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1、第四講 鋒生動力學和鋒面次級環(huán)流,丁一匯 國家氣候中心,高等天氣學系列講座（2010年春季） 單元二：中緯度天氣系統(tǒng),鋒面理論是天氣學中出現(xiàn)的第一個比較完整的理論。20世紀初，利用歐洲尤其是北歐較為稠密的地面觀測網(wǎng)，皮葉克尼斯（V.Bjerknes）提出了極鋒理論。這個理論對當時的氣象學是一個重大的突破或革命。 在空間鋒面是一個傾斜區(qū)，它的垂直厚度一般只12km。鋒面的產(chǎn)生可以由不同的動力過程引起，因而在大氣中會出現(xiàn)不同類型的鋒面，如地面鋒、低空鋒、高空鋒以及其它不同類型的鋒面。 地球的旋轉也是影響鋒面特征以及鋒生動力學的一個重要因子。正是由于鋒面受到這種旋轉的明顯作用（通過科氏力）而使鋒
2、面與其它輻散占優(yōu)勢的許多有關現(xiàn)象（重力波、密度流、颮線等）而有所區(qū)別。,鋒面的研究不但具有理論意義，也具有重要的實際意義。從氣象上，地面鋒和高空鋒常常與中緯的斜壓波和氣旋有密切的關系。為了了解氣旋的結構和形成，必須從鋒面研究開始。雖然鋒面只占斜壓波一些區(qū)中不大的一部分面積，但它們對非地轉環(huán)流的無旋部分是最顯著的動力強迫因子；與高空鋒區(qū)和高空急流帶有關的輻散場在中緯氣旋形成中起著很重要的作用，它可使低壓的地面氣壓場或質量場發(fā)生變化；圍繞地面和高空鋒區(qū)的垂直環(huán)流則是各種中緯云系和降水系統(tǒng)（如大范圍的斜對流、有組織的垂直對流系統(tǒng)和對流風暴等）發(fā)展和組織起來的一個重要因子，這對降水和強天氣預報有重要意
3、義；此外，高空鋒區(qū)也是小尺度混合或晴空亂流（CAT）的主要發(fā)生區(qū)，這包括重力波、開爾文赫姆霍茲波和一些亂流渦動等。因而確定和預報高空鋒區(qū)和急流的位置與強度對于避開危險區(qū)保證飛行安全是十分重要的；最后，高空鋒區(qū)是對流層和平流層之間顯著的質量交換區(qū)，由此可以了解放射性塵埃、化學痕量物質的輸送過程。,4.1 鋒生函數(shù)（F）,鋒面的形成叫鋒生，而衰減稱鋒消。在局地坐標系中，當某一屬性（如溫度、渦度、比濕、動量、散度和渦度等）在某時刻沿鋒面兩側的梯度隨時間加大的現(xiàn)象叫局地鋒生。 一般我們用位溫梯度變化表示鋒生函數(shù)。在二維鋒生條件下，鋒生函數(shù)可寫作：,,,（4.1）,,,圖4.1 匯合（鋒生）(a)與疏散
4、（鋒消）風場對準水平位渦場的作用（Bluestein，1986）,圖4.2傾斜項對垂直位溫梯度的作用。(a)鋒生，(b) 鋒消（Bluestein，1986）,圖4.3 伸長與壓縮軸取向與等位溫線關系的示意圖。角b與分別是依x軸反時針與順時針度量。當D0，x與伸長軸一致，y是與壓縮軸一致。當D<0時，情況相反。,+,,圖4.5 伸長軸與等溫線相對取向與鋒生的關系。左：鋒生（00；右：鋒消（45
5、斜項；（d）鋒生函數(shù)（上三項之總和）。,,圖4.6a,b,c是位溫的變形項、輻合項和傾斜項的計算結果。非絕熱項沒有計算?？梢钥吹缴厦嫒椌哂邢嗤牧考?。在鋒區(qū)中，變形和輻合項產(chǎn)生鋒生，最大值在近地面層。傾斜項的分布比前兩項不規(guī)則一些，因為這一項與垂直速度的水平導數(shù)有關，而垂直速度是很難算準的。其主要特征是在近地面上升運動中心之左為鋒消，中心之右為鋒生。這種近地面的鋒消作用趨于與變形和輻合產(chǎn)生的鋒生作用抵消。在600hPa上有一鋒消最大值，這與該處存在著一個上升運動次極大值有關。圖4.6d是三項的總和?？梢钥吹浇孛婕颁h面前方鋒生作用很強，而中層是鋒消的。,上式中項1，5，9是非絕熱項，2，7，
6、12是水平和垂直變形項，3，，6，10，11代表水平與垂直切變的作用，項4，8代表垂直運動的分布不均勻的作用，即傾斜項。 最后我們可總結鋒生的因子為：（1）水平變形場。氣流在一個方向上伸長，同時在另一個方向收縮；（2）水平切變運動；（3）垂直變形場，在一個水平方向上的收縮和伸長可引起補償?shù)拇怪蔽灰?；?）垂直運動分布的不均勻；（5）地面摩擦；（6）亂流和混合作用；（7）非絕熱加熱，包括潛熱釋放，感熱加熱（主要在地面）和輻射過程。,4.2 鋒面的次級環(huán)流,鋒面的次級環(huán)流（也稱鋒面垂直環(huán)流）的研究是十分重要的，因為這種穩(wěn)態(tài)的（主要沿與鋒面正交方向）垂直環(huán)流不僅涉及到鋒系的基本動力學問題，而且也是
7、中尺度對流系統(tǒng)，尤其是鋒前颮線和中尺度雨帶的一種啟動機制。強烈的鋒面天氣并不是產(chǎn)生在鋒面的所有部位上，主要出現(xiàn)在垂直環(huán)流圈的上升支。因而只要設法確定了上升支的位置，就可以估計劇烈天氣發(fā)生的地方。首先這里給出一些由實際觀測分析得到的冷鋒垂直環(huán)流模式。,圖4.7 冷鋒模式概略圖。虛線代表氣旋性相對渦度最大值軸線。虛點線連接了地面水平溫度梯度最大值與地面鋒后逆溫層的位置。,圖4.8 與華北冷鋒有關的垂直環(huán)流圖。（a）與強對流天氣有關；（b）與強暴雨有關。,圖4.9 上滑冷鋒氣流場分布概略圖。細實線是流線，J可分別代表高空急流和低空急流的位置。粗實線代表鋒區(qū)和對流邊界頂層。陰影區(qū)是后傾上升運動區(qū)。地面
8、冷鋒前對流邊界層中的空氣相對濕度很高，當它沖出到冷鋒之上時達到飽和。在鋒區(qū)下方下沉的空氣開始是干的。以后在進入降水區(qū)后變成近于飽和。,鋒面的次級環(huán)流可以是熱力直接的，也可以是熱力間接的。這主要取決于引起次級環(huán)流的不同物理因子的相當重要性。因而從動力學上對鋒面次級環(huán)流進行診斷長期以來就引起人們的重視。實際上鋒面次級環(huán)流是處于平衡狀態(tài)的主環(huán)流（如地轉平衡）破壞后的必然產(chǎn)物。正如Sawyer和Eliassen曾指出的，水平無輻散的主環(huán)流強迫出次級環(huán)流，即出現(xiàn)水平速度和垂直速度分量，這是準地轉運動的特征。在這種情況下主強迫是通過無輻散變形作用而產(chǎn)生次級垂直環(huán)流的。以后這種環(huán)流又通過產(chǎn)生次級垂直變形加速
9、或減速鋒生速度。因而次級環(huán)流問題與鋒生動力學是密切聯(lián)系在一起的。Sawyer和Eliassen曾得到了鋒面次級環(huán)流方程，這被稱為SawyerEliassen環(huán)流方程。以下將詳細討論這個方程以及以后發(fā)展和應用的情況。,牽,,圖4.10 Bluestein，1993,圖4.11 Bluestein，1993,<,所以 Q10,所以 Q20,,,圖4.12 Sawyer-Eliassen方程中強迫項和非地轉環(huán)流方向的概略圖。實線代表非地轉環(huán)流，虛線為區(qū)分冷暖空氣的一條等位溫線。帶叉號和帶點號的圓圈分別代表進入剖面和流出剖面的沿鋒面方向的風分量；（a）中的非地轉環(huán)流是熱力直接的；（b）中是熱力間接的。
10、,圖4.13 地轉形變（Q1）（上圖），地轉切變（Q2）（中圖）和（Q1+Q2）（下圖）強迫的次級環(huán)流圖6。實線代表流函數(shù)（單位：105m2s-1）,虛線代表等位溫線。,圖4.13是Shapiro計算的一個北美冷鋒次級環(huán)流的例子?？梢钥吹絈1在高空鋒附近強迫出一個熱力直接的次級環(huán)流，在急流中心上方的平流層中，有一較弱的直接環(huán)流。Q2強迫的次級環(huán)流與Q1是反號的，圍繞鋒區(qū)強迫出一熱力間接的環(huán)流。Q1+Q2=Q強迫出兩個相反的環(huán)流圈，鋒區(qū)下部為直接的，上部為間接的。這是由于上部Q2占優(yōu)勢，下部Q1占優(yōu)勢。,中緯度天氣尺度運動一般是處于地轉平衡的。但對流一旦爆發(fā)，可使大氣脈沖形式失去地轉平衡。結果地轉動量近似不成立，另外當氣塊有明顯曲率時，地轉風的離心力加速度很大，地轉動量近似也不成立；另外，對于直線氣流，如氣塊加速度很強，使R01，地轉動量近似也不成立。但地轉動量近似是有優(yōu)點的：（1）動量與溫度的非地轉平流及動量垂直平流很顯著時仍很易計算垂直速度與位勢傾向。（2）可用不同的分辨率研究天氣系統(tǒng)特征。在大的氣旋性渦度區(qū)，分辨率最高，即鋒區(qū)。,,第四講附錄見另文。,完,
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