所有分類高等天氣學PPT課件

1、4.1 4.1 預備知識預備知識第1頁/共60頁第2頁/共60頁第3頁/共60頁第4頁/共60頁第5頁/共60頁第6頁/共60頁第7頁/共60頁第8頁/共60頁第9頁/共60頁所得流場沿x方向伸長，沿y方向壓縮。前者稱伸長軸，后者稱壓縮軸。注意：形變和輻合兩個量容易混淆，圖4說明了它們的區(qū)別，設(shè)兩個流體的面積初始時刻相同。皆為一正方形，但一個置于純輻合場中，另一置入純伸長形變場，則前者（圖4a）在輻合氣流下面積變得越來越小，而后者（4b），面積保持不變，但變形成一沿伸長軸拉長的長方形。在天氣分析中，這表現(xiàn)為流線的匯合與疏散。第10頁/共60頁第11頁/共60頁第12頁/共60頁圖6：上圖：作用

2、在上圖：作用在x方向的伸長形變，方向的伸長形變，與沿與沿y=x和和y=-x線的切變形變線的切變形變。下圖：沿y=x線左右的伸長形變與沿x與y軸的切變形變。實線正方形為置于兩種形變場中的流體元。后來，前者變成長方形，后者變成菱形。實際上上下圖是完全相同的。只是下圖是上圖反時針旋轉(zhuǎn)45的結(jié)果。第13頁/共60頁第14頁/共60頁圖7給出了一些理想化流體在水平風場上的各種運動學特征之間的關(guān)系，如：（a） 無曲率、擴張、伸張或散度的切變氣流。從北半球來看，圖的上半部分的切變和渦度為氣旋性；下半部分的切變和渦度為反氣旋性。（b） 整個區(qū)域均為具有氣旋性切變和曲率（即氣旋性渦度）的旋轉(zhuǎn)固體，不存在擴張或伸

3、展，因此其散度為零。（c） 輻射狀氣流，其速度與半徑成正比。該氣流具有明顯的擴張伸展，因此具有散度；但不存在曲率及切變，因此渦度為零。（d） 既存在擴張，又存在伸展的雙曲線型流體。由于擴張和伸展因這兩項相互抵消，因而是無輻散的。該流體同時還存在切變和曲率，但其切變和曲率相互抵消，因此該流體是無旋的（即渦度為零）6.理想流體運動學的小結(jié)理想流體運動學的小結(jié)第15頁/共60頁第16頁/共60頁最后給出一個天氣學的例子說明氣流變形場的作用。圖8清楚地說明在伸長和切變形變的作用下，向下游移動的氣流發(fā)生形變的過程。圖8 左上圖為穩(wěn)定水平風場（箭頭表示）中的空氣塊網(wǎng)格，任一點的風速與該點上的等值線間距成反

4、比。（a）（e）給出網(wǎng)格在空氣塊向氣流下游方向移動時形變的過程，其中網(wǎng)格的右上角向東移動，而其左下角則向南然后向東移動，這樣形成了一個閉合環(huán)流。（Tellus，7，141156（1955） （引自Martin, J.E.， 2006）第17頁/共60頁 鋒面理論是天氣學中出現(xiàn)的第一個比較完整的理論。鋒面理論是天氣學中出現(xiàn)的第一個比較完整的理論。2020世紀初，利用歐洲尤其是北歐較為稠密的地面觀測網(wǎng)，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（皮葉克尼斯（V.BjerknesV.Bjerknes）提出了極鋒理論。這個理論對）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

5、革命。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在空間鋒面是一個傾斜區(qū)，它的垂直厚度一般只1 12km2km。鋒面的產(chǎn)生可以由不同的動力過程引起，因而在大氣。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。及其它不同類型的鋒面。 地球的旋轉(zhuǎn)也是影響鋒面特征以及鋒生動力學的一個地球的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的明顯作用（通過重要因子。正是由于鋒面受到這種旋轉(zhuǎn)的明顯作用（通過科氏力）而使鋒面與其

6、它輻散占優(yōu)勢的許多有關(guān)現(xiàn)象（重科氏力）而使鋒面與其它輻散占優(yōu)勢的許多有關(guān)現(xiàn)象（重力波、密度流、颮線等）而有所區(qū)別。力波、密度流、颮線等）而有所區(qū)別。 4.2 4.2 鋒生函數(shù)（鋒生函數(shù)（F F）第18頁/共60頁 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(guān)系。為象上，地面鋒和高空鋒常常與中緯的斜壓波和氣旋有密切的關(guān)系。為了了解氣旋的結(jié)構(gòu)和形成，必須從鋒面研究開始。雖然鋒面只占斜壓了了解氣旋的結(jié)構(gòu)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

7、地轉(zhuǎn)環(huán)流的無旋部分是最波一些區(qū)中不大的一部分面積，但它們對非地轉(zhuǎn)環(huán)流的無旋部分是最顯著的動力強迫因子；顯著的動力強迫因子； 與高空鋒區(qū)和高空急流帶有關(guān)的輻散場在中緯氣旋形成中起著很與高空鋒區(qū)和高空急流帶有關(guān)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(zhì)量場發(fā)生變化；圍繞地面重要的作用，它可使低壓的地面氣壓場或質(zhì)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

8、因子，這對降水和強天氣預報有重要意義；此外，高空鋒區(qū)也是重要因子，這對降水和強天氣預報有重要意義；此外，高空鋒區(qū)也是小尺度混合或晴空亂流（小尺度混合或晴空亂流（CATCAT）的主要發(fā)生區(qū)，這包括重力波、開爾）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。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(zhì)量交換區(qū)，由此可以了解放射性塵埃、化學痕量物質(zhì)的輸送過著的質(zhì)

9、量交換區(qū)，由此可以了解放射性塵埃、化學痕量物質(zhì)的輸送過程程。 第19頁/共60頁 鋒面的形成叫鋒生，而衰減稱鋒消。在局地鋒面的形成叫鋒生，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、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(cè)的梯動量、散度和渦度等）在某時刻沿鋒面兩側(cè)的梯度隨時間加大的現(xiàn)象叫局地鋒生。度隨時間加大的現(xiàn)象叫局地鋒生。 一般我們用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，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：鋒生函數(shù)可寫作：2pdFdt（4.1）00,0()0,dFdtdFdt當時，為鋒生當時，

10、為鋒生第20頁/共60頁暖第21頁/共60頁圖圖4.1 匯合（鋒生）匯合（鋒生）(a)與疏散（鋒消）風場對準水平位與疏散（鋒消）風場對準水平位渦場的作用（渦場的作用（Bluestein，1986）第22頁/共60頁圖圖4.2 傾斜項對垂直位溫梯度的作用。傾斜項對垂直位溫梯度的作用。(a)鋒生，鋒生，(b) 鋒消鋒消（Bluestein，1986）第23頁/共60頁第24頁/共60頁第25頁/共60頁渦度+-第26頁/共60頁圖4.3 伸長與壓縮軸取向與等位溫線關(guān)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D0時，情況相反。第27頁/共60頁+第

11、28頁/共60頁第29頁/共60頁圖圖4.5 伸長軸與等溫線相對取向與鋒生的關(guān)系。左：鋒生（伸長軸與等溫線相對取向與鋒生的關(guān)系。左：鋒生（0b0；右：鋒消（；右：鋒消（45b90），），F(xiàn)0（取自（取自Bluestein, 1986; Pettersen 1956）第30頁/共60頁第31頁/共60頁第32頁/共60頁第33頁/共60頁圖圖4.6 鋒生函數(shù)各項的垂直剖面圖。所取的剖面與鋒面正鋒生函數(shù)各項的垂直剖面圖。所取的剖面與鋒面正交。虛點線為鋒面位置。（交。虛點線為鋒面位置。（a）變形項；（）變形項；（b）輻合項；）輻合項；（c）傾斜項；（）傾斜項；（d）鋒生函數(shù)（上三項之總和）。）鋒生函

12、數(shù)（上三項之總和）。 第34頁/共60頁 圖4.6a,b,c是位溫的變形項、輻合項和傾斜項的計算結(jié)果。非絕熱項沒有計算。可以看到上面三項具有相同的量級。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(guān)，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(guān)。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。第35頁/共60頁第36頁/共60頁 上

13、式中項上式中項1，5，9是非絕熱項，是非絕熱項，2，7，12是水平是水平和垂直變形項，和垂直變形項，3，6，10，11代表水平與垂直切變代表水平與垂直切變的作用，項的作用，項4，8代表垂直運動的分布不均勻的作用，代表垂直運動的分布不均勻的作用，即傾斜項。即傾斜項。 最后我們可總結(jié)鋒生的因子為：（最后我們可總結(jié)鋒生的因子為：（1）水平變形場。）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；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；（）水平切變運動；（3）垂直變形場，在一個水平）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?；（方向上的收縮和伸長可引起

14、補償?shù)拇怪蔽灰?；?）垂直運動分布的不均勻；（垂直運動分布的不均勻；（5）地面摩擦；（）地面摩擦；（6）亂流）亂流和混合作用；（和混合作用；（7）非絕熱加熱，包括潛熱釋放，感）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。熱加熱（主要在地面）和輻射過程。第37頁/共60頁4.3 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，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，而且也是中尺度對流系統(tǒng)，尤其是鋒前鋒系的基本動力

15、學問題，而且也是中尺度對流系統(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(shè)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。要設(shè)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。 第38頁/共60頁圖圖4.7 冷鋒模式概略圖。虛線代表氣旋性相對渦度最大值冷鋒模式概略圖。虛線代表氣旋性相對渦度最

16、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。逆溫層的位置。 第39頁/共60頁圖4.8 與華北冷鋒有關(guān)的垂直環(huán)流圖。（a）與強對流天氣有關(guān)；（b）與強暴雨有關(guān)。第40頁/共60頁圖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。第41頁/共60頁 鋒面的次級環(huán)流可以是熱力直接的，也可以是熱力間鋒面

17、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(zhuǎn)平衡）破壞后的必然產(chǎn)物。平衡狀態(tài)的主環(huán)流（如地轉(zhuǎn)平衡）破壞后的必然產(chǎn)物。正如正如Sawyer和和Eliassen曾指出的，水平無輻散的主環(huán)流曾指出的，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，這強迫出次級環(huán)流，即出現(xiàn)水平速度

18、和垂直速度分量，這是準地轉(zhuǎn)運動的特征。在這種情況下主強迫是通過無輻是準地轉(zhuǎn)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或減速鋒生速度。因而次級環(huán)過產(chǎn)生次級垂直變形加速或減速鋒生速度。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。流問題與鋒生動力學是密切聯(lián)系在一起的。Sawyer和和Eliassen曾得到了鋒面次級環(huán)流方程，這被稱為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(yīng)用的

19、情況。后發(fā)展和應(yīng)用的情況。 第42頁/共60頁冷暖y-yxT-2T-1T0T1半半第43頁/共60頁牽第44頁/共60頁第45頁/共60頁第46頁/共60頁第47頁/共60頁第48頁/共60頁第49頁/共60頁88第50頁/共60頁第51頁/共60頁圖4.10 Bluestein，1993 第52頁/共60頁圖4.11 Bluestein，1993 第53頁/共60頁0所以 Q200; 0, 0yxuyvxuxugggg則有第54頁/共60頁第55頁/共60頁圖4.12 Sawyer-Eliassen方程中強迫項和非地轉(zhuǎn)環(huán)流方向的概略圖。實線代表非地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)環(huán)流是熱力直接的；（b）中是熱力間接的。第56頁/共60頁圖圖4.13 地轉(zhuǎn)形變（地轉(zhuǎn)形變（Q1）（上圖），地轉(zhuǎn)切）（上圖），地轉(zhuǎn)切變（變（Q2）（中圖）和（）（中圖）和（Q1+Q2）（