6丁一匯高等天氣學(xué) 溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展課件

第六講溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展國家氣候中心高等天氣學(xué)系列講座單元二：中緯度天氣系統(tǒng)6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

中緯度地面氣壓系統(tǒng)最主要的兩類是溫帶氣旋和反氣旋。人們更關(guān)注地面氣旋。因?yàn)檫@種系統(tǒng)發(fā)展迅速、激烈，經(jīng)常帶來破壞性大風(fēng)、暴雨、對(duì)流等，成為所謂溫帶風(fēng)暴。但地面反氣旋也不能忽略，如冬季冷高壓可以帶來寒潮與冷空氣活動(dòng)，入海后可以產(chǎn)生偏東風(fēng)回流天氣或切變線。在大多數(shù)中國暴雨過程中都有冷空氣活動(dòng)參與，它們也常以冷高壓形式表現(xiàn)出來。地面氣旋與反氣旋是密切相關(guān)的。但由于時(shí)間所限，我們這里只討論地面氣旋問題，包括陸地氣旋與海洋氣旋。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6.1溫帶氣旋的發(fā)生發(fā)展與大尺度結(jié)構(gòu)

根據(jù)氣旋發(fā)生發(fā)展時(shí)的環(huán)流和天氣形勢(shì)，可以把氣旋的發(fā)生發(fā)展分為三種類型。第一類是經(jīng)典的鋒面波動(dòng)發(fā)展成氣旋的過程。關(guān)于這類氣旋發(fā)生發(fā)展的問題已經(jīng)討論得很多，總的特征可概括為以下幾點(diǎn)：（1）鋒區(qū)或最大斜壓區(qū)位于近于平直的高空氣流下（沒有明顯的渦度平流）開始發(fā)展；（2）最初沒有高空冷槽存在，但當(dāng)?shù)孛鏆庑l(fā)展時(shí)，槽加強(qiáng)。在氣旋未達(dá)到最大強(qiáng)度之前，高空槽和低層氣旋間的距離明顯保持不變；（3）高空渦度平流數(shù)值最初很小，并且在整個(gè)發(fā)展過程中一直保持較小，氣旋加強(qiáng)的主要作用是溫度平流；(4)對(duì)流層下部的斜壓性開始時(shí)大，錮囚時(shí)?。唬?）發(fā)展的最終結(jié)果是達(dá)到經(jīng)典的錮囚氣旋；一般認(rèn)為這類氣旋的發(fā)展由斜壓不穩(wěn)定使擾動(dòng)增幅引起。發(fā)展是從低層開始的，在發(fā)展中具有明顯的鋒區(qū)和斜壓性。溫度平流在此類氣旋發(fā)展中起著主要作用。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展第二類氣旋發(fā)生發(fā)展的啟動(dòng)機(jī)制主要在高空。氣旋發(fā)生發(fā)展時(shí)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）當(dāng)高空槽（其前部有強(qiáng)渦度平流）在低層暖平流區(qū)（或近于沒有冷平流）上擴(kuò)展時(shí)，氣旋開始發(fā)展，這時(shí)低層可以有也可以沒有鋒面存在；（2）當(dāng)氣旋加強(qiáng)時(shí)，高空槽與低層系統(tǒng)之間的距離迅速減小，氣旋發(fā)展最盛時(shí)軸線近于垂直；（3）高空渦度平流量最初很大，接近氣旋最強(qiáng)時(shí)，平流量減少。開始時(shí)溫度平流量小，隨低層氣旋的加強(qiáng)而增強(qiáng)；（4）對(duì)流層下部斜壓性開始較小，隨風(fēng)暴加強(qiáng)而增加；（5）發(fā)展的最終結(jié)果達(dá)到與經(jīng)典錮囚相類似的熱力結(jié)構(gòu)。這類氣旋與第一類經(jīng)典氣旋的發(fā)展模式不同，在發(fā)展時(shí)，低層不一定有鋒面存在，高空渦度平流是氣旋發(fā)展的主要因子。Petterssen和Smebye曾對(duì)這類氣旋的發(fā)展作過詳細(xì)分析，并從能量收支上研究了動(dòng)能的來源和維持。衛(wèi)星云圖的分析也證實(shí)了這類氣旋的存在。圖6.1是Petterssen等總結(jié)的這類氣旋的發(fā)展模式，這是地面有鋒面的情況。這種氣旋主要發(fā)生在高空槽前正渦度平流區(qū)趕上并迭加在地面冷鋒或靜止鋒上的時(shí)候和地方。在迭加區(qū)，云帶中的云量變稠密、加寬，并向冷空氣一側(cè)凸起。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

第三類是中間尺度溫帶氣旋的發(fā)展。這類氣旋的水平尺度一般在1000～2000km，比上述氣旋的尺度小。它具有以下一些特征：（1）在擾動(dòng)形成的階段，擾動(dòng)與對(duì)流層上部高空槽沒有關(guān)系。高空經(jīng)常是緯向氣流，擾動(dòng)的振幅只在對(duì)流層下部明顯，而第一類有明顯的長波槽；（2）這類氣旋通常形成在一條延續(xù)的鋒面上，能接連發(fā)生，形成一系列氣旋族。這種鋒面不但地面明顯，在850hPa上也有等溫線密集區(qū)；（3）這類氣旋主要出現(xiàn)在較低緯度，與濕潤大氣中的空氣運(yùn)動(dòng)有密切關(guān)系。具有明顯的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，因而常發(fā)生在雨季（如梅雨季節(jié)，華南和日本東南海上、美國東南海面上）。關(guān)于這類氣旋的發(fā)展機(jī)制目前還不清楚。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.1氣旋發(fā)展的幾個(gè)階段。當(dāng)高空槽向前推進(jìn)，高空有明顯的渦度平流區(qū)（斜壓區(qū)）擴(kuò)展到鋒區(qū)上的時(shí)候，所引起的不平衡就使低層產(chǎn)生輻合6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

應(yīng)該指出，上述三類氣旋是主要?dú)庑愋?。在?shí)際天氣與預(yù)報(bào)中，氣旋生成的環(huán)流與天氣形勢(shì)以及動(dòng)力條件不限于此。例如有些氣旋由熱帶氣旋北上在西風(fēng)帶影響下可以變性為溫帶氣旋；在山脈的背風(fēng)一側(cè)在一定的氣流條件下可以形成背風(fēng)氣旋；在大陸東部的臨近海區(qū)，還可觀測(cè)到“瞬時(shí)錮囚”的氣旋發(fā)展等。因而對(duì)于一個(gè)溫帶氣旋的發(fā)生發(fā)展應(yīng)根據(jù)它的實(shí)際情況進(jìn)行分析與預(yù)報(bào)，這樣才能做出成功的預(yù)報(bào)。另外還應(yīng)指出氣旋與高空波動(dòng)（Rossby波）密切相關(guān)，它們形成了三維的氣旋波系統(tǒng)，任何氣旋的預(yù)報(bào)都必須考慮高空波動(dòng)的預(yù)報(bào)。下面我們重點(diǎn)考察第一類與第二類氣旋發(fā)生發(fā)展的環(huán)流與天氣條件。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展第一類溫帶氣旋的發(fā)展過程

圖6.2～6.4是相應(yīng)于第一類氣旋演變過程中的次級(jí)環(huán)流分布。在氣旋的初生階段（圖6.2a），地面有一個(gè)弱的環(huán)流，它是在一條極鋒的斜壓區(qū)中發(fā)展起來的。冷鋒后地面是北風(fēng)，但在對(duì)流層中層以上是西南風(fēng)。冷鋒的取向近于東西向。氣旋性切變變形的作用是破壞正交于鋒面的溫度梯度。通過鋒面的垂直剖面圖（圖6.2b）表明，在沿鋒面氣流有氣旋性切變情況下，與鋒面正交的地轉(zhuǎn)風(fēng)分量隨高度增加，即，所造成的伸長變形在鋒面之上推動(dòng)一熱力間接環(huán)流，鋒上是下沉運(yùn)動(dòng)，鋒下是上升運(yùn)動(dòng)。地面邊界層中的過程引起了為維持鋒前緣鋒面結(jié)構(gòu)所必需的上升和輻合。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.2（a）具有下沉冷鋒的一個(gè)初生氣旋的概略圖。實(shí)線是地面等壓線。虛線是地面等溫線。粗實(shí)箭頭代表對(duì)流層中部等高線和氣流方向。白短箭頭代表地面地轉(zhuǎn)氣流。（b）沿正交于鋒面的AA’線的剖面。虛線代表沿鋒面的地轉(zhuǎn)風(fēng)分量U。細(xì)實(shí)線代表正交于鋒面的地轉(zhuǎn)風(fēng)分量V。白箭頭代表V的方向。粗實(shí)線代表地轉(zhuǎn)切變變形（）強(qiáng)迫的次級(jí)環(huán)流。點(diǎn)箭頭是鋒面前沿的邊界層輻合和垂直運(yùn)動(dòng)6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.3（a）同圖6.2（a）但是對(duì)向成熟發(fā)展的氣旋，具有冷暖鋒；（b）通過圖（a）中冷鋒沿AA’線的剖面圖；其它同圖6.2（b）。但對(duì)次級(jí)環(huán)流有；（c）通過圖（a）中暖鋒沿BB’線的剖面圖6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

高空斜壓波的增幅和地面氣旋的加深產(chǎn)生了地轉(zhuǎn)變形，這有利于冷暖鋒的尺度縮小及有關(guān)的次級(jí)環(huán)流發(fā)展。在氣旋的發(fā)展期（圖6.3a），冷鋒具有南北取向，并受切變變形強(qiáng)迫，這時(shí)沿鋒面的溫度梯度為負(fù)，正交于鋒面有氣旋性切變。這種地轉(zhuǎn)強(qiáng)迫產(chǎn)生一熱力直接環(huán)流，上升運(yùn)動(dòng)在前緣及鋒上方。與下沉冷鋒不同，這種熱力直接發(fā)展的冷鋒具有隨高度減小的正交于鋒面的地轉(zhuǎn)分量，這意味著高空強(qiáng)西風(fēng)位于地面鋒后弱西風(fēng)之上（圖6.3b）。在這個(gè)階段，暖鋒的演變表現(xiàn)為在氣旋的東北象限，鋒兩側(cè)疏散的伸長變形強(qiáng)迫一熱力直接環(huán)流（圖6.3c）。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.4（a）成熟氣旋階段，其它同圖6.2（a）；（b）通過圖（a）中冷鋒和暖舌沿AA’線的剖面圖，細(xì)實(shí)線是位溫線，點(diǎn)線是溫度波波軸。其它同圖6.2（b）；（c）對(duì)應(yīng)圖（b）的次級(jí)環(huán)流（），其它同圖6.2（b）6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

在氣旋的成熟階段（圖6.4），出現(xiàn)一狹窄的暖舌，它沿冷鋒的前緣一直向北伸展。冷鋒的切變變形與發(fā)展階段相同。但一個(gè)新的特征是在暖舌軸以東出現(xiàn)東西方向的溫度梯度，這與冷鋒前的低空急流有關(guān)。在氣旋暖區(qū)中這種溫度梯度的方向是使近地面的偏南急流隨高度減弱。過去許多觀測(cè)分析都表明冷鋒前可出現(xiàn)低空急流。地面冷鋒前的暖舌和低空急流也由許多人從理論上證明是成熟氣旋的一種明顯特征。通過冷鋒的剖面表明（圖6.4b），暖舌軸在鋒前隨高度向東傾斜，低空急流在其下方。圖6.4c給出和地轉(zhuǎn)分量的垂直剖面圖。向東傾斜的溫度波及有關(guān)的低空急流強(qiáng)迫的共同作用強(qiáng)迫出一種次級(jí)環(huán)流，其地面的非地轉(zhuǎn)氣流從冷暖空氣側(cè)都流向鋒面，在鋒面前緣垂直地引起鋒面上升氣流。這種環(huán)流可以導(dǎo)致狹窄的深對(duì)流云系的發(fā)展。這是成熟冷鋒的特征。如果冷鋒前的低空急流的變形是主要的環(huán)流強(qiáng)迫項(xiàng)，則低空急流環(huán)流的上升支位于冷鋒之前，這時(shí)可產(chǎn)生鋒前云雨帶。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

如前所述，它表現(xiàn)為向東移動(dòng)的短波槽槽前正渦度平流區(qū)迭加在地面強(qiáng)水平溫度梯度區(qū)（鋒面）之上。這時(shí)它可在地面高空槽抵近鋒區(qū)的位置誘生出低壓。由于三維空間中系統(tǒng)隨高度向西傾斜，則地面氣旋之上存在著暖平流和正渦度平流（隨高度增加），這可由準(zhǔn)地轉(zhuǎn)-方程進(jìn)行診斷分析。圖6.5是發(fā)展的(a)與不發(fā)展的(b)氣旋三維氣流結(jié)構(gòu)圖。在圖6.5(a)中，溫度場（厚度場）落后于500hPa風(fēng)場四分之一波長。由于初期地面氣旋尺度不大，可忽略地球渦度平流。靜力穩(wěn)定度也不太大。則氣旋的加強(qiáng)主要表現(xiàn)為上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)或低空輻合加強(qiáng)。這主要由500hPa槽前暖平流和正渦度平流隨高度增加造成。第二類溫帶氣旋的發(fā)展過程6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展在地面氣旋以東或東北的暖區(qū)中有上升運(yùn)動(dòng)，而在地面氣旋以西的冷區(qū)中有下沉運(yùn)動(dòng)，這可導(dǎo)致位能向動(dòng)能之轉(zhuǎn)換，因而風(fēng)速迅速加強(qiáng)，氣旋發(fā)展。同時(shí)氣旋下游低層暖平流與上游冷平流可使地面氣旋近于沿對(duì)流層中部風(fēng)向移動(dòng)（向東或東北）。由于地面有冷平流，且在高空槽上游渦度平流隨高度更為反氣旋性，也會(huì)使反氣旋生成和發(fā)展。圖6.5(b)是不發(fā)展的地面氣旋和斜壓波。這時(shí)系統(tǒng)隨高度向東傾斜。溫度場（厚度場）超前于500hPa高度場。這使地面低壓以東的低層暖平流導(dǎo)致500hPa槽的高度上升；地面低壓以西的低層冷平流使500hPa脊高度下降。因而在地面低壓區(qū)出現(xiàn)下沉運(yùn)動(dòng)，低層輻合和氣壓上升，不利于其發(fā)展。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.5中緯斜壓波溫度與風(fēng)場的三維結(jié)構(gòu)示意圖。(a)發(fā)展的斜壓波和地面氣旋。500hPa溫度槽（CTT）落后于氣壓槽四分之一波長。低層地轉(zhuǎn)風(fēng)方向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)位于暖平流區(qū)，而反時(shí)針旋轉(zhuǎn)位于冷平流區(qū)。渦度平流隨高度表現(xiàn)為正（負(fù)）渦度平流更明顯區(qū)。以及上升（<0）與下沉（>0）區(qū)也給出在圖中（取自Bluestein,1993)6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展我們用圖6.6說明的一個(gè)氣旋生命史及物理過程的作用。由于地面低壓以東和東北，低層暖空氣向北平流，而在低壓以西和西南，低層冷空氣向南平流（但在快速加深的氣旋中，地面以上的垂直運(yùn)動(dòng)可很強(qiáng)，由它造成的局地變溫大于平流溫度變化），高空槽底的冷平流導(dǎo)致高空槽加深，而低壓以東與東北的暖平流使下游脊加強(qiáng)。下游脊的加強(qiáng)也造成了下游槽的加強(qiáng)。同時(shí)在原來發(fā)展系統(tǒng)的后部，暖平流變得越來越位于氣旋之北，而冷平流變得越來越位于氣旋之南。因?yàn)闅庑诤艽蟪潭壬馅呌趶睦淦搅鲄^(qū)移向暖平流區(qū)，所以經(jīng)典的中緯氣旋緯向移動(dòng)變小，而經(jīng)向移動(dòng)更快。位于地面氣旋西南和南方的冷鋒尾部東移比氣旋整體東移要快。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展因而冷鋒與暖鋒之間的暖區(qū)減?。▓D6.6(c)）。現(xiàn)在高空槽的東移比地面氣旋的東移分量要快得多，最終高空槽趕上并迭加在地面氣旋之上。地面冷鋒也趕上了暖鋒，地面暖區(qū)被切斷，即被“錮囚”。氣旋附近的暖脊相應(yīng)于錮囚區(qū)（圖6.6(d)）。這時(shí)高空槽趨于切斷，成為閉合的低壓中心，而暖空氣完全擠向地面氣旋的上方（圖6.6(e)）。由于熱成風(fēng)對(duì)高空渦度的平流消失，發(fā)展過程停止。另外，由于高空氣流成為近于園對(duì)稱形式，渦度平流大大減少，使高空系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)也停止。因?yàn)闇囟绕搅鳒p弱，地面氣旋也變?yōu)闇?zhǔn)靜止，其最后結(jié)果可導(dǎo)致北高南低的阻塞形勢(shì)。由于邊界層中摩擦輻合的作用，氣旋在摩擦層中可維持相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，但在摩擦層以上，由于摩擦層中上升氣流產(chǎn)生的輻散可使氣旋渦度減少，而使氣旋破壞。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.6一個(gè)氣旋生命史概略圖。L是地面低壓，虛線是1000-500hPa等厚度線（dam)，實(shí)線是500hPa等高線。(a)與(b)中箭頭代表地面風(fēng)場（取自Bluestein,1993）6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.7說明暖心的熱帶氣旋登陸之后如何與冷鋒相結(jié)合變成冷心的系統(tǒng)。這是北美的一個(gè)例子。颶風(fēng)Agnes于1972年6月20日12GMT登陸美國佛羅里達(dá)州?？梢钥吹剑▓D6.7(a)），500hPa環(huán)流強(qiáng)度隨高度減弱，200hPa只表現(xiàn)為西風(fēng)帶中的一個(gè)弱槽。由于摩擦作用，地面環(huán)流是弱的，各層溫度梯度也較弱。注意一條地面冷鋒抵近颶風(fēng)殘余環(huán)流（圖6.7(b)）并于6月22日00GMT趕上地面弱颶風(fēng)環(huán)流。在地面低壓以西和西南，有冷平流，北-東北有暖平流，這使地面氣旋加深（圖6.7(c)），并且冷暖平流加強(qiáng)。到6月23日12GMT，系統(tǒng)錮囚，并變性成冷心，環(huán)流的強(qiáng)度現(xiàn)在隨高度增加。冷空氣位于氣旋附近及其以西與西南。由熱帶氣旋變性形成的溫帶氣旋6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展從6月20-21日，非絕熱加熱造成了中低層上升運(yùn)動(dòng)，到6月22日00GMT，低層渦度平流和溫度平流變得更重要。在低壓西南，由冷平流在6月22日12GMT造成了強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)，以后繼續(xù)增加。低壓以西由渦度平流差異一直造成了上升運(yùn)動(dòng)。我國這樣的例子很多，我們將在下一單元熱帶天氣系統(tǒng)中說明。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.7暖心熱帶氣旋Agnes變性為冷心系統(tǒng)的過程，虛線是等溫線，實(shí)線是等高線（dam）。海平面等壓線省略了百位與千位數(shù)“10”（取自DiMego與Bosart，1982）6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6.2氣旋的不穩(wěn)定理論和爆發(fā)性發(fā)展

溫帶氣旋在有利的條件下，可以迅速的或爆發(fā)性發(fā)展，形成非常強(qiáng)大的風(fēng)暴。這種情況常常發(fā)生在海洋上，一般稱海洋爆發(fā)性發(fā)展氣旋，或“氣象炸彈”。在陸地上也會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展的氣旋。朱彤與丁一匯曾從動(dòng)力學(xué)上診斷過一個(gè)發(fā)生在中國北方爆發(fā)性發(fā)展的陸地氣旋。圖6.8是早年海洋爆發(fā)性氣旋的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.81976~1982年所有24小時(shí)氣象炸彈最大加深時(shí)的位置6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.9是大西洋上一個(gè)天氣尺度爆發(fā)性氣旋的發(fā)展情況。在2月4日00GMT（圖6.9a）地面中心氣壓為1004hPa，12小時(shí)之后（圖6.b）中心氣壓降為968hPa，24小時(shí)后（圖6.9c）低達(dá)952hPa，達(dá)到了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度。Bosart和Gyakum的云圖和天氣分析表明，強(qiáng)烈的氣旋其風(fēng)力可達(dá)颶風(fēng)的強(qiáng)度，并有清晰的眼區(qū)。這個(gè)例子可代表天氣尺度氣旋的爆發(fā)性發(fā)展。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.9地面圖分析。海平面等壓線間隔：8hPa。（a）1975年2月4日00GMT；（b）2月4日12GMT；（c）2月5日00GMT。（c）中給出風(fēng)暴每隔6小時(shí)的路徑（虛線）6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.10a-d是東海和日本南部一個(gè)次天氣尺度海洋氣旋迅速反展的過程。在1975年2月13日，一個(gè)與大陸極地氣團(tuán)有關(guān)的反氣旋移出中國到達(dá)西太平洋。沿這個(gè)高壓后部的黑潮暖流區(qū)，暖濕的副熱帶海洋空氣向北輸送。13日1200GMT（圖6.10a），在暖濕空氣區(qū)850hPa上有短波槽，地面有低壓槽發(fā)展。這個(gè)擾動(dòng)是很淺薄的。在其發(fā)展的初期，沒有跡象表明有天氣尺度系統(tǒng)移近促使其發(fā)展；緯向風(fēng)的分布也表明，對(duì)流層下部無正壓或斜壓不穩(wěn)定存在。到14日0000GMT，在地面形成閉合環(huán)流，這時(shí)可以看到地面擾動(dòng)和天氣尺度槽有一定耦合。在以后24小時(shí)氣旋迅速加深。到14日1200GMT，整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出清楚的向西傾斜，在500hPa槽前有暖脊出現(xiàn)，也就是說系統(tǒng)具有典型的發(fā)展斜壓系統(tǒng)的特征。這可能是潛熱的非絕熱加熱的作用。此時(shí)氣旋具有暖心結(jié)構(gòu)，因而CISK機(jī)制對(duì)這種氣旋的發(fā)展有重要作用。到15日0000GMT，已經(jīng)達(dá)到強(qiáng)氣旋的強(qiáng)度。從14日0000GMT到15日0000GMT的24小時(shí)內(nèi)氣旋的中心氣壓下降了20hPa，閉合環(huán)流區(qū)急劇擴(kuò)大。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.10海平面氣壓分布（hPa）。（a）1975年2月13日1200GMT；（b）2月14日0000GMT；（c）2月14日1200GMT；（d）2月15日0000GMT6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

近年來，許多人研究了爆發(fā)性海洋氣旋發(fā)生的物理原因，概括起來有：渦度平流、溫度平流、潛熱加熱、海氣交換（潛熱和感熱輸送），與急流有關(guān)的非地轉(zhuǎn)加速，摩擦作用以及斜壓部穩(wěn)定等。但至今還沒有確定哪一個(gè)或哪幾個(gè)物理因子一般起著主要的作用。

根據(jù)動(dòng)力不穩(wěn)定理論，天氣尺度擾動(dòng)的發(fā)生是緯向氣流對(duì)小擾動(dòng)切變不穩(wěn)定的結(jié)果，這或者由水平切變?cè)斐傻恼龎翰环€(wěn)定引起，或者由垂直切變?cè)斐傻男眽翰环€(wěn)定引起，或由兩者的組合引起。在中緯度，正壓過程在啟動(dòng)水平尺度為1000km或更大一些的擾動(dòng)中一般認(rèn)為是次要的，因而這個(gè)機(jī)制常常被排除，因?yàn)闅庑Ｆ鹪从诰曄驓饬鞯姆礆庑凶円粋?cè)，對(duì)流層下部的水平切變很小。下面我們分別討論與溫帶氣旋發(fā)展有關(guān)的不穩(wěn)定性。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展斜壓和正壓不穩(wěn)定

當(dāng)氣壓系統(tǒng)加強(qiáng)時(shí)，水平氣壓梯度加大。這引起風(fēng)速加強(qiáng)，動(dòng)能增加。這個(gè)過程包括了有效位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，這是通過暖空氣上升，冷空氣下沉實(shí)現(xiàn)的。這種不穩(wěn)定性稱作斜壓不穩(wěn)定。正壓不穩(wěn)定表示平均氣流的動(dòng)能向一增長的擾動(dòng)的轉(zhuǎn)換。緯向氣流中正壓不穩(wěn)定的必要條件是緯向氣流的絕對(duì)渦度梯度為0。這個(gè)條件在急流附近經(jīng)常滿足（圖6.11）。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.11說明在急流附近，正壓不穩(wěn)定可以滿足的示意圖。f：科氏參數(shù)，：相對(duì)渦度，：絕對(duì)渦度（Bluestein,1993）6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

由于大氣是一種連續(xù)層結(jié)流體（不是一種簡單的分層流體），且具有旋轉(zhuǎn)（科氏力），實(shí)際的基本氣流（不是緯向基流，而是波狀，與局部集中的（如急流））是復(fù)雜的，所以決定正壓與斜壓不穩(wěn)定的充要條件是無法得到的，因而斜壓不穩(wěn)定的分析在很大程度上是根據(jù)觀測(cè)得到的。有三種高空槽值得我們注意，它們與斜壓不穩(wěn)定有關(guān)。一種是疏散槽（圖6.12(a)）。在這種槽下方中緯地面氣旋經(jīng)常發(fā)展。其原因可能是疏散槽比匯合槽（圖6.12(b)）有更大的氣旋性渦度平流。疏散槽上游風(fēng)較強(qiáng)，而匯合槽下游風(fēng)較強(qiáng)。疏散槽應(yīng)移向南，而匯合槽應(yīng)向北指（見圖6.13）。槽的這種運(yùn)動(dòng)（相對(duì)于地面氣旋）應(yīng)可改變方程中的強(qiáng)迫函數(shù)，因而影響地面氣壓傾向。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

第三種高空槽稱傾斜槽或倒“V”形槽。波的傾斜可影響斜壓不穩(wěn)定，槽有正傾斜與負(fù)傾斜之分。前者的槽線是西南-東北向，它可向極地輸送西風(fēng)渦動(dòng)動(dòng)量以維持熱帶東風(fēng)帶。負(fù)斜壓槽使西風(fēng)角動(dòng)量向赤道輸送，即從西風(fēng)急流輸出西風(fēng)動(dòng)量而通過正壓不穩(wěn)定使擾動(dòng)增長。觀測(cè)分析表明，負(fù)傾斜高空槽可更容易導(dǎo)致對(duì)流活動(dòng)大范圍發(fā)生。我國北方多次持續(xù)性大暴雨是發(fā)生在這種負(fù)傾斜槽形勢(shì)下（1998年松嫩江大洪水）。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.12(a)500hPa圖上疏散槽的例子，(b)匯合槽的例子（例子取自Bluestein,1993）6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展圖6.13(a)最大風(fēng)速位于槽線上游的短波槽的渦度平流。，最大氣旋性切變位于槽線上游。槽線取等高線最大曲率處。這時(shí)地轉(zhuǎn)渦度最大值也在上游。低轉(zhuǎn)渦度相對(duì)最大值位于最大氣旋性曲率區(qū)與最大氣旋性切變區(qū)之間，因而最大正渦度平流與高度下降區(qū)處于槽底附近，而不是在其以東，因而槽向南延伸。(b)最大風(fēng)速位于槽線下游的短波槽的渦度平流。情況與(a)相反，槽向北指。因這時(shí)最大正渦度平流和高度下降在下游，且位于槽底以北。(Bluestein,1993）6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

除了正壓和斜壓不穩(wěn)定外，第二類條件不穩(wěn)定（CISK）對(duì)于氣旋的發(fā)展也起重要作用，這將在下一單元中講解。在第二講關(guān)于準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論中的位勢(shì)傾向方程不能用于計(jì)算與解釋地面氣旋的氣壓變化與發(fā)生發(fā)展。因?yàn)榈孛娓叨葍A向是位勢(shì)傾向方程的一個(gè)下邊界條件。它是求解方程所必需給定的。為確定地面高度傾向，可用地面以上的方程及地面渦度方程。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

前面已經(jīng)指出，溫帶氣旋的一種主要發(fā)展機(jī)制是斜壓不穩(wěn)定，即有效位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。因而涉及到氣旋的能量學(xué)問題。我們將簡略的說明這一問題。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

首先討論溫帶氣旋的平均或氣候動(dòng)能收支。Kung和Baker計(jì)算了5年期間780個(gè)氣旋的動(dòng)能收支，其結(jié)果見表6.1。由于樣本數(shù)很大，所以這個(gè)結(jié)果是很可靠的。平均而言，氣旋比半球的大氣環(huán)流有更集中的動(dòng)能，但差別并不大。這表明氣旋尺度的動(dòng)能水平與平均半球的動(dòng)能相近。這與波數(shù)域的動(dòng)能分析是一致的，即半球尺度動(dòng)能大部分包括在行星尺度波中，而比氣旋尺度小的波動(dòng)能量很少。氣旋動(dòng)能收支本身是近于平衡的，這是由于由GK制造的動(dòng)能近于被水平輸出和消耗項(xiàng)所平衡。無論在氣旋和大氣環(huán)流動(dòng)能收支中，GK和D是主要的過程，但在氣旋中能量過程更為顯著。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

氣旋的活動(dòng)和能量過程主要集中在行星邊界層和對(duì)流層上部（表6.2）。由于高層動(dòng)能的梯度較大，故動(dòng)能水平輸送的四分之三出現(xiàn)在350～150hPa層中。在邊界層和對(duì)流層上部，風(fēng)和風(fēng)切變較強(qiáng)，另外摩擦作用和跨等高線氣流也很顯著，這使動(dòng)能制造和摩擦消耗在這兩層都達(dá)到最大值。垂直通量散度對(duì)整層積分為零，故在表6.1和6.2中沒有給出，但其輸送方向是從低層向高層，在350～150hPa層有0.5的盈得。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

溫帶氣旋的平均動(dòng)能收支雖然很有助于了解氣旋的動(dòng)能過程，但不能說明個(gè)別氣旋的能量收支特點(diǎn)，這常常會(huì)夸大或縮小實(shí)際氣旋演變的過程。因而在分析平均能量學(xué)的同時(shí)也應(yīng)研究個(gè)別氣旋的能量收支情況。表6.3是北美氣旋動(dòng)能收支個(gè)例分析一覽表。頭三個(gè)例子計(jì)算時(shí)段較長，包括了一個(gè)波動(dòng)氣旋的發(fā)展和衰減階段，故值很小。其它五個(gè)個(gè)例的較大，其中第四、六、七、八是加強(qiáng)的，第五個(gè)是減弱的。動(dòng)能制造GK的值取決于高度梯度和風(fēng)速值。對(duì)于Petterssen和Smebye，Smith，Chen和Bosart，Vincent和Schlatter以及Robentson和Smith（1974年個(gè)例）的個(gè)例，GK是制造動(dòng)能的，這意味著氣旋中高度梯度增加，以此強(qiáng)迫風(fēng)吹向高度低值區(qū)從而重建新的梯度平衡。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

在Petterssen和Smebye以及Chen和Bosart的研究中，高度梯度的增加顯著，而同時(shí)A和D項(xiàng)產(chǎn)生明顯的動(dòng)能匯，結(jié)果次梯度流增強(qiáng)，出現(xiàn)較大的GK值。在Ward和Smith的研究中，A和D的影響正好相反，兩者形成動(dòng)能源。因?yàn)楦叨忍荻日麄€(gè)增加甚小，故A與D的動(dòng)能源產(chǎn)生超梯度風(fēng)和負(fù)的GK值。Robertson和Smith的個(gè)例（1965年）具有類似的情況。由上可見，從個(gè)例的研究得到的動(dòng)能收支相互差別甚大，這說明各氣旋增長和衰減的動(dòng)力學(xué)機(jī)制很不相同。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

綜上所述，海洋溫帶氣旋爆發(fā)性發(fā)展的原因是復(fù)雜的，它常常是多種熱力因子和動(dòng)力因子相互作用的結(jié)果。渦度平流和溫度平均常常是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的一種啟動(dòng)因子，潛熱加熱總是重要的，斜壓不穩(wěn)定對(duì)某些類爆發(fā)性氣旋是非常重要的，海面的感熱和潛熱輸送雖然一般不是主要因子，但它可以促進(jìn)氣旋的迅速發(fā)展或形成有利于氣旋發(fā)展的環(huán)境。由于天氣型式的多變性，實(shí)際上每個(gè)海洋氣旋在其生命史中所處的環(huán)境場不可能完全相同，因此其發(fā)展過程的主要物理機(jī)制和能量來源不會(huì)盡同。6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

根據(jù)近年來溫帶氣旋大尺度氣流的研究，揭示出最重要的現(xiàn)象是暖輸送帶和冷輸送帶。圖6.14是一個(gè)成熟氣旋中主要?dú)饬鞣植嫉哪Ｊ綀D。根據(jù)這個(gè)模式，天氣尺度的云雨區(qū)主要決定于兩支主要的氣流，它們都起源于邊界層中，具有很高的比濕值。其中之一是暖輸送帶。它在暖區(qū)中由邊界層吸入暖濕空氣，以后暖濕空氣沿冷鋒爬升，其中大部分到達(dá)對(duì)流層上部，產(chǎn)生高云。當(dāng)暖輸送帶空氣移至地面暖鋒前方的冷空氣之上時(shí)，以反氣旋方式轉(zhuǎn)向。6.3溫帶氣旋中大尺度氣流結(jié)構(gòu)及其對(duì)天氣的影響6丁一匯高等天氣學(xué)溫帶氣旋的形成和爆發(fā)性發(fā)展

另一支主