天氣系統

對天氣形成具有重要影響的流場、氣壓場、温度場和濕度場上的特定系統， 或特定天氣現象。在流場上有波、氣旋、反氣旋、切變線、輻合帶、颱風、急流、颮線、龍捲等; 在氣壓場上有低壓、高壓、低壓槽、高壓脊等; 在温度場上有氣團、鋒等;在濕度場上有幹區、濕舌、露點鋒等; 諸氣象要素場相結合的有冷高壓、熱低壓、冷槽、暖脊、能量鋒等;特定天氣現象的天氣系統有雷暴、雹暴、雲團等。 ^[1] 

另一種定義是按照氣象要素的空間分佈而劃分的具有典型特徵的大氣運動系統（通常指氣壓空間分佈所組成的系統），如高(氣)壓、低(氣)壓、高壓脊、低壓槽等。有時指風分佈的系統，如氣旋環流、反氣旋環流、切變線等。有時指温度分佈的系統，如高温區、低温區、鋒區等。有時指天氣現象分佈的系統，如雷暴、熱帶雲團等。這一要素系統同另一要素系統之間常常有一定的配置關係。

氣壓系統和風場之間的關係較好：低壓和氣旋環流相配置，有時稱為低壓,有時稱為氣旋；高壓和反氣旋相配置，有時稱為高壓，有時稱為反氣旋。氣壓系統和温度系統也常呈一定配置關係。如：低壓和低温區相配置，稱為冷低壓或冷渦；低壓和高温區相配置，稱為熱低壓。氣壓系統還可同天氣現象存在一定配置關係，如雷暴和(小)高壓配置，稱為雷暴高壓。天氣系統可以通過各種天氣圖和衞星雲圖等分析工具分析出來。

各類天氣系統有一定的特徵尺度。空間尺度主要以天氣系統的水平尺度的大小來衡量，水平尺度係指天氣系統的波長或擾動直徑；時間尺度以天氣系統的生命史的時間長短來衡量，生命史係指天氣系統由新生到消亡的生消過程。一般天氣系統的水平尺度越大，其時間尺度也越長。

在20世紀40年代以前，地面觀測站平均距離約為200～300公里，以此站距觀測所得的資料分析出來的高、低壓系統，稱為天氣系統，21世紀來稱為天氣尺度天氣系統。20世紀40年代，發展了高空氣象觀測（平均站距約為500公里），把從高空天氣圖上發現的、波長與地球半徑相當的波動，稱為行星尺度天氣系統。

50年代前後，在研究對流性災害天氣時，發現了許多水平範圍為一二百公里、幾十公里甚至幾公里的高、低壓系統，統稱為中小尺度天氣系統。分析這類系統，必須建立稠密的觀測網，比如在美國有所謂的α、β和γ觀測網，站距分別約為50公里、8公里和2.5公里。到了70年代，用300～400公里格距進行數值天氣預報時，往往因這種格距太大而分析不出一些具有對流性天氣的系統，影響了預報效果。當格距縮小到100～200公里時，即可分析出來，後來就稱這類尺度的系統為中間尺度天氣系統。

大氣中各類天氣系統的特徵尺度相差很大，有大至上萬公里的，如超長波、副熱帶高壓，也有小至幾百米的,如龍捲。按特徵尺度大致可分為五類，即：行星尺度天氣系統、天氣尺度天氣系統、中間尺度天氣系統、中尺度天氣系統和小尺度天氣系統。天氣系統的分類在國際上也不完全統一。

各類天氣系統的空間尺度（水平的和鉛直的）和時間尺度，以及特徵的水平風速,都是根據實際觀測確定的。但有些量到21世紀初還無法直接觀測，只能按大氣動力方程進行計算。在進行數值計算時，要選擇適當的空間格距，其大小由系統的特徵尺度決定，這就是所謂的尺度效應。比如天氣系統的特徵鉛直運動速度，可以根據連續方程由水平尺度和特徵水平風速推算出來。各類天氣系統的鉛直運動速度有一定的特徵數值，如行星尺度天氣系統為10-1釐米/秒，天氣尺度天氣系統為10°釐米/秒，小尺度天氣系統的鉛直速度約為天氣尺度天氣系統100倍，即102釐米/秒。

自40年代末期出現尺度分析方法以後，人們常常將完全的運動方程，按照各類天氣系統的特徵尺度進行簡化，研究各類系統大氣運動的規律以及系統的移動。如研究天氣尺度天氣系統可以應用準地轉平衡近似和靜力學關係，而中小尺度天氣系統則不滿足地轉平衡和靜力平衡。

按照水平範圍的大小和生存時間的長短， 可將天氣系統分為不同的尺度。尺度劃分的標準無統一規定。

一般水平範圍10公里左右的天氣系統叫小尺度天氣系統(龍捲、對流單體等)， 生存時間為幾分鐘到幾小時。幾十到500公里的叫中尺度天氣系統(強雷暴、颮線、海陸風等)，生存時間為幾小時到十幾小時。500～3000公里的叫天氣尺度天氣系統(鋒、氣旋、反氣旋、颱風等)，生存時間為一天到幾天。3000～10000公里的叫長波天氣系統( 阻塞高壓、副熱帶高壓等)，生存時間為幾天到十幾天。10000公里以上的叫超長波天氣系統， 生存時間為10天以上。有時把等於及大於天氣尺度的天氣系統統稱為大尺度天氣系統。各種不同尺度的天氣系統有其不同的特性，他們之間是互相聯繫、互相制約的，也可互相轉化。通過對不同天氣系統的特徵及其相互關係的分析，來認識天氣現象演變的規律，據以製作天氣預報。 ^[1] 

在高空天氣圖上，也有按整個緯圈的波數來劃分天氣系統的，通常把波數為1～3的波動稱為超長波，波數為4～8的波動稱為長波，它們都屬於行星尺度天氣系統，波數大於8的波動稱為短波，相當於天氣尺度天氣系統或更小尺度的天氣系統。

小系統往往在大系統孕育下發展，小系統成長壯大後又給大系統以反作用。各類天氣系統都在一定地理環境中形成和發展，具有一定地理環境特徵。如高緯地區終年嚴寒乾燥，則是極地低層冷高壓和高空極渦形成的必要條件;低緯地區終年高温潮濕，是對流性天氣系統發展的基礎;中緯地區冷、暖氣團交綏，則有利於鋒面、氣旋的形成與發展。因此，常握天氣系統結構及其變化規律對預報天氣變化和認識氣候的形態與特點都是極其重要的。在天氣預報中通過對於各種系統的預報，可以大致預報未來一段時間內的天氣變化。許多天氣系統的組合，構成大範圍的天氣形勢，構成半球甚至全球的大氣環流。 ^[2] 

天氣系統總是處在不斷地新生、發展和消亡之中。各種天氣系統有不同的生消條件和能量來源。即使特徵尺度同屬一類的系統，其生消條件和能量來源也有所不同。比如温帶氣旋的發展條件，主要由其上空渦度平流所引起的空氣輻散的強弱決定，其能量來源於大氣的斜壓性所儲存的有效勢能。颱風的發生和維持是由於熱帶擾動的潛熱釋放，而潛熱的釋放同熱帶大氣的位勢不穩定和對流不穩定有關,其能量主要來源於海洋供給的水汽,在凝結過程中釋放的潛熱。

強對流性的中小尺度天氣系統，主要是由於位勢不穩定空氣受到急劇抬升而發展起來的，其能量也是來源於潛熱釋放。再者，天氣系統往往不是閉合的，一個系統的空氣經常不停地與周圍系統的空氣發生交換，隨着這種交換，系統與系統之間的動量、能量等進行交換，從而引起系統的生消以及系統之間的相互作用。

一般來説，大的天氣系統制約並孕育着小的天氣系統的發生和發展，小的天氣系統產生後又能對大的天氣系統的維持和加強起反饋作用。研究天氣系統生消的條件和能量來源，以及研究系統之間的相互作用是天氣學的主要任務之一。天氣系統與大氣環流之間，不僅在流型上有關聯，而且存在着內在的聯繫。如大尺度天氣系統的活動，通過熱量、動量的南北輸送以及能量的轉換，對於大氣環流的維持起着重要作用。而大氣環流的熱力狀況和基本風系的特點，如西風氣流的水平變化和垂直變化等，又反過來制約着大尺度天氣系統，直接影響着大尺度天氣系統的發展。

天氣系統組合的演變，如緯向環流的恢復,波動羣速的傳播，以及行星尺度天氣系統的發展等，可以導致相當廣泛地區甚至全球範圍大氣環流的變化。大氣環流的變化又是造成大範圍長時期天氣變化的條件和機制。從事短期天氣預報，可以主要考慮單一的天氣系統的變化，而從事中期、長期天氣預報則需要研究天氣系統組合的演變規律，需要研究超長波以至整個大氣環流的演變規律。