熱帶氣象學

熱帶氣象學

熱帶氣象學是研究南北緯度30°之間地區的大氣環流、天氣系統和天氣預報的學科。熱帶地區約占全球面積的一半,該區的輻射收入大於支出,其盈餘的熱量,可通過大氣和海洋輸送到中、高緯度地區,因此,熱帶地區是全球大氣運動的主要能源區。熱帶大氣還從地表得到角動量,所以熱帶地區又是大氣角動量的源區之一。熱量的輸送,不但年際變化很大,而且在一年之中又有明顯的變化。這些變化對中、高緯度地區的天氣影響很大。所以,在製作中、高緯度地區較長時期的天氣預報時,必須考慮熱帶的大氣環流和大洋環流的變化。熱帶地區的大氣環流除哈得來環流和信風環流外,還有許多大型的環流系統,如熱帶輻合帶、副熱帶高壓和季風環流等。它們的強弱和變化,不但影響著熱量和角動量的輸送。而且影響著天氣系統(如颱風等)的產生和活動,這對中、高緯度地區和熱帶地區的工農業生產和人民的生活都有直接的影響。所以,熱帶氣象學的研究有重大的經濟意義和理論意義。

特點

(圖)熱帶氣象學熱帶氣象學

熱帶地-氣系統淨得到熱量,幾乎全部被地表吸收,其上空的大氣卻依然在損失熱量。地表所得到的熱量,只有一小部分通過湍流的方式直接傳輸給大氣,大部分通過地表(洋面)的水分蒸發變為潛熱,再通過大氣中水汽的凝結過程以釋放潛熱的方式將熱量輸入大氣。

由於熱帶低層大氣的溫度很高,且很潮濕,所以熱帶地區中下層的大氣經常處於條件不穩定狀態(見大氣靜力穩定度),極有利於對流的發展。熱帶的對流雲系很旺盛,成千成百個巨大的積雨雲經常聚集在一起,組成了熱帶特有的雲團(見熱帶雲團)。強烈的熱帶天氣系統如颱風等的發生和發展,都和這種雲團的活動有密切的關係。

熱帶地處低緯度地區,科里奧利參數(f=2ωsin嗞,ω為地球自轉角速度,嗞為緯度)(見大氣中的作用力)很小,這種動力學特點使熱帶大氣在沒有大範圍強烈對流上升時,水平的氣壓梯度力很小,即氣壓場的水平梯度比在中、高緯度地區要小,但是,流場的水平差異卻十分明顯。一個天氣系統的發生,往往先出現流場的渦鏇、輻合和輻散,以及風的水平切變和鉛直切變,氣壓場則只有當產生強烈的對流運動後,特徵才逐漸明顯。同中、高緯地區相比,熱帶流場的變化顯得更為重要。

內容

熱帶氣象學所研究的內容主要有以下三個方面:

(圖)熱帶氣象學氣象預報圖

大氣環流  
熱帶大氣環流的形成和變化,是熱帶大氣本身的動力和熱力特性、海陸熱力差異、青藏高原等大地形的動力和熱力作用,以及南北半球環流相互作用等因子共同作用的結果。北半球的夏季,熱帶大氣環流的主要成員有:低空的東北信風和西南季風以及由這些氣流組成的熱帶輻合帶和季風槽(見季風低壓;高空的東風環流以及南亞高壓、墨西哥高壓(見副熱帶高壓)和兩個大洋中部槽(見熱帶對流層上部槽)。高空的東風環流和低空的季風環流中都存在急流,並常有比較固定的越赤道通道,可進行南北兩半球的質量、水汽和能量的交換。在北半球的冬季,高空為副熱帶西風急流,而低空則為東北信風和偏北的冬季季風。

天氣系統  
氣象衛星探測和理論研究的結果,發現了熱帶地區許多新的天氣系統。依熱帶天氣系統水平尺度的大小構成了一個連續波譜:10公里尺度的主要是對流雲胞,如積雨雲系;100公里尺度的則主要是由許多積雨雲聚集所成的雲團;尺度達千公里的,主要為颱風、季風低壓、對流層中部氣鏇副熱帶氣鏇東風波和赤道渦鏇(如赤道反氣鏇);尺度在千公里至萬公里之間的天氣系統,在對流層中,主要是受海陸地形作用而形成的準定常槽脊(如季風槽)、熱帶輻合帶、赤道緩衝帶、高空南亞高壓、大洋中部槽等,在平流層

(圖)熱帶氣象學熱帶氣象學

中,主要是赤道附近的開爾文波和羅斯比-重力混合波(見熱帶平流層波動)。

此外,在熱帶和溫帶之間還有副熱帶高壓。就時間尺度而言,也發現了一個波譜,如周期為1天、4~6天、準雙周(近於14天)、40~50天、25個月、36~38個月的熱帶大氣振盪。這些振盪是由一個或數個天氣系統單獨或聯合作用所致。周期為一天的波,主要是對流雲胞的活動,4~6天的,主要有東風波、季風低壓或平流層羅斯比-重力混合波等熱帶系統活動;準雙周振盪,主要有季風槽和信風的強弱振盪、高空南亞高壓、平流層開爾文波等的活動;40~50天的周期振盪者,尚待研究;周期達25個月的振盪,一般認為是由平流層開爾文波和羅斯比-重力混合波的動能上傳所造成的;至於周期36個月的振盪,則可能是熱帶海洋-大氣或海洋-大陸的耦合振盪所造成的。 這些不同的空間和時間尺度的天氣系統及其相互影響,是熱帶氣象學研究的重點。

分析和預報  
熱帶天氣分析除用天氣圖進行流線分析外,還有衛星雲圖分析,此外風的鉛直和水平切變分析、速度位勢場分析和層結穩定度分析等,也均已用於日常業務工作中。熱帶天氣預報方法,已廣泛套用統計預報方法和數值預報方法。前者如颱風路徑的相似預報,後者如正壓模式(見正壓大氣)數值預報。

發展動向

(圖)謝義炳對熱帶大氣環流研究謝義炳對熱帶大氣環流研究

早在15世紀末,阿拉伯水手們已在印度洋的貿易航線上注意到了季風的變化規律,中國宋代著名文學家蘇軾也曾記述了季風現象(見梅雨)。近代熱帶氣象學的研究起始於第二次世界大戰期間,美國氣象學家H.里爾首先在熱帶天氣分析、熱帶大氣環流和東風波的研究等方面作出了貢獻,寫出了第一本近代的《熱帶氣象學》專著。隨後,J.G.查尼郭曉嵐對熱帶大氣動力學J·皮耶克尼斯對熱帶海-氣相互作用、柳井迪雄對熱帶波動的分析研究、聯邦德國氣象學家H.弗洛恩對熱帶大氣環流、印度氣象學家T.N.克里希納穆蒂對熱帶季風的研究,均作出了貢獻。中國近代熱帶氣象學的研究,起始於竺可楨在20世紀20年代對颱風的研究和30年代對季風的研究。隨後,涂長望對夏季風在中國進退的研究,李憲之對颱風形成的研究,葉篤正對熱帶大氣動力學的研究,陶詩言對熱帶大氣環流的研究,黃士松對副熱帶高壓活動規律和季風的研究,謝義炳對熱帶大氣環流和熱帶波動理論的研究,高由禧等對季風的研究等,都對近代熱帶氣象學作出了一定的貢獻。

自從20世紀60年代以來,曾有過多次國際綜合觀測試驗;60年代的國際印度洋考察(IIOE),考察了西南季風及其上的天氣系統;1967年的萊恩島試驗(LIE),側重研究熱帶輻合帶內對流尺度和中尺度天氣系統;1969年的大西洋信風試驗(ATEX),以研究大西洋北緯10°附近信風的能量收支為主;1969年的巴貝多海洋和氣象試驗(BOMEX),研究了巴貝多島以東的洋面上空,已被擾動或未經擾動的信風和海-氣之間的動量交換和能量交換,以及雲團和熱帶的結構;1974年開始進行的全球大氣研究計畫大西洋熱帶試驗(GATE),研究對流雲系和大尺度環流相互作用及對流雲系加熱的參數化,熱帶邊界層結構,海-氣相互作用和大氣輻射過程,改進了熱帶天氣的數值預報;1979年進行的國際季風試驗(MONEX),則研究阿拉伯海到南海地區的冬夏季風活動。通過這些試驗,為熱帶對流雲系的加熱及其參數化提出了不少較為合理的模型,對熱帶邊界層及其參數化也提出了合理的模型,對西南季風活動規律和季風低壓的結構有了進一步了解。這些成果,大大改進了天氣預報,特別是數值預報的方法。此外,對颱風結構的探測,颱風的發生和發展所作的數值模擬及其路徑的預報方法,以及人工影響颱風的方法的研究,使颱風路徑的短期數值預報已達到業務使用的水平。

相關學科

大氣科學、氣候學、物候學、古氣候學、年輪氣候學、大氣化學、動力氣象學、大氣物理學、大氣邊界層物理、雲和降水物理學、雲和降水微物理學、雲動力學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣輻射學、大氣光學、大氣電學、大氣聲學、天氣學、極地氣象學、衛星氣象學、生物氣象學、農業氣象學、森林氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建築氣象學、航海氣象學、航空氣象學、軍事氣象學、空氣污染氣象學

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