发布时间 : 星期日 文章气象与气候学作业习题（作业与思考题分十章）更新完毕开始阅读668eb3320b4c2e3f57276390
（5） 涡度与散度
定义涡度为速度的旋度，即??v，它表示旋转的程度。因为大尺度大气运动中垂直涡度远大于水平分量，所以主要考虑垂直分量?，
? ???v?u， ??x?y规定反时针旋转，即气旋式旋转对应?为正；顺时针旋转，即反气旋式旋转，对应?为负。 辐散、辐合用一个物理量来度量，从而引入散度的概念。散度大于零代表辐散流场，散度小于零代表辐合流场。大尺度大气运动中常考虑的是水平二维散度，即
??u?v ?h?V??。
?x?y（6） 高空急流与低空急流
高空急流是一个强而窄的气流，它集中在对流层上部的对流层顶附近或平流层中，其中心轴向是准水平的，它以强大的水平风切变和垂直风切变为特征，有一个或多个相对风速极大值。在正常情况下，急流长几千公里，宽几百公里，厚几公里，风速垂直切变一般约为每公里5－10m/s, 水平切变一般约为每百公里5m/s。沿着高空急流轴的方向，如果风速小于30m/s，将不再称之为急流，而被认为是急流的中断现象。
把600百帕以下出现的强而窄的气流称为低空急流。低空急流常常与暴雨、飑线、龙卷、雷暴等剧烈天气有密切关系，是热量和水汽输送的载体。这种急流是局部的现象，而且中心风速值一般也达不到急流定义的要求，我国南方把850百帕上风速大于16 m/s称为低空急流，它们一般是低空副高西北边缘的强西南风带。
（7） 锋生与锋消
锋生是指密度不连续性形成的一种过程，或是指已有的一条锋面，其温度（或位温）水平梯度加大的过程；锋消是指作用相反的过程。在实际工作中更多地分析锋在地面图上表现的清晰程度和锋附近天气现象、要素场（低槽、气旋性切变、变压差、露点差、气温差、云和降水）特征的变化。当这些特征表现得比前时刻更明显，锋面附近天气现象也加强时，就称为锋生，反之则称为锋消。
（8） 阻塞高压与截断低压
西风带长波脊在发展加强时，往往表现为向北伸展，并在脊中出现闭合等高线，形成暖高中心。阻塞高压就是这样的暖高压，阻塞高压需要符合的条件是：要有闭合暖高压中心存在，且处于较高纬度（北纬50o以北），表现南来强盛暖空气被孤立于北方高空；暖高压至少要维持3天以上，在它维持时间内一般呈准静止状态，甚至可以向西倒退；在阻塞高压区域内，西风急流主流显著减弱，同时急流自高压西侧分为南北两支，绕过高压后再会合起来，其分支点与会合点间的范围一般要大于40－50个经度。
切断低压，又叫冷涡，是指对流层中、上层出现的一堆孤立的冷空气，气压场上表现为低压，与北方冷空气之间被暖空气切断，南北方的冷空气只在低层连接起来。切断低压是发生、发展在高空的低压系统，一般在700百帕以上才有明显表现，300百帕上最清楚。在切断低压东南侧地面上可发生锋面气旋波动，云雨天气区多出现在切断低压的东南方。
（9） 锋面与飑线
锋面是一个具有三维空间结构的天气系统。在水平面上，锋面呈现为一个狭长带，但有一定的宽度，其宽度随着高度的增加而增加。对于大气锋面，其水平尺度一般为1000-2000公里。锋面是冷、暖，或干、湿两种不同性质气团之间的过渡带。
飑线是由多个对流单体的不断生消连在一起，组成的一条狭窄带状，对应着地面上有一条风向急转带，在这条带上天气现象类似孤立的局部雷雨，不过严重得多，有时伴随冰雹。
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飑线是单一气团内出现的现象，水平范围很小，长度从几公里到几百公里，宽度由不到１公里到几公里。垂直范围一般也只到３公里的高度。在飑线后部有雷雨高压。
飑线带来的天气现象比冷锋要激烈得多，冷锋过境时引起一般大风，而飑线过境时有极强烈大风，冰雹; 由于在同一气团中，降温后又会回复到原来的温度。飑线过程时间短，不超过一天; 飑线移速往往大于冷锋，有的可以比冷锋快２~３倍。
（10） Hadely环流与Walker环流
Hadely环流是经向环流。热力驱动的赤道上升运动到达高层后，其向极运动受到地转偏向力的作用，使北半球运动的空气向右偏转，到某一个特定纬度（在30度附近）即转变为西风气流，并在那里堆积起来，使地面气压升高，这就是副热带高压的位置。这个高压带是空气动力下沉造成的，因此是干暖高压。副高南侧低层出现东北信风，气流回流到赤道附近。由此可见，地球大气的运动，不仅仅受极－赤热力强迫，还受到地球自转的作用。由此，热力驱动的Hadley环流达不到极地，而只是到达副热带地区。
Walker环流是纬向环流。热带地区洋盆尺度的海温梯度分布与赤道大气垂直剖面内的环流有着内在的联系。沿赤道剖面内，最强的上升运动位于赤道东印度洋和赤道西太平洋暖水地区，另外两个上升运动区位于赤道南美和赤道非洲。赤道西太平洋暖水区气流上升，赤道东太平洋冷水区气流下沉，太平洋上层为西风，低层为东风，构成了所谓的Walker环流。
问答题
（1）热带气旋（台风）与中纬度西风带中气旋的形成机制有什么不同？ 热带气旋是形成在热带或副热带洋面上的，具有有组织的对流和确定的气旋性地面风环流的非锋面存在的天气尺度系统。热带气旋形成可通过第二类条件不稳定（CISK）理论给予解释，与中纬度气旋形成的机制不同。CISK理论描述的是这样的一个过程：一个弱的热带低压扰动，通过边界层的摩擦作用，造成热带潮湿空气的大量辐合流入和抬升（即Ekman抽吸），形成积云对流。积云释放的潜热，使低压中心上空大气的温度升高，高层等压面抬高形成辐散流出，结果使地面气压降低，出现指向地面低压中心的更大流入。由于绝对角动量守恒关系，切向风速增大，低层的气旋性环流增强。结果导致低层的辐合上升运动加强，积云对流发展更旺盛，凝结潜热释放更多，加热更大，地面气压更低，······如此循环，造成积云对流对低层环流间的正反馈，使得低压扰动不断发展。在积云对流和热带低压的相互作用过程中，边界层摩擦不只是耗散能量的因子，而且通过Ekman抽吸和积云对流成为能量的制造者。
中纬度西风带上气旋的形成有多个不同的模式（模型），但概括起来有下列基本的特征和过程。一是要先有斜压锋区的存在或者锋生过程的存在，这样才有大气中斜压有效位能的存在；二是锋区上出现扰动，即出现冷锋和暖锋，气旋波动就发展起来了；温度槽脊落后高度槽脊，斜压有效位能不断转变为扰动动能，气旋加强。气旋的消亡过程也就是斜压有效位能释放的结束，等温线与等高线重合。
可见，热带气旋（台风）与中纬度西风带中气旋的形成，同为低压系统，但在能量来源上完全不同。
（2） 台风在副高南侧、副高北侧和副高脊线的位置受哪些力的作用？移向怎样？
下图中圆圈表示一简化的台风气旋式旋转流场。设圆周上各点的切向风速（V?）大小相等，则在B点和D点，由于所在的纬度相同，产生的地转偏向力必大小相等而方向相反，对整个台风来说，这两个力恰好互相抵销，对台风的移动不起作用。而在A点和C点，由于A点所在处的纬度高于C点，所以A点的地转偏向力比C点大，对于整个台风来说，就要受到一个向北的力。用同样的方法可以说明，台风辐合气流将产生一个向西的力。因此，台风内部流场产生的内力方向指向西北。
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在台风强度变化不大和移动时加速度不大的情况下，台风的移动，就由大型气压场的水平气压梯度力（A）、地转偏向力（C）和内力（N）所决定，这时可近似地认为三个力处于平衡状态，即
A＋C＋N＝0 下图给出的是台风在副高南侧、副高北侧和副高脊线的位置受到的上述3力的作用，也就
?决定了它的移向(V)。副高南侧台风移向西北，有逆等压线的移动；台风达到副高脊线上就
会出现向东北的分量，使台风加快转向；在副高北侧，台风会加快向东北移去。
（3）用地转风、梯度风和热成风原理描述大气中风场、气压场和温度场之间的关系。
自由大气中的风场（或空气运动）如果不考虑随时间变化，大致有3种基本的运动和分布。一是空气作平直的水平运动；二是空气作旋转运动；三是风速随高度变化。这些运动分别与地转风、梯度风和热成风有关。
在自由大气中不考虑摩擦力，空气质点所受的气压梯度力与科氏力近似平衡，从而得到地转风分量 ug??11?P11?P，vg?.
f??yf??x由上式可知，在北半球，背风而立，低压在左，高压在右。
当空气作水平曲线运动时，空气的运动是在气压梯度力、地转偏向力和惯性离心力3力平衡下的运动。当空气质点作气旋式旋转时，气压梯度力是向圆心的，地转偏向力是向圆外的，这时只有气压梯度力大于地转偏向力才能出现向心力，有
???V?(f?)V。 ?nR在空气质点作反气旋旋转时，气压梯度力是指向圆外的，地转偏向力是指向圆心的，当存在
有向心力时，则有地转偏向力减去气压梯度力等于向心力，即 ?
??V?(f?)V。 ?nR11
比较看出，在同样风速的情况下，气旋的气压梯度比较大，即等压线较密，反气旋的气压梯度比较小，即等压线比较稀疏。
热成风定义为上下两层等压面上地转风之差 vg1?vg2?vgt??? 即
ugT??RP2?TmRP?Tmln，vgT?ln2， fP1?yfP1?x热成风与等温线之间的关系为：在北半球，背风而立，低温在左，高温在右。
（4）“槽线方程”或Rossby波公式是在什么样的条件下得到的？说明哪些因素影响槽脊的移动速度?
将涡度方程用于准无辐散层，略去散度项并得到绝对涡度守恒方程。此时长波系统的涡度变化，即系统的移动决定于相对涡度平流A?和地球自转涡度平流??v。考虑平直西风气流U上叠加上南北方向上的扰动气流v，则得到长波（Rossby波）移动速度的公式：
?L? c?U????，
?2??该式也称为“槽线方程”，它给出了槽脊移动速度c和西风风速U，波长L的关系。由此可得出：
槽脊的移动速度总是小于西风风速； 西风风速越大，槽脊移动的速度也越大；反之，西风风速越小，槽脊移动的速度也越小； 槽脊移动速度还和它的波长有关，当波长越短，移动越快。在波长很短时移动速度c和西风风速U很接近。若波长越长，移动速度c与U的差就增大，到一个临界值L?Ls时，
2?L?c=0，这时有U???s?，波动呈现准静止状态，这个临界波长称为准静止波长。如果波
?2??长大于Ls，则波动就会后退。
与??(2?cos?)/a有关，高纬度移动快，低纬度移动慢，最后成为横槽或切变线。 传统天气图的预报就是基于长波槽脊系统的预报。
（5） 我国东部作为受季风影响的地区，天气和气候受哪些系统的影响？季节变化的过程怎样？
影响我国东部地区天气和气候的大气环流系统有随季节变化的大气活动中心，如冬季控制我国东部广大地区的蒙古高压。由于青藏高原的存在，蒙古冷高压，也为极地冷气团多从我国东部南下，形成影响我国东部地区的一次次寒潮过程。夏季的情况比较复杂，影响系统有西太平洋副热带（暖）高压和印度热低压。高原对流层高层还存在南亚高压。亚洲高纬度地区还常常有阻塞高压出现。在比较稳定的上述大型环流系统和高原地形作用下，高原南北两侧会出现南支暖湿气流和高原北支冷干气流。这两支气流多以短波形式活动在我国东部地区，形成区域降水等天气。
在东亚地区，行星锋区也具有“多层结构”特征。由于高原地形作用我国东部也出现北方锋区和南方锋区，对应不断出现的我国南方气旋和北方气旋。这些气旋是造成我国降水天气的主要系统。
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2 气候上，南海季风在5月中旬突然爆发，标志着东亚夏季风的开始。南海夏季风爆发前，华南就有春雨，是西风带与副高相互作用形成的静止锋降水。南海季风爆发后，华南首先进入季风汛期。到6月中旬季风降水到达长江流域，即为梅雨天气。7月中旬到8月降水出现在华北和东北地区，它的气候特征表现为：主要年降水集中在７月中旬到８月中旬，更多的集中在几次降水事件。
上述季风降水向北推进的季节变化直接与副高强度和位置（脊线）阶段性变化相联系。
附件2
2002年本科生天气学试题
1、（20分）名词解释：
大气活动中心，Hadley环流，季风，寒潮，低空急流，静止锋，切变线，雷暴高压，飑线，龙卷气旋。 2．（10分）阐述大气中角动量输送的两种主要型式。 3．（10分）影响台风移动的因素有哪些？ 4．（10分）指数循环和阻塞形势分别是怎样定义的？它们之间有什么联系？
5. （10分）哪些物理量可以反映或能够描述季风的爆发？我国夏季风爆发有什么具体的区域特征？
6. （10分）哪些天气尺度和次天气尺度系统的活动可以导致我国的降水过程？ 7．（15分）在北半球中纬度地区，低层（地面）多为闭合气压系统，而中、高层对流层大
气中为西风波动气流。描述它们之间的关系（加图示）。
8.（15分）描述中纬度气旋形成的过程，它与台风发展过程有什么不同（加图示）？
·课程论文：前面思考题中一些尚不能在《天气学》书中找到答案，需要同学查找其他的
参考文献来回答。这些问题，同学可以上网查找，做成word文件。2004年春季本科生的作业已经由同学做成文件并写在光盘上。这样的课程论文可以弥补天气学内容多，课堂上有可能讲不到和讲不透的不足。
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