气旋是指北（南）半球，大气中水平气流呈逆（顺）时针旋转的大型涡旋。气旋中心的气压比四周低，又称低压。气旋与低压是对同一天气系统的不同描述。

气旋是三维空间上的大尺度涡旋，在同一高度上，其中心气压低、四周气压高，是一种近地面气流向内辐合，中心气流上升的天气系统。它在等高面图上表现为闭合等压线所包围的低气压区，在等压面图上表现为闭合等高线所包围的低值区。由于地球自转与科氏力作用，使得气旋在北半球作逆时针旋转，在南半球做顺时针旋转（图2.8）。

气旋实质上是一个由气流垂直运动连接而成的低空辐合、高空辐散的环流系统（图2.9），这也是气旋存在和发展的前提。在低空的某个低压区，气流从四周流向这里，使低压区空气被迫抬升。气流升至高空后又向四周流出。于是，低层大气就会不断地从四周向中心流入以补充上升的空气，高空大气又自动流出，气旋就形成了。

气旋近似于圆形或椭圆形，大小悬殊。小气旋的水平尺度为几百千米，大的可达三、四千千米。根据气旋形成和活动的主要地理区域，可将气旋分为极地气旋、温带气旋、副热带气旋和热带气旋等几类。

极地是地球的冷极，也是大气的冷源，因而在极地低空形成冷性高压，在极地高空则形成冷性低压。极地气旋（极涡）发生于地球两极，是一种持续的、大规模的极地高空冷性大型涡旋系统，宽度为1 000～2 000km。

极涡以极地为活动中心，是大气环流最主要的系统之一。极涡冬季强、夏季弱。北半球极涡形状瘦长，通常有两个中心，一个在加拿大的巴芬岛，而另一个在西伯利亚的东北部。南半球极涡经常位于160°W附近的罗斯冰盖边缘。南极极地涡旋比北极极地涡旋更为显著，持续时间更长。这是因为北半球高纬度的陆地分布产生罗斯贝波有助于极涡崩溃，而南半球极涡受的影响小。极涡崩溃与大气平流层突然增暖有关，极涡崩溃后平流层温度在几天内会增加30℃～50℃。

极涡的位置和活动范围时有变化，尤其冬半年活动演变比较复杂，最长的活动过程达35天之久。极涡闭合中心有时分裂为2个或3个，甚至3个以上，当偏离极地向南移动时，常导致寒潮活动增多、增强。据统计，在10个冬半年影响我国的171次寒潮中，有102次是亚洲上空出现持久极涡，其中6次强寒潮过程都与极涡在亚洲上空的位置明显偏南有关。

北极极涡通常与副热带高压、阻塞高压、季风等环流系统相互配合，在全球天气气候变化中扮演着重要的角色。中国冬季大范围的持续低温与极涡中心的位置有密切的关系。极涡的边缘即为绕极西风急流。研究表明，北极极涡边缘的形态变化影响东北夏季气温，不同的边缘形态对应东北不同的温度分布特征，极涡边缘70°N左右的150°E～180°E和60°W～90°W两个关键区高度场的变化决定着东北夏季气温的变化（卢秉红等，2009）。

通常北极地区为高空强低压控制，相应的冷空气会收缩在北极附近地区，而中纬度相应的气温偏高；反过来，当北极地区高空为高压控制时，极地地区的冷空气就会受挤压向南爆发。在冷气团经过的地区，就会出现强烈的降温和寒潮天气。北极地区气压场与中高纬度气压场的相对变化对北半球很多地区的天气有重要影响。通常用北极涛动描述北极地区大气环流的状况。所谓北极涛动是指北半球中纬度和高纬度气压此消彼长的一种跷跷板现象。35°N和65°N上的标准化纬向平均海平面气压差可作为度量北极涛动变化的指数。北极涛动可分为正位相和负位相（图2.10）。当北极涛动处于负位相时，气压差较正常弱，中纬度的低气压和高纬度的高气压都加强，从而使中纬度地区西风减弱，极地地区和极地外的中高纬地区气压场呈“北高南低”形势，即盛行经向环流，在某些地区的对流层低层产生强的北风异常，将冷空气从较高的纬度输送到较低的纬度，导致中纬度有些地区的地面气温降低。而当北极涛动正位相时，环流相反，这些系统的气压差较正常强，极地地区和极地外的中高纬地区气压场形成“南高北低”形势，限制了极区冷空气向南扩展。

极涡在我国天气气候变化中作用明显。一方面在冬季的寒潮天气过程中极涡对气温的影响至关重要，另一方面极涡活动还可能导致我国南方春季低温冷害天气。严重低温年份2～4月亚洲极涡面积较大，强度偏强，极地的寒冷空气在亚洲的活动范围偏大，而在暖春年极地寒冷空气常盘踞于极地或偏于西半球。极涡与中国很多地区的降水也有一定联系。统计显示，初夏四川盆地多雨年份极涡龟缩在极地附近，干旱年份极涡偏向亚洲大陆副极地。极涡活动对江淮流域夏季降水影响显著，同时对江淮入梅（梅雨期开始的日子）早晚的作用明显。入梅早的年份，其前期冬季只有一个强的极涡并位于格陵兰上空，东亚大槽弱；入梅晚的年份，其前期冬季北半球存在两个极涡，一个位于格陵兰上空；另一个位于西伯利亚上空。就全国范围而言，极涡的局地变异与我国气候异常的联系主要表现在年际时间尺度上，而极涡总面积的变异与我国气候异常的关系主要体现在年代际时间尺度上。当极涡总体一致性收缩时，冬季我国大部分地区的气温都会随之变高，而降水偏多；夏季东北、华北、西南和华南地区气温偏高，降水偏少，而江淮流域气温偏低，降水偏多（张恒德等，2008a）。

2008年出现了北极涛动负位相，冷空气长驱南下，影响到长江流域一带。与其他气候影响因素一起造成了中国北方干旱少雨，而南方雨雪冰冻的天气。其中2008年1月中旬以后，河南、湖北、安徽、江苏、湖南和江西西北部、浙江北部出现大到暴雪；湖南、贵州、安徽南部和江西等地出现冻雨或冰冻天气。这次气象灾害具有范围广、强度大、持续时间长、灾害影响重的特点，很多地区为五十年一遇，部分地区为百年一遇。

2012年冬季北极上空的高压是1950年以来最强的，全球许多地区气温偏低。在欧洲，暴雪严寒的袭击使多地进入紧急状态，部分地区出现百年来最低气温。乌克兰、波兰、罗马尼亚等中东欧国家部分地区最低温度跌破-30℃，法国41个省因大雪或严寒宣布进入警戒状态。持续的严寒天气导致欧洲中东部近300人死亡，还对交通、电力供应及生活造成很大影响。在我国内蒙古、黑龙江部分地区，最低气温跌破-40℃。日本北部持续数周的暴雪引发雪崩，导致至少56人丧生。

尽管极涡对天气气候变化的作用非常明显，但它并非孤立地影响天气气候的变化，而是与其他大气环流因子相互配合，尤其与北大西洋涛动、北极涛动、副热带高压、阻塞高压及季风相互协同。极涡与副热带高压是影响我国天气气候变化的最主要的两个大气环流实体，许多学者将两者联系起来分析它们与大气环流的关系及对气温、降水甚至沙尘暴的影响。两者均增强的趋势是我国冬季气温长期趋势变化及年代际变化的一个直接原因，而它们的强弱是导致江淮地区洪涝灾害或少雨干旱的主要原因，是南方低温冷害的主要影响因子。极涡与阻塞高压同属中、高纬大气环流的重要因子，两者有着密切联系，且在天气气候变化中均有着举足轻重的地位。天气实践分析表明，中、高纬阻塞高压进入极地并持续存在，导致极涡分裂成偶极型，而在冬季，当中纬度阻塞高压进入极地形成极地高压，而后若极地高压向南衰退与西风带上的长波脊相叠加，北半球不少地区有寒潮天气过程爆发。阻塞高压与极涡在冬季寒潮爆发及东亚夏季降水过程中都起着重要的作用，对江淮地区梅雨的影响尤其显著（张恒德等，2008b）。

除此之外，极涡对硝酸、臭氧等化学成分渗吸和输送过程的影响显著。臭氧亏损主要发生在南半球极涡内，在春季达到最强。而化学成分的再分布对极涡有较强的反馈作用。极涡还受到海温、冰雪、植被甚至太阳活动等的影响。

温带气旋，是活跃在温带中纬度地区的天气系统，顾名思义它既有温带的特征又有气旋的特征，又称为“温带低气压”或“锋面气旋”，是一种冷心系统。其尺度一般比热带气旋大，可达几百乃至数千千米（图2.11）。

温带气旋在其结构上表现为:①温带性:冷锋和暖锋并存，高空对应于西风带槽线；②气旋性:冷暖平流气旋性卷入、中心有辐合上升气流。温带气旋随高空偏西气流向东移动，前部为暖锋，后部为冷锋，两者衔接处的波动南侧为暖区。

温带气旋从生成、发展到消亡整个生命史一般为2～6天。一些温带气旋由锋面上的一个波动发展而成。首先在锋面上因某些原因而形成波动，并在波动顶点附近出现一条闭合等压线，此后逐渐发展，形成一个完整的气旋。同一锋面上有时会接连形成2～5个温带气旋，自西向东依次移动前进，称为“气旋族”。

北半球范围内，温带气旋的生成区主要集中在西伯利亚地区和北美东北部。在东亚，温带气旋主要沿40°N～50°N一带移动，蒙古地区是温带气旋发生的高频区域（王新敏，2007）。蒙古气旋在夏季出现频率比较高，冬春秋的位置比较稳定，但是冬季范围明显缩小（张培忠等，1993）。此外在东海和日本海也有两个沿海气旋生成区。活跃在中国的温带气旋，主要有两个较为集中的地带，一个在25°N～35°N，如江淮气旋、东海气旋和台湾气旋等；一个在45°N～55°N，如蒙古气旋、东北气旋、黄河气旋和黄海气旋等（图2.12）。

图2.12　中国气旋类型和路径（http://baike.baidu.com/view/19904.htm）

温带气旋亦可由热带气旋变成。热带气旋在向高纬度地区移动的过程中减弱后又加强的过程称为热带气旋变性。根据地面气压场分布特征可分为两种典型形式:一种是热带气旋在中纬度锋的作用下消失，新的温带气旋在锋面产生；另一种是热带气旋移入锋区并与之合并（陈艳秋等，2007）。例如2005年8月1日在菲律宾以东海面上生成的台风麦莎，行经中国台湾东北之后，在浙江登陆，并继续北上至江苏及山东，9日转化为温带气旋（图2.13）。台风变性的原因是西北侧弱冷空气随着“麦莎”环流由北向南旋转，又从“麦莎”中心偏南侧向北侵入，伴随“麦莎”环流上、下层大气的混合，冷空气最终破坏“麦莎”的暖心结构，使其发生变性（狄利华等，2008）。“麦莎”经过途中出现大风、暴雨，造成洪涝、山地灾害等，在中国大陆造成3 064.2万人受灾，20人死亡，直接经济损失达人民币177.1亿元。

温带气旋对中高纬度地区的天气变化有着重要的影响。温带气旋经过时多风雨天气，有时伴有暴雨或强对流天气，有时近地面最大风力可达10级以上。春季蒙古气旋与中国北方沙尘暴有密切的关系。沙尘暴发生区域基本上与大风区相对应，主要分布在蒙古气旋中心附近或气旋外围的偏南象限。两者发生日数有比较一致的多年变化趋势（王新敏，2007）。

在沿海地区，由热带气旋（台风、飓风）、温带气旋（寒流）扰动引起海面异常升高的现象，称为风暴潮。风暴潮的空间范围一般几十千米至上千千米，时间尺度或周期约为1～100小时，有时一次风暴潮过程可影响一两千千米的海岸区域，影响时间长达数天之久。如果风暴潮恰好与天文高潮相叠，往往酿成巨大灾难。

在北美，温带气旋是与冷气团有关的大尺度冬季风暴。在大西洋沿岸地区由冬季风暴造成的累计损失超过飓风。因为冬季风暴发生的频率更高，并且持续几天的时间，而飓风发生频率低，且只持续几个小时。虽然五大湖地区不受飓风的影响，但是冬季风暴会造成该地区严重的土地损失。在大西洋沿岸海湾地区，从11月份到翌年的4月份，与锋面相伴的风暴每周或每数十天发生一次。这些风暴像抽吸泵一样导致水位的快速变化和海水入侵。在冷锋过境之前，低压产生很强的向岸风，引起沿岸水位增长，冷锋过后强的离岸风将沿岸水驱走。这样频繁的水位和海浪振荡对堰洲岛、大陆和海湾都造成侵蚀。1962年3月一场代号为“圣灰星期三”的风暴与风暴潮同时发生，持续了将近36个小时，狂风巨浪造成了从新英格兰到佛罗里达的东部沿海地区的洪水和海岸侵蚀。

我国是世界上台风风暴潮和温带气旋风暴潮发生频率较高的国家之一。温带气旋风暴潮往往发生在春秋过渡季节，对我国北方沿海，尤其是渤海湾和莱州湾影响较大。2003年10月渤海湾、莱州湾沿岸发生了1992年以来最强的一次温带气旋风暴潮，在天津、河北、山东地区造成的直接经济损失近6亿元，其中河北沧州地区的经济损失占了一半。渤海中部2艘较大货轮沉没，44人遇难。2007年3月渤海湾、莱州湾出现1969年以来最强的一次温带风暴潮过程。受其影响，辽宁省、河北省、天津市、山东省和江苏北部沿海出现4～6m的巨浪和狂浪，多数船只被损坏，防潮堤被摧毁，对海滨建筑物和海洋作业、港口生产及沿海居民生活造成极大的威胁。

副热带气旋是发生在副热带（15°N～35°N）对流层中层（700～500hPa）的一种气旋，故又称之为中层气旋（图2.14）。它不同于锋面性质的温带气旋，也不同于暖中心结构的热带气旋。它具有冷中心性质，形成于西风带中。中心为一个半径约150km的少云、微风的眼区，周围是大约宽300km的云区和降水带。它多半于冬末和春初出现于太平洋中部和大西洋中部，并带来降水。如夏威夷群岛的年降水量有一半就是来自此类气旋的降水。当西风带低压槽南伸到副热带纬度时，其南端常被切断，形成一个闭合的气旋式涡旋，即为副热带气旋。副热带气旋也出现在西南季风区中，如阿拉伯海西北部、孟加拉湾北部、中南半岛南部和南海地区。

由于副热带气旋既受东风气流的影响，也受西风气流的影响，所以它的移动路径很不规则，向各个方向移动的可能性都有，并有可能在某区域内打转，预报比较困难。

热带气旋是发生在热带、亚热带海面上的气旋，是由水蒸气冷却凝固时释放潜热发展而成的具有暖心结构的系统。在北半球，热带气旋沿逆时针方向旋转，在南半球则以顺时针旋转。

不同的地区习对热带气旋有不同的称呼习惯。西太平洋沿岸的中国大陆、中国台湾、日本、越南、菲律宾等地，习惯上将影响当地的热带气旋称为台风。而在北大西洋及东太平洋地区则习惯称其为飓风。其他地方对热带气旋亦有不同称呼，在澳大利亚，被称为“威力—威力”。在气象学上，只有风速达到某一程度的热带气旋才会被冠以“台风”、“飓风”等名字。按世界气象组织规定:近中心最大风力小于8级的热带气旋称为热带低压、在8～9级之间的称热带风暴、在10～11级之间的称热带风暴、在12级（即32.7m/s或以上）以上的称台风。

热带气旋是一个由云、风和雷暴组成的巨型旋转系统。热带气旋形成的因素包括一个预先存在的天气扰动、高水温、湿润的空气、高空风速相对较低。如果适合的环境持续，热带气旋就能够吸收大量的能量，而启动它的正反馈机制。即高空水汽冷却凝结后释放热量，其中一部分热量转化为动能，造成了热带气旋附近的高风速。高风速和它导致的低气压使得蒸发增加，继而使更多的水汽凝结释放热量，这些热量又驱动上升气流加强，使风暴云层的高度上升，进一步加快能量的凝结释放。热带气旋就可能形成了。

一般认为热带气旋的生成须具备6个条件:①水的表面温度不低于26.5℃，且水深大于50m。这个温度的海水能造成上层大气足够的不稳定，因而能维持对流和雷暴。②大气温度随高度迅速降低。这使得潜热被释放，而这些潜热是热带气旋的能量来源。③潮湿的空气，尤其在对流层的中下层。大气湿润有利于天气扰动的形成。中对流层的大气不能太干燥，相对湿度必须大于40%～50%。④在离赤道超过5个纬度的地区生成。否则科氏力的强度不足以使吹向低压中心的风偏转并围绕其转动，环流中心便不能形成。⑤垂直风切变不能太强。如果垂直风切变过强，热带气旋对流的发展会被阻碍，使其正反馈机制不能启动。⑥一个预先存在的且拥有环流及低压中心的天气扰动。

太平洋上热带气旋一年四季皆可形成，我国是受热带气旋影响最多的国家，但7、8、9三个月生成最多且对中国影响最大，称7、8、9三个月为台风季节。登陆我国的热带气旋主要发生在5～11月，其中7～9月为盛期。每年在我国登陆的热带气旋平均有7～9个，最少年份（1982年）有4个，最多年份有15个（1952年）。在典型的厄尔尼诺年，登陆我国的热带气旋较少（王晓玲和任福民，2008）。热带气旋降水量以及热带气旋暴雨日数最大出现在海南和华南、东南沿海地区（程正泉等，2007）。

西北太平洋地区，是全世界热带气旋发生次数最多、强度最大的海域。菲律宾以东洋面是全球热带气旋生成最多的地方。热带气旋在西北太平洋生成后，一般有下列移动路径:

（1）向西北方向移动。沿此路径移动的热带气旋对我国台湾、广东和福建影响最大。如果台风的起点纬度较高，就会穿过琉球群岛，在我国浙江、上海、江苏一带沿海登陆，甚至到达山东、辽宁一带。例如2011年第9号台风“梅花”于7月28日14时在菲律宾以东洋面生成后，最初的5天内基本向偏北方向移动，后强度增强，西行分量加大，并逐渐转向西北方向移动（图2.15），对华东沿海省市的天气造成严重影响。

（2）西行路径。台风向偏西方向移动，穿越菲律宾进入中国南海海区，在海南、北部湾或者越南一带登陆。例如2013年第30号台风“海燕”11月4日在西北太平洋生成后，以强有力的态势一路向西挺进，于8日以超强台风等级登陆菲律宾中部莱特岛北部沿海，横穿菲律宾中部地区后，夜间进入南海东南部海域。11日以台风级别在越南北部广宁省沿海登陆（图2.16）。“海燕”是新中国成立以来11月份登陆或擦过海南的最强台风。“海燕”登陆菲律宾前后的最大风速达到75m/s，造成巨大经济损失和人员伤亡。“海燕”与1983年第10号台风“弗雷斯特”和1990年第25号台风“麦克”并列为1981年以来西北太平洋上最强台风，其“强度强、移动速度快及路径曲折北翘东折”均是历史上极为少有的。

（3）各种异常路径。1986年的第16号台风“韦恩”是南海台风路径多变的最好典例。它在南海北部生成之后，先逆时针绕了一个圈，然后沿西北方向直奔广东，在靠近广东的时候突然拐弯，顺着华南沿海绕行至台湾西面后登陆，后斜穿台湾从东面入海，在海上掉了个头后，又穿过巴士海峡回到南海。在南海顺时针、逆时针行进各一圈后，突然加速登陆雷州半岛，然后穿过北部湾，在移近缅甸北部之后消散（图2.17）。这个台风生命期长达20天，是目前西太平洋最长寿的台风之一。它也是第一个从台湾西岸中部登陆的台风，并在登陆台湾之后，曾一度减弱为热带低压，其后又再次发展到台风级别。

（4）抛物线路径（西北转东北路径）。台风不在中国大陆登陆，而是以抛物线形的轨迹穿越中国东海，向朝鲜半岛、日本方向移去，最终变性为温带气旋。2007年第5号台风“天兔”由7月28日在硫磺岛东南偏东约1 440km的一个热带低气压生成（图2.18）。该热带低气压于7月29日增强为热带风暴，翌日进一步增强为强热带风暴并转向西北移动，7月31日增强为台风，于8月2日在日本九州登陆后，逐渐减弱为热带风暴，最后转化为温带气旋。

强烈的热带气旋具有巨大的破坏力，在海上的热带气旋会引起滔天巨浪，狂风暴雨。有时会令船只沉没，影响国际航运。热带气旋登陆后造成的直接灾害和间接灾害也很严重。2005年8月吹袭美国新奥尔良的飓风卡特里娜就造成1 800多人死亡，810亿美元的经济损失。但是热带气旋也为干旱地区带来了重要的雨水，很多地区年降雨量中的重要部分都是来自热带气旋。例如东北太平洋的热带气旋为干旱的墨西哥和美国西南地区带来雨水，日本全年近一半的降雨量来自热带气旋。

热带气旋亦是影响全球热量和动量平衡分布的一个重要机制。热带气旋把太阳投射到热带转化成海水热量的能量，带到中纬度及接近极地的地区。天气尺度的台风是大气中很强的动能源，因而台风对大气环流的变化和维持应有重要的影响，这个问题已经引起了人们的注意。

当热带气旋登陆后，或者当热带气旋移到温度较低的洋面上，便会因为失去温暖、潮湿的空气供应能量，而减弱消散，或失去热带气旋的特性，转化为温带气旋。

2.4.2 气旋

2.4.2　气旋