高等天气学讲座---锋生动力学和锋面次级环流课件

1、高等天气学讲座（2017年春季）单元二：中纬度天气系统第四讲 锋生动力学和锋面次级环流1 复习和预备知识一、空气运动学的基本变量（2a）与（2b）两式可据上定义改写为(3a)(3b)(3b)图 4.2 纯正辐散场图4.3纯正伸长变形场（D1=1）。黑实线是流线注意：形变和辐合两个量容易混淆，图4.4A说明了它们的区别，设两个流体的面积初始时刻相同。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，则前者（图4.4A（a）在辐合气流下面积变得越来越小，而后者（4.4A（b），面积保持不变，但变形成一沿伸长轴拉长的长方形。在天气分析中，这表现为流线的汇合与疏散。图4.4A变形场（b）与辐合

2、场（a）的比较图4.4B变形场气流中等熵线（）的演变。黑线为流线，虚线为等熵（）线。（a）初始时刻；（b）后来时刻；（c）,（d）是平行于伸长轴情况图4.5 纯正切变形变场（D2=1）图4.6：上图：作用在x方向的伸长形变，与沿y=x和y=-x线作用的切变形变。下图：沿y=x线作用的伸长形变与沿x与y轴的切变形变。实线正方形为置于两种形变场中的流体元。后来，前者变成长方形，后者变成菱形。实际上，上下图（虚线）是完全相同的。只是下图是上图反时针旋转45的结果。图4.6比较了切变形变场和伸长场对流体有相同的作用。可见，纵使两种纯变形的风场在物理上相当，且都有切变和伸长形变，但在图4.6上图D10，

3、D2=0，而图4.6下图中D1=0，D20。在顶部风场中，沿x轴是伸长，离x轴+45方向有切变，在下图中沿离x轴+45 方向有伸长，而只沿X与y轴有切变（Bluestein，1993）图4.7给出了一些理想化流体在水平风场上的各种运动学特征之间的关系，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。（b）整个区域均为具有气旋性切变和曲率（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。（c）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，因此涡度为零。（

4、d）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，因而是无辐散的。该流体同时还存在切变和曲率，但 其切变和曲率相互抵消，因此该流体是无旋的（即涡度为零）6.理想流体运动学的小结图4.7 理想化水平流体配置。（大气科学2008）最后给出一个天气学的例子说明气流变形场的作用。图4.8清楚地说明在伸长和切变形变的作用下，向下游移动的气流发生形变的过程。图4.8 左上图为稳定水平风场（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。（a）（e）给出网格在空气块向气流下游方向移动时形变的过程，其中网格的右上角向东移动，而其左下角则向南然后向东移动，这样形成了一

5、个闭合环流。（Tellus，7，141156（1955） （引自Martin, J.E.， 2006）二、锋面引起的地面天气和冷暖空气分布(图4.9-4.13）1、冷锋引起的地面天气和冷暖空气分布（图4.9）冷锋图4.10 冷锋过境时高分辨率（1分钟）自动气象站记录到的气象变量演变曲线。注意：温度，露点，地面气压，风向，风速在锋面过境时（2003年3月4日2306UTC）有突然的转变。 （美国Oklahoma城站，NOAA，2012） 2、暖锋引起的地面天气和冷暖气流分布（图4.11）暖锋图4.12暖锋过境时的自记记录（2002年1月231700-241700UTC），美国Athens 站。（

6、取自Ackerman and Knox,2012)图4.13挪威学派的锢囚锋模式。此时冷锋移动比暖锋快。冷锋的冷气团可以比暖锋前的气团冷或暖，前者为冷性锢囚锋（左），后者为暖性锢囚锋（右）。最近的研究表明，锢囚锋实际上在更稳定的气团上倾斜，不一定是更冷的气团 （以上取自Acherman and Knox，2012）。典型冷暖锋过程时气象要素的变化（ A &K，2012）3、锋面特征小结（1）根据锋面的气团边界定义，具有增强的温度与（或）水汽水平梯度；（2）沿锋区具有气压槽和气旋性涡度最大值；（3）强的风垂直切变和水平风在气压槽两侧具有明显变化；（4）锋区内静力稳定度大（5）锋区附近存在上升运动

7、，云和降水；（6）近地面最强，随高度减弱；（7）锋区伴有中纬急流（如极锋气流）；（8）响应锋区热成风平衡的破坏，产生横交锋区的非地转环流，这是降雨和云 雨带产生的原因；（9）锋区的长度一般为1000km，宽度为100km，由于它接近于Rossby 变形半径 （天气尺度为1000km），所以锋面在某种意义上具有中尺度和天气尺度的 两种特征。因而，准地转理论不再正式适用正交锋面的垂直环流研究，须 用半地转理论的GM近似（地转动量近似）锋面理论是天气学中出现的第一个比较完整的理论。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）提出了极锋理论。这个理论对当时的气

8、象学是一个重大的突破或革命。 在空间，锋面是一个倾斜区，它的垂直厚度一般只12km。锋面的产生可以由不同的动力过程引起，因而在大气中会出现不同类型的锋面，如地面锋、低空锋、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。正是由于锋面受到这种旋转的明显作用（通过科氏力）而使锋面与其它辐散占优势的许多有关现象（重力波、密度流、飑线等）而有所区别。 2 锋生函数（F）锋面的研究不但具有理论意义，也具有重要的实际意义。从气象上，地面锋和高空锋常常与中纬的斜压波和气旋有密切的关系。为了了解气旋的结构和形成，必须从锋面研究开始。虽然锋面只占斜压波区中不大的一部分面积

9、，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形成中起着很重要的作用，它可使低压的地面气压场或质量场发生变化；围绕地面和高空锋区的垂直环流则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）发展和组织起来的一个重要因子，这对降水和强天气预报有重要意义；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。 因而确定和预报高空锋区和急流的位置与强度对于避开危险区保证飞行安全是十分重要的；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

10、、化学痕量物质的输送过程。 锋面的形成叫锋生，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）在某时刻沿锋面两侧的梯度随时间加大的现象叫局地锋生。 一般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：（4.1）锋面定义中的问题虽然锋或锋面的存在是被观测(尤其是卫星时代以后)完全证实，但对锋由什么因素组成，如何确定和分析锋仍有争议。大部分气象科学家（如Hoskins，1992）认为，试图给锋下一个严格的定义可能是一个错误。从科学上讲，这种认识也有一定道理，但在实际天气和预报业务中确实需要一个可用的锋的定义。这有助于预报员更集中地考察天气的分布与

11、演变及其与高低气流场的关系。锋的最常用的定义是：水平温度或位温梯度的增强区。所谓“增强”是指比通常的天气尺度温度梯度大一个量级。如有人把中等强度的锋定义为8 /220km，强锋定义为8 /110km.应该指出，锋面分析的检验结果表明，一大部分的强温度梯度并非是锋面。所以， 除强温度梯度外，还需增加一个条件：它们需是斜压区，并在其暖空气侧应表现为强气旋性风（图4.14）。也有人简单地定义锋为气团的边界，但这易于与干线相混，干线也是气团的边界（干、湿气团），但它只表现为湿度差，所以不是一般意义上的锋（温度差）。因此，后来修改为两种具有不同密度的气团间界面或过度区域，但这需要引入密度或密度变量（如虚

12、温）。这也会引起应用的不便和问题。所以一个严格的，共同使用的锋面定义是不存在的。更常用的定义是根据地面温度场分析而得到的强水平温度区。（e）图4.14 北美2009年11月0000UTC 锋面个例。（a）海平面气压和锋面客观分析。虚线为（d）中剖面的剖线。（b）1000hPa相当位温（e）等值线分析（间隔2k），（c）950hPa相对涡度场（阴影间隔：210-5秒-1，开始线代表410-4秒-1 ），（d）正交于峰面的风与位温（）空间剖面（间隔5k）（e）：沿冷锋理想的等温线与等压线分布（Lackmann，2012，下同）图4.1（b）。图4.15（a），也见图4.16。，(4.2)图4.15

13、 汇合（锋生）(a)与疏散（锋消）风场对准水平位涡场的作用 （Bluestein，1986）图4.16（A） 近地面风向量（黑箭头），等温线（红虚线），与锋区的概略图。（a）初始时刻；（b）24hr 之后，表示冷锋区的切变过程（B），同（A） 但表示暖锋区的切变过程（C），同4.16（A） 但代表汇合项引起的锋生（A）（B）（C）AB（图4.17-18），如地面冷锋很浅薄，且暖空气位于其上见图19,20认图4.17 倾斜项对垂直位温梯度的作用。(a)锋生，(b) 锋消 （Bluestein，1986）图4.18，说明倾斜项作用的理想图。虚线为线，红箭头为垂直运动。（a）初值时刻；（b）后来时刻

14、（Carlson，1998）图4.19，不同太阳辐射加热引起的锋生作用。虚线为等温线，灰色阴影为云区。（a）初值时刻，（b）后来时刻（Carlson，1998）图4.20 Q向量表征的主地转环流的汇合锋生作用，产生上升运动。虚线为线，红箭头为水平向量，粗箭头和黑点代表Q向量。（a）初始时刻；（b）后来时刻；（c）产生的非地转环流减小温度梯度，与地转环流造成的锋生作用相反，以平衡主地转环流。图4.20（c）4.20（a）4.20（c）由Q向量可得到锋面的垂直环流)，(4.9)+图4.21 伸长与压缩轴取向与等位温线关系的示意图。角b与分别是依x轴反时针与顺时针度量。当D0，x与伸长轴一致，y是与

15、压缩轴一致。当D0时，情况相反。,（图4.21）（图4.22-4.23）；,图4.22图4.23 伸长轴与等温线相对取向与锋生的关系。左：锋生（0b0；右：锋消（45b90），F0（取自Bluestein, 1986; Pettersen 1956）密集下面我们讨论三维锋生与锋生因子的总结。之后，再根据二维锋生模式与北美的一个锋生个例计算不同因子造成的锋生函数，从而可以了解各种锋生因子在实际锋生中的作用00或（4.3）与（4.11）是（4.16）式的特例三维0F上式中项1，5，9是非绝热项，2，7，12是水平和垂直变形项，3，6，10，11代表水平与垂直切变的作用，项4，8代表垂直运动的分布不

16、均匀的作用，即倾斜项。最后我们可总结锋生的因子为：（1）水平变形场。气流在一个方向上伸长，同时在另一个方向收缩；（2）水平切变运动；（3）垂直变形场，在一个水平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）乱流和混合作用；（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。集上式中： (4.13) 是变形项，其中 是伸长变形， 是x轴（东西方向）与伸长轴之间的夹角，它可由下式计算： （4.14）由式（4.13）和（4.14）可得： （4.15）因而变形项的量值是以伸长和切变变形为分量的向量长度。伸长轴是正x轴与此向量夹角的平分线。方程（

17、3.16）各项的意义为：非绝热项 变形项 辐合项 倾斜项 式中角为伸长轴至属性等值线的角度。D是水平散度。图4.24 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。（a）变形项；（b）辐合项；（c）倾斜项；（d）锋生函数（上三项之总和）。 图4.24a,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相同的量级。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则一些，因为这一项与垂直速度的水平导数有关，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

18、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4.24d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。3 锋面的次级环流（图4.25-4.27） 锋面的次级环流（也称锋面垂直环流）的研究是十分重要的，因为这种稳态的（主要沿与锋面正交方向）垂直环流不仅涉及到锋系的基本动力学问题，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。强烈的锋面天气并不是产生在锋面的所有部位上，主要出现在垂直环流圈的上升支。因而只要设法确定了上升支的位置，就可以估计剧烈天气发生的地方。首先这里给出一些由实际观测分析得到的冷锋

19、垂直环流模式。 图4.25 冷锋模式概略图。虚线代表气旋性相对涡度最大值轴线。虚点线连接了地面水平温度梯度最大值与地面锋后逆温层的位置。 图4.26 与华北冷锋有关的垂直环流图。（a）与强对流天气有关；（b）与强暴雨有关。图4.27 上滑冷锋气流场分布概略图。细实线是流线，J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界顶层。阴影区是后倾上升运动区。地面冷锋前对流边界层中的空气相对湿度很高，当它冲出到冷锋之上时达到饱和。在锋区下方下沉的空气开始是干的。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不同物理因子的相对重

20、要性。因而从动力学上对锋面次级环流进行诊断长期以来就引起人们的重视。实际上锋面次级环流是处于平衡状态的主环流（如地转平衡）破坏后的必然产物。正如Sawyer和Eliassen曾指出的，水平无辐散的主环流强迫出次级环流，即出现水平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通过无辐散变形作用而产生次级垂直环流的。以后这种环流又通过产生次级垂直变形加速或减速锋生速度。因而次级环流问题与锋生动力学是密切联系在一起的。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发展和应用的情况。 冷暖y-yxT-

21、2T0T1（1）坐标旋转90:x 沿等线或锋面，而y指向冷空气图4.28 沿锋面正交锋面应引入半地转理论风无系统增加或其增加值比地转风增加远小得多即地转动量近似）非地转环流只限于出现在于锋面正交（横向）的平面内。这种近似关系描述了正交与锋面的平面中科氏力和气压梯度的近于平衡状态，实际上是地转动量的一种特例非地转平流近似可写为：准地转对于一条东西取向的平直锋区，上述近似关系意味着： (4.17a) (4.17b) (4.17c)这种关系是由锋面的几何特征造成的，也即正交于锋面的长度尺度和速度分量远小于沿锋面的尺度和速度分量。取x轴平行锋区，布辛内斯克近似、假定科氏参数不随纬度变化（f平面）和 ,

22、则运动方程和热力学方程分别为：,(4.18a)(4.18b)(4.18c)(4.18d)(4.18e)(4.18f)(4.18g)方程（4.18a）和（4.18b）分别为沿锋面和正交于锋面的动量方程。（4.18c）是热力学方程。（4.18d）是地转风方程及 很小条件下地转风的水平无辐散特征。（4.18e）是热成风方程，（4.18f）是质量连续方程，它可由（4.17c）式和f常数的假设得到。 是非地转流函数， 和是(y,p)平面中次级环流的速度分量。对（4.18a）取 ，对（4.18c）取 ，对（4.18a）（4.18c）取 ，并代入(4.18f），忽略r之垂直导数（布辛内斯克流），可得： (4

23、.19a) (4.19b) (4.19c) (4.19d)上方程左边与Sawyer的结果相同，右边Sawyer没有考虑位温沿锋面的变化，即Q中之 或 ，但这项以后由Eliassen考虑了进来。故方程（4.21）称为SawyerEliassen方程。如果假定m和以及（4.21）式右边的强迫项已知，边条件规定并在(y,p)域内处处满足椭圆性条件： （4.22）则可以唯一地确定出 的分布。 是p坐标系中的Ertel位涡。方程（4.21）中Q强迫项由两项组成。由（4.18d）和（4.18e）Q可写成：上式中故 是地转伸长形变，代表地转汇合（或疏散） 对加强（或减弱）正交于锋面温度梯度 的作用。 是地转

24、切变项，代表正交于锋面的地转风切变 在沿锋面的温度梯度 旋转成正交于锋面方面的作用。强迫的次级环流是由于正交于锋面的温度梯度有地转伸长和切变形变才出现的（图4.29-4.30）。图4.29 Bluestein，1993 图4.30 Bluestein，1993 （图4.29-4.30）（图4.29）锋图4.304.31a）4.31b）图4.31 Sawyer-Eliassen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）中的非地转环流是热力直接的；（b）中是热力间接的。图4.

25、32 地转形变（Q1）（上图），地转切变（Q2）（中图）和（Q1+Q2）（下图）强迫的次级环流图。实线代表流函数（单位：105m2s-1）,虚线代表等位温线。 图4.32是Shapiro计算的一个北美冷锋次级环流的例子。可以看到Q1在高空锋附近强迫出一个热力直接的次级环流，在急流中心上方的平流层中，有一较弱的直接环流。Q2强迫的次级环流与Q1是反号的，围绕锋区强迫出一热力间接的环流。Q1+Q2=Q强迫出两个相反的环流圈，锋区下部为直接的，上部为间接的。这是由于上部Q2占优势，下部Q1占优势。 中纬度天气尺度运动一般是处于地转平衡的。但对流一旦爆发，可使大气脉冲形式失去地转平衡。结果地转动量近似

26、不成立，另外当气块有明显曲率时，地转风的离心力加速度很大，地转动量近似也不成立；另外，对于直线气流，如气块加速度很强，使R01，地转动量近似也不成立。但地转动量近似是有优点的（见图4.33）：（1）动量与温度的非地转平流及动量垂直平流很显著时仍很易计 算垂直速度与位势倾向。（2）可用不同的分辨率研究天气系统特征。在大的气旋性涡度区 分辨率最高，即锋区。图4.33 准地转锋生（a），（b）与半地转锋生（c），（d）之比较。绿线为主环流，红箭头为非地转锋面环流，虚黑线为线（Bluestein，1986）附录：锋生的理论问题1、运动学锋生图1 理想的地面风向量水平分布（黑箭头）。等温线（红虚线）与锋

27、区。（a）初始时刻；（b）后来同样相对锋面的分布（24小时后），旋转的相对于锋面的坐标系。图2同图1，但说明暖锋区中切变过程的作用图3 同图1， 但是对汇合锋生总结锋生运动学，可以概括出一些明显的物理过程能改变锋面的强度：（1）切变与汇合机制是类似的，都可解释为温度平流差异。切变情况下， 是通过平行于风的风分量，汇合情况下，是通过正交于锋的风分量。（2）倾斜项可看作位温场垂直平流的差异。（3）非绝热加热或冷却（辐射，边界层，热力过程等）的梯度能产生锋 生或锋消。（4）一维锋生定义可推广到二维锋生。对于变形场气流中的等线场， 是锋生还是锋消将取决于等温线与变形气流伸长轴之间的夹角（图6）。如等温

28、线的方向在伸长轴的45夹角之内，气流是锋生的，等温线将趋于沿此轴密集。最后给出一个北美锋生的例子（图4）。在图7（c） 中，诊断得到的锋生分布可帮助定出移近华盛顿州的暖锋，其尾部冷锋在西南方。冷锋以北是经典的汇合性锋生。图4 说明锋生的倾斜项作用示意图。虚线是等温线，红箭头是垂直运动；（a）初始时刻；（b）后来时刻（Carlson ，1998）。图5 太阳加热差异引起的非绝热锋生效应示意图。虚线：等线，灰色阴影：云区。（a）初始时刻，（b）后来时刻（Carlson ，1998）图6 变形场气流中位温演变的示意图。黑线是流线，红虚线是位温线。（a）初始时刻，位温线垂直于伸长轴。（b）同（a）但为后来时刻，（c）、（d）同（a）（b）但位温线平行于伸长轴。（Lackmann，2010）图