天原笔记（3）气旋与反气旋

根据《天气学原理和方法》课本总结，边复习边记下来，仅供参考，有缺漏或错误的请联系我改正，谢谢！
用最人话的人话讲天原，侧重经验性结论，公式推导部分较少，结构清晰，看着轻松

超链接有系列文章的链接，每一个对应一章

文章目录

天原笔记（3）气旋与反气旋
系列文章链接汇总
- 第一章：大气运动的基本特征
- 第二章：气团与锋
- 第三章：气旋与反气旋
- 第四章：大气环流
- 第五章：天气形势及天气要素的预报
- 方程汇总篇
一、气旋反气旋的特征
- 1.定义
- 2.强度
- 3.分类
- - 气旋
  - 反气旋
二.涡度和涡度方程
- 1.涡度
- - 涡度表达式
  - 绝对涡度和相对涡度
  - 地转风涡度
  - - 推导逻辑
    - 结论和性质
- 2.涡度方程
- - 相对涡度平流项
  - 地转涡度平流项
  - 涡度垂直输送项
  - 力管项（还不是很理解）
  - 散度项
  - - 相对涡度*水平散度
    - 地转涡度*水平散度
  - 涡度方程的简化
三.位势倾向方程
- 1.相对涡度平流项
- - 物理解释
- 2.温度（厚度）平流项
- - 物理解释
  - 出现冷暖平流的位置
- 3.非绝热加热随高度变化项
- 4.综述
四.ω方程
- 1.涡度平流随高度变化项
- 2.温度平流的Laplace项
- 3.非绝热加热的Laplace项
- 4.综述
五.温带气旋和反气旋
- 1.温带气旋的发展
- - 动力因子（涡度因子）
  - 热力因子
  - 非绝热加热因子
  - 综述
- 2.温带气旋生命史
- - 波动阶段
  - 成熟阶段
  - 锢囚阶段
  - 消亡阶段
- 3.气旋再生
- - 定义
  - 副冷锋加入后再生
  - 气旋入海后增强
  - 两个锢囚气旋合并加强
- 4.气旋族
- - 定义
六. 热低压
- 1.形成机制
- 2.活动规律
- 3.深厚，浅薄系统
七.东亚气旋和反气旋
- 1.气旋
- - 南方气旋
  - 北方气旋
  - 路径和移速
- 2.反气旋
- - 范围
  - 路径和移速
- 3.蒙古气旋
- - 暖区新生类
  - 冷锋进入倒槽类（不是特别理解）
  - 副气旋族类（不是特别理解）
  - 蒙古气旋天气
  - 综述
- 4.江淮气旋
- - 静止锋波动生成气旋（经典气旋）
  - 倒槽锋生气旋（还不是很理解）
  - 经典气旋和倒槽锋生气旋的区别
  - 江淮气旋天气
八. 爆发性气旋

系列文章链接汇总

第一章：大气运动的基本特征

大气运动的基本特征

第二章：气团与锋

气团与锋

第三章：气旋与反气旋

气旋与反气旋

第四章：大气环流

大气环流

第五章：天气形势及天气要素的预报

天气形势及天气要素的预报

方程汇总篇

一、气旋反气旋的特征

1.定义

气旋：占有三维空间的，在同一高度上中心气压低于四周的大尺度涡旋，北半球气旋做逆时针旋转
反气旋：占有三维空间的，在同一高度上中心气压高于四周的大尺度涡旋，北半球气旋做顺时针旋转

2.强度

气旋反气旋的强度一般用其中心气压值表示，气压值越低（高），则气旋（反气旋）越强
平均而言，温带气旋和反气旋，冬强夏弱
海上温带气旋强于陆地，海上温带反气旋弱于陆地

3.分类

气旋

按地理位置分为：温带气旋，热带气旋
按热力结构和形成分为：无锋气旋，有锋气旋
热带气旋属于无锋气旋，又称为台风或者飓风
地方性气旋属于无锋气旋——由于地形的加热作用形成的热低压，基本不移动

反气旋

按地理位置分为：极地反气旋，温带反气旋，副热带反气旋
按热力结构分为冷性反气旋（冷高压），暖性反气旋（暖高压）

二.涡度和涡度方程

1.涡度

涡度表达式

涡度表示质块速度的旋度

绝对涡度和相对涡度

涡度>0——气旋式旋转
涡度<0——反气旋式旋转

地转风涡度

推导逻辑

由于只考虑大气的水平运动，展开式中带有垂直速度的全部忽略，只剩下垂直分量，该项在p坐标系的表达为
实际风用地转风代替，将地转风公式带入上式得到地转风涡度

自然坐标系下的地转风涡度表示为
切变项：气旋性切变时该项<0，反气旋性切变时该项>0
切变项表示切变越大，涡度越大
曲率项：气旋流场中R>0,反气旋流场中R<0
曲率项表示流线弯曲造成的涡度，风速越大，曲率越大，涡度越大

地转涡度表示为

注意：x,y,z方向还需要进行矢量分解

结论和性质

涡度由等高线的弯曲引起
自然坐标系中分解为两部分
1. 曲率项：气旋时R>0,涡度>0,反气旋相反
2. 切变项：气旋式切变涡度>0,反气旋相反
行星涡度的方向与地球自转方向一致，大小为自转角速度两倍
地转参数f，北半球f>0,南半球f<0

2.涡度方程

相对涡度平流项

表示气流在水平方向上相对涡度分布不均匀
当沿气流方向相对涡度减小，则有正相对涡度产生，如槽上正相对涡度最大，槽前就有正相对涡度平流
当沿气流方向相对涡度增加，则有负相对涡度产生，如脊上负相对涡度最大，脊前就有负相对涡度平流

地转涡度平流项

地转参数f随纬度变化而变化，因此y方向的f分布不均导致
吹南风时，f变大，造成局地涡度减小
吹北风时，f变小，造成局地涡度增大

涡度垂直输送项

当相对涡度随高度减小，且有上升运动时局地涡度增加；下沉则减少
当相对涡度随高度增加，有上升运动时候局地涡度减小；下沉则增加

力管项（还不是很理解）

在斜压大气中，风随高度变化，同时垂直速度在水平方向上分布不均，使得绕水平轴旋转的空气块发生倾斜，在垂直方向上有涡度的变化

散度项

相对涡度*水平散度

与当前的涡度情况和散度情况都有关
当前是气旋性涡度：
1. 水平辐散：使气旋性涡度减小
2. 水平辐合：使气旋性涡度增加
当前是反气旋性涡度：
1. 水平辐散：使反气旋性涡度减小
2. 水平辐合：使反气旋性涡度增加
注意在反气旋中用同样的方法分析时，因为反气旋本身涡度是负的，因此水平辐散时候数值增加，（如从-5到-2），虽然数字增加了，但反气旋涡度是减小的，对于反气旋数字越小则反气旋涡度越大

综上：相对涡度*水平散度项：辐散——都减弱，辐合——都加强

地转涡度*水平散度

北半球f>0,因此辐合——气旋性涡度产生；辐散——反气旋性涡度产生

涡度方程的简化

由尺度分析，得到
如果考虑大气是水平无辐散的，则又可以简化
水平无辐散的大气中绝对涡度守恒

三.位势倾向方程

倾向——就是局地变化
涡度方程的水平辐散项不容易从天气图的位势高度上直观判断，因此需要把他转换成易于判断形势发展的位势倾向方程
推导略

Laplace算子处理后正比于原来的相反数，因此为了定性讨论，可以简化为

1.相对涡度平流项

绝对涡度平流项为：相对涡度平流+地转涡度平流（短波而言相对涡度平流影响更大，这里只讨论相对涡度平流）

物理解释

槽前：西南风——正涡度平流——气旋性增加——逆时针运动增强——地转偏向力向外——导致高层辐散——空气上升冷却——高层负变高——地面气流上升——地面减压
脊前：东北风——负涡度平流——反气旋增加——顺时针运动增强——地转偏向力向里——高层辐合——空气下沉加热——高层正变高——气流下沉到地面导致加压
槽脊线上：涡度的梯度为0，涡度平流为0，因此没有正负变高
相对涡度平流项只能让槽脊系统移动，对强度没有改变

2.温度（厚度）平流项

第二项经过变换后等价于——温度平流随高度的变化

暖平流随高度减弱——正变高
冷平流随高度减弱——负变高
一般温度平流随高度升高都是减弱的，因此不讨论温度平流随高度增强的情况

物理解释

暖平流使气柱膨胀，气柱升高，高层正变高——高层辐散——地面减压
冷平流使气柱收缩，气柱降低，高层负变高——高层辐合——地面加压

出现冷暖平流的位置

槽上风向随高度逆转——冷平流
脊上风向随高度顺转——暖平流
温度平流主要作用于槽脊线上，使槽脊发展
温度平流项改变槽脊系统强度，不能使其移动

3.非绝热加热随高度变化项

变换后等价于

和冷暖平流随高度变化的物理意义相似

非绝热加热随高度减弱——下层加热强强——气柱升高——高层辐散——地面减压
非绝热加热随高度增强——上层加热强——向下膨胀——气柱降低——高层辐合——地面加压
因此当低压伴随强烈降水，潜热释放可以让上层持续辐散，低压更快地发展

4.综述

本人简化后用来定性判断的式子，更好记

正相对涡度平流，高层有负变高，地面减压
负相对涡度平流，高层有正变高，地面加压

冷平流，高层负变高，地面加压
暖平流，高层正变高，地面减压

非绝热加热随高度减弱，高空正变高，地面减压
非绝热加热随高度增强，高空负变高，地面加压
结合那几张图理解记忆！

相对涡度平流能使槽脊系统移动，不改变强度
温度平流能使槽脊系统发展，不能使其移动，冷平流加强槽，暖平流加强脊
当低压伴随强烈降水，潜热释放可以让上层持续辐散，低压更快地发展

四.ω方程

推导略

1.涡度平流随高度变化项

正/负涡度平流一般随高度都是增加的，则随p增大，高度降低，正/负涡度平流是减小的
涡度平流随高度增加（逆时针旋转程度增加），地转偏向力作用下辐散随高度增强，低层为了补偿，产生上升运动
负涡度平流随高度增加（顺时针旋转程度增加），地转偏向力作用下辐合随高度增强，低层为了补偿，产生下沉运动
槽前脊后有正涡度平流，涡度平流随高度增加——高层辐散——上升运动
槽后脊前有负涡度平流，涡度平流随高度减少（负涡度平流随高度增加）——高层辐合——下沉运动

2.温度平流的Laplace项

变换后等价于

冷平流有下沉运动
暖平流有上升运动
因此槽线上有冷平流——下沉
脊线上有暖平流——上升
物理意义还是这张图

3.非绝热加热的Laplace项

变换后等价于

非绝热加热区——上升运动
非绝热冷却区——下沉运动

4.综述

本人简化的用于定性判断的式子

正涡度平流使高层辐散，有上升运动
负涡度平流使高层辐合，有下沉运动

冷平流有下沉运动
暖平流有上升运动

非绝热加热上升
非绝热冷却下沉

五.温带气旋和反气旋

1.温带气旋的发展

动力因子（涡度因子）

槽前脊后：有西南风——正涡度平流输送——逆时针旋转加强——向外的地转偏向力——高空辐散——气流上升冷却——高空负变高——地面减压——地面气流辐合——地面气旋加深
槽后脊前：有东北风——负涡度平流输送——顺时针旋转加强——向内的地转偏向力——高空辐合——气流下沉加热——高空正变高——地面加压——地面气流辐散——地面反气旋加深

高空是流场改变导致气压场改变
地面是气压场改变导致流场改变
涡度因子（动力因子）使地面系统发展，使高空系统移动

热力因子

槽线上——冷平流输送——空气收缩下沉——高空等压面降低——气压梯度力作用下辐合——地面加压辐散
脊线上——暖平流输送——空气受热膨胀——高空等压面升高——气压梯度力作用下辐散——地面减压辐合

气旋中心处没有温度平流，温度平流对于地面系统的发展不起直接作用
气旋后部，反气旋前部（槽线处）加压；气旋前部，反气旋后部（脊线处）减压——使得地面系统移动
虽然热力因子不对地面系统强度大小有直接作用，但是可以使得高空槽脊系统发展，间接加强地面系统
热力因子使地面系统移动，使高空系统发展，间接使地面系统发展

非绝热加热因子

对于气旋如果有充足的水汽——凝结潜热释放——抵消一部分因为上升冷却的温度降低——气柱收缩减少——高层维持辐散——地面持续减压——地面上升运动增强

综述

动力因子使高空移动，地面发展
热力因子使高空发展，地面移动，间接使地面发展

2.温带气旋生命史

波动阶段

开始出现低压中心，比周围气压低2-3hpa， 移动较快，地面摩擦小
温度场落后于高度场
气旋位于高空槽前，前方为暖平流，后方为冷平流
热力因子使气旋移动
动力因子使气旋加强
气旋一边移动一边发展

成熟阶段

闭合等压线增多，比周围气压可以低10~20hpa，移动减速，地面摩擦加大
温压场配置和波动阶段类似，但温度场与高度场有所接近

锢囚阶段

摩擦影响已成为主要因子
暖空气被抬离地面，降水强度和范围加大，移速大大减慢，低压中心可以比周围低20hpa以上
等高线和等温线夹角已经减小，温度平流减小
气旋发展到最深阶段，移动缓慢，开始减弱
气旋底层被冷空气控制，高层的温度对比仍然明显

消亡阶段

温压场接近重合
地面气旋变为一个冷低压
由于摩擦辐合使气旋填塞而消亡

3.气旋再生

定义

再已衰亡的锋面气旋内如果有新的温度差异重新出现，锋面气旋又会重新发展起来，这个过程叫做气旋再生

副冷锋加入后再生

气旋后部偏北气流将高纬度地区的新鲜冷空气带入，使气旋重新活跃起来

气旋入海后增强

海上的摩擦力影响小，同时暖海上非绝热加热影响——入海后发展

两个锢囚气旋合并加强

一个气旋锢囚后，移速变慢，开始减弱；后面的气旋也开始锢囚，但移速较快追上第一个，两者合并，气旋就可再度发展

4.气旋族

定义

同一个锋系上同时出现几个不同发展阶段的气旋序列，成为气旋族（气旋手拉手）

六. 热低压

一种无锋面气旋

1.形成机制

地表受到太阳照射后增温不均——增温快的地方空气膨胀大——等压面向上突起——高空由于气压梯度力作用辐散——地面减压——地面在气压梯度力作用出现闭合的气旋性环流——热低压

2.活动规律

一般很少移动，尤其是地方性热低压，多在原地消失
四季均可出现，一般出现在我国西北，沙漠，盆地地区

3.深厚，浅薄系统

热低压：浅薄
热高压：深厚
冷低压：深厚
冷高压：浅薄

七.东亚气旋和反气旋

1.气旋

南方气旋

对应东亚南支锋区
范围：北纬25-35，东经70-140，我国江淮流域，东海，日本南部海面
以降水为主
种类：江淮气旋，东海气旋

北方气旋

对应东亚北支锋区
范围：北纬45-55，东经70-140，在黑龙江，吉林，内蒙交界产生最多
伴随大风，降温，降水量小
种类：蒙古气旋，东北气旋，黄河气旋，黄海气旋

路径和移速

锋面气旋移动方向腌对流层气流方向移动
日本以东或东南方向的洋面移动
我国东北地区
朝鲜，日本北部地带
平均30-40km/h,夏季慢冬季快，初生阶段快

2.反气旋

范围

从蒙古西部到我国河套地区呈西北——东南方向的狭长地带内反气旋出现聘书最高

路径和移速

3.蒙古气旋

四季均可出现，春秋季最多
形成分为三种

暖区新生类

锋面气旋三要素：低压，冷锋，暖锋

低压：西伯利亚发展很深的气旋其南段受到地形阻挡，在背风坡暖区形成低压
冷锋：西边冷空气越山后进入低压，形成冷锋
暖锋：在东移的高空槽前暖平流作用下，形成暖锋

冷锋进入倒槽类（不是特别理解）

低压：暖性倒槽向北发展形成低压
冷锋：西边冷空气越山后进入低压，形成冷锋
暖锋：在东移的高空槽前暖平流作用下，形成暖锋

副气旋族类（不是特别理解）

低压：两股冷空气的嵌形作用
冷锋：西边冷空气越山后进入低压，形成冷锋
暖锋：在东移的高空槽前暖平流作用下，形成暖锋

蒙古气旋天气

大风——沙尘暴，吹雪
降温——寒潮，霜冻，降雪
降水少

综述

有利的地形或暖的下垫面——出现低压
高空槽前暖平流——暖锋
冷锋越山——冷锋
三要素凑齐形成蒙古气旋

4.江淮气旋

静止锋波动生成气旋（经典气旋）

当江淮流域有近似东西向准静止锋，如果上空有短波槽从西部移来
低压：高空槽前正涡度平流的减压作用
暖锋：准静止锋东段转为暖锋
冷锋：准静止锋西段转为冷锋

倒槽锋生气旋（还不是很理解）

低压：西南倒槽发展东伸
暖锋：倒槽东部出现暖式风切变
冷锋：小槽东移，冷锋进入倒槽

经典气旋和倒槽锋生气旋的区别

经典气旋开始就存在明显的锋面，由于高空有扰动发展成气旋
倒槽锋生气旋起初没有明显锋面，但高空有明显的槽，由于冷锋进入倒槽，暖锋锋生，才有明显的锋区

经典气旋发生在冷高压南部
倒槽锋生气旋发生在倒槽中

经典气旋有明显的东，西风切变
倒槽锋生气旋有西南风，东南风切变

江淮气旋天气

强降水
夏季暴雨

八. 爆发性气旋

中高纬度地区气旋发展到24h气压降低24hpa以上，或12h气压降低12hpa以上的气旋可以称为爆发性气旋，天气变化激烈，辐合很强，可生成灾难性天气
爆发性气旋主要发生于冬春季，夏秋季极少
冬春季西风急流偏南，易受青藏高原阻挡使气流分支，在东亚沿岸或日本上空汇合，急流中心位于日本附近上空
绝大多数爆发性气旋形成于高空西风急流出口区左侧，少数形成于入口区右侧

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