天氣系統

天氣系統

天氣系統通常指引起天氣變化和分布的高壓、低壓和高壓脊低壓槽等具有典型特征的大氣運動系統。氣象衛星觀測資料表明,大大小小的天氣系統是相互交織、相互作用著、在大氣運動過程中演變著。

  • 中文名稱
    天氣系統
  • 對    應
    天氣變化和分布的高壓
  • 因    素
    溫度、氣壓或風等
  • 功    能
    相互作用著

特征尺度

各類天氣系統有一定的特征尺度。空間尺度主要以天氣系統的水準尺度的大小來衡量,水準尺度系指天氣系統的波長或擾動直徑;時間尺度以天氣系統的生命史的時間長短來衡量,生命史系指天氣系統由新生到消亡的生消過程。一般天氣系統的水準尺度越大,其時間尺度也越長。

20世紀40年代以前,地面觀測站平均距離約為200~300公裏,以此站距觀測所得的資料分析出來的高、低壓系統,稱為天氣系統,現在稱為天氣尺度天氣系統。40年代,發展了高空氣象觀測(平均站距約為500公裏),把從高空天氣圖上發現的、波長與地球半徑相當的波動,稱為行星尺度天氣系統。

50年代前後,在研究對流性災害天氣時,發現了許多水準範圍為一二百公裏、幾十公裏甚至幾公裏的高、低壓系統,統稱為中小尺度天氣系統。分析這類系統,必須建立稠密的觀測網,比如在美國有所謂的α、β和γ觀測網,站距分別約為50公裏、8公裏和2.5公裏。到了70年代,用300~400公裏格距進行數值天氣預報時,往往因這種格距太大而分析不出一些具有對流性天氣的系統,影響了預報效果。當格距縮小到100~200公裏時,即可分析出來,後來就稱這類尺度的系統為中間尺度天氣系統。

相關分類

大氣中各類天氣系統的特征尺度相差很大,有大至上萬公裏的,如超長波、副熱帶高壓,也有小至幾百米的,如龍卷。按特征尺度大致可分為五類,即:行星尺度天氣系統、天氣尺度天氣系統、中間尺度天氣系統、中尺度天氣系統和小尺度天氣系統。天氣系統的分類在國際上也不完全統一。

中尺度天氣系統

在美國分類術語中,將水準尺度由2000公裏到2 公裏的系統,統稱為中尺度天氣系統,其中又分三類:

200~2000公裏的稱中尺度α天氣系統,包括台風、鋒面等;20~200公裏的稱中尺度β天氣系統,包括龍卷、颮線等;2~20公裏的稱中尺度γ天氣系統,包括雷暴單體等。

降雨等值線降雨等值線

中間尺度天氣系統

而在日本則將2000公裏到200公裏範圍內的系統,稱為中間尺度天氣系統,將200公裏到1公裏範圍的系統,稱為中尺度天氣系統。

大尺度天氣系統

此外,也有將行星尺度天氣系統和天氣尺度天氣系統統稱為大尺度天氣系統。

次天氣尺度天氣系統

把凡比天氣尺度小的天氣系統,包括中間尺度、中尺度和小尺度天氣系統,統稱為次天氣尺度天氣系統;也有人隻把比天氣尺度系統小一些的系統(即專指中間尺度天氣系統),稱為次天氣尺度天氣系統。

更客觀、更統一的天氣系統分類尚得進一步研究。

按波數劃分

在高空天氣圖上,也有按整個緯圈的波數來劃分天氣系統的,通常把波數為1~3的波動稱為超長波,波數為4~8的波動稱為長波,它們都屬于行星尺度天氣系統,波數大于8的波動稱為短波,相當于天氣尺度天氣系統或更小尺度的天氣系統。

尺度效應

各類天氣系統的空間尺度(水準的和鉛直的)和時間尺度,以及特征的水準風速,都是根據實際觀測確定的。但有些量目前還無法直接觀測,隻能按大氣動力方程進行計算。在進行數值計算時,要選擇適當的空間格距,其大小由系統的特征尺度決定,這就是所謂的尺度效應。比如天氣系統的特征鉛直運動速度,可以根據連續方程由水準尺度和特征水準風速推算出來。各類天氣系統的鉛直運動速度有一定的特征數值,如行星尺度天氣系統為10-1釐米/秒,天氣尺度天氣系統為10°釐米/秒,小尺度天氣系統的鉛直速度約為天氣尺度天氣系統100倍,即102釐米/秒。

天氣系統的尺度效應天氣系統的尺度效應

自40年代末期出現尺度分析方法以後,人們常常將完全的運動方程,按照各類天氣系統的特征尺度進行簡化,研究各類系統大氣運動的規律以及系統的移動。如研究天氣尺度天氣系統可以套用準地轉平衡近似和靜力學關系,而中小尺度天氣系統則不滿足地轉平衡和靜力平衡。

演化消亡

天氣系統總是處在不斷地新生、發展和消亡之中。各種天氣系統有不同的生消條件和能量來源。即使特征尺度同屬一類的系統,其生消條件和能量來源也有所不同。比如溫帶氣旋的發展條件,主要由其上空渦度平流所引起的空氣輻散的強弱決定,其能量來源于大氣的斜壓性所儲存的有效勢能。台風的發生和維持是由于熱帶擾動的潛熱釋放,而潛熱的釋放同熱帶大氣的位勢不穩定和對流不穩定有關,其能量主要來源于海洋供給的水汽,在凝結過程中釋放的潛熱。強對流性的中小尺度天氣系統,主要是由于位勢不穩定空氣受到急劇抬升而發展起來的,其能量也是來源于潛熱釋放。再者,天氣系統往往不是閉合的,一個系統的空氣經常不停地與周圍系統的空氣發生交換,隨著這種交換,系統與系統之間的動量、能量等進行交換,從而引起系統的生消以及系統之間的相互作用。一般來說,大的天氣系統製約並孕育著小的天氣系統的發生和發展,小的天氣系統產生後又能對大的天氣系統的維持和加強起反饋作用。研究天氣系統生消的條件和能量來源,以及研究系統之間的相互作用是天氣學的主要任務之一。天氣系統與大氣環流之間,不僅在流型上有關聯,而且存在著內在的聯系。如大尺度天氣系統的活動,通過熱量、動量的南北輸送以及能量的轉換,對于大氣環流的維持起著重要作用。而大氣環流的熱力狀況和基本風系的特點,如西風氣流的水準變化和垂直變化等,又反過來製約著大尺度天氣系統,直接影響著大尺度天氣系統的發展。天氣系統組合的演變,如緯向環流的恢復,波動群速的傳播,以及行星尺度天氣系統的發展等,可以導致相當廣泛地區甚至全球範圍大氣環流的變化。大氣環流的變化又是造成大範圍長時期天氣變化的條件和機製。從事短期天氣預報,可以主要考慮單一的天氣系統的變化,而從事中期、長期天氣預報則需要研究天氣系統組合的演變規律,需要研究超長波以至整個大氣環流的演變規律。

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