4．2．3 温带气旋的结构和概念模型

1．温带气旋概念模型的现代发展

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。

A类与经典的锋面波动发展成气旋的过程类似，与平直斜压锋区的斜压不稳定有关。在气旋初生阶段，低层有较强的温度梯度，高空表现为平直环流，但没有明显的高空槽，因此涡度平流很小，低层先出现温压场扰动，然后逐渐向高空发展，才有高空槽出现。在气旋发展阶段高空槽与地面气旋保持相对稳定的距离，发展的最终结果达到经典的锢囚气旋，发展中具有明显的锋生现象，温度平流在这类气旋发展中起着决定性作用。

B类气旋的发生发展的启动机制主要在高空，在气旋发生前有高空槽移来，高空槽前的强涡度平流，叠加在低层弱的锋区或暖平流区，而后地面气旋产生，在气旋发展过程中，高空槽与地面气旋的距离迅速减小，当气旋中心轴线近于垂直时，气旋发展到最强盛阶段，高空涡度平流开始时很大，接近气旋最强时平流量减小。温度平流的作用开始较小，随低层气旋的加强而增加。发展的最终结果也变成与经典锢囚气旋类似的热力结构。

应该说以上两类气旋的发展是具有共同点的，如气旋性闭合环流都是由低层向高层自下而上发展，气旋轴线都是由向西倾斜过渡到垂直，在气旋发展阶段都是高空温度场落后于高度场，最后变为近于重合。所不同的是触发机制，一个是从低层到高层，另一个是从高层到低层。

上述两类气旋的发生机制与挪威学派经典气旋发生模型是有区别的，B类气旋的发生与挪威经典模型明显不同，就是A类气旋的发生也不是由低层不连续面上的扰动发展起来的，这类气旋的发展有长波槽伴随产生，因此主要是斜压气流不稳定的产物。近年来人们提出了一种与经典锋面气旋模式非常类似的气旋发展类型，它是在前面大尺度气旋产生的锋面上发生波动或者在静止锋上波动而产生的，这类气旋的尺度较小(1000～2000km)，扰动与高空槽没有明显关系，扰动振幅主要集中在对流层下部，与湿润大气中的空气运动有密切关系，有明显的对流发生。这类气旋在欧洲大西洋沿岸，北太平洋和东亚梅雨锋上都有发生，目前关于这类气旋的发展机制还在研究之中。

气旋的发展可大致分为如下四个阶段：初生阶段、快速发展阶段、成熟阶段和衰亡阶段。初生阶段在地面出现一个弱的气压扰动，并出现与低压中心配合的相对涡度最大中心；第二阶段则是以自我激发(self-development)为特征的快速发展过程，即气旋的发展使扰动振幅增加，振幅的增大又加快了有效位能的转换，从而进一步加速了气旋的发展。在这个阶段，增长表现为正反馈过程或者说是不稳定发展阶段；第三阶段则是气旋达到最大强度并进入自我约束阶段(self-limitation)或者叫锢囚阶段，气旋的发展改变了风场和温度场，进而限制了涡度平流和温度平流，从而限制了扰动有效位能的转换，发展过程开始受到阻碍；最后气旋进入缓慢的衰减阶段。下面我们在前一节气旋发展理论基础上从涡度平流的角度分析气旋发展不同阶段的特点。

为简单起见，让我们考虑500hPa作为对流层中部的代表，并且把注意力放在气旋发展不同阶段1000hPa和500hPa面上环流的变化。

①气旋发展的第一个阶段。地面表现为弱的气压槽，或者是低压中心或锋面，如图4.30a、b显示出浅薄的地面低压位于西风气流中短波槽前辐散气流中，沿气流方向存在绝对温度梯度，这是辐散槽的重要特征。从图4.30a可以看到，地面气旋上空存在明显的正涡度平流。这是典型气旋的动力结构：在槽的东侧一般在下游500hPa脊后，地面气旋的上空存在垂直上升运动，并有正的涡度平流。在地面扰动附近，存在水平辐合。东北-西南走向的高空槽后则存在下沉运动区。

在气旋发展的开始阶段，在高空槽后，一般有一个气流最大中心(急流轴)，如图4.30b中的粗箭头所示。风速最大值与涡度最大值密切相关，涡度最大值一般位于急流轴中心的左侧(面向气流方向)。在这一阶段地面低压的加强是由于上层强迫的结果，并且由此导致了气旋环流在地面锋上的产生。

②气旋发展的第二个阶段。图4.30c、d，地面气压在地面锋和涡度最大值中心附近开始下降。根据前面涡度方程一节进行的讨论，涡度最大中心同时又是涡度倾向最大值所在。随着气旋涡度的增加，在地面建立气旋性环流中心，并启动1000hPa面上的地转风对1000～500hPa厚度的平流，暖平流在气旋的东部发生，冷平流在气旋的西部出现。最强的厚度平流发生在锋面的冷区一侧。在单纯涡度平流作用下，辐合辐散和垂直运动场呈偶极子分布，上升运动和低层辐合区主要发生在地面低压的东侧及东北侧，而下沉运动和地面辐散主要发生在西侧及西南侧。随着气旋环流的加强，低层温度梯度的增加，温度平流开始使上述垂直运动的分布变形，产生较强的非对称性。

云的分布与垂直运动的演变是一致的，随着冷锋后部下沉运动和暖锋前部上升运动的加强，暖锋附近的云带变宽和冷锋附近的云带变窄，云也由沿冷锋的带状结构变成为逗点云状。

地面气旋的移动与地面变压分布是一致的，一般沿等厚度线，也是变压梯度最大的方向运动，因而气旋向在暖锋前部极地一侧气压下降最快的地方移行。

发展阶段的气旋环流使锋区呈波状弯曲，冷锋向东偏南的方向移动，暖锋向东偏北方向移动。类似地位于高空槽后的地面高压(图中未给出)向东偏南方向正变压最大的地方移动。

随着冷锋后部冷平流和大尺度下沉运动的加强，500hPa涡度最大值向槽的底部移动，在地面冷锋的西北区域500hPa高度降低，在暖锋的前部则由于暖平流和大尺度上升运动使500hPa高度升高。

③气旋发展的第三个阶段。如图4.30e、f，地面对对流层中层的反馈作用逐渐加强，进而影响到对流层中层的气流，使500hPa槽前的位势梯度加大、西南地转气流加强，最大涡度中心移到槽前最大风速区的左侧，从图4.30f可见最大涡度中心位于地面冷锋的后部，地面气旋中心的西南方。

直到气旋发展的第四阶段以前，上层的变化总是有利于气旋更进一步的发展，也就是一个正反馈过程。500hPa流型的改变导致了地面气旋上方绝对涡度梯度的增大，而地面气旋的发展加强了厚度平流进而改变500hPa的位势场和流场。这种在不同高度上的相互反馈并引起气旋加速发展的过程，正是斜压不稳定的表现。气旋中心上方较大的涡度梯度，恰好是500hPa涡度最大值加强并移向气旋底部的过程。

上述过程在云图上则反映为云区向暖锋前部和地面气旋中心的西部和西南部扩展，同时沿冷锋的云带宽度则不断变窄。在气旋西部边缘由于摩擦辐合产生的上升运动，出现了较低的层状云区，它们往往有少量的降水出现。

随着气旋的不断发展，500hPa槽脊的不断增幅，500hPa槽走向也由开始阶段的东北-西南走向转变为西北-东南走向。

④气旋发展的第四个阶段。这个阶段是气旋发展的最强阶段，如图4.30g、h所示，然后开始锢囚。气旋中心与暖区的联系被切断，从地面气旋中心一直到对流层顶都为冷空气所占领，500hPa高度上的涡度最大值已移到地面气旋中心上方。这时气旋中心轴线变得与地面垂直，平流作用消失。在卫星云图上则表现为逗点云区进一步向西向南扩展，同时与冷锋对应的窄云带因南端消失而向北收缩。然后在地面摩擦、内部摩擦及向其他尺度的正压能量转换过程中使气旋进入衰亡阶段。

应该指出气旋向冷气团的移动，以及气旋中心为冷空气占领，并使低压中心向高空发展的过程不是锋面锢囚的产物，而是动力过程引起的冷暖空气质量重新分布的结果。这与挪威学派提出的冷锋赶上暖锋，形成锢囚锋并在气旋内部与暖区切断是不同的，从动力学的观点来看，锢囚过程不是气旋衰减所必需的，而且在空中并没有反映出锢囚的发生。
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