天气学原理问答题汇编4.doc

㈢气压与风（略）
㈣变压
一般可用如图2.11所示的特征来分析锋线的位置。但是，因为大气压力还有日变化规律，上午8-9时为高峰值，下午14-15时为低谷值，其日变化的数值也不小，所以，实际地面图上的三小时变压场，在08时多为正变压，在14时多为负变压，在分析锋面时要注意气压日变化的影响。此外，变压场还受气压系统加强与减弱的影响。所以需要综合分析变压场的因素，来确定是否存在锋面。
㈤云与降水（略）
一、 应用卫星云图照片分析锋面
问题：卫星云图照片中锋面云系
有什么特征？
一般情况下，锋面上有带状云系出现，云带
长度可达数千公里。其宽度可达8个纬距，窄
的只有2-3个纬距。图2.23是洋面上锋面云
带模型。但是，在卫星云图上也可出现非锋面
云带，所以需要综合分析各种要素是确定锋面
位置的基本思路。
三、应用其他资料来分析锋面
问题：如果某地上空存在锋区，则在该地的探空温度曲线上有什么特征？
㈠探空资料的应用
如果某地上空存在锋区，则在该地的探空温度曲线上应有锋面逆温（或等温，或递减率很小）存在。比湿曲线也有类似于温度曲线那样特征。如图2.26（a）所示。因为一般讲暖气团比冷气团要潮湿，特别当锋上有云时。图2.26（b）是把冷锋过境前后温度上升曲线描在同一张图上，可见冷锋过境后，锋区下面有明显降温。

㈡高空测风资料的应用
问题：如果某地上空存在锋区，则在该地的高空测风记录上有什么特征？
由于锋区内温度梯度大，即热成风大，所以通过锋区实际风应有较大的变化。若是冷锋，风向随高度逆时针转；若是暖锋，风向随高度顺时针转。

图2.27(a)是一个测站上空有冷锋的测风记录例子。冷锋位于2.0～2.5公里高度。高度2公里以下是偏北风，2.5公里以上是西南风。

图2.27(b)是一个测站上空有暖锋的测风记录例子。暖锋位于1.5～2.0公里高度。高度1.5公里以下是东南风，2.0公里以上是西南风。
图2.27(c)是一个测站上空有静止锋的测风记录例子。锋区位于1.5～2.0公里高度。高度1.5公里以下是东北风，2.0公里以上是西南风,风向转变180°,锋区高度上垂直于最大热成风分量很小。

图2.27(d)锋前低层是西南风，冷锋过后转成西北风，锋区位于西北风和西南风的层次内，随着时间向上抬升。
㈢天气实况资料的应用
问题：单站天气实况
观测资料中，锋面过境
有何特征？
如图2.28将测站的天
气实况填出来，可见
当锋面过境时风向有
明显变化。三小时变
压值也有明显不同。
§2.5锋生与锋消
一、 锋生、锋消的概念
问题：锋生、锋消包含有那两种理解？
锋生、锋消包含有两种理解。
一种从锋的基本定义出发，如锋生指密度不连续性形成过程；或且，指已存在的

锋面，其温度水平梯度加大的过程。如锋消，则是指与锋生的相反的过程。
另一种是分析地面图上锋线两侧的气象要素场特征表现的清楚程度的变化。当这些特征表现得比前一时刻更明显，就称为锋生，反之则称为锋消。
多数情况下，这两种的理解是一致的。
二、 锋生、锋消的运动学特点
锋生和锋消是三维空间现象，但我们可以从二维水平运动和垂直运动以及非绝热加热作用三方面来讨论它。
问题：锋生和锋消中水平运动的作用如何？
㈠水平运动作用
在存在水平温度梯度条件下，风场在温度梯度方向有辐合时使温度梯度加大，最强的辐合带上有锋生作用，如图2.29或如图2.30(a) 所示。而如果锋区出现在风场的辐散带中，使温度梯度减小则有锋消作用，如图2.30(b) 所示。
㈡垂直运动作用
问题：锋生和锋消中垂直运动的作用如何？
在大气层结稳定条件下，暖空气下沉增温（上升冷却），冷空气上升降温（下沉增温），有锋生（消）作用。
㈢非绝热加热作用
问题：锋生和锋消中非绝热加热的作用如何？
当冷空气南下到较暖的下垫面时，受下垫面加热作用，使冷暖空气之间温差减小，从而有锋消作用。同理，当暖空气北上到较冷的下垫面时，受下垫面冷却作用，使冷暖空气之间温差减小，从而也有锋消作用。暖湿空气被抬升凝结释放大量潜热使暖空气增温时，有锋生作用。
三、 锋生、锋消的动力学特点（略）
四、 我国锋生和锋消概况
问题：简述我国锋生和锋消的概况？
㈠锋生概况
我国有些地区的地形有利于锋生，如天山山脉，华南的南岭山脉都是常见的静止锋锋生区。
⒈有利冷锋锋生的高空温压场特征如图2.36所示。高空槽后有较强的冷平流，使温度梯度加大。
⒉有利暖锋锋生的高空温压场特征如图2.37所示。在700百帕或850百帕上有暖式切变，切变线南部有较强的暖平流，使温度梯度加大。
㈡锋消概况
当冷空气从西北高原地区向东南平原地区移动时，地形助长了冷空气下沉增温，常有明显锋消现象。
当高低空形势出现不利于锋面存在时，就会产生锋消。如和锋面配合的高空槽减弱或前倾，使锋面处在槽后的下沉气流中，或地面风场出现辐散时，锋将减弱或消失。
第二章 气旋与反气旋
§3.1 气旋、反气旋的特征和分类
问题：在北半球中高纬度气旋和反气旋内空气旋转特征是什么？气压场特征是什么？
气旋和反气旋是从风场角度来讨论天气系统，在北半球气旋（反气旋）内空气作逆（顺）时针旋转，在南半球其旋转方向则相反。在中高纬度由于有地转风关系，气旋内气压场是低压；反气旋内气压场是高压。
问题：气旋和反气旋的水平尺度和强度一般情况如何？
一、气旋和反气旋的水平尺度
以最外围一条闭合等压线的直径来表示，它的平均直径约为1000公里，大的可达3000公里。
二、气旋和反气旋的强度
其强度一般用其中心气压值来表示，地面气旋中心气压值一般在970～1010百帕之间，强台风中心气压值还要低得多。地面反气旋中心气压值一般在1020～1030百帕之间，冬季东亚大陆的反气旋中心气压值可达1040百帕以上。
二、 气旋和反气旋的种类
问题：气旋和反气旋有那几些种类？
㈠气旋
按其活动区域，可分为温带气旋和热带气旋两大类；按其热力结构，可分为锋面气旋和无锋面气旋两大类。
㈡反气旋
按其活动区域，可分为极地反气旋，温带反气旋和副热带反气旋三大类；按其热力结构，可分为冷性反气旋（如地面图上的冷高压）和暖性反气旋（如副热带高压）两大类。
§3.2 涡度与涡度方程
一、涡度
问题：涡度表示了什么物理量？
从天气图分析中，可以看出大气的水平运动基本上是作涡旋（气旋与反气旋）运动。而理论上表达涡旋运动的物理量是涡度，涡度是表示流体旋转程度和旋转方向的物理量，它是一个向量。其数学表达式为：
（3.1）
式中是三维全速度。
问题：请解释绝对涡度与相对涡度的概念？
㈠绝对涡度与相对涡度
绝对涡度可以理解为在绝对坐标系里观测到的流体涡度，而相对涡度是指在跟随地球一起旋转的相对坐标里观测到的流体涡度。它们之间的关系示是：
（3.2）
示中是绝对涡度；是相对涡度；称为行星涡度（或称为地转涡度、地球涡度、牵连涡度等），是地球旋转所产生的涡度，它数值等于地球旋转角速度的2倍，方向指向地球旋转轴的北极方向，见图3.4。
问题：气象上通常所讨论的涡度是什么特征？
由于大气基本上是水平运动，所以气象上通常讨论水平面上的旋转运动，即讨论指向垂直方向的相对涡度分量,它的数学表达式为：
（3.3）
可以证明它数值等于物体旋转角速度的2倍。垂直方向的行星涡度分量为 ，垂直方向的绝对涡度分量为：
（3.10）
式中已略去下标z。它与天气图上气旋与反气旋有一定的对应性，通常正涡度对应于气旋或低压槽，负涡度对应于反气旋或高压脊。所以，气象理论上多用涡度方程来研究天气形势的演变规律。
问题：如何在天气图上决定涡度值？
㈡如何在天气图上决定涡度值？
⑴用气压场计算
用”P”坐标及地转风公式代入（3.3）式得：
（3.6）
可用高空图上的高度H值，通过（3.6）式来计算涡度值（具体计算方法略）。
问题：请写出曲率涡度和切变涡度的表达式，及其定性判断涡度值的方法。
⑵用分解的曲率涡度和切变涡度定性判断涡度值
在自然坐标中涡度的表达式为：

或 （3.8）
式中和为流线的曲率和曲率半径，等式右边第一项称为曲率涡度，根据曲率的定义及地转风近似关系，在波状的等高线中：低压槽中是正涡度区，最大值在槽线上；高压脊中是负涡度区，极值在脊线上。如图3.8所示，等式右边第二项称为切变涡度，通常在急流两侧风速的切变比较明显。如西风急流的北侧通常有较大的正切变涡度，西风急流的南侧通常有较大的负切变涡度。
二、涡度方程
㈠方程的推导与简化
问题：请用（3.13）式，说明散度与涡度的关系？
对水平运动方程作涡度运算可得涡度方程，再简化后得：
（3.13）
此式表示大尺度运动中，大气的绝对涡度变化主要由水平的散度引起，水平辐合运动，即，使绝对（相对）涡度加大；水平辐散运动，即，使绝对（相对）涡度减小。而如果大气是水平无辐散的，则有： （3.14）
此式表示在水平无辐散大气中，绝对涡度是守恒的。
§3.3 位势倾向方程与ω方程
一、位势倾向方程
问题：何谓位势倾向方程？它表达了什么物理含义？
以连续方程代入（3.13）式得：

再用地转风（1.85）式代替风场以及热力学能量方程，可得：
（3.19）
（3.19）式称为位势倾向方程，它表达了等压面位势高度φ的局地变化与绝对涡度平流、温度平流以及非绝热加热等因子有关。
问题：请用（3.19*）式，说明涡度平流与气压变化的关系？
（3.19）式等号左边是等压面位势高度φ的局地变化项，从理论分析或实际计算都证明有如下近似关系：

因此（3.19）式可改写为：
（3.19*）
上式右边第一项为绝对涡度平流作用项。对于常见的短波（小于3000公里）槽脊系统而言，主要决定于相对涡度平流，即项，见图3.8，这一项在槽前脊后为正值，由上式可知：它产生降压作用；在槽后脊前为负值，它产生升压作用；而在槽（脊）线上，涡度平流为零，对气压变化不起作用，由此可见：相对涡度平流只对槽脊系统产生向下游移动作用，对槽脊的强度变化不起作用。这正反映出“涡度平流”的“平流”或“平移”的物理含义。
问题：请用（3.19）式，说明温度平流与气压变化的关系？
等式右边第二项为温度平流作用项。因为有：

此外在对流层的自由大气中，一般来说温度平流总是随高度增加而减弱的，因此在对流层中上层来说，在其下层若有暖平流，则等压面将升高；若有冷平流，则等压面将降低。温度平流的这种作用，其物理原因可以这样理解：若在某等压面以下有暖平流，将使气柱厚度增大，如此时地面没有补赏的降压作用，则此等压面必须升高（即升压）。反之，若在某等压面以下有冷平流，将使气柱厚度减小，如此时地面没有补赏的升压作用，则此等压面必须降低（即降压）。
而大气实际情况地面是存在着部分补偿性的降（升）压作用，使高层的升（降）压程度得以部分减弱。其原因是：暖平流使高层升压的同时，必破坏原有的地转平衡，造成高层气柱部分空气质量的辐散流出，使地面出现补赏降压。而冷平流使高层降压的同时，也必破坏原有的地转平衡，造成高层气柱部分空气质量的辐合流入，使地面出现升压。因此，暖平流的实际结果是使高层升压的同时，也使低层降压；而冷平流的实际结果是使高层降压的同时，也使低层升压。
问题：请用（3.19）式，说明非绝热加热作用与气压变化的关系？
等式右边第三项为非绝热加热作用项。当非绝热加热随高度增加而减小时，等压面高度将升高，实际大气中非绝热加热主要是水汽凝结时潜热释放的加热，而低层水汽含量较大，水汽释放的潜热加热也较大，它对气压场变化的物理作用如同暖平流作用一样，使高层大气加压，同时使地面降压。台风中心地面气压很低，显然是大量水汽释放的潜热加热起主要作用的结果。
二、ω方程
问题：何谓ω方程？它表达了什么物理含义？
它的表达式为：
（3.23）
它表达了大尺度空气运动中垂直速度ω与与绝对涡度平流、温度平流以及非绝热加热等因子有关。
问题：请用ω方程说明涡度平流与垂直运动的关系？
（3.23）式左边有：

所以（3.23）式可写为：
（3.23*）
上式右边第一项为涡度平流随高度变化作用项。当涡度平流随高度增加而增加时，如图3.9中高空槽前脊后区域，有上升运动（ω＜0）；当涡度平流随高度增加而减小时，如图3.9中高空脊前槽后区域，有下沉运动（ω＞0）。
问题：请用ω方程说明温度平流与垂直运动的关系？
等式右边第二项为温度平流的拉普拉斯作用项。与前类似有：

所以，暖平流区，有上升运动（ω＜0）；冷平流区，有下沉运动（ω＞0），如图3.10所示。
问题：请用（3.23）式，说明非绝热加热作用与垂直运动的关系？
等式右边第三项为非绝热加热作用项。与前类似有：

所以，在非绝热加热区，有上升运动（ω＜0），例如：当有水汽凝结释放潜热时，将使上升运动加强；在非绝热冷却区，有下沉运动（ω＞0）。

§3.4 温带气旋与反气旋
温带气旋大都是锋面气旋，而反气旋大都是冷性反气旋。在其生命演变史的各个阶段，其温、压场结构极不相同，天气也极不相同。本节重点讨论它们的温压场结构与其演变。
一、 温带气旋生命史
问题：请说明J．皮叶克尼斯提出的气旋性生命史的四个阶段特征？
早期的温带气旋模式是由J．皮叶克尼斯提出。其特点是：温带气旋形成于一条锋面上，锋面两侧有较强的温度对比和风的气旋性切变。其生命史可分为四个阶段。如图3.11所示。
㈠波动阶段
图3.11a,气旋发生前。高纬度为东风、冷区；低纬度为西风、暖区。中间有一条锋面（虚线）。
图3.11b，开始出现波动。冷空气向南侵袭，暖空气向北扩展，出现冷暖锋面及锋面降水。地面图上开始出现低压中心，比周围气压低2～3百帕，低压中心沿暖气流方向移动，24小时可移动十几个经距。
㈡成熟阶段
图3.11c和图3.11d为成熟阶段。波动振幅增加，冷暖锋进一步发展，雨区扩大，降水增强。地面图上闭合等压线增多，中心气压值可比外围低10～20百帕。低压移动速度比波动阶段略慢，24小时约移动10个经距。这个阶段也称为青年气旋阶段。
㈢锢囚阶段
图3.11e和图3.11f为锢囚阶段。锢囚开始时，冷暖锋相遇并相互叠置，暖空气被抬离地面，气旋涡旋在低层为冷涡旋。降水强度及范围均增大。随锢囚的加深，冷涡旋的厚度也愈来愈厚，此时地面图的低压中心气压较四周低20百帕以上，移速大大减慢。
㈣消亡阶段
图3.11g和图3.11h为消亡阶段。气旋逐渐与锋面脱离，成为冷涡旋，受地面摩擦作用慢慢填塞消失。
完成这四个阶段一般要5天左右。但东亚地区经常在3天左右即可完成。
二、温带气旋的发展
㈠斜压系统发展的物理过程及发展因子
问题：请讨论如图3.12所示的温度场位相落后于气压场情况下，涡度平流因子对地面气旋发展的物理过程。
我们讨论高空500百帕图上温度场位相落后于气压场，如图3.12所示，的情况下，会发生什么物理过程。在这种温压场配置下，高空槽前脊后地面应为气旋低压；槽后脊前地面应为反气旋高压。假设开始时风压场是准地转的（地转适应的）。过一段时间后，在高空槽前脊后地面低压的上空，由于有正的涡度平流，按涡度方程，气旋性涡度应增加（图3.12中部虚线），这时风场与气压场就不适应了，在地转偏向力的作用下，在这附加的气旋流场中就有气流向外辐散，而辐散的结果，又使地面降压（图3.12下部虚线）。这时，地面流场与气压场也不适应了，在气压梯度力的作用下，就有气流向负变压（即降压）区辐合。在高层辐散，低层辐合区，按质量守恒原理，必有上升运动。在此过程中，流（风）场与气压场将趋向于新的地转平衡。这是因为一方面高层辐散（按涡度方程）必有负涡度生成以使该处气旋性涡度，由槽前正涡度平流作用而增加的太快；另一方面上升运动使大气柱绝热冷却，使气柱厚度减小，高层等压面的下降以适应改变了的流场，从而趋向于新的地转平衡。
与此同时，在地面上，气流辐合一方面补偿了因高层辐散使地面降压不致太快；

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