中小尺度動力氣象學

1、中小尺度天氣動力學第一章 中尺度天氣系統(tǒng)的特征1、 中尺度天氣系統(tǒng)：時間尺度和空間尺度比常規(guī)探測站網小，但比積云單體的生命周期及空間尺度大得多的一種尺度。即水平尺度為幾公里到幾百公里，時間尺度由1小時到十幾小時。2、 劃分依據(jù)及分類：1） 早期的經驗分類 天氣系統(tǒng)大尺度、中尺度和小尺度 空間尺度分別為：106m、105m和104m時間尺度對應為：105s、104s和103s2） 依據(jù)物理本質對天氣系統(tǒng)進行分類（動力學分類方法） 行星尺度、氣旋尺度、中尺度、積云尺度、小尺度3） orlanski的綜合分類（觀測與理論分類） 大尺度（、） 中尺度（、） 小尺度3、 中尺度大氣運動的基本特征1) 空

2、間尺度范圍廣，生命周期跨度大； 2) 氣象要素梯度大； 3) 散度、渦度與垂直速度； 4) 非地轉平衡和非靜力平衡； 5) 質量場和風場的適應； 6) 小概率和頻譜寬、大振幅事件 第二章 地形性中尺度環(huán)流1、中尺度大氣環(huán)流系統(tǒng)的分類：地形性環(huán)流系統(tǒng)、自由大氣環(huán)流系統(tǒng) 2、地形波的基本類型 主要依賴風的不同類型 （1）層狀氣流 小風、層狀氣流。平滑淺波，波動只發(fā)生在山脈上空的淺層，向上很快消失山脈波（mountain wave） （2）駐渦氣流： 在山頂高度以上風速較大時，可能在山脈背風坡形成半永久性的渦動，上面則有氣流的平滑淺波駐渦（standing eddy） （3）波動氣流 當風速隨高度增

3、大時，在背風坡出現(xiàn)波動氣流背風波（lee wave）。背風波可以伸展到對流層上層和平流層。 （4）轉子氣流： 在背風波出現(xiàn)時，當垂直方向有風速極大值出現(xiàn)時，則會形成轉子氣流（rotor streaming）。 駐渦和轉子是背風波的特殊形式！ 3、背風波的形成、特征及大氣條件背風波是地形波的一種類型，由于障礙物引起空氣垂直振蕩而造成的。特征：波長：1.870km之間，多為520km左右。波長一般隨高度而變，高層較長，低層較短。 隨風速而變，風速愈大，波長愈大。 波幅：指流線的峰、谷之間的距離。背風波的波幅可在幾 百米至2km之間。一般在0.30.5 km。與波長無一 定聯(lián)系。當波長與山脈形狀一致

4、時，振幅最大。 垂直速度：一般為26 m/s，最大可達15 m/s。波長為13km 的背風波的垂直速度最大。 第三章 自由大氣非對流性中尺度環(huán)流1、 重力波的定義、分類、基本特征、發(fā)生的天氣條件、對天氣的影響 定義： 重力波是因靜力穩(wěn)定大氣受到擾動而產生的慣性振蕩的傳播，屬于橫波（質點擾動方向與波的傳播方向垂直）。分類：重力外波由外部條件作用下存在的重力波； 重力內波當外部條件被限制時，存在于流體內部的重力波 ； 慣性重力內波考慮地球自轉的影響 基本特征：在大氣中經常發(fā)生重力波(或重力慣性波)，它的頻譜很廣，周期、波長、移速差別很大，從周期10分鐘，氣壓振幅只100微巴的高頻波，到周期為幾十小

5、時，或者氣壓振幅達幾毫巴的大振幅波。產生的天氣條件：穩(wěn)定層（或逆溫層）；具有明顯的風速垂直風切變；通常而言，ri=10m/s，水平范圍十至數(shù)十千米，垂直伸展幾乎達到整個對流層）稱為一個對流單體。伴有強烈放電現(xiàn)象的對流系統(tǒng)稱為雷暴；只有一個對流單體構成的雷暴系統(tǒng)叫做單體雷暴，亦即普通單體雷暴。單體雷暴的發(fā)展經歷塔狀積云、成熟、消散三個階段。每個階段的主要特征的差異主要表現(xiàn)在云內的垂直氣流、溫度和物態(tài)等幾個方面。雷暴系統(tǒng)一般隨最低5-8km 高度的環(huán)境平均風移動。伴隨有陣風、陣雨、小雹等強天氣現(xiàn)象，時間一般比較短暫。多單體雷暴： 多單體雷暴（muti-cell storm）是由一些處于不同發(fā)展階段

6、的生命期短暫的對流單體組成，是具有統(tǒng)一環(huán)流的雷暴系統(tǒng)。 通常在風暴移動方向上輻合最強，從而促使沿陣風鋒附近新的上升氣流發(fā)展。然后每個新生對流單體又經歷其自身的發(fā)展過程。多單體風暴中的單體呈現(xiàn)有組織的狀態(tài)，這與新單體僅出現(xiàn)在一定的方向上有關，否則，便會呈現(xiàn)無組織的形態(tài)。在多單體風暴中，個別單體的傳播可能有三種不同方式： 1）個別單體向平均風左側傳播； 2）個別單體向平均風右側傳播； 3）個別單體隨環(huán)境風移動。超級單體風暴 超級單體風暴（super-cell storm）是指直徑達2040km 以上，生命期達數(shù)小時以上，即比普通的成熟單體雷暴更巨大、更持久、天氣更猛烈的單體強雷暴系統(tǒng)。 它具有近于

7、穩(wěn)定的、高度有組織的內部環(huán)流（圖4.11）。并且連續(xù)地向前傳播可達數(shù)百公里。超級單體的雷達觀測： 1）在rhi（距離-高度顯示器）上有穹窿（無或弱回波區(qū)）、前懸回波和回波墻等特征； 2）在ppi（平面位置顯示器）上有“鉤”狀回波（圖4.12）龍卷風暴 產生龍卷的強風暴系統(tǒng)稱為龍卷風暴（tornadic storm），它的風暴云十分高大并有明顯的旋轉性，通常是一種超級單體風暴。下?lián)舯┝?對流風暴發(fā)展成熟時，會產生很強的冷性下沉氣流，到達地面時便形成風速達17.9m/s（8級）以上的災害性大風。fujita等將這種局地強烈下沉外流氣流稱為下?lián)舯┝鳎╠ownburst）。 下?lián)舯┝鞯睦走_回波通常顯示

8、為鉤狀回波和弓狀回波。下?lián)舯┝饕话惝a生在中等到強垂直風切變的環(huán)境條件下。產生下?lián)舯┝鞯膶α黠L暴的種類較多，尺度變化較大。第五章 中尺度帶狀對流系統(tǒng)1、概念：帶狀對流系統(tǒng)指由對流單體側向排列而成的中尺度對流系統(tǒng)。2、分類：常見的帶狀對流系統(tǒng)有颮線（溫帶颮線、熱帶颮線）、鋒面中尺度雨帶和臺風附近的中尺度雨帶等類型。3、颮線：一種帶(或線)狀中尺度系統(tǒng)是非鋒面性狹窄的活躍的雷暴帶(或不穩(wěn)定線）；其中有許多雷暴單體（其中包括若干超級單體）側向排列而形成的，是風向、風速氣壓、溫度等突變的狹窄強對流云帶；為破壞力的嚴重災害性天氣。 4、颮中系統(tǒng)：指颮鋒（颮線）、颮線前低壓、雷暴高壓、尾流低壓。一般在成熟階

9、段才同時出現(xiàn)。5、中尺度颮線的分類及其特征1)具有前導對流線和尾隨層狀云區(qū)以及具有由前向后和由后向前兩支入流的颮線颮線的前方有一支由前向后的入流迎著颮鋒上升，到高層分裂成向前和向后的兩支氣流，其后部中層則另有一支由后向前的入流。在由前向后的氣流中，由于老單體衰亡，形成寬廣的尾隨層狀云區(qū)。由于在高層不斷有冰質點從對流區(qū)向后飛落到尾隨層狀云區(qū)中，加上在尾隨層狀云區(qū)中包含著次級環(huán)流造成的上升運動，因此在尾隨層狀云區(qū)下方仍有明顯降水。2)后部建立型颮線這類颮線經常發(fā)生在西風帶高空槽前，是中緯度最典型的颮線。它們通常由多單體風暴和超級單體風暴組成。這類颮線的南端由于風的垂直切變形勢有利于新對流的發(fā)展，因

10、而使颮線不斷伸長；而在颮線的北端，各單體不斷衰亡，衍變成層狀云，并沿高空風向東北方向延伸而形成大片砧云。這種颮線的特點是砧狀云伸向颮線前方，而在颮線后方沒有層狀降水區(qū)。中層上升氣流的逆切變傾斜，低層暖濕空氣入流和中層干冷空氣入侵以及颮線后方低濕球位溫的下沉氣流等。6、熱帶颮線熱帶颮線是由排列成帶的成熟積雨云（對流區(qū)）和層狀云組成的。在對流云帶前方不斷有新對流云生成，而在對流云帶后方，老的對流云消亡，形成寬闊的尾隨層狀云區(qū)。颮線前方低層有高溫、高濕空氣流入颮線對流云區(qū)，云頂可高達16一17km。尾隨層狀云區(qū)前范圍可達200km以上。與中緯度颮線的區(qū)別為：不存在引導層；最強對流回波出現(xiàn)在對流層的下

11、層。7、大氣中颮線的觸發(fā)機制： 高空槽后型 高空槽前型 “階梯”槽型 第六章 鋒面氣旋及臺風附近的中尺度雨帶1、暖輸送帶定義：在槽前輻合區(qū)的邊界上通常可以看到一支狹長的云帶。這是由來低緯度低空對流邊界層的暖空氣在其逐漸向北、向上運行，升入到對流層中、高層時所形成的。由于這支狹窄的氣流具有朝極地方向和朝上輸送大量熱量以及水汽和動量的作用，所以稱為“暖輸送帶（wcb）”。 暖輸送帶一般具有下述持征：1）它的位置一般處在冷鋒前頭，然后上升到地面暖鋒上面。西邊界清楚，東邊界不太清楚；2）暖輸送帶經常與一條低空急流相對應；3）暖輸送帶通常幾千千米長，屬于一種天氣尺度系統(tǒng)。2、冷輸送帶(ccb) ：定義：

12、它起源于氣旋東北部的高壓的外圍，是一支反氣旋式的低空入流。其作用：將把北方冷空氣氣向南方輸送。3、鋒面附近的中尺度雨帶的類型及劃分依據(jù)中尺度雨帶粗略可分為三類：u型、l型和d型。出現(xiàn)在對流層中上層的淺層對流稱為u型，出現(xiàn)在對流層低層的淺層對流稱為l型而直展深層的對流則稱為d型。這三類雨帶還可以進一步細分類。其中u型可細分為暖鋒雨帶、鋒前冷涌雨帶和冷鋒雨帶。l型可細分為窄的冷鋒雨帶和暖區(qū)小雨帶(橫向和縱向雨帶)，d型可細分為暖區(qū)雨帶和鋒后雨帶。4、暖鋒雨帶的云物理成因： 在暖鋒上的淺層對流云中冰質點不斷生長和落出。他們落進在對流云下面的層狀云中，通過聚集而生長，并促進層狀云滴凍結，造成較大的冰質

13、點密度，從而引起該地區(qū)較強的降水。5、對流云發(fā)生在位勢不穩(wěn)定被大尺度上升運動所釋放的地方。6、地形雨的降水機制：第一類：寬尺度的上坡降水。地形性的強迫上升運動導致凝結和降水。第二類：越過小山時降水增強。從先前存在的云中下落的降水物，再由局地性地形上升所形成的低層碎云內沖刷的結果，在越過小山時降水出現(xiàn)增強。第三類：由于日射引起上坡加熱造成上坡風，從而造成山峰上的對流云)7、臺風是一種近圓形和具有暖心結構的熱帶氣旋性渦旋。 臺風氣旋的中尺度環(huán)流特征：邊界層1.5km一下的徑向流入（mi）；眼壁中的傾斜上升運動（su）；對流層的的徑向外流只對流層高層（mo）；眼區(qū)的平均下沉氣流（md）。8、臺風發(fā)展

14、過程中mcs的作用：課本p216 1)4)第七章：1、mcc是一種生命期長達6h以上，水平尺度大至上千千米的近圓形的巨大云團。它的內部紅外溫度很低，表明它的云塔很高，經常可達十余千米以上。2、成熟階段的mcc的物理特征1）大小和范圍：(1)紅外溫度達-32c或以下的云罩面積在105 km2或以上；(2)紅外溫度達-53c或以下的內部冷云區(qū)面積在5104km2或以上；2）開始時刻：從(1)、(2)兩個條件最初滿足時起算。3）持續(xù)期：滿足(1)、(2)兩條件的時期。這個時期必須持續(xù)6h以上。4）最大范圍：紅外溫度達-32c或更低的冷云罩尺度達最大時的范圍。5）形狀：冷云罩達最大范圍時，偏心率(短軸

15、長軸)達0.7或更大。6）結束時刻：(1)、(2)兩條件不再滿足之時刻。3、mcc的生命史和各階段特征：1）發(fā)生階段：首先表現(xiàn)為一些零散的對流系統(tǒng)在具有有利于對流發(fā)生的條件(例如層結條件性不穩(wěn)定、低層有輻合上升運動、有地形的熱力和動力抬升作用等)的地區(qū)中開始發(fā)展。2）發(fā)展階段：各個對流系統(tǒng)的雷暴外流和颮鋒逐漸匯合起來，形成了特強的中高壓和冷空氣外流邊界線，迫使暖濕空氣流入系統(tǒng)。由于外流邊界和暖濕入流的相互作用，使系統(tǒng)內部的輻合加強，因此出現(xiàn)最強對流單體，并形成平均的中尺度上升氣流。對流云團開始形成并逐漸加大。3）成熟階段：中尺度上升運動發(fā)展旺盛，高層有輻散，低層有輻合，并有大面積降水產生。這階

16、段在云圖上的形態(tài)，具有成熟階段mcc的物理特征。4）消亡階段：mcc下方的冷空氣丘變得很強，迫使輻合區(qū)遠離對流區(qū)。暖濕入流被切斷，強對流單體不再發(fā)展。mcc逐漸失去中尺度有組織的結構。在紅外云圖上云系開始變得分散和零亂。但還可以看到有成片近于連續(xù)的云砧。 4、mcc成熟階段分類；各階段特征；1）初始階段：當紅外云圖上-53c等值線內的區(qū)域面積首次超過50000km2時，定義為mcc的初始階段。初始階段之前的時刻稱為mcc前期；2）最大時段：當-53c區(qū)域面積達到最大時定義為“最大時段”；3）終止時段：當-53c等值線內的面積開始小于50000km2時，定義為終止時段；4）胞狀階段：當-53c等

17、值線呈現(xiàn)相對光滑的環(huán)形的時段，定義為中尺度胞狀時段；5）上沖最強時刻：在胞狀時刻中，在-53c等值線內色調白亮的砧云區(qū)出現(xiàn)，即云頂達到最高、云頂溫度最低的時刻，定義為上沖最強時刻。第八章 大氣的不穩(wěn)定性與對流1、靜力不穩(wěn)定：假設大氣處于靜力平衡，一氣塊受到擾動，若氣塊受到回復力又回到初始位置，則稱為靜力(或重力)穩(wěn)定的；反之若氣塊加速離開初始位置，則稱為靜力(重力)不穩(wěn)定的；1、 條件性不穩(wěn)定：指對干空氣是靜力穩(wěn)定的，而對飽和濕空氣是靜力不穩(wěn)定的情況。2、 對流性不穩(wěn)定：一般把氣層被整層抬升達到飽和時的不穩(wěn)定度稱為對流性穩(wěn)定度。不論氣層原先的層結性(氣溫垂直遞減率)如何，在其被抬升達到飽和后，如果是穩(wěn)定的，稱為對流性穩(wěn)定的；如果是不穩(wěn)定的，則稱為對流性不穩(wěn)定的；如果中性的，則稱為對流性中性的。3、 位勢不穩(wěn)定：條件不穩(wěn)定和對流流性不穩(wěn)定是一種潛在的不穩(wěn)定，所以也稱為位勢(或潛在)不穩(wěn)定。很多強對流天氣過程都發(fā)生在位勢不穩(wěn)定的情況下。位勢不穩(wěn)定度愈大，對流天氣愈強。4、 cisk:大尺度流場通過摩擦邊界層的抽吸（ekman pumping）作用，為積云對流提供了必須的水汽輻合與上升運動，反過來積云對流釋放凝結潛熱又成為驅動大尺度擾動所需要的能量，于是小尺度積云對流和