第四讲高等天气学ppt课件

1、第四讲第四讲 锋生动力学和锋面锋生动力学和锋面次级环流次级环流丁一汇丁一汇国家气候中心国家气候中心高等天气学系列讲座高等天气学系列讲座2019年春季年春季单元二：中纬度天气系统单元二：中纬度天气系统4.1 4.1 预备知识预备知识所得流场沿所得流场沿x方向伸长，沿方向伸长，沿y方向紧缩。前者称伸长轴，后者称紧缩轴。方向紧缩。前者称伸长轴，后者称紧缩轴。留意：形变和辐合两个量容易混淆，图留意：形变和辐合两个量容易混淆，图4阐明了它们的区别，设两个流体的面积初始时辰一阐明了它们的区别，设两个流体的面积初始时辰一样。皆为一正方形，但一个置于纯辐合场中，另一置入纯伸长形变场，那么前者图样。皆为一正方形

2、，但一个置于纯辐合场中，另一置入纯伸长形变场，那么前者图4a在辐合气流下面积变得越来越小，而后者在辐合气流下面积变得越来越小，而后者4b，面积坚持不变，但变构成一沿伸长轴拉，面积坚持不变，但变构成一沿伸长轴拉长的长方形。在天气分析中，这表现为流线的集合与疏散。长的长方形。在天气分析中，这表现为流线的集合与疏散。图6：上图：作用在x方向的伸长形变，与沿y=x和y=-x线的切变形变。以下图：沿以下图：沿y=x线左右的伸长形线左右的伸长形变与沿变与沿x与与y轴的切变形变。轴的切变形变。实线正方形为置于两种形变场中实线正方形为置于两种形变场中的流体元。后来，前者变生长方的流体元。后来，前者变生长方形，

3、后者变成菱形。实践上上以形，后者变成菱形。实践上上以下图是完全一样的。只是以下图下图是完全一样的。只是以下图是上图反时针旋转是上图反时针旋转45的结果。的结果。图图7给出了一些理想化流体在程度风场上的各种运动学特征之给出了一些理想化流体在程度风场上的各种运动学特征之间的关系，如：间的关系，如：a 无曲率、扩张、伸张或散度的切变气流。从北半球来无曲率、扩张、伸张或散度的切变气流。从北半球来看，图的上半部分的切变和涡度为气旋性；下半部分的切变看，图的上半部分的切变和涡度为气旋性；下半部分的切变和涡度为反气旋性。和涡度为反气旋性。b 整个区域均为具有气旋性切变和曲率即气旋性涡度整个区域均为具有气旋性

4、切变和曲率即气旋性涡度的旋转固体，不存在扩张或伸展，因此其散度为零。的旋转固体，不存在扩张或伸展，因此其散度为零。c 辐射状气流，其速度与半径成正比。该气流具有明显辐射状气流，其速度与半径成正比。该气流具有明显的扩张伸展，因此具有散度；但不存在曲率及切变，因此涡的扩张伸展，因此具有散度；但不存在曲率及切变，因此涡度为零。度为零。d 既存在扩张，又存在伸展的双曲线型流体。由于扩张既存在扩张，又存在伸展的双曲线型流体。由于扩张和伸展因这两项相互抵消，因此是无辐散的。该流体同时还和伸展因这两项相互抵消，因此是无辐散的。该流体同时还存在切变和曲率，但其切变和曲率相互抵消，因此该流体是存在切变和曲率，但

5、其切变和曲率相互抵消，因此该流体是无旋的即涡度为零无旋的即涡度为零6.理想流体运动学的小结理想流体运动学的小结最后给出一个天气学的例子阐明气流变形场的作用。图最后给出一个天气学的例子阐明气流变形场的作用。图8清楚地阐明在伸清楚地阐明在伸长和切变形变的作用下，向下游挪动的气流发生形变的过程。长和切变形变的作用下，向下游挪动的气流发生形变的过程。图图8 左上图为稳定程度风场箭头表示中的空气块网格，任一点的风速与左上图为稳定程度风场箭头表示中的空气块网格，任一点的风速与该点上的等值线间距成反比。该点上的等值线间距成反比。ae给出网格在空气块向气流下游方给出网格在空气块向气流下游方向挪动时形变的过程，

6、其中网格的右上角向东挪动，而其左下角那么向南然向挪动时形变的过程，其中网格的右上角向东挪动，而其左下角那么向南然后向东挪动，这样构成了一个闭合环流。后向东挪动，这样构成了一个闭合环流。Tellus，7，1411561955 引自引自Martin, J.E.， 2019 锋面实际是天气学中出现的第一个比较完好的实际。20世纪初，利用欧洲尤其是北欧较为稠密的地面观测网，皮叶克尼斯V.Bjerknes提出了极锋实际。这个实际对当时的气候学是一个艰苦的突破或革命。 在空间锋面是一个倾斜区，它的垂直厚度普通只12km。锋面的产生可以由不同的动力过程引起，因此在大气中会出现不同类型的锋面，如地面锋、低空锋

7、、高空锋以及其它不同类型的锋面。 地球的旋转也是影响锋面特征以及锋生动力学的一个重要因子。正是由于锋面遭到这种旋转的明显作用经过科氏力而使锋面与其它辐散占优势的许多有关景象重力波、密度流、飑线等而有所区别。 4.2 4.2 锋生函数锋生函数F F 锋面的研讨不但具有实际意义，也具有重要的实践意义。从气候上，地面锋和高空锋经常与中纬的斜压波和气旋有亲密的关系。为了了解气旋的构造和构成，必需从锋面研讨开场。虽然锋面只占斜压波一些区中不大的一部分面积，但它们对非地转环流的无旋部分是最显著的动力强迫因子； 与高空锋区和高空急流带有关的辐散场在中纬气旋构成中起着很重要的作用，它可使低压的地面气压场或质量

8、场发生变化；围绕地面和高空锋区的垂直环流那么是各种中纬云系和降水系统如大范围的斜对流、有组织的垂直对流系统和对流风暴等开展和组织起来的一个重要因子，这对降水和强天气预告有重要意义；此外，高空锋区也是小尺度混合或晴空乱流CAT的主要发生区，这包括重力波、开尔文赫姆霍兹波和一些乱流涡动等。 因此确定和预告高空锋区和急流的位置与强度对于避开危险区保证飞行平安是非常重要的；最后，高空锋区是对流层和平流层之间显著的质量交换区，由此可以了解放射性尘埃、化学痕量物质的保送过程。 锋面的构成叫锋生，而衰减称锋消。在局地坐标系中，当某一属性如温度、涡度、比湿、动量、散度和涡度等在某时辰沿锋面两侧的梯度随时间加大

9、的景象叫局地锋生。 普通我们用位温梯度变化表示锋生函数。在二维锋生条件下，锋生函数可写作：2pdFdt4.100,0()0,dFdtdFdt当时，为锋生当时，为锋生暖暖图图4.1 集合锋生集合锋生(a)与疏散锋消风场对准程度位与疏散锋消风场对准程度位涡场的作用涡场的作用Bluestein，1986图图4.2 倾斜项对垂直位温梯度的作用。倾斜项对垂直位温梯度的作用。(a)锋生，锋生，(b) 锋消锋消Bluestein，1986涡度+-图图4.3 4.3 伸长与紧缩轴取向与等位温线关系的表示图。角伸长与紧缩轴取向与等位温线关系的表示图。角b b与与分别分别是依是依x x轴反时针与顺时针度量。当轴反

10、时针与顺时针度量。当D0D0，x x与伸长轴一致，与伸长轴一致，y y是与紧是与紧缩轴一致。当缩轴一致。当D0D0时，情况相反。时，情况相反。+图图4.5 伸长轴与等温线相对取向与锋生的关系。左：锋生伸长轴与等温线相对取向与锋生的关系。左：锋生0b0；右：锋消；右：锋消45b90，F0取自取自Bluestein, 1986; Pettersen 1956图图4.6 锋生函数各项的垂直剖面图。所取的剖面与锋面正锋生函数各项的垂直剖面图。所取的剖面与锋面正交。虚点线为锋面位置。交。虚点线为锋面位置。a变形项；变形项；b辐合项；辐合项；c倾斜项；倾斜项；d锋生函数上三项之总和。锋生函数上三项之总和。

11、 图4.6a,b,c是位温的变形项、辐合项和倾斜项的计算结果。非绝热项没有计算。可以看到上面三项具有一样的量级。在锋区中，变形和辐合项产生锋生，最大值在近地面层。倾斜项的分布比前两项不规那么一些，由于这一项与垂直速度的程度导数有关，而垂直速度是很难算准的。其主要特征是在近地面上升运动中心之左为锋消，中心之右为锋生。这种近地面的锋消作用趋于与变形和辐合产生的锋生作用抵消。在600hPa上有一锋消最大值，这与该处存在着一个上升运动次极大值有关。图4.6d是三项的总和。可以看到近地面及锋面前方锋生作用很强，而中层是锋消的。 上式中项1，5，9是非绝热项，2，7，12是程度和垂直变形项，3，6，10，

12、11代表程度与垂直切变的作用，项4，8代表垂直运动的分布不均匀的作用，即倾斜项。 最后我们可总结锋生的因子为：1程度变形场。气流在一个方向上伸长，同时在另一个方向收缩；2程度切变运动；3垂直变形场，在一个程度方向上的收缩和伸长可引起补偿的垂直位移；4垂直运动分布的不均匀；5地面摩擦；6乱流和混协作用；7非绝热加热，包括潜热释放，感热加热主要在地面和辐射过程。4.3 锋面的次级环流锋面的次级环流 锋面的次级环流也称锋面垂直环流的研讨是非常重要的，由于这种稳态的主要沿与锋面正交方向垂直环流不仅涉及到锋系的根本动力学问题，而且也是中尺度对流系统，尤其是锋前飑线和中尺度雨带的一种启动机制。剧烈的锋面天

13、气并不是产生在锋面的一切部位上，主要出如今垂直环流圈的上升支。因此只需设法确定了上升支的位置，就可以估计猛烈天气发生的地方。首先这里给出一些由实践观测分析得到的冷锋垂直环流方式。 图图4.7 冷锋方式概略图。虚线代表气旋性相对涡度最大值冷锋方式概略图。虚线代表气旋性相对涡度最大值轴线。虚点线衔接了地面程度温度梯度最大值与地面锋后轴线。虚点线衔接了地面程度温度梯度最大值与地面锋后逆温层的位置。逆温层的位置。 图图4.8 4.8 与华北冷锋有关的垂直环流图。与华北冷锋有关的垂直环流图。a a与强对流天与强对流天气有关；气有关；b b与强暴雨有关。与强暴雨有关。图图4.9 4.9 上滑冷锋气流场分布

14、概略图。细实线是流线，上滑冷锋气流场分布概略图。细实线是流线，J J可分别代表高可分别代表高空急流和低空急流的位置。粗实线代表锋区和对流边境顶层。阴影区空急流和低空急流的位置。粗实线代表锋区和对流边境顶层。阴影区是后倾上升运动区。地面冷锋前对流边境层中的空气相对湿度很高，是后倾上升运动区。地面冷锋前对流边境层中的空气相对湿度很高，当它冲出到冷锋之上时到达饱和。在锋区下方下沉的空气开场是干的。当它冲出到冷锋之上时到达饱和。在锋区下方下沉的空气开场是干的。以后在进入降水区后变成近于饱和。以后在进入降水区后变成近于饱和。 锋面的次级环流可以是热力直接的，也可以是热力间接的。这主要取决于引起次级环流的

15、不同物理因子的相当重要性。因此从动力学上对锋面次级环流进展诊断长期以来就引起人们的注重。实践上锋面次级环流是处于平衡形状的主环流如地转平衡破坏后的必然产物。正如Sawyer和Eliassen曾指出的，程度无辐散的主环流强迫出次级环流，即出现程度速度和垂直速度分量，这是准地转运动的特征。在这种情况下主强迫是经过无辐散变形作用而产生次级垂直环流的。以后这种环流又经过产生次级垂直变形加速或减速锋生速度。因此次级环流问题与锋生动力学是亲密联络在一同的。Sawyer和Eliassen曾得到了锋面次级环流方程，这被称为SawyerEliassen环流方程。以下将详细讨论这个方程以及以后开展和运用的情况。

16、冷暖y-yxT-2 T-1 T0T1半半半牵88图4.10 Bluestein，1993 图4.11 Bluestein，1993 0所以 Q200; 0, 0yxuyvxuxugggg则有图图4.12 Sawyer-Eliassen4.12 Sawyer-Eliassen方程中强迫项和非地转环流方向的概略图。方程中强迫项和非地转环流方向的概略图。实线代表非地转环流，虚线为区分冷暖空气的一条等位温线。带叉号实线代表非地转环流，虚线为区分冷暖空气的一条等位温线。带叉号和带点号的圆圈分别代表进入剖面和流出剖面的沿锋面方向的风分量；和带点号的圆圈分别代表进入剖面和流出剖面的沿锋面方向的风分量；a a

17、中的非地转环流是热力直接的；中的非地转环流是热力直接的；b b中是热力间接的。中是热力间接的。图图4.13 地转形变地转形变Q1上图，地转切上图，地转切变变Q2中图和中图和Q1+Q2以下图以下图强迫的次级环流图强迫的次级环流图6。实线代表流函数单。实线代表流函数单位：位：105m2s-1,虚线代表等位温线。虚线代表等位温线。 图图4.13是是Shapiro计计算的一个北美冷锋算的一个北美冷锋次级环流的例子。次级环流的例子。可以看到可以看到Q1在高空在高空锋附近强迫出一个锋附近强迫出一个热力直接的次级环热力直接的次级环流，在急流中心上流，在急流中心上方的平流层中，有方的平流层中，有一较弱的直接环流。一较弱的直接环流。Q2强迫的次级环流强迫的次级环流与与Q1是反号的，围是反号的，围绕锋区强迫出一热绕锋区强迫出一热力间接的环流。力间接的环流。Q1+Q2=Q强迫出两强迫出两个相反的环流圈，个相反的环流圈，锋区下部为直接的，锋