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楼主: 格物致知

[版内资源] 温带气旋简介——1 温带气旋的基本概念

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 楼主| 发表于 2014-8-25 11:41 | 显示全部楼层
暖隔离气旋(warm seclusion)

介绍之前首先简单介绍一下经典的挪威气旋模型。
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自高空探测出现后,人们对气旋的三维结构和演变有了更深入的认识。在气象卫星发射以后,人们又通过卫星云图发现了许多经典气旋模式不能解释的事实。人们对温带气旋的发展,从不同的角度进行了研究。在动力学上人们从波动的角度出发,把气旋发展看成是斜压气流不稳定发展的产物;在天气学上人们往往从涡度变化出发,用流场中涡度的生成来说明气旋的发展。近年来人们还从位涡的观点来讨论气旋的发生发展问题。当然现代的观念没有放弃挪威学派的气旋模式,而是通过总结新的观测事实来丰富和发展气旋概念模式。人们认识到许多气旋的发生发展不是锋面上不稳定的产物,提出了类型不同的气旋发生发展机制,如Petterssen曾根据气旋发生发展的环流和天气形势,将气旋的发生发展分为A类和B类。

Maystormvapor.gif

一个nor\'easter的发展,气旋一度发展出飓风风力,之后隔离暖心形成,在气旋锋消之后,暖隔离在湾流的影响下发展加强,逐渐转化为一个副热带气旋




初始小扰动一旦发生,暖空气稍稍上升到冷空气上面,波峰附近的气压就开始下降。在初始扰动发生以后,气压分布有利于在波峰附近形成一个气旋环流。这种环流的一个重要特点,是在波峰后面有一个从冷空气吹向暖空气的分量,而在波峰前面有一个从暖空气吹向冷空气的分量。冷锋向前行进和暖锋向东撤退,使整个锋面波大致沿着摩擦层以上的暖区气流方向前进。随着初始扰动的振幅逐渐增大,同时气旋中心的气压不断降低,周围的环流增强。而且可以看到冷锋一般比暖锋移动得更快。最后冷锋追上暖锋,暖空气完全从地面抬升到高空。这种过程称为“锢囚”,所形成的锋称为锢囚锋。在锢囚锋的两边,冷气团性质可以有所不同。气旋发展到下一个阶段时,冷锋追上暖锋的地方(即锢囚锋)离气旋中心越来越远,锢囚的范围扩大,气旋的范围也变大,并转变成对流层下部的一个大冷涡,但暖空气仍然在其上空。最后气旋大体上成为一个正压涡旋,这时它丧失了锋的特性,并且由于摩擦作用,气旋逐渐消散,整个过程完结。

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高空急流可以增加高空辐散,从而增加地面辐合的强度,有利于地面气旋的形成


这个概念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减小范围,并被入侵的冷空气所替代。在气旋中心附近,整个大气的中心是降低了,所以位能减小,但同时气旋系统的动能却增加了。 J.Bjerknes和Solberg认为这种能量转换作用适合于气旋发生的过程。他们说,只有存在一定的气团温度对比(锋面)的条件下,气旋的动能才能增加,在气旋变成完全锢囚的最后阶段,气旋不再发展,这被认为是由于气旋中心附近气团温度对比已经减弱,没有了有效位能的缘故。在这个阶段所有的暖空气都已经被抬升上去了,冷空气下沉并在低层扩展到气旋所占的整个区域。由于我们不能把气旋完全作为一个动力学和热力学的闭合系统,所以气旋发展中的能量过程实际要复杂得多。事实上很多海洋上空的气旋能发展出暖中心结构,这与挪威模型不符。于是有了
夏皮罗-凯泽模型(
Shapiro-Keyser model)的的出现。
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两种模型的区别,挪威模型的最终导致气旋发展出锢囚锋冷心结构仅仅有微弱的地面暖舌进入中心,。而
夏皮罗-凯泽模型中,冷气团不进入气旋中心,锢囚锋不发育,并在气旋中心产生一个暖心。由于气旋中心的暖心主要是被冷空气隔离产生的,因此又叫做暖隔离结构
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 楼主| 发表于 2014-8-31 21:05 | 显示全部楼层
暖隔离2



Warm seclusion 是按照Shapiro-Keyser模型发育完好的强气旋的成熟形态,最早在80年代被发现。其特征包括:中心附近的类眼结构,炸弹低压一样的降压速度,暖锋锋面后飓风级大风,中心附近旺盛的对流,以及相当可观的降水。气旋相研究发现这类气旋具有暖心结构和系统性锋面结构-----这些和大多数温带气旋是不一样的。在广义上暖隔离泛指一类具有内暖外冷结构的气旋,包括转化过的热带气旋,发展出这个结构的中纬度海洋气旋和极地低压。
暖隔离和普通的暖心结构是有区别的。比较弱的暖隔离表现在在气旋整体冷性的环流中有一个一部分不温暖湿润的气团占据。部分时候中心会出现来自于平流层的下沉空气,由于下沉增温。温度会明显的增高。

wrf_uv850_large_0.jpg
图片为198.9年大西洋1月的一个暖隔离气旋,气压达到928hpa大约相当于C4---C5的气压水平。图像为850hpa层面的风场,大约离地面一英里处,可以清晰的看见类眼结构的发展。
fetch.php.png

夏皮罗-凯泽模型(
Shapiro-Keyser model)
1 斜压区域的扰动
2 气旋的加深,锋面的发展(暖平流加强。平流层空气开始入侵)
3 冷锋断裂,暖锋开始向气旋后部延伸(逐渐形成环绕一圈的结构)
4 暖隔离正式形成



下面是一个暖隔离的实际例子,2013年圣诞节前后发生在北大西洋的暖隔离风暴,气压为926hpa。也是少数在500hpa层面上依旧有暖心的暖隔离气旋。


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在500一个低涡在远离高空冷心的地方发展。

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第二天英国附近的高空低涡,等温线向极地突起,也就是不再属于高空冷涡的范畴。而是呈现比周围要暖的情况。


预报图

英国met office的分析图(巅峰状态)
等压线上环流几乎占据1/3的北大西洋和处东欧和南欧东部以外的欧洲多数地区。

暖隔离形成的原因
1.暖空气被冷空气孤立在中心而不是冷空气。
2.海面上的气旋被下垫面和水汽潜热暖化。(类似CISK机制)
3.部分温带气旋会迅速北上,而原来位于中心气团来自中低纬度,在很高的纬度上会比周围气体温度要高也能形成暖隔离结构。
4.强气旋类眼结构来自于平流层的气流增温下沉。
5.强气旋在发展过程中,暖平流不断增强,冲断冷锋,进入中心。
实际情况下以上原因不一定都存在,但是对于某一个气旋的暖隔离形成往往不止一种原因。




一个转化TC的暖隔离发展过程
201404L Cristobal
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对于暖隔离而言,一般温带气旋典型的斜压能释放约占气压总能量供给70--90%,而暖心热通量大约有10--30%。暖隔离结构的完全形成和一般的锢囚阶段接近---都是气旋由盛转衰的阶段。
由于暖心往往需要很高的强度维持,而隔离的形成表明斜压能释放基本完全。暖隔离的暖心又不足以供给足够的能量。气旋往往会在暖隔离形成一段时间后开始减弱,同时暖心逐渐冷却。暖心消失有切断了热能供给,最终气旋转化为一般的锢囚气旋并进一步减弱。

out.pdf

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 楼主| 发表于 2014-9-1 20:18 | 显示全部楼层
暖隔离3

由于下垫面的潜热释放对于这类气旋的发生发展极为重要,因此这类气旋多发生在海洋上。北半球的Warm seclusion 多发生在冬半年的西北太平洋和大西洋上空,而南半球一年四季皆有观测。
在各个洋区(除了北印度洋)tc的变性都有可能导致Warm seclusion的发生。如 ,2013年的台风韦帕,2012的北大西洋飓风sandy,2005年的北大西洋飓风Maria ,2014年南半球热带气旋Ita。
由于斜压能和潜热释放的共同作用,这类气旋降压速度很快。
值得注意的是北太平洋是暖隔离发生频率最高的地区,平均一年有30个比较强的暖隔离方式而北大西洋只有16个。
非热带系统转化的暖隔离在初始阶段往往是冷心,暖心是随着气旋加深出现的。

360截图20141006190820227.jpg

下面2012年飓风sandy的一些资料图片,尽管sandy在29日2100UTC之前依旧被归为热带气旋,但是他在之前几日就拥有一些暖隔离气旋的性质。包括西侧的准静止锋面,北侧的暖锋,断裂的冷锋以,巨大的风场以及暖锋附近的第二强风区。但是中心依旧有很强的深暖心和深度对流。sandy是少数具有暖隔离结构的热带气旋,性质之特殊把他单独列一类都不过分。
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HPC的预报图,图中的sandy已经转化为温带气旋,但中心依旧没有锋面。

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EC预报中混合型结构



Hurricane-Sandy.jpg
即将完全转化的sandy,可以看见断裂的冷锋
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sandy的暖心分析

这类气旋对于经典的气旋分类干扰很大,即热带气旋是是系统性暖心气旋,温带气旋是非系统性冷心气旋。之前尽管有同样暖心结构的极地低压但是因为其尺度很小,往往会被归为中尺度涡旋。
如果部分人不相信,下面有一个图片10个气旋,5个热带气旋,5个温带气旋,你能轻松的把它找出来吗?(注意没有sandy)
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另外一些气另外一些暖隔离的介绍

95003.pdf

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 楼主| 发表于 2014-9-1 20:32 | 显示全部楼层
气团的形成与分类
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全世界主要气团的起源地域

气团是各个气象要素(主要是温度和露点)水平分布比较均匀的大范围空气团。同一气团内部,各个气象要素和物理因素基本相同,也往往有相同的天气现象。气团的尺度很大,直径可以达到几千公里。厚度几公里到十几公里,可以到达对流层顶部。
Airmassesorigin.png
影响北美的气团以及其交接面(锋面)

  尽管大气最终的能量来源是太阳,但是大气能吸收的太阳辐射却很少。而太阳辐射的大部分被地面吸收,而地面又将能量以红外线为主的短波辐射散发到大气中。由于温室气体水蒸气和二氧化碳的存在大气对于短波辐射有很强的的吸收能力。以至于大气能量的85%以上都来自于地面辐射。加上地面也是大气中水蒸气的来源。因此地面的温度与湿度对大气有着很大影响,大气的热量主要来自地球表面,空气中的水汽也来自地球表面水分的蒸发,所以下垫面是空气最直接的热源,也是最重要的湿源。气团形成的条件首先需要有大范围的性质比较均匀的下垫面,广阔的海洋、冰雪覆盖的大陆、一望无际的沙漠等,都可作为形成气团的源地。此外,气团形成还应具备适当的流场条件,使大范围的空气能在源地上空停留较长的时间或缓慢移动,通过大气中各种尺度的湍流、对流、辐射、蒸发和凝结及大范围的垂直运动等物理过程与地球表面进行水汽与热量交换,从而获得与下垫面相应的比较均匀的温、湿特性。当一团空气长期滞留在某个具有一定下垫面的地区时,气体往往会具有下垫面所赐予的温度与湿度特性。于是气团就生成了。
同理。当气团离开原来地区时,由于下垫面性质的改变,气团的温度和露点会逐渐和新的下垫面一致。到最后新性质的原有的性质,原来的气团变成另外一种气团,这叫做气团的变性。




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世界主要的气团分类与符号,其中赤道气团又可以表示为Em,表示其也是海洋气团的一种。


根据气团形成源地的地理位置,对气团进行分类,称为气团的地理分类。在地理分类中,按源地的温度性质,将气团分成冰洋气团(北极气团和南极气团)、极地气团、热带气团、赤道气团四大类*(注意极地气团并不是发源于极地的气团,冰洋气团才是真正的“极地气团”);按源地的湿度性质,又将气团分为海洋性气团和大陆性气团两种。这样,综合温度和湿度特性,全球大致可分为八种气团。
1)北极大陆气团(Continental Arctic Air Mass,简写为cA):形成于冰雪覆盖的北冰洋以及格林兰岛以及冬季的西伯利亚北部。特点是温度低、低层具有强逆温层,气层相当稳定,湿度小,低层常有强逆温层。冬季入侵大陆时,带来严寒和暴风雪天气。
2)南极大陆气团(Continental Antarctic Air Mass,简写为cAA):形成于冰雪覆盖的南极大陆。其特点同北极大陆气团。
3)冰洋海洋气团(Maritime Arctic Air Mass,简写为mA):形成于未被冰雪覆盖的北冰洋地区。特点和cA基本一样,但是底层含水稍多,可能会出现一些不稳定的天气。当气团进入更暖海水上时会变得更不稳定,比如形成极地低压等系统。
4)极地大陆气团(Continenta Polar Air Mass,简写为cP):形成于中高纬度的大陆上,如西伯利亚、蒙古、加拿大一带,全年都很活跃。冬季,在北半球由于太阳辐射弱,冷却强烈,地面常为冰雪覆盖,气团内气温低,水汽含量少,天气晴朗,低层非常稳定,通常有一个显著的逆温层,夜间和清晨可出现辐射雾,能见度较差。夏季,由于大陆增暖,低层的气温和湿度都显著上升,逆温层消失,气团的稳定度变小,并经常出现多云的天气。若与北上的热带海洋性气团碰撞就会发生强对流天气。影响我国的极地大陆气团主要来源于西伯利亚和蒙古一带,我们常称它为西伯利亚气团。实际上,到达我国的极地大陆气团,由于受沿途下垫面的影响,己发生变性,温度有所升高,湿度也有所增大,故称作变性极地大陆气团。冬季这种气团活动范围很广,时影响到我国大部分地区。夏季变性极地大陆气团主要影响我国华北及西北地区,有时也可到达江淮流域,是形成初夏江淮流域和盛夏北方地区大范围降水的重要动力因素。
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冬季极地大陆气团通过温暖水域时会形成冷流云,有时还会发生冷流雪,像日本海南岸地区冬季降水可以到达100mm以上,很大一部分来自于冷流雪。


5)极地海洋气团(Maritime Polar Air Mass,简写为mP):形成于南半球中纬度海洋和北太平洋、北大西洋。北半球的极地海洋气团多数由极地大陆气团移至海洋上变性而成。冬季因洋面温度高于大陆,气团低层温度升高,湿度增大,气层不稳定,易形成对流云,有时产生降水;夏季与极地大陆气团性质差不多。在我国,冬季变性于日本海、黄海、东海的极地海洋气团,可以影响长江中、下游一带,遇到地形作用或锋面上升运动时,都会产生阵水。这也是我国冬季重要的降水来源,冷高压入海后回流。
6)热带大陆气团(Continental Tropical Air Mass,简写为cT):主要源于副热带沙漠地区,如中亚、西南亚、北非撤哈拉沙漠等地。热带大陆气团热而干燥,地面气温可达35-40℃以上,温度垂直递减率很大,气层不稳定,天气晴朗少云。当这种气团侵入时,经常出现干燥炎热的天气,有时产生干热风和严重干旱。在我国盛夏,热带大陆气团可影响到西部高原地区,有时也可影响到华北。
7)热带海洋气团(Maritim Tropical Air Mass,简写为mT):形成于副热带高压控制的海洋上。特征是温度高,湿度大,低层不稳定,由于高压中部盛行下层气流,中层存在下沉逆温,阻碍了对流的发展,天气以晴为主。逆温层以上比较干燥,所以虽然低层暖湿而不稳定,但天气比较好。当它离开源地并遇有抬升作用时,逆温层被破坏,就会出现不稳定的天气,如果有锋面存在降水强度将更大。
8)赤道海洋气团(Maritime Equatoria Air Mass,简写为mE):形成于赤道附近的洋面,具有高温高湿的特征,气层很不稳定,多雷暴和阵性降水天气。夏季赤道气团经常给我国华南和华东一带地区带来潮湿而闷热的雷暴天气,并能为我国北方的降水输送潮湿空气,对我国夏季降水有重要贡献。
在某些分类把南亚和东亚的夏季风气团单独分类称之为monsoon(M)。此外,来自于高层大气的极为干燥和温暖的气团符号是S.

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我国夏季的主要气团

值得注意的是,大多数气团产生于特定高压控制下的地区,并随反气旋的环流扩散。比如冰洋气团诞生于极地的冷高压,极地大陆气团诞生于中纬度的冷高压,极地海洋气团产生于海洋上的冷高压。热带海洋气团来自海面的副高,热带大陆气团来自陆地上的副高或者暖性高压。而赤道气团来自于赤道缓冲带/赤道反气旋。锋面气旋因为混合不同气团不能产生新的气团。热带气旋也不能产生新的气团。
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北半球冬季主要气团的分布

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北美洲冬季气团分布

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气团变性的一个重要例子,极地大陆气团转化为极地海洋气团
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 楼主| 发表于 2014-9-5 20:01 | 显示全部楼层
这楼先预留着吧。。
以后可以补充一些什么别的内容之类的
比如再发现什么东西的实例之类的




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 楼主| 发表于 2014-10-6 20:51 | 显示全部楼层
基本完成
累死了
剩下的就是修改了
欢迎大家指正
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热带低压

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发表于 2014-10-7 23:16 | 显示全部楼层
不怎么了解极地涡旋,楼主有空的话也能科普下么
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 楼主| 发表于 2014-10-9 16:26 | 显示全部楼层
不怎么了解极地涡旋,楼主有空的话也能科普下么
这样的我打算写3--4篇,这是第一篇,估计要到第3篇才会写到极地涡旋
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超强台风

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17010
发表于 2014-10-13 14:32 | 显示全部楼层
大致看完了......樓主不簡單啊,是這方面的研究人員嗎?

文筆圖片應用說明得很清楚呢


不過像是旋生的部分我覺得有一些些還可以再補充,就是關於旋生過程中平流層扮演的腳色,也就是您文中提到關於位渦的觀點,我有些資料你可以參考看看~

該理論認為海洋上的爆發性旋生過程與平流層下陷的過程有關,此下陷導致高位渦值的空氣進入擾動區,
使其渦度迅速加大,引起快速旋生


詳細文章參考兩份附件


同時看完您的寫作順序,產生出一個想法是:

把鋒生鋒消過程之垂直次環流類型及地轉調節趨勢以及熱力風平衡概念連結起來,進而說明斜壓能量的釋放過程以及中高緯度與低緯度天氣系統產生之難易度,再將此能量釋放過程以準地轉理論與西風槽脊連結起來,完整說明斜壓不穩定過程,最後將此過程導入大氣環流中的角動量輸送,說明西風波的發展與大氣角動量輸送之間的關係,順帶引出三胞環流理論


不知您有無打算以此方式寫作,我個人是認為以小到大尺度能量傳遞轉換解釋的過程的方式寫作具有連貫性同時也可以點明各系統過程背後的成因,只是可能會很累很累.....隨口說說僅供參考XD

一點意見啦,感覺是大工程,期待完成的那天^^

92note11.pdf (237 KB, 下载次数: 0)
(@゜▽゜@)ノ~~Mahoshojo=まほ しょうじょ=魔法少女 滴說
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 楼主| 发表于 2014-10-13 17:00 | 显示全部楼层
大致看完了......樓主不簡單啊,是這方面的研究人員嗎?

文筆圖片應用說明得很清楚呢。

不過像是旋生的部分我覺得有一些些還可以再補充,就是關於旋生過程中平流層扮演的腳色,也就是您文中提到關於位渦的觀點,我有些資料你可以參考看看...
谢谢指点
其实我只是非气象专业的本科生,只是爱好气象,加上个人喜欢自学一些新鲜的东西
没想到魔法少女这么喜欢= =
我回去会好好考虑对目录顺序的修改的
不过我还是打算从锋面和中尺度对流体开始介绍一些
论坛很多人对温带系统和环流不够了解
这篇文章还是要兼顾一些科普的内容
其实我最初写这篇的目的只是活跃一下这个版块的人气--
如果一开始就提到动力和能量估计大部分人接受不了
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