天气原理第9章--01--热带气旋(ppt)课件

1、第三节 热带气旋(台风） 西太平洋上（中、日等国）称其为台风Typhoon；东太平洋上（欧美等国）称其为飓风Hurricane；印度洋上（印度等阿拉伯国家）称其为热带风暴。就全球来说每年发生80个台风（包括热带风暴），其中北半球的台风（占全球总数的73%）明显多于南半球（占27%），而且无论北半球南半球，台风大多数发生在大洋的西部。2009年第8号台风“莫拉克” “莫拉克”英文名Morakot，源于泰国，意为绿宝石。 8月7日23时45分在台湾花莲登陆，9日16时20分再次登陆福建霞浦。一、概况介绍二、结构和天气三、发生发展四、移动和预报第九章低纬度环流系统热带气旋(tropical cycl

2、one)Introduction: 因我国大部分处于温带(extratropical belt, temperate zone)地区，以前介绍的主要系统如气旋(cyclone)、反气旋(anticyclone)、锋面(front)、急流(jet)、大气长波(long wave)等均为温带系统，另外还有一类热带系统尤其是夏秋季节对我国南方影响最大，这就是热带气旋。定义：热带气旋是形成在热带或副热带洋面上，具有暖中心结构的强烈气旋性地面环流的非锋面性天气尺度系统，伴有狂风暴雨，造成受影响地区严重灾害。1989年，依照世界氣象組織(WMO)之建議，根據接近風暴中心最大平均风力将热带气旋分为四类：我国

3、过去按最大风速分三类：台风命名 依照世界气象组织于1998年12月在菲律宾马尼拉召开的第31届台风委员会决议，自公元2000年元月一日起，在国际航空及航海上使用之西北太平洋及南海地区台风统一识别方式，除编号维持现状外（例如公元2000年第1个台风编号为0001），台风名称将由现行4组92个名字全部更换，编列为140个，共分5组，每组28个，这些名字是由西北太平洋及南海海域国家或地区，14个台风委员会成员所提供(每个成员提供10个)。此名称将由设于日本东京隶属世界气象组织之区域专业气象中心(RSMC)负责依排定之顺序统一命名。至于各国(或地区)辖区内部之台风报导是否使用这些台风名称，则由各国(或

4、地区)自行决定。一、概况介绍1.热带气旋活动的时空分布1)空间分布：源地：NW太平洋、SW太平洋、NE太平洋、N大 西洋、S印度洋、N印度洋；S大西洋和 SE太平洋无。西北太平洋最多；均形成于暖的热带水域；87%在EQ两侧20纬度内；2/3形成于北半球。2)发生时节有明显季节变化特征，晚夏到初秋形成频率最大（见图）西北太平洋：7-10月，“台风季节”，9月最高西北太平洋是全球惟一全年可观测到热带气旋活动的地区，也是特强台风（Vm=50m/s）和超级台风（Vm=65m/s）最易产生的地区。在我国登陆的台风在我国登陆的台风平均每年7.4个；最多的是华南沿海58.1%，其次是华东沿海37.5%。7-

5、10月，是台风活动的集中时期，登陆的台风数占全年总数的81.86%；8、9月，最突出，往往也最强；2-4月，最少，活动位置也偏南。台风的源地西北太平洋台风发生的季节变化2.热带气旋范围、强度与生命史水平范围：以系统最外围近圆形的等压线为准，直径平均600-1000公里（7-9纬距），大的2000公里，巨型的大于10纬距，小的小于2纬距。垂直范围：12-16公里，最大20公里。强度：以台风中心地面最大平均风速（20-75m/s，极值110m/s）和海平面最低气压（999-940hPa，极值887hPa）为依据。生命史：平均一周左右，短的2-3天，最长达一个月（7203）；夏秋(7-10)月生命期

6、较长。二、热带气旋的结构和天气1.热带气旋的气压场特征2.热带气旋的流场特征3.热带气旋的温度场特征4.台风云系特征5.热带气旋天气 1.热带气旋的气压场特征极低的中心气压和极大的水平气压梯度。 在地面图上，热带气旋表现为一个准圆形对称的、梯度极大（5-10hpa/10km）的闭合低压系统。在外围受环境流场影响出现不对称，靠副高一侧梯度大。垂直方向气压梯度随高度减小. Why? 台风中心气压“漏斗”状，台风是暖性系统，从静力学观点考虑，低压环流应随高度减弱，但因低层涡旋太深了，所以低压环流厚度仍可达300200hPa ，即平流层底部）台风过境气压自记曲线（1956年8月1日18时到2日07时，

7、石浦）水平结构：外层区（外圈，大风区）：从台风边缘向内到最大风速区（400-600公里），在该区域中风速向外减弱；云墙区（中圈，旋涡区，最大风速区）：围绕眼区的环状最大风速带，宽8-50公里，与眼壁的云墙相一致，最强烈的对流和狂风暴雨发生在这里；眼区（内圈）：风弱、干暖、少云，（30-40公里），台风眼是热带气旋区别于温带气旋的主要特征之一。 2.热带气旋的流场结构热带气旋眼眼壁云墙螺旋云带垂直结构：低层流入层（3km以下，主要1km以下）：气旋性流入，对应螺旋云带中间上升气流层（3-8km）：气旋性切向风速大，径向风速小，垂直气流强，对应云墙高层流出层（8km以上）：中心附近气旋式流出，外圈

8、反气旋式流出垂直流场18km 8km 0km台风旋转气流的三维立体示意图台风眼及云墙区的形成 在台风外围的低层，有数支同台风区等压线呈10-20度交角的螺旋状气流卷入台风区，辐合上升，促使对流云系发展，形成台风外层区的外云带和内云带，相应云系有数条螺旋状雨带。按角动量守恒原理，卷入气流越向台风内部旋进（R )，切向风速也越大（V ），则地转偏向力FV ，在离台风中心一定距离处（当R=R0），气压梯度力同离心力和科氏力平衡，气流不再旋进（R0），于是大量的潮湿空气被迫强烈上升，形成环绕中心的高耸云墙，云墙的积雨云顶可高达19公里，这就是云墙区。 台风中最大风速发生在云墙的内侧，最大暴雨发生在云墙

9、区，凝结潜热增暖了空气柱，使地面气压急剧下降，低层径向气压梯度加大，而当云墙区的上升气流到达高空后，由于气压梯度随高度的减弱，气压梯度力不再与离心力和柯氏力平衡，大量空气被迫外抛，形成流出层，只有小部分空气向内流入台风中心，并下沉，造成晴朗的台风中心，这就是台风眼区。 眼区形成示意图（P-气压梯度力，A-柯氏力，C-离心力，V-切向速度）DPACV3.热带气旋的温度场特征水平分布：暖心（见图）眼区周围：低层温度梯度小，中上层暖心周围眼壁附近温度梯度大。眼区：温度场（见图）上等温线向上突起，有一明显的下沉逆温；扰动温度场（见图）上为暖心结构，对流层低层为一范围狭小的暖核，向上加宽，在250hPa

10、附近最宽最暖；发展成熟的台风，在台风眼区的对流层中上层，有明显的暖核存在，一般台风在这一高度上，眼区温度都可高出周围10以上，暖核一般都出现在300hPa至200hPa高度上，在眼壁附近，半径为20-50公里的环形带上，有非常强的（径向温度梯度）存在，曾探测到8-9/20-30Km的记录。 4.台风云系特征眼区：下沉气流，云淡风轻； 水汽多，逆温层下产生层积云云墙：强对流，积雨云台风边缘：多为辐射状的高云和积状的中低云5.热带气旋天气热带气旋降水 热带气旋眼区周围云墙区降水（内雨带） 热带气旋眼区外围螺旋云雨带降水（外雨带） 热带气旋和其他系统（西风带系统或热带系统） 相互作用产生的降水 地形

11、影响（抬升、摩擦辐合）热带气旋大风和风暴潮风速分布不均匀：与周围气压形势有关；登陆后风减小；受地形影响大：海上比平原风大，平原比山区风大。暴雨增幅自身降水热带气旋结构特征小结气压场流场温度场云系特征水平垂直三维结构思考：比较低纬度的热带气旋与中纬度的温带气旋 有哪些异同点？共同点均为天气尺度系统均为地面低压系统风均绕其中心逆时针方向旋转都产生大风、降水天气热带气旋与温带气旋的比较不同点相同点热带气旋温带气旋能量来源下垫面暖洋面及潜热释放水平温度梯度（斜压能）垂直结构暖心结构，台风强度随高度递减，地面的低压到高空（12KM）变为高压强度随高度加强，中纬度气旋上空的西侧往往对应冷的高空低压或槽中心

12、往往有眼区，且气流下沉一般无眼区，且中心气流上升强风最大的风在近地面最强风出现在高空急流处天气图上从天气图上看，热带气旋等压线更近环形，风更强，梯度更大，尺寸较小等压线非规则环形，风较小，梯度较小，但水平尺度较大性质无锋面有锋面How do typhoon compare with middle latitude storms? A typhoon derives its energy from the warm water and the latent heat of condensation, whereas the mid-latitude storm derives its energ

13、y from horizontal temperature contrasts. The vertical structure of a typhoon is such that its central column of air is warm from the surface upward; consequently, typhoons are called warm-core lows. A typhoon weakens with height, and the area of low pressure at the surface may actually become an are

14、a of high pressure above 12km. Mid-latitude cyclones, on the other hand, usually intensify with increasing height, and a cold upper-level low or trough exists to the west of the surface system. A typhoon usually contains an eye where the air is sinking, while mid-latitude cyclones are characterized

15、by centers of rising air. Typhoon winds are strongest near the surface, whereas the strongest winds of the mid-latitude storm are found aloft in the jet stream. Further contrasts can be seen on a surface weather map. Around the typhoon, the isobars are more circular, the pressure gradient is much st

16、eeper, and the winds are stronger. The typhoon has no fronts and is smaller. There are similarities between the two systems: both are areas of surface low pressure, with winds moving more or less counterclockwise about their respective centers.三、热带气旋的发生与发展（一）热带气旋形成的基本（必要）条件（二）热带气旋形成的物理机制（三）初始扰动场的类型（

17、四）台风发展的外部条件（五）热带气旋的消亡 台风是强烈的热带气旋，一个成熟的台风，每天释放的能量为281016千焦耳/天；一次台风过程的总能量相当于25万颗原子弹，台风虽然很强，但却是从小扰动发展起来的，热带海洋年平均有几百个扰动，但发展成台风的却不足1/10，这涉及到台风形成条件。（一）热带气旋形成的基本（必要）条件1.热力条件暖性洋面，SST26.5C2.要有一个低层的初始扰动ITCZ的扰动占85，东风波占10，中尺度的切断低压、高空冷涡占5。3.生成位置一般距赤道5个纬距之外4.整个对流层风的垂直切变要小综述广阔的暖洋面高海温的热带洋面，通过海气交换作用，使得低层大气成为高温高湿的气层，

18、而气层的位势不稳定程度，又取决于低层大气的温度和湿度。因而高海温的热带海面，蕴藏着大量不稳定能量，这种不稳定能量在一定条件下，通过水汽凝结而释放出来，能使空气块沿湿绝热上升一直到十几公里高度始终都比四周为暖，即有足够能量以维持热带气旋的暖心结构和垂直环流。感热和潜热的海气交换和动量交换对于热带气旋的维持和发展起着重要作用。地转参数 大于一定值地转参数的作用有利于气旋性涡旋的生成。在不考虑摩擦作用并忽略倾斜项的等压面坐标系中的涡度方程如下：该式表明，对给定的辐合值，涡度随时间的变化正比于绝对涡度的大小。在赤道上 ，热带气旋发生初期，扰动的相对涡度也为零 ，则无论辐合有多大，扰动的涡度也不会增加；

19、在离开赤道一定纬度的地区 ，辐合能引起涡度的增大，并且对相同的辐合，离开赤道越远涡度的产生率越高。一般热带气旋生成在距赤道5个纬距以外的热带洋面上，只有西北太平洋有个别的形成于3N附近，但在赤道附近3个纬距以内从未发现有热带气旋生成。返回对流层风的垂直切变小对流层风速垂直切变的大小，决定着一个初始热带扰动中分散的对流释放的潜热，能否集中在一个有限的空间之内。如果垂直切变小，上下层空气相对运动很小，则凝结释放的潜热始终加热一个有限范围内的同一些气柱，而使之很快增暖形成暖中心结构，初始扰动能迅速发展形成热带气旋，反之，如果上下切变大，潜热将被很快输送出扰动区的上空，不能形成暖性结构，也不可能形成热

20、带气旋。综述-热带气旋形成基本条件关系： 热力条件 高的海温 对流发生的 SST26.5C 热力条件 低层有辐合 对流发生的 动力 条件 （有扰动存在） 启动机制 在大于5度 地区 系统中心风速垂直切变小 （U200-U85010m/s） 环境条件 台风形成台风暖心形成在天气尺度系统中积雨云发展，并变成有组织分布（二）热带气旋形成的物理机制CISK（Conditional Instability of Second Kind第二类条件不稳定）理论：大尺度的边界层湿空气摩擦辐合激发了小尺度积云对流的发展，而小尺度积云对流发展，大量潜热释放又为大尺度扰动发展提供能量，这种自激反馈使大尺度，中小尺度

21、系统共同发展的机制就叫第二类条件不稳定。（ 1964年，Charney, Eliassen, Ooyama ）低空气旋性环流扰动边界层摩擦辐合上升运动积云对流高空凝结潜热释放高空中心变暖高空气压升高产生辐散地面气压下降气旋性环流加强摩擦作用水汽向上输送摩擦辐合增大正反馈机制 根据CISK理论，按四个条件把台风发生发展的物理机制概括成一个框图。台风形成PVQ暖心形成大范围积云对流发展高温高湿不稳定大气热力条件（能源）低层湿空气摩擦辐合（有扰动存在）动力条件（启动）（旋转）u200u8505N台风发生发展的物理机制CISK机制的不足对于低层原先存在的低压扰动是如何发生的没给出解释：1、扰动的流入气

22、流只有一小部分是边界层辐合驱动的，而大部分辐合发生在边界层以上，因此用Ekman辐合不能给予解释；2、过高地估计了凝结加热所导致的温度增加；3、CISK理论不能解释许多不发展的天气系统也有大量辐合和降水的现象；4、CISK难以说明大量的能量来源，有学者认为台风增暖的能量，不是来自对流云中水汽凝结潜热的加热，而是各云块间下沉时的绝热增温作用，其事实根据之一是在台风的发生阶段，台风中心经常不在对流云区而在云外晴空区。（三）热带气旋初始扰动场的类型国家气象局根据1970-1973年西太平洋和南海热带气旋发生的调查，发现热带气旋主要起源于四种初始扰动：热带辐合带中的扰动，占80%-85%辐合带云带振动

23、发展型云团旋转型东风波扰动，约占10%中、高纬长波槽中的切断冷涡，约占5%热带高空冷涡，约占5%以下（四）台风发展的外部条件1.冷空气对台风的影响（二者相对位置及冷空气强弱）；2.中层对流层流场的影响（副高北跳）；3.高层对流层反气旋流场的影响（南亚高压东西震荡、洋中槽）；4.高层西风急流的影响；台风距急流一定距离（5）热带气旋的消亡减弱消失（台风登陆、海上即行消失）变性为温带锋面气旋台风的再生与变性再生指台风登陆后减弱，转向出海时再次加强，或变性成温带锋面气旋后其强度比原来减弱了的台风还强（由于获得了斜压能）四、热带气旋的移动及预报热带气旋的移动路径正常路径：西行、西北行、转向异常路径：打转

24、、突然转向、蛇行等（一）热带气旋的移动1.不同海域移动路径存在显著差异（见图）西北太平洋地区主要有三条路径：一直向西、西北行或北上转向到西风带中向东移动；南太平洋始终向东移动；东北太平洋上的移动路径主要是向西，仅有少数转向路径。2.热带气旋移动路径存在季节变化 （以西北太平洋为例：见图）冬春季（11月月）：主要在130以东的海上转向北上，或沿10向西，进入南海中部或在越南登陆；过渡季节（、10月）：向西北向移动，主要在125以东海上转向北上；盛夏季节（月）：整个路径偏北偏西，仍为三条路径，我国整个沿海都可能有台风登陆。热带气旋的平均移动方向太 平 洋台风主要三条路径（二）影响热带气旋移动的各种

25、力大尺度背景场的气压梯度力引导气流原理（内力相对于外力为小项，热带气旋将沿着它所在厚度内整层平均的大型流场的地转风方向移动，移速就是大型流场速率的平均值，这就是热带气旋的引导气流原理）作用于整个热带气旋的柯氏力在北半球，地转偏向力指向台风移向的右侧，并与台风移向垂直。内力 向北偏西 三力平衡如何影响台风的移动？?1.涡旋运动方程假设：台风为一正圆；相对中心对称分布。即: v1 = v2 = v3 = v4 vr1 = vr2 = vr3 = vr4在固定坐标系中，如不计摩擦，空气的运动方程为：2341取一移动直角坐标系（ ），原点取在台风中心，该坐标系随台风一起移动，其移速：有：其中， 是台风

26、区空气质点相对于台风中心的运动分量，代入运动方程经移项整理后得：这是台风区内任一单位质量空气的运动方程。对上式中各项乘以后，对整个台风求体积分 M就是整个台风气柱的质量。积分后略去台风柱内的动量变化项即不考虑台风的强度变化，可得： 上式就是台风作为一个整体运动时的运动方程，可见台风移动受三部分力的作用。2 .台风移动受力分析台风的运动方程可写为：其中： （1）台风作为一个整体，在大气中运动所受的地转偏向力：北半球，地转偏向力指向台风移动方向的右侧，并与台风垂直。 （2）作用在整个台风体上的水平气压梯度力G即是通过周界给予台风的总压力如用地转关系代入上式则： 是台风区内各层平均流场的平均值，显然

27、设想台风的移动是 和 二力作用平衡的结果，即： 则有 这就等于把台风看成是在大型平均气压场中，以地转风速运动着的点涡旋，换句话说，台风将沿着它所在地区的整个气层内的平均气流方向移动，移动速度就是平均气流速度。 引导气流原理：地面天气系统台风受整层平均气流的控制，沿整层平均气流方向，以整层平均气流的速率运动。 （3）台风内部流场引起的内力 台风内力实质上是台风内部各空气质点作相对于台风中心运动时所产生的地转偏向力的总效应。其中： 径向速度，向外为正， 切向速度，逆时针为正。yxr 将台风视为一个圆形柱体，风呈轴对称分布，将直角坐标系换成柱坐标系，有：如取赤道平面 将上述关系代入内力积分式中去，考

28、虑到 , 为轴对称分布，则积分整理得：其中，R是地球半径， 是台风半径，M台风质量。讨论： ：北半球台风为气旋性涡旋，切向速度 为正，有向北内力,台风愈大、愈强，所在纬度愈低，内力也愈大。 ：径向流入 和上升运动 产生向西内力，同样内流愈强内力愈大。一般情况下， ，所以内力总效应是指向北稍偏西。内力公式台风范围越大(r0)，纬度越低( )，则所受内力越大；台风气旋式涡旋 ，有一向北的内力Iy0；台风中为上升运动 0 ，低空辐合强（大于高空辐散） 0，有一向西的内力；总之，内力的作用产生净的向西北方运动。物理意义内力作用示意图考虑内力作用时，以空气质点所受科氏力为研究点 由于假设了台风是个圆柱体

29、，风呈轴对称分布，因此这种内力的产生也可以说是由于台风所占空间的南北纬度差异引起的，由于北部f大，南部f小，必然使台风的北半球质点运动产生的偏向力总值大于南半部。3.诸力合成下的台风运动 台风的定常运动台风的运动方程可写为：台风作定常运动时， 即台风的运动应是三力平衡的运动。分析各力性质，北半球： 总是指向北略偏西而且数值较小； 总是指向移动 的右侧。所以台风运动的方向和快慢主要取决于 （平均气压场）。台风移动的作图分析作图步骤：1.先根据大型平均气压场定出 G ；2.再依台风强度定出 I(总是北略偏西）；3.根据 G、I，再按 G+F+I=0 定出 F；4.最后再根据 F定出 C。 a)东风

30、带 b)西风带IGFC三力平衡下台风的移动台风位于东风带中偏向高压，移速较小（500hPa V的82%）台风位于西风带中偏向低压，移速较大（500hPa V的110%）台风在南北向基本气流中向北移动偏向高压侧（右），移速较大台风在西南风中，梯度力与内力同方向沿基本气流移动，移速较大台风在东北风中，梯度力与内力反相沿基本气流移动，呈倒抛物线，移速较小图：五种基本气流中三力平衡下台风移动返回GDDGDGDGGD（三）影响热带气旋移动的大型环流系统副热带高压西风带长波阻塞高压与切断低压东亚中高纬阻塞有/无：台风转向多（82%）/少（15%），西行少（18%）/多（85%）；高空切断冷涡：切断低压引冷空气南下使副高东退减弱热带天气系统东风波ITCZ赤道反气旋（7607：南海西北行台风突然东北折出巴士海峡）双台风副热带高压的影响高高高高低异常：7503副高东西带状，稳定西移加强时，台风在副高南侧西行；台风移到副高西南侧，而副高处于东退减弱期，台风将转向。台风周围出现多环高中心，台风将出现停滞或打转。西风带长波的调整与突变的影响西风带长波与副高形势稳定，台风正常路径西风带纬向型，副高带状（东西），台风取西-西北行西风带呈经向型，长波槽有规律地发展东移时，迫使副高减弱东撤，则台风将在副高西端长波槽前转向北上当西风带长波系统急剧调整时