中国天气——西风带环流和寒潮

一. 西风环流概述

1. 概念

西风带：中高纬度地区平均水平环流在对流层盛行西风，称之为西风带
西风带波动：西风带围绕极涡沿纬圈运动，平均而言表现为冬季三槽三脊，夏季四槽四脊，这种波状流型被称为西风带波动
平直西风环流：有时西风带的波状流型与纬圈大致平行
经向环流：有时有较大的南北向气旋，甚至出现闭合的暖高压和冷低压，这种环流状态称之为经向环流

2. 形成

纬向环流和经向环流一般在时间和空间中交替出现，且可以互相转化
假设原先为平直西风环流——>由于纬度不同接收的太阳辐射不同，产生了温度梯度——>有效位能增大，发展成大型扰动（大槽大脊）——> 由于存在大槽大脊，经向方向热量交换加强，温度梯度减小——>有效位能转化为动能——>大型扰动逐渐减弱甚至消失——>恢复纬向环流

3. 环流指数（西风指数）

罗斯贝把35-55度之间的平均地转西风定义为西风指数
实际中将两个纬度带之间的平均位势高度差作为西风指数
指数高——>纬向环流
指数低——>经向环流

4. 指数循环

西风环流变化主要变现为高低指数交替循环的过程

二. 西风波动

1. 长波

波长：3000至10000km（50至90个经距，纬圈约有3至7个波，中高纬度水平尺度可达与地球半径相比，称为行星波或罗斯贝波
振幅：10到20个纬距
移速：10经距/日以下，准静止，甚至会西退
特征：波长长，振幅大，移动慢，维持时间长
长波的强度在对流层随高度增加而增加
热力特征：暖性脊冷性槽

1.1长波的辨认方法

制作时间平均图：短波移动快，连续几天短波叠加后就会消去
制作空间平均图
绘制平均高度廓线图
辨别长波：在200hp左右，那里波动型式光滑且振幅很大
计算速度：在600hpa左右，波速公式在这里适用

2. 短波

波长：2000至3000km，40经距以下
移速：10到20个经度/日，生命史短
出现在对流层中下部，往往叠加在长波之上

3. 尺度划分

在这里插入图片描述

三. 罗斯贝波的传播

通过位涡守恒传播（无辐合，无辐散层位涡守恒）
在这里插入图片描述

当西风遇到阻挡，扰流的时候，向南的一支f（地转参数）减小，涡度就会变大，f在北方比南方大，又会被拉回来

1. 波速公式的推导

在这里插入图片描述

2. 性质

c：风速 B：地转参数 L波长
波速取决于u,L,西风强时，移动快；波长短时移动快
波速小于纬向风速

3. 临界风速

在这里插入图片描述

4. 临界波长

在这里插入图片描述

5. 定性经验

波速公式应用在600hpa最好，因为这个高度近于无辐散层，与公式条件比较相符，实际工作中用500hpa分析
u和L取最大风速轴上的最好
预报上游槽的时候，要去看其下游一个或两个波长处槽的情况，下游变慢，上游

四. 长波调整

含义：长波波数的变化及长波的更替称为长波调整
通过看调整后冷暖平流的改变，判断下游是如何改变的
在这里插入图片描述

1. 上下游效应

概念：大范围上下游系统环流变化的联系——上下游效应
上游效应：波动传播速度和波能量传播速度不等，能量传播快于波的传播，使下游有槽脊发展或减弱，看似是上游系统的发展影响了下游，称为上游效应
下游效应则是能量传播滞后于波的传播，看似是下游系统的发展影响了上游

2. 长波群速

复杂的非正弦波，都可以把他看作各种不同波长的正弦波叠加起来的波
假设有两个波，波速为C1>C2,开始时和振动最大值在A处，由于C1>C2,一段时间波峰在B处重合，这样振幅最大值的移动速度就是波群速
推导略，长波的波群速为黑实线——范围线的移动速度

在这里插入图片描述
这种波动最大振幅的传播，就是波动能量的传播，称为能量频散

3. 性质和预报经验（这个经验的理论依据具体是咋样）

波群速>风速>波速
波群速等于沿下游方向各个槽脊增大的速率
对于正压水平无辐散大气长波，其群速度为正值——即自西向东传播
如果在广大范围内环流相当平直，而平直气流不能持续太久，则可以预报将有地区有长波槽脊形成
在平直多波动的西风带上，若上游有一个移速不太快的槽强烈发展，可以预报24-46h后下游的一个长波槽也会加深
如果上游地区波长与静止波相近，则槽脊椎发展完整，可以预测未来长波调整将从下游开始

五. 深厚系统浅薄系统

暖高压是深厚系统，暖低压是浅薄系统
冷高压是浅薄系统，冷低压是深厚系统
暖高压是暖空气从高处下沉形成，比如副高和阻高，随高度增加是加强的，到一定高度达到最强，是深厚系统
由于冷低压中心的温度低，所以低压中心的气压随高度而降低的程度较四周气压更加剧烈，因此，低压中心附近的气压越到高空比四周的气压降低得越多，即冷低压越到高空越强。
暖高压中心温度高，所以高压中心的气压随高度降低的较四周慢，因此暖高压越到高空也越强。

六. 阻塞高压

1. 概念

在西风带中长波槽脊发展演变过程中，脊不断北伸，与南方暖空气的联系会被冷空气切断，在脊的北边初夏你闭合环流，形成暖高压中心，称为阻塞高压
在地面图和500hpa图上，必须同时出现闭合的等值线
气流绕过高压后汇聚，分支点和汇合点之间的纬向距离大于40-50个经距
阻塞高压中心位于30N以北，东亚地区常位于50N以北
阻塞高压持续时间至少为5天
阻塞高压西侧盛行偏南气流，东侧偏北气流
闭合等高线和等温线基本重合
是深厚的暖性高压系统

2. 结构

在这里插入图片描述

3. 出现地区和时间

亚洲主要出现在乌拉尔山和鄂霍茨克海区域
平均持续时间8天，最短3至5天
5，6，7月出现最多

4. 形成

第一阶段：阻塞高压生成区的上游有一个槽强烈发展
第二阶段：在这个槽的下游，即高压脊的西部，有强暖平流导致高空脊强烈发展
第三阶段：继续发展，那个槽形成了切断低压，脊形成了阻塞高压
在高压脊的西侧有西北东南走向的槽，东侧有东北西南走向的槽，从而使高压脊断开,形成阻塞中心

5. 崩溃

开始阶段：温度场振幅大于高度场，但相位相同，槽前有冷平流和正涡度平流侵入阻高后部
第二阶段：下游的阻高基本不动，上游的槽移动，并入阻高，让脊减弱
第三阶段：阻高中心逐渐消失，

6. 阻高重建

温度场超前高度场且振幅比高度场大，槽前有明显的冷平流侵入阻塞高压后部，使阻塞高压减弱
原来的阻塞高压由于正涡度平流和冷平流作用下崩溃
温度场有落后于高度场，振幅大于高度场，脊后有暖平流
原阻塞高压后方的槽前形成了一个高压脊，和已崩溃的阻高相叠加
阻高重新建立

7. 阻塞形势

阻塞高压出现后，

七. 切断低压

1. 概念

在西风带中长波槽脊发展演变过程中，槽不断向南加深，高空槽与冷空气的联系会被暖空气阻断，在槽的南边形成一个孤立的闭合冷性低压中心

2. 形成

在槽不断加深的过程中，在槽的难免形成一个孤立的闭合冷性低压中心——又叫冷涡
冷平流使得空气下沉，天气特别好，光照特别足——夏初的时候阳光又好，形成下暖上冷的不稳定结构，容易产生雷阵雨

3. 结构

出现在对流层中上层，在300hpa最清楚
地面图上有一冷高压与它对应

八. 寒潮概述

1. 概念

是一种大规模的强冷空气活动过程
主要特点是剧烈降温和大风，有时伴有雨，雪，雨凇，雾凇
寒潮可能导致交通中断，粮食减产等灾害
过程降温10度以上，温度负距平均值达到五度，可称为寒潮
寒潮最早出现于九月下旬，最晚结束使次年五月
春季三月和秋季10-11月使寒潮和强冷空气活动最频繁的季节

2. 寒潮的进入路线

影响我国的寒潮一般出生于冰岛，在西伯利亚发展壮大，之后兵分三路进入我国，冷空气喜欢走低洼的地方
寒潮关键区：西伯利亚中部（70-90E,43-65N）

2.1 西北路（中路）

路径：关键区——蒙古——河套附近南下
影响范围：长江以北地区产生寒潮天气，江南地区因为南支锋区波动可能有雨雪天气

2.2 东路

路径：关键区——蒙古——华北北部——渤海——黄河下游——两湖盆地
影响范围：使渤海，黄海，黄河下游及长江下游出现东北大风，华北华东气温较低且连续阴雨天气

2.3 西路

路径：关键区——新疆——青海——西藏高原——西北，西南，江南
影响范围：对西北，西南，江南影响较大，但降温幅度不大，但南支锋区与北支锋区波动相位叠加时，可以造成明显的降温

2.4 东路加西路

东路冷空气从河套南下+西路冷空气从青海南下——在黄土高原高原东侧，黄河长江之间汇合——合兵南下
影响范围：大范围出现雨雪天气，出现大风和明显降温

2.5 山脉对寒潮的影响

山体南侧相对温暖，北侧冷空气堆积
南北走向的山脉形成冷空气通道，使冷空气可以分流南下，影响到长江中下游地区

九. 寒潮天气系统

1. 极涡

定义：北半球冬季极区对流层中上层500hpa上绕极区气旋式漩涡
极涡是大规模极寒冷的空气的象征
为浅薄冷高压
平均持续天数超过五天
北美洲北部没有什么山脉阻挡，容易有炸弹气旋
只有极涡分裂变形，才有利于寒潮冷空气的形成

1.1. 极涡的移动路径

经向性运动：极涡中心从一个半球经极地移动到另一个半球
纬向性运动：沿纬向方向移动，一般发生在亚欧大陆的高纬地区
转游性运动

1.2. 极涡的分类

绕极型：只有一个极涡中心，中心在北纬80度以上，不出来
偏心型：中心位于80度以南，不对称单波型
偶极型：分裂为两个中心，分别位于亚洲北部和加拿大
多极性：有三个及三个以上的极涡中心

2. 极地高压

导致极涡分裂呈偶极型，常常是由于中高纬度的阻塞高压进入极地并维持导致
当极地高压向南衰退与西风带上的长波脊叠加时，我国将有寒潮天气过程爆发
定义：
1. 500hpa图上有完整的反气旋环流，能分析出不少于一根闭合等高线
2. 有相当范围的暖中心与位势高度场配合
3. 暖性高压主题在70N以北
4. 维持三天以上
极地高压是深厚的暖高压
极地高压由中高纬度的阻塞高压进入极地形成

3. 寒潮地面高压

含义：寒潮全过程中冷锋后地面高压，多数属于热力不对称系统，高压前部有强冷平流；后部则为暖平流，中心温度平流趋于零，少数高压始终为冷性
可用来表示冷空气强弱，中心移动路径可作为冷空气的移动路径

4. 寒潮冷锋

含义：寒潮地面高压前端有一条强度较强的冷锋作为寒潮的前锋
冷锋的移动方向与寒潮地面高压的路径和地形都有关系

十. 寒潮中期天气过程

寒潮中期过程有三大类：
1. 倒Ω型
2. 极涡偏心型
3. 大型槽脊东移型

1. 倒Ω型

两个大洋暖型高压脊发展——寒潮爆发——东亚大槽重建——为期2-3周

初始阶段：
1. 两个大洋脊发展；
2. 极涡一分为二或偏于东半球；
3. 两个大洋的脊，挟持一个大极涡
酝酿阶段：
1. 大倒Ω流型向亚洲地区收缩，在乌拉尔山和鄂霍茨克海建立暖性高压
2. 亚洲极涡加强并南压，形成东亚地区的倒Ω型
3. 极涡底部有一支强西风，伴随着强锋区
4. 锋区上有长波发展或横槽逐渐南压
爆发阶段
1. 中纬度长波急速发展，或横槽转竖，或横槽南压
2. 最后东亚大槽加深并重建，过程结束
爆发阶段：中纬度长波急速发展；横槽转竖；东亚大槽加深重建