大气环流、天气、天气系统-- 新疆气象手册（5）第1篇1章6-7节

6 大气环流

6．1 大气环流概述

大气在各种力的作用下产生了运动，大气环流是指大范围的大气运动状态。其水平范围达数千公里，垂直尺度在10km以上，时间尺度在1～2d以上。大气环流反映了大气运动的基本状态，并孕育和制约着较小规模的气流运动。它是各种不同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件。

大气运动状态千变万化。为了从这些随时间和空间不断变化的复杂环流状态中找出大气环流的主要规律，通常采用求平均的方法。对时间求平均，滤去所取时间内环流随时间的变化，显现出大气环流中比较稳定的特征；对空间求平均，滤去各经度间的环流差异，显现出各纬圈上环流的基本特征。

6．2 平均纬向环流

大气环流最基本的状态是盛行着以极地为中心的旋转的纬向环流，也就是东、西风带。

从平均纬向风速的经向剖面图（图略）可以看出：对流层中的中、上层，除赤道地区有东风外，各纬度几乎是一致的西风，而且西风跨越的纬度范围随着高度在扩大。这是对流层中、上层由低纬热高纬冷所决定的。

近地面的风带与气压带如图所示。

 近地面的风带与气压带图示（引自参考文献3，第108页）

6．3 平均经圈环流

这是指在南北向沿经圈的垂直剖面上，由风速的平均北、南分量和垂直分量构成的平均环流圈。其中，有著名的北半球经圈环流的三圈模式（见下图）：

北半球经圈环流的三圈模式

6．3．1 低纬环流圈

1735年，G.哈得莱第一次详细地描述了大气环流，指出热空气在赤道上升，而冷空气在极地下降。赤道的空气上升到大气层高处，远离大约30°纬度处冷却，在那里（副热带高压带）下沉并沿地表辐散，形成一个直接热力环流圈（正环流圈），又称哈得莱环流圈。

6．3．2 中纬环流圈

副热带高压带的下沉气流与副极地低压带的上升气流以及地面、高空风速的北、南分量形成间接热力环流圈（逆环流圈），因是W.费雷尔最先提出的，故又称费雷尔环流圈。

6．3．3 高纬环流圈

极地下沉气流与副极地低压带上升气流以及地面、高空风速的南、北分量形成又一个直接热力环流圈，又称极地环流圈，是三个环流圈中环流强度最弱的一个。

应该指出，经圈环流同纬圈环流相比要弱得多。经向环流圈都有季节性移动。在北半球，夏季北移，冬季南移。环流强度也有变化，冬季增强，夏季减弱。

6．4 大气环流的中短期变化

不同尺度的高空和低空天气系统的发生、发展和消亡过程引起大气环流的中短期（数天）变化，这种变化主要表现在西风带纬向环流和经向环流的相互转换上。纬向环流型即500hPa天气图上，环流比较平直，并在平直的西风带上多小槽、小脊，很少有大槽、大脊。经向环流型，西风带上发展出振幅较大的槽和脊，能引起强烈冷、暖空气活动。纬向型和经向型环流经常交替出现，其交替周期大约15～40d。这种交替演变规律一般用环流指数来表示。

环流指数分纬向环流指数和经向环流指数两种。纬向环流指数又称西风指数，表示平均地转风速中西风分量的一个指标；经向环流指数是用某一经度范围内，沿经圈上平均地转风速中南北分量表示经向环流的一个指标。事实上，西风指数的高低、振幅大小和演变特征，基本上能反映出环流形势的特征及其转换趋势。

6．5 急流

通常是指风速30 m/s以上的强风带，是大气环流中的一个重要特征。

北半球1月西风急流的平均位置和速度（引自参考文献3，第116页）

在高空天气图上观察到的急流带环绕地球自西向东弯曲延伸达几千公里，水平宽度约上千公里，垂直厚度达几公里到十几公里，一般从对流层伸到平流层。急流中心强度最大区称急流轴（见上图）。急流轴是准水平的，其南北两侧存在着强大的垂直风速切变（每公里5～10m/s）。一般情况下，急流中心风速可达50～80m/s，强急流中心风速达100～150m/s或更大。根据现有资料，位于东亚海洋上和日本上空的急流强度最大，冬季偶尔达150～180m/s，甚至达200m/s。在同一条急流轴上，风速分布并不均匀，有一个或几个强风中心。急流轴线在有的地方出现分支，有的地区出现汇合。

高空急流区大多与对流层水平温度梯度很大的锋区相对应，因而也和天气系统的发生、发展有着极为密切的关系。在对流层已经发现有以下几种急流：温带急流，又称极锋急流或北支急流；副热带急流，又称南支西风急流；热带东风急流。另外，在平流层还有极夜西风急流。在低空也有急流，称为“低空急流”，它出现在4km以下，风速一般大于12m/s，最大可达30m/s。有的低空急流对暴雨形成与发展有着十分重要的作用。

7 天气和天气系统

7．1 什么是天气

天气就是一定区域短时段内的大气运动产生的大气现象、大气状态及其变化（即短时段内大气圈状态和行为）的总称。如人们经常说的晴好天气、阴雨天气、天气很热、天气很冷、有利天气、灾害性天气等等。

7．2 天气系统分类  

 天气系统分类

上表是国际上天气系统多种分类方法中的一种。在美国分类中，又将中尺度系统分为：中—α系统（如飓风、锋面）；中—β系统（如龙卷、飑线）；中—γ系统（如雷暴单体）。

（引自参考文献1，第160页）

天气系统是主导和影响大气中天气变化及其分布的具有完整生命史和空间结构的运动系统。其运动形式大都呈涡旋状或波状。根据水平尺度的大小和生命史的长短，可以将天气系统进行分类。见上表。

7．3 超长波

它又称行星波，是水平尺度近于地球半径的大尺度运动。一般指在平流层等压面图或对流层中、上层月平均等压面图上沿纬圈波数为1～4的波动，其生命史为一周以上，波长在9000km以上。

超长波一般分为准定常超长波和移动性超长波两类。前者是由于大尺度地形和海陆分布纬向不均匀性产生的。例如北半球中、高纬度存在着欧亚大陆和美洲大陆，两块大陆之间为大西洋和太平洋，所以北半球容易产生两个大槽和两个大脊组成的准定常超长波。准定常超长波虽然在纬向上呈准静止状态，但它可在经向及垂直方向传播。移动性超长波是由于大气的斜压性（大气等压面上的等高线与等温线若是平行的，则大气具有正压性；若是相反的，则大气具有斜压性，交角越大，斜压性越强。）产生的。由于超长波的空间尺度和时间尺度都很大，所以它的演变与中、长期天气过程有着密切关系。

7．4 极地涡旋

它简称极涡。北半球冬季极地上空一般为大型冷性涡旋控制，但冷涡中心常常不是停留在极地上空，而是偏向东半球或西半球，这时沿纬圈只有一个波；有时极涡也可分裂为二，呈偶极型，一个在北美洲北部上空，另一个在西伯利亚上空。据统计，当极涡中心偏于西伯利亚上空时，东亚地区容易出现寒潮天气，气温比常年偏低。目前，表达极涡大小的极涡面积指数，已用来作为我国短期气候预测中一个常用的预测因子。

7．5 长波

大气的长波亦称为罗斯贝波。1939年罗斯贝（C.G.Rossby）对它提出了理论说明，故名。长波活动在对流层中上部和平流层下部。其长波波长一般为5000～7000km，相当于60～120个经距，全球经常出现3～6个长波，振幅一般为10～20个纬距。平均每天向东移动不到10个经度，有时准静止，甚至会向西倒退。

长波活动可分为长波稳定期和长波调整期。在长波稳定期，大气环流很少变动，天气过程（大气环流、天气系统、天气现象三者综合演变过程称天气过程）按一定形式发展，人们较易掌握；在长波调整期，长波系统（槽和脊）演变剧烈，相应地，天气过程的演变也十分剧烈。

长波调整主要表现在大规模气流发生变化，即经向环流与纬向环流的相互转化。调整的方式往往表现为两个方面：一是脊（槽）的发展（加强）、衰退（减弱）或者是东移、不连续后退，再者是前两者的综合。如欧洲脊东移衰退、乌拉尔山低槽入侵新疆；里海“长脊”（脊剧烈发展）中亚低槽东移入侵新疆；西西伯利亚脊不连续后退、极地（或超极地）冷空气南下等等；二是上游和下游效应，其中上游效应指的是上游某地区长波系统发生某种显著变化后，接着就逐步地影响到下游，最后使大范围内大气环流发生转变。上游效应影响速度比长波移速大得多（经验表明，大约是3倍以上），称为“群速”，是能量频散的一种表现。

还应该指出，在纬向环流形势下出现“短波”槽脊（波长较短、振幅较小）移速较快、生命史较短的波动。长波与短波是能够相互转化的。

7．6 副热带高压

这是介于热带和温带之间的高气压系统，简称“副高”。在北半球，它主要出现在太平洋、印度洋、大西洋和北非大陆等。它们是副热带地区最重要的大型天气系统。

副高的强度是随高度升高而增强的，高压中心位置随高度向暖区偏移，因而高压中心与高温中心并不完全重合，高压脊线也不垂直。到对流层的中、上层（500hPa以上），地表海陆热力差异的影响已大为减弱，高压中心与暖中心基本重合，高压脊线也大体垂直。副高的强度和范围随季节而有变化。夏季时北半球副高的强度、范围迅速增大，盛夏时增至最强，范围几乎占北半球的1/5～1/4；冬季时，北半球副高强度减弱，范围缩小，位置南移、东退。

副高区内的温度水平梯度一般都比较小，而高压边缘由于同周围系统相交绥，温度梯度明显增大，尤其是在北部和西北部更大，对应了副热带锋区。这种温度梯度分布特点造成了副高脊线附近气压梯度小、水平风速小，而南北两侧气压梯度增大、水平风速增大的现象。它们对应了副热带急流和夏季热带东风急流。

副高范围内，在600hPa以下盛行下沉气流，因而拌有逆温层，在副高东部逆温层较厚、较低。因此，副高内的天气以晴朗、少云、微风、炎热为主。而副高的北部和西北部边缘处于副热带急流、锋区附近，大气上升运动强烈，水汽比较丰富，多阴雨天气。北半球以西太平洋副高活动的影响最为显著，它是西进北上对降水影响很大；其次是伊朗副高北上，对新疆降水影响也很大。

副高强度、位置经常用500hPa图上588线（距海平面约5.88km）包围的范围（面积指数、位置等）和副高脊线的位置来进行描述。

7．7 南亚高压

20世纪50年代末期在分析夏季100 hPa高空等压面图（大约距地面16km）时发现有南亚高压的存在，其东西向的长轴可达半个地球，即180个经度，南北向的短轴可达40个纬度，中心位置在青藏高原上空，又称青藏高压，是夏季对流层上部全球最强大、最稳定和范围最大的高压。

南亚高压虽也位于副热带地区，但从结构、性质和形成过程与上述海洋上的副高有很大差异：它在500hPa以下是热低压，在500hPa以上的高空才表现为高压，而且随着高度的增高，高压强度越大，在150hPa附近最强，属暖性反气旋系统；南压高压中心有上升气流，这是与青藏高原的加热作用有关；经常出现强烈的对流活动，多积雨云云团，是中国夏季雷暴发生最多的地区。

南亚高压的强度和位置都存在明显的季节变化：从1月→7月→1月，强度从弱→最强→弱；位置是前半年逐步西进北上，7月高压中心移至伊朗高原上空的32°N、60°E附近，后半年则逐步东移南撤（见图）。

4～10月南亚高压中心位置动态图（圆圈内的数字代表月份；引自参考文献1，第163页）

南亚高压除了有上述季节性变动外，还有季节内的东西振荡。夏季南亚高压中心位于100°E以东时，称为东部型；中心位于100°E以西时，即为西部型。两种类型对应的我国大部分地区的天气恰好是相反的。当为西部型时，西太平洋副高脊不易伸向大陆；当为东部型时，西太平洋副高同时有一次西进北跳过程，俗称为“相反而行”。

7．8 阻塞高压

阻塞高压是温压场比较对称的深厚的暖性高压，主要表现在500hPa以上的高空天气图上。它具有闭合的高压中心，并位于50°N以北；维持的平均时间为5～7d，有时可达20d以上；沿纬圈的移动每天不超过7～8个经度，常呈准静止状态，有时甚至西退。

阻塞高压是在西风带长波槽脊的发展演变过程中，当长波脊不断北伸时，其脊与南方暖空气的联系被冷空气所切断，在脊的北部出现闭合环流，形成暖高压中心。因它具有阻挡上游波动向下游传递以及迫使西风气流分支、绕流的功能，所以称为阻塞高压，这种环流形势称为阻塞形势（见下图）。这是一个富有稳定特征的经向环流。它最常出现在大西洋、欧洲和阿拉斯加上空。在亚洲地区，阻塞高压经常出现在乌拉尔山及鄂霍次克海上空。

 阻塞形势 （实线：等高线；虚线：等温线；引自参考文献1第164页）

阻塞高压的维持时间长会使大范围地区的天气异常（持续低温或持续干旱或持续阴雨）。欧洲阻塞高压崩溃或乌拉尔阻塞高压建立会使新疆出现一次寒潮天气过程。夏季乌拉尔阻塞高压与鄂霍次克海阻塞高压的出现，则会形成或加强长江中下游地区的梅雨天气过程。

7．9 低涡

它是对流层中低层的冷性闭合低气压系统。它存在于两种环流背景下：一是阻塞形势，二是两支锋区型。前者由于西风带长波槽不断加深、南伸，直至槽南端冷空气被暖空气切断并与北方冷空气主体脱离而形成的闭合低压系统，因此也称之为切断低涡（压）。它常常和阻塞高压相伴生成，并位于阻塞高压的东南或西南侧。两支锋区型是环流形势处于极锋（北支）锋区和副热带（南支）锋区并存于500hPa图上，两支锋区之间有闭合低压或闭合高压或闭合低压与高压同在。

低涡是天气尺度的天气系统，有时范围较小，在500hPa图上，只有一条闭合等高线，甚至只有风场上的气旋式环流，但在700hPa图上比较明显。一般说来，低涡中有较强的辐合上升气流，特别是东部和东南部上升气流最强，可形成严重的云雨天气。低涡若随高空低槽或引导气流东移，并不断得到加强和发展（经常是低涡西部脊发展），则雨区扩大，降水增强，往往形成暴雨。

经验和实际计算都已表明，低涡若是比较深厚、低压场结构对称、范围又比较大（500hPa图上有等于甚至多于4根等高线），它的辐合上升气流并不强，降水很小甚至没有，人们称之为“干涡”。而里海长脊、中亚低涡东移将会造成新疆大范围的大降水天气和天山山区的暴雨常会引发山洪爆发。

7．10 雷暴

雷暴是由旺盛积雨云所引起的伴有闪电、雷鸣的局地强对流天气。因其一般伴有阵雨，所以常与雷阵雨通称；没有降水的闪电、雷鸣则称之为“干雷暴”。另外，把只伴有阵雨的雷暴称为“一般雷暴”。把伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷等严重灾害性天气现象的雷暴称为“强雷暴”。“一般雷暴”和“强雷暴”都是“对流旺盛的积雨云”（又称雷暴云）的产物，所以常将它们统称为：“对流性天气”或“对流性风暴”。

一次雷暴过程并不只是一块雷暴云，而往往是由几个或更多的处于不同发展阶段的雷暴单体所组成。这些雷暴单体虽然处于同一个雷暴云中，而每个单体都具有独立的云内环流构成一个小尺度天气系统，但都经历发展阶段（云中贯穿上升气流）、成熟阶段（云中出现降水以及降水拖曳的下沉气流）和消散阶段（云中为下沉气流），并处于不断新生和消失的新陈代谢过程中。

雷暴活动具有一定的地区性和季节性。据统计，低纬度雷暴出现次数多于中纬度，中纬度多于高纬度。另外雷暴一般是山区多于平原，内陆多于沿海。一年中雷暴出现最多的是夏季，春秋次之，冬季除暖湿地区外，极少出现。

雷暴移动受地理条件影响很大，在山区受山地阻挡，雷暴常沿山脉移动，如果山地不高，发展强盛的雷暴可越山而过。另外，一些较弱的雷暴，到了夜间可能增强。