卫星气象学课件5-liya.ppt

1、第五章 水汽图象的基本类型 和分析 5.1 概述 5.2 水汽边界的型式 5.3 高空槽前的边界,水汽：由于地心引力的作用，地面附近空气比较稠密，越往高处，空气越稀薄。大部分空气聚集在从地面往上大约十公里大气里，而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。雨、露、霜、雪是由大气中的水汽形成的，因此主要产生于大气层下部。,5.1 概述,水的气、液、固态易转化,太阳辐射和重力作用,内因,外因,自然影响因素： 气象条件(大气环流、风向、风速、温度、湿度等) ； 地理条件(地形、地质、土壤、植被等)。,水汽图：卫星观测在5.5m至7.5m红外波段内，存在着强水汽吸收带。卫星在这一吸收带上测得的辐射强度主

2、要是大气中水汽吸收后的再辐射。这种向上的辐射强度测值可转换成温度值表示，这种方式测得的温度称为“亮温”，“亮温”也可用色调来表示。这一波段观测的辐射图象称为水汽图象，一般在水汽图上，白色调表示能量很低的辐射或冷亮温，黑色表示高能辐射或暖亮温。,到达卫星的水汽辐射来自有一定厚度的各层次中。水汽在普通的浓度下对辐射是半透明的，因此卫星测得的亮温是若干水汽层的“总”温度，而不是某一个特定面或层的温度。 气层水汽浓度越大，辐射能穿过的气层越薄，这就好比一个人在雾中望远，可见距离随雾密度的增加而减小。我们可以认为卫星以同样的方式，向下“看”水汽，但它测到的或“看到”的是水汽所发射的能量，以亮温代表而不是

3、可以看得见的光。因此，6.7m波段,不能提供大气整层水汽含量的信息，而只能获得在气层中、上层水汽分布情况。6.7m水汽图对大气层中上层水汽反映敏感，对大气低层的水汽与云反映不敏感，而水汽主要分布在大气中、低层次。,卫星水汽图主要分析动力气象。到达卫星的辐射受许多变量影响。对6.7m波长来说，主要有大气中水汽含量，水汽垂直位置以及水汽的温度等三个因素。 为了便于使用，初步归纳为以下几条： 第一：高云区在水汽图象上与在红外云图上一样，都表现为灰白色。只是水汽图象上在高云的范围以外还有水汽可以被观测到，所以高云边界模糊。因此，在水汽图上白亮区的边界往往不是云的边界，水汽图上云区以外较亮（暗）的地区表

4、示湿层的顶部较高（低）。特别暗的地区一般对流层中上部有明显下沉运动。,第二：中、低云在水汽图上不清楚，因为这个波长的辐射在其路径上受水汽的再辐射而使对流层中低层的信息几乎不存在。 第三：6.7m波段的辐射一般不能穿过整个大气层，因此，除了非常干燥的冬季，在水汽图上很少看到地表特征。 第四：由于6.5-7.0m的水汽通道对水汽十分灵敏，当对流层上部200hPa附近有逆温层时，图象亮度不再代表湿层顶部的亮温，其解释会变得非常复杂，但这种情况并不常见。 将水汽图像应用于天气尺度分析的基础：干区（深灰色）、湿区（亮白色）以及它们的边界，它们经常和重要的高空气流特征有很大的相关性（比如：槽、对流层顶动力

5、异常和急流等）。,分析水汽图中最重要的特征是不同水汽区之间的边界， 了解边界与整个水汽分布是分析的关键。,根据图象上不同特点和表现可识别出常见的边界类型。水汽图中清晰的边界或灰度差异通常代表高空亮（冷）灰度一侧的湿空气和暗（暖）灰度一侧的干空气之间的差异。它们的形成原因有： 湿空气在某一地区上升，而周围环境状况无重大变化； 湿空气在被高空干空气侵占的区域下沉，即在无变化的湿 环境附近，形成新的高空干空气环境； 水汽边界可能是前面两种过程共同作用的结果，上升的湿 空气区域邻近的湿空气可以下沉； 在相同尺度上没有明显垂直运动的水平变形过程可使最初 渐变的或反差小的水汽梯度变得清晰且反差大。,水汽图

6、中观察到的最有意义的边界涉及到水平变形过程和一个或多个垂直运动过程的结合。在水汽图中选用“边界” 表示具有不同灰度的相邻区域之间的突变界面，由于各种应用的要求不同，图象产生的过程亦不一样，为了描绘这些差异及其随时间的变化。用下列专用术语来描述：,清晰度,边界条件,陡峭度,灰度梯度的大小 和形状的规则性,对比度,边界两侧灰度差的大小,带或缝：这种或黑或浅灰的长形区域宽度有限，在其两侧各有一条边界。“带”这个词既可以用于表示亮，又可以表示暗的特征；而“缝”这个词只用于表示暗区。 边缘：当灰度差出现在一较长距离内或形状不规则时，我们有时用“边缘”一词来表示不清晰的界面。 水汽图中最常见和最重要的类型

7、被归纳为七种基本类型： 天气尺度系统的“头边界” 平行急流边界 “斜压叶”边界 干涌边界 底涌边界 内边界 回流边界,水汽图中观察到的一种最常见的边界型式的形成与垂直上升运动区高空水汽的扩散有关。在高层水汽扩散方向与周围高空风场方向相反的一侧，往往会形成“阻塞”。 一般来说，清晰的边界形成于垂直上升运动产生湿区的上游一侧，我们称这种特定类型的阻塞过程为“头阻塞”。由这种过程形成的边界，可以多种尺度出现在大气中各个层次中。但这种现象出现在对流层低层时，在6.7m水汽图上通常观测不到。,5.2 水汽边界的型式,5.2.1 天气尺度系统的“头边界” “头阻塞”可发生于各种尺度上，所以我们亦将“头边界

8、”这个概念用于天气尺度的系统。 边界的图象特征 头边界由一个相当清晰的界面组成，它的一侧是高云和冷的高空湿区，另一侧是各种各样的干环境。云和水汽趋向于在高层积累并从垂直上升运动区向外扩散。清晰的头边界形成于正在扩散的高层湿区的上游，水汽向周围扩散或阻塞周围的高空风。 垂直下沉运动区常沿头边界形成。虽然这种向下的垂直运动区或下沉带可沿边界扩展很长距离，但它在与边界正交的方向和垂直深度上影响范围都很小。局地性下沉运动是由周围上游气流和湿侧“阻塞”气流之间的高层辐合产生的。局地上升运动区亦可能沿着边界在最大辐合层以上出现。因此，在解释水汽图时，与暗区有关的是下沉区域。狭窄干带在厚度上是有差别的，通常

9、限于对流层上部，一般在500hPa以上。,特征：水汽图上的头边界表现为边界整齐光滑，向上游一侧凸起，它的一侧为冷的湿区和高云区，另一侧为一狭窄的干黑带。 头边界一般出现在两种情形中：一种是逗点云的头部西界，另一种是雷暴云的西南边界。,水汽区,流线,急流,头边界,头边界,图5. 1 a天气尺度的头边界 1988.4.7 GOES 6.7m水汽图,5.2.2 头边界的高空分析个例,A处代表头边界的位置，这个例子所示的天气系统是一个冬季风暴，头边界和高层风场的基本关系与前述特征大致相同。头边界位于300hPa风场的鞍形伸展轴一带，在鞍形场以南、以北近于与风向平行。在这个例子中，一急流分支出现在沿头边

10、界向极地一端。,塞”效应形成。一部分水汽以反气旋方向回绕“后伸”脊，另一部分向南回绕高空气旋。在上游西风区中较干空气接近时也出现了类似的气流分裂，这些流型在300hPa流线图上形成了一个鞍形场。且是不对称的，鞍两侧的“分裂”没排成一线。这种情况是很普遍的，不对称流场中系统的变化与系统的发展有关，需要注意的是，头边界的位置沿着鞍形场的扩张轴，称这条扩张轴为变形带。鞍形场中沿边界的高空风在边界的高度上很小。在鞍形场以北和以南风速增加，方向相反，流线和其头边界近于平行。,图5. 1b 天气尺度的头边界水汽图与300hPa分析图叠加。图中实线是流线，虚线是等风速线（海里/小时），箭头是300hPa最大

11、风速轴。,下图中， 头边界“A”东侧是巨大高空冷湿区，该湿区的一部分与300hPa气旋性弯曲气流有关，另一部分则与反气旋弯曲气流有关。当高空气旋闭合时，高空脊“后伸”到低压北侧附近。水汽通过垂直上升运动在高层积累，在脊和气旋之间的高层东风中向西移动。在水汽遇到上游方向相反的西风带的地方，“阻,A,5.3 高空槽前的边界 位于高空槽前的边界对于天气状况及其随时间变化的预报工作很重要，所以归纳为一种专门的类型，分为三种: “平行急流型”、“干涌型”和“斜压叶状边界”等。高空槽前的边界通常以组合的方式出现，或发生在两种不同类型边界之间的过渡期间。 高空槽前水汽边界的共同特征是边界清晰，原因有： 第一

12、，沿边界湿侧常常有高云，由于云能够阻止低层热源的辐射，这就使得卫星图象上边界湿侧的灰度很浅； 第二，深厚的干空气区或“缝”常沿边界上游较干侧分布，这些干区一般要比那些与头边界相联系的干区深厚一些，通常也比与头边界相邻的干区要宽一些。边界后部的阴影总是很暗，而且在边界两侧会形成很强的灰度对比。,5.3.1 平行急流边界 高空槽前的边界常常以复合或单独的类型出现。单独出现最常见的是平行急流型。 其特征是：第一是急流的最 大风速轴常常与水汽边界近于重合。第二是最大风速轴平行于水汽边界，在干区一侧。有时，主要是在冬季风暴演变的“分裂”初期，存在同急流结构有关的两个分开的最大风层，这时，高层的最大风速轴

13、可出现在边界的湿侧，而低层的风速轴则很可能在“干缝”之内，且平行于边界。,急流轴平直，水汽边界与其平行,高空急流轴环绕闭合低压呈气旋性弯曲，水汽边界朝槽一侧凹状弯曲,图5. 2平行急流边界 a. 1982.2.18 .0015Z西GOES 6.7m图；b. 1982.2.18. 0045Z 112m红外图； c. 1982.2.17. 2345Z可见光图与250hPa分析图，图中黑线是流线，白箭头是250hPa最大风速轴；d同时刻可见光图与地面等压线和锋面位置。,位于太平洋东北部的天气系统是一深厚的高空槽前冷锋云带，该锋面云带由多层云系组成。,水汽边界在高空槽前，与红外和可见光云图上卷云边缘吻

14、合，西南端沿锋区上游侧的云位于中、低层。,最大风速轴在BC处平行于水汽与云边界，但风向则不同。在沿边界的西南端AB处，流线以较大的角度穿过边界。在边界BC段，边界和流线间角度减小，C处流线近平行边界和最大风速轴。,暗区沿着平行于急流边界的后部分布。,图5.2中可见光图象在东部的图象范围要比水汽图和红外图大一些。位于太平洋东北部的天气系统是一深厚的高空槽前冷锋云带，该锋面云带由多层云系组成。主要的水汽边界在高空槽前，在水汽图上用A、B、C标明，与红外云图和可见光云图上卷云边缘吻合，西南端沿锋区上游侧的云位于中、低层。250hPa的最大风速轴用白色箭头标出，接近平行于 BC处的水汽边界，在边界的A

15、B段，最大风速轴并不平行于边界，从一个角度由西逼近，直到B处才和边界平行。最大风速轴在BC处平行于水汽与云边界，但风向则不同。在沿边界的西南端AB处，250hPa流线以较大的角度穿过边界。在边界BC段，边界和流线之间的角度减小，到了C处，流线近平行于边界和最大风速轴。在水汽图上通常有一个很长的暗区，它沿着平行于急流边界的后部分布。 图5.2a中BC段边界后部的是暗带，暗带位于东北段的部分是一个典型的“干缝”，“干缝”类暗区一般在垂直方向上很深厚，并有干空气向下延伸到近地面。在红外云图上，大面积的对流云区标注着“T”，在急流左侧高空槽区的海洋上空。在DE段之间形成干带的后部边界，这是暗带沿高空槽

16、前侧变化的一种方式。,5.3.2 “斜压叶”边界 在水汽图上，“斜压叶”表示高空槽前出现的一种特殊边界。与“斜压叶”云系有关的水汽边界一般与叶状云型的冷高云的头边,界重合很好，但会延伸到云边界外面。叶状边界常形成一个振幅很小的“S”形，而且在转折点另一侧会有不同的特征。凸出的部分与头边界相似。盾状卷云常常出现在表示“湿”的浅灰色一侧。沿着边界另一侧往往非常清晰，湿侧有一个非常狭窄的暗带。有时，边界两侧反差不大，边界可能并不清晰。 与之相联系的水汽边界分为三种： 边界位于槽前； 边界位于急流左侧； 斜压叶状云出现双叶结构。,下图a和b中，边界中标有“BC”的凸出部分不仅很清晰，而且反差也大。“斜

17、压叶”边界标有“AB”的部分，与干涌边界类似。一般比较宽的暗区或干区之后，对流层中层与上层的风是穿越边界的凹进部分，几乎平行于凸出部分。在图a、b中，边界呈西南一东北向，冷云主要分布在边界凸起部分的前方，有一个狭长的卷云带向西南伸展到“D”处。在很多情况下，远离转折点的上游方向的云边界云顶温度会逐渐变暖。在下图所示的例子中，沿边界凸起部分有冷云，而沿着凹进部分，冷云没有与水汽边界重合。,WV,IR,在下图这个例子中，高空槽较浅。在下面两个图的A点中，来自西北方的急流分支均与叶状边界合并，根据不同的环流背景，它们的西南方呈现不同的特征。 “斜压叶”边界一般发展很快，通常边界振幅随时间增加。靠近凸

18、起部分的冷云区常常会增宽，而靠近凹下部分的冷云区则会变窄。,WV,IR,5.3.3 干涌边界,形成：由于高空干冷空气活动而形成的干区与湿区间的边界。 特征：它表现为黑暗的干区向前凸起的整齐光滑边界。干涌边界的弯曲、移动和其后部的暗黑区范围与干冷空气的强度、移动方向和速度有关。它通常与其西侧上游的宽广的暗区同时东移，高空气流和急流自上游指向干涌边界，并与其相交。边界随高度向东倾斜。,干涌边界和底涌边界都向上游或后部凹进；两类系统在形成时的速度十分迅速；大片暗黑区在这两种边界的后部或上游一侧形成。,图5.3中“A”至“B”间为一干涌型边界，在水汽图象上又叠加了300hPa分析图。边界“AB”向上游

19、西侧凹进，向东迅速移动。不均匀的移速是造成边界弯曲的主要原因。干涌边界上游干区的暗带不是一个平行于边界的长带，而是一个宽阔的区域。在这个区域的西侧，图象的灰度向西逐渐变浅。通常，干涌边界后部西侧上游的暗区不清楚，或逐渐变浅，或呈不规则形状，或两者皆有之。暗区上,图5. 3干涌 边界a.1986.9.121130Z中GOES 6.7m图；b 1986.9.12.1200Z与300hPa分析图，实线是流线，黑虚线是等风速线，白箭头是300hPa最大风速轴。,游的任何较大的特征都会向东指向边界，而不是平行于边界。弯曲、移动速度快和后部大范围的暗区等都是干涌边界常见的特征。,图5. 3干涌动边界 a.

20、1986.9.121130Z中GOES 6.7m图；b 1986.9.12.1200Z与300hPa分析图，实线是流线，黑虚线是等风速线，白箭头是300hPa最大风速轴。,运动速度快以及图象灰度在黑暗区后部上游方向逐渐变浅有关。高空槽前的边界主要是干涌型或平行急流型，或这两种类型的结合型。结合型通常是由一种类型向另一种类型的过渡状态。在过渡阶段，部分边界是干涌型，部分则为平行急流型。当干涌部分占主导时，边界基本上为干涌型，并有一个平行于其极地端的急流轴。,与干涌边界相关的主急流并不平行于边界，它位于边界的上游且指向边界。300hPa风以疏散的形式和较大的角度穿过边界，这是干涌边界的共同特征。另

21、外，直接与边界相联系的高空环流系统属于开放型，这也是一个共同特征。流线穿过槽线和脊线，这与,5.3.4 底涌边界 底涌边界表现为暗黑干区的南边界向南凸起，就是下沉运动区南边界、急流呈气旋性弯曲的边界。当高空脊前或槽后的偏北气流突然加大而形成，并伴有急流自北向南指向边界。它又可以分为直接底涌和间接底涌边界。 直接底涌边界：原来就存在的一条移动较慢，沿边界的北侧常伴有一条狭窄的暗带边界。直接底涌边界向西延伸至产生此底涌的高空槽前； 间接底涌边界：当一个新的暗区开始形成并向南推进时的干区涌动边界，最初并没有边界。与底涌有关的高空系统不处于底涌边界的同一个风系中。,直接底涌、间接底涌水汽图像素描图,图

22、9a为系统的初始图象，在夏威夷东部的“B”处，边界层向北凹，其北侧有比较窄的暗带。在以后连续的图象中，夏威夷北部的高空脊建立，而且脊东部的北风分量增加。图象中的一个暗区，很明显是由正在下沉的空气生成的干区在边界的北部“形成”，并且向南从西面接近变形带的高空空气很湿，而且在水汽图上可以观测到一条十分清楚的边界。在多数情况下，卷云沿边界伸展范,图9 直接类型的底涌边界（间隔 12小时的西GOES 67pm系列图）a1982.11. 5.0015z，b1982115.1215z, C1982116. 0015z；d1982116. 1215z。,围内很大一部分地区的西侧存在，与有头边界时主要阻塞作用

23、由阻塞东风带中抬升的水汽成因不同。下沉气流和阻塞东部的高空干区对内阻塞贡献最大。,5.3.5 内边界,内边界是高空闭合反气旋形成的结果，它处于反气旋的西侧，也就是宽广暗黑区的西界，并沿着变形带或是鞍形场形成。对于高空闭合反气旋区，以下沉运动为主，中高对流层很干，在水汽图上呈现出暗黑的色调。,一次水汽图上内边界例子，在我国东部华北到华东地区为黑色干区控制，在它的西侧出现一内边界.,水汽的头边界和内边界具有共同的特点：,边界都向西凸出；,两种边界都呈准静止状态，或移动甚缓；,都出现有变形场区。,边界形成都是高空偏东气流加强的结果；,边界表现都很清晰；,下图b中，可以看到两个鞍型区。鞍型区“A”与夏

24、威夷岛西南的闭合气旋有关。平行于鞍型区“A”伸展轴的水汽边界是一个“头边界”，它是在低压闭合以及一个小的天气尺度的脊在低压东北部开始建立时形成的。其东侧的大的反气旋和北风分量减弱了该小脊。在连续图象中，鞍型场“A”伸展轴随时间反气旋旋转。当主脊或反气旋滚越到槽的极地一侧时，这种现象很常见。 鞍型场“B”在反气旋闭合时形成，其沿着伸展轴的边界称作“内边界”。之所以称为“内”，可以通过连续图象中的系统演变说明。边界在反气旋性风场内向东北方伸展，并变得几乎平行于急流边界“J”。如果急流轴代表反气旋向极地一侧的边界，则边界“B”相对于主要急流轴向反气旋内部随时间扩展。由于这种类型边界的发展十分常见，故

25、选择“内”命名。内边界在水平和垂直伸展上均有差异，鞍型场常发生在500hPa和250hPa之间的风场中。,图 10 内边界( 间隔 12 小时 6.7m图,增加了 250hPa流线分析） ab198112.40015Z水汽图与 0000Z 250hPa分析图；,图 10 内边界( 间隔 12 小时 6.7m图,增加了 250hPa流线分析） ab：1981 12.4. 0015Z水汽图与 0000Z 250hPa分析图； c一d：1981 12.4. 1215Z水汽图与 1200Z 250hPa分析图； ef：1981 12.5. 0015Z水汽图与 0000Z 250hPa分析图。,在美国的

26、夏季，内边界与200hPa风有很好的相关，干燥的对流层中层空气的暗区最初在边界的东侧形成，也是反气旋性移动。有时，当暖性反气旋比较大，而且移动缓慢时，相应暗区拉长了，完全在高压中心周围移动。这造成反气旋环流附近的干带和湿带产生一个向内的螺旋形的环流。这种情况下，反气旋沿强急流带的南侧向东伸长。,内边界与500hPa风相关很差。以上所举的例子中，闭合的气旋出现在槽底部到闭合反气旋的南侧，这种闭合低压通常与内边界同时存在，但也有槽不闭合的情况。当反气旋向东移动、扩展或伸展时（如本例中），常有闭合低压形成或是槽向赤道一侧发展成一个狭长的气旋切变带。“内”一词指风场中鞍型场的向极地一侧的边界，它向反气

27、旋环流内部扩展。 多数情况下，鞍型场向赤道一侧的边界也十分清晰，而且有急流分支相伴，而有时，只有向极地一侧的内边界清楚。这种边界在图象上表现为向极地那半一个月牙形的暗区以及有关的边界。常见的类型有两种，一种是槽，只作为一种气旋性切变带出现，另一种发生在低纬度东风带向赤道伸延的地方。,流线与向内旋转的反气旋有关，暖中心反气旋的反气旋性流入在下面的对流层上部分析中，与闭合上部反气旋相联系的流线是向内旋转的。这种流型在有暖中心的高层反气旋中十分常见，它一般出现在250400hPa之间，有时也常常出现在500hPa。 各种个例中所含的条件是不同的，弱的超梯度风有时会出现在反气旋性流场中的大部分区域上。

28、在另外一些情况下，超梯度风集中在反气旋的某一象限，其余的风向则几乎平行于等高线，这是引起流场净流入的重要条件。有时，在水汽图上还可以看到超梯度风连同某些特征随时间围绕反气旋旋转。 在卫星云图上，能看到与高层反气旋和脊相关的某些云和水汽特征向内呈钩状，它们呈反气旋性弯曲穿越等高线，风向或特征随时间变化按反气旋方向向内移动，这些特征与向内螺旋式旋转的流场不一定有关，它们可能与反气旋性水平切变以及与移动中的反气旋性环流系统的轨迹有关。,回流边界的情况如下图所示。在北半球，回流边界是指水汽区随高空脊前的偏北气流向南推进时的南部边界（通常水汽是由南部热带向中高纬地区输送，而在这种情况下，水汽却由北向南，

29、故称之为回流边界）。回流边界的前方有一狭长的下沉运动区，高空气流可以穿越边界，边界基本静止后有鞍形场出现。它可以分成弯曲和平直两种类型 。,5.3.6 回流边界,平直情况下，有较大的偏东气流分量，边界后部有冷云出现。,弯曲情况下，伴随急流的偏北气流加大，水汽区内较少有高云出现。,暗黑区南侧的底边界，向南凸起，意 味干冷空气下沉南下。,水汽回流边界，是灰白色水汽的南边界。,水汽回流边界形成于脊前槽后。 具体过程是：高空脊上游一侧高层积累的水汽越过脊区向赤道方向移动，水汽边界在该湿区前侧形成。 它的主要特点是：这种边界在加速移动期间十分清晰，但其对比度随着其前方的水汽条件不同而大不相同；水平变形是它形成的一个重要因子，在其前方狭长带中存在着局地下沉运动；高空风以辐散状穿越边界，而当它静止后有鞍型场形成