,台风“鸣蝉”,台风“鸣蝉”,韩国釜山，20030913,台风“蝎虎”横扫日本,台风“
23、蝎虎”横扫日本,20041020,台风的移动路径,西北太平洋年均发生热带气旋和台风30.5 次， 是世界上热带气旋和台风发生次数最多的区 域。西北太平洋台风移动路径主要有三条：西移路径：当台风在菲律宾以东洋面生成 之后，受高空的副热带高压的影响，深厚的 偏东气流引导台风一直向偏西方向移动。西北移路径：受东南风影响，从菲律宾以 东洋面向西北方向移动。转向路径：向西北方向移动的台风，遇到 西太平洋副高或西风槽的阻挡而转向东北。,西移路径,台风“洛克”，2005,西北移路径,台风“碧利斯”，2000,转向路径,台风“电母”，2004,台风的命名,根据世界台风委员会第31届会议的决议，从2000年 1
24、月1日起，采用具有亚洲风格的名字对西北大西洋和 南海生成的热带气旋进行命名，旨在帮助人们对热带 气旋提高警觉，增强警报效果。 由亚太地区的中国、中国香港、中国澳门、日本、 柬埔寨、老挝、马来西亚、密克罗尼西亚联邦、菲律 宾、朝鲜、韩国、泰国、美国和越南等14个成员一共 提供140个名字（每个成员提供10个名字）。 这140个名字分成 10组，每组里的14个名字（每个 成员提供 1个名字），按每个成员的字母顺序依次排 列。命名表按顺序、循环使用。 由我国提供的10个名字是：龙王、玉兔、风神、杜 鹃、海马、悟空、海燕、海神、电母、海棠。,台风碧利斯Bilis,菲律宾速度，2000年,根据规定，一个
25、 热带气旋在其整 个生命过程中无 论加强或减弱， 始终保持其名字 不变。,台风珊珊Shanshan,中国香港女孩名，2000年,台风杰拉华Jelawat,马来西亚淡水鱼，2000年,台风蝴蝶Wutip,澳门昆虫，2001年,台风米娜Mitag,密克罗尼西亚女士名，2002年,台风鸣蝉Maemi,朝鲜昆虫，2003年,台风“云娜”，2004,“云娜”，密克罗尼西亚 语：喂，你好。由于台 风“云娜”造成巨大的破 坏，为防混淆，世界台 风委员会决定该名称永不再用。,3、反气旋,冷性反气旋（冷高压），形成于中、高纬度 地区，如北半球格陵兰、加拿大、西伯利亚和 蒙古等地。冬半年活动频繁，势力强大，影响 范围广泛，常常造成降温、大风天气。暖性反气旋（暖高压），形成于副热带地区， 常年存在，冬季位置偏南，夏季偏北。暖性反 气旋控制地区，气流下沉，天气炎热干燥。,1月气压中心,冬季,亚洲,H,H,H,L,L,阿留申,夏威夷,亚速尔,冰岛,H,H,7月气压中心,夏季,H,夏威夷,H,亚速尔,亚洲,L,北美低压,L,澳洲,H,亚洲,L,H,H,结束,
