高等天氣學(xué)講座--高空急流的次級(jí)環(huán)流及其與鋒面系統(tǒng)的耦合課件_第1頁(yè)
高等天氣學(xué)講座--高空急流的次級(jí)環(huán)流及其與鋒面系統(tǒng)的耦合課件_第2頁(yè)
高等天氣學(xué)講座--高空急流的次級(jí)環(huán)流及其與鋒面系統(tǒng)的耦合課件_第3頁(yè)
高等天氣學(xué)講座--高空急流的次級(jí)環(huán)流及其與鋒面系統(tǒng)的耦合課件_第4頁(yè)
高等天氣學(xué)講座--高空急流的次級(jí)環(huán)流及其與鋒面系統(tǒng)的耦合課件_第5頁(yè)
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1、高等天氣學(xué)講座(2017年春季)單元二:中緯度天氣系統(tǒng)第五講 高空急流的次級(jí)環(huán)流及 其與鋒面系統(tǒng)的耦合預(yù)備知識(shí)圖5.1冬季極鋒急流和副熱帶急流的平均位置示意圖。兩支急流皆是西風(fēng)急流,高空急流從西向東,是一支快速流動(dòng)的氣流。它以波狀的形式在中高緯從西流向東。圖中所示為冬季極鋒急流和副熱帶急流的平均位置。雖然急流是一條連續(xù)的強(qiáng)風(fēng)速帶,但實(shí)際上是不連續(xù)的,強(qiáng)風(fēng)速帶中存在著一些更強(qiáng)的風(fēng)速中心,并且每天其位置和強(qiáng)度都會(huì)變化。流線和軌跡的數(shù)學(xué)關(guān)系(見(jiàn)圖)圖5.2 流線和軌跡的關(guān)系它代表風(fēng)向的局地變化率,當(dāng)風(fēng)向變化是零時(shí),軌跡與流線一致。或穩(wěn)態(tài)氣流中,氣流的軌跡與流線是相同的。這是一種特殊情況,對(duì)梯度風(fēng)方程

2、,曲率R是Rt不是RS。波動(dòng)氣流中空氣的流動(dòng)如果水平風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間改變,即不是定常的,則瞬時(shí)水平風(fēng)場(chǎng)的流線與空氣塊的水平軌跡是不同的。如圖5.3所示。有一相速度為c的正弦波向東傳播,并迭加在風(fēng)速為U(不變)的均勻西風(fēng)帶上,實(shí)線為t時(shí)刻的水平流線,虛線為波動(dòng)向東傳播的t+t 時(shí)刻的水平流線。軌跡從A點(diǎn)出發(fā)。初始時(shí)刻,A點(diǎn)在波谷。當(dāng)西風(fēng)帶的風(fēng)速與波動(dòng)的相速度一致時(shí),原位于波動(dòng)中A點(diǎn)的空氣塊向東移動(dòng),一直位于波的槽底,如直線軌跡 AC 所示。如西風(fēng)帶波動(dòng)的相速度快(即Uc),則空氣塊在 t+t 時(shí)刻將超前于西風(fēng)氣流,位于槽前偏北方向(如軌跡圖中的AB所示)。反之,如Uc, 則空氣質(zhì)點(diǎn)在t+t 時(shí)刻將位于

3、槽后偏南方(圖5.3中軌跡AD所示。總的來(lái)說(shuō),這三條軌跡均與最初經(jīng)過(guò)A點(diǎn)的流線平行,也與之后經(jīng)過(guò)B,C,D點(diǎn)的流線平行。其中最長(zhǎng)的軌跡AB與西風(fēng)帶速度最大值相對(duì)應(yīng)。圖5.3在風(fēng)速為U的均勻西風(fēng)帶中,以相速度c向東傳播的流動(dòng)空氣塊的流線及軌跡。實(shí)線黑箭頭表示初始時(shí)刻的流線。曲線箭頭表示空氣質(zhì)點(diǎn)在不同的西風(fēng)帶風(fēng)速下從A處開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)軌線。AB為Uc的軌線;AC為Uc的軌線;AD為Uc 的軌線(見(jiàn)華萊士等,2008)。5.1高空急流的次級(jí)環(huán)流及其天氣意義高空急流與鋒面及鋒面的次級(jí)環(huán)流有密切的關(guān)系,故人們常把高空急流和鋒面(主要是高空鋒區(qū))統(tǒng)稱為急流鋒系,它們相伴隨的次級(jí)環(huán)流稱急流鋒次級(jí)環(huán)流。高空急流是

4、對(duì)流層中上部重要的風(fēng)系,過(guò)去對(duì)它的討論和研究已經(jīng)很多。本節(jié)只重點(diǎn)討論一個(gè)問(wèn)題,即與急流風(fēng)速最大中心(或急流帶)相聯(lián)系的垂直環(huán)流及其與天氣的關(guān)系,另外也簡(jiǎn)略地討論與東亞高空急流有關(guān)的能量學(xué)問(wèn)題。圖5.4 氣候平均1月份的急流所在高度(250hPa)上的緯向風(fēng)速分布。等值線間隔為15ms-1。粗線為零線,實(shí)線表示西風(fēng),虛線表現(xiàn)東風(fēng)【數(shù)據(jù)來(lái)源于NCEP-NCAR再分析資料,由Todd P.Mitchell提供】。圖5.5 1998年11月10日12時(shí)風(fēng)和位溫的垂直剖面圖。這個(gè)剖面從內(nèi)布拉斯加州北普拉提延伸到密西西比州杰克遜。圖5.6 1998年11月10日00時(shí)風(fēng)和 溫度的垂直剖面圖。這個(gè)剖面從懷俄

5、明州瑞爾頓到路易斯安那州查爾斯湖圖5.7 全球急流與對(duì)流層頂分布示意圖(BAM,1987,見(jiàn) Shahiro)圖5.8 急流的形成與對(duì)流層頂斷裂(BAM,1987)高空急流和急流中心的形成(參看圖5.12)圖5.12 急流中心四象限模式的三維環(huán)流示意圖。只考慮匯合情況。管狀箭頭:急流軸。兩個(gè)曲線箭頭:與急流相交的水平面上的地轉(zhuǎn)風(fēng)。垂直虛線:正交于急流軸的垂直面上的Vg等值線。流線代表橫向/垂直環(huán)流(Carson,1993)圖5.9 200hPa 1月平均風(fēng)速和風(fēng)向(19661977年)。風(fēng)速的單位:ms-1。AA和BB為圖5.2剖面的位置,分別代表急流入口區(qū)和出口區(qū)高空急流的次級(jí)環(huán)流(Cres

6、smen,1981)觀測(cè)表明,高空急流并不是一種圍繞地球的均勻氣流。一般它的很強(qiáng)的風(fēng)速是集中在一些急流風(fēng)速最大中心或急流帶中,急流帶之間風(fēng)速較弱。這些急流帶沿急流軸一個(gè)個(gè)地向下游傳播,由于急流帶前進(jìn)速度比風(fēng)速要小得多,因而當(dāng)空氣穿過(guò)急流帶時(shí),在上風(fēng)方速度就會(huì)增大,在下風(fēng)方速度會(huì)減小。圖5.1是1月東亞和西太平洋平均200hPa(19681977年)的等風(fēng)速線和風(fēng)向量分布。不計(jì)粘性項(xiàng), 的運(yùn)動(dòng)方程為式中 是地轉(zhuǎn)風(fēng)的經(jīng)向分量。在線AA以左, 明顯為正,即在急流入口區(qū),當(dāng)空氣質(zhì)點(diǎn)向中心移動(dòng)時(shí)不斷加速,因而有 ,或 ,這表明所有入口區(qū)運(yùn)動(dòng)的氣塊會(huì)得到向左偏(看向下游)的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量。結(jié)果在急流北側(cè)產(chǎn)生

7、高空輻合,急流南側(cè)產(chǎn)生高空輻散。進(jìn)而北側(cè)出現(xiàn)下沉氣流,南側(cè)出現(xiàn)上升氣流。低層大氣會(huì)隨之發(fā)上質(zhì)量調(diào)整,產(chǎn)生與高層相反的輻散輻合區(qū)和北風(fēng),從而形成垂直環(huán)流。也即在急流入口區(qū)存在一直接的力管環(huán)流。在線AA和BB之間,風(fēng)向量的方向與等風(fēng)速線方向一致, 近于零, 或 近于等于零,即氣塊的運(yùn)動(dòng)不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在BB線之右, 為負(fù)值,即空氣塊向下游運(yùn)動(dòng)時(shí)是不斷減速的,則有 或 ,即空氣塊的運(yùn)動(dòng)向右偏轉(zhuǎn),這導(dǎo)致在急流的出口區(qū)產(chǎn)生一間接環(huán)流。圖5.10是根據(jù)實(shí)際資料計(jì)算出的入口區(qū)和出口區(qū)的垂直環(huán)流圖,圖中向量的水平分量是等壓面上的無(wú)旋氣流或水平風(fēng)的輻散分量,而向量的垂直分量是垂直運(yùn)動(dòng) 圖中還給出動(dòng)能等值線,即:上

8、式 是摩擦力 是位勢(shì)高度。由圖可見(jiàn),在急流入口區(qū)出現(xiàn)正 的最大值, 而在急流出口區(qū)為負(fù) 的最大值,而在急流出口區(qū)為負(fù) 的最大值區(qū)。前者表明位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)換,后者是動(dòng)能向位能轉(zhuǎn)換。 的這些正負(fù)中心位置與相對(duì)靜止的急流風(fēng)速最大值區(qū)是相配合的。急流也與鋒區(qū)相一致。在入口區(qū)輻散的氣流向量表現(xiàn)出一單圈的直接力管環(huán)流,冷空氣下沉,暖空氣上升。這支簡(jiǎn)單的環(huán)流與極鋒和急流橫交,厚度達(dá)整個(gè)對(duì)流層,它可以解釋該區(qū)強(qiáng)的動(dòng)能制造。在急流出口區(qū)為明顯的深厚間接力管環(huán)流圈,這說(shuō)明動(dòng)能向位能的轉(zhuǎn)換很強(qiáng)。 圖5.10 1979年11月20日00GMT日本和東亞地區(qū)橫交急流軸剖面中的二維流場(chǎng)(向量是無(wú)旋分量與垂直運(yùn)動(dòng)之合成)。(

9、a)入口區(qū)情況;(b)出口區(qū)情況。實(shí)線是 等線,單位:Jkg-1s-110-4(Cressmen,1981)(5.2)上面討論的急流次級(jí)環(huán)流實(shí)際上是一種比較簡(jiǎn)單的情況。由于溫度場(chǎng)(位溫場(chǎng))相對(duì)于高空急流最大值的配置不同,所產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流也不同。圖5.13給出不同溫度場(chǎng)分布條件下直線高空急流中心的次級(jí)環(huán)流方向也可以根據(jù)自然坐標(biāo)系中類似的表達(dá)式 來(lái)討論。圖5.13a和5.13b中溫度場(chǎng)的分布特征分別為 和 ,因而它們分別代表匯合和水平切變的作用。圖5.4c和5.4d中的等溫線相對(duì)于急流軸旋轉(zhuǎn)了某一角度,這沿鋒面方向分別造成了冷平流和暖平流。它們代表了匯合和水平切變機(jī)制共同作用的情況。(圖5.13)

10、(Shairo,1981)圖5.13 等壓面上各種位溫和沿鋒面地轉(zhuǎn)風(fēng)分量理想配置的概略圖這是對(duì)對(duì)流層上部是直線急流最大值的情況。粗實(shí)線是位勢(shì)高度線,粗虛線是沿鋒面風(fēng)分量的等風(fēng)速線,細(xì)實(shí)線是等溫(或 )線。粗實(shí)箭頭是正交于鋒面的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量。正負(fù)號(hào)代表對(duì)流層中部 的方向。(a)沿急流方向不存在溫度平流下 不存在匯合和疏散作用下具有 的純水平切變;(c)-(f)匯合/疏散和水平切變同時(shí)存在的不同情況;(c)沿急流有冷平流;(d)沿急流有暖平流;(e)急流在溫度脊中;(f)急流在溫度槽中 方程(4.21)中Q強(qiáng)迫項(xiàng)由兩項(xiàng)組成。由(4.18d)和(4.18e)Q可寫(xiě)成:上式中故 是地轉(zhuǎn)伸長(zhǎng)形變,代表地

11、轉(zhuǎn)匯合(或疏散) 對(duì)加強(qiáng)(或減弱)正交于鋒面溫度梯度 的作用。 是地轉(zhuǎn)切變項(xiàng),代表正交于鋒面的地轉(zhuǎn)風(fēng)切變 在沿鋒面的溫度梯度 旋轉(zhuǎn)成正交于鋒面方面的作用。強(qiáng)迫的次級(jí)環(huán)流是由于正交于鋒面的溫度梯度有地轉(zhuǎn)伸長(zhǎng)和切變形變才出現(xiàn)的(圖4.29-4.30)。由第四講中得到的Sawyer-Eliassen 方程如下:sn圖5.14a圖5.14b圖5.14c(圖5.14)溫度平流對(duì)急流中心垂直環(huán)流的作用沿直線急流軸無(wú)溫度平流冷平流暖平流注意:上升和下沉運(yùn)動(dòng)中心發(fā)生南北偏移圖5.15再次清楚地給出了高空急流與入口區(qū)和出口區(qū)散度分布的情況。圖5.16給出了冷平流與氣旋性切變共同作用下產(chǎn)生熱力間接環(huán)流。圖5.17

12、給出了水平切變和溫度平流各種組合作用下的垂直環(huán)流形態(tài)。以下給出歐洲和美洲的急流個(gè)例(圖5.18-圖5.23)。圖5.18中,AB線是通過(guò)急流出口區(qū)的剖面,可看到一間接環(huán)流圖,這導(dǎo)致高空鋒生。(圖5.15)(圖5.16)冷平流與氣旋性切變:熱力間接環(huán)流(圖5.17)水平切變和溫度平流各種組合的作用冷平流+氣旋性切變熱力間接環(huán)流冷平流+反氣旋性切變熱力直接環(huán)流暖平流+氣旋性切變熱力直接環(huán)流暖平流+反氣旋性切變熱力間接環(huán)流(圖5.18)大西洋高空深槽中急流帶的移動(dòng)和垂直環(huán)流的結(jié)構(gòu)(圖5.19)急流出口區(qū)的間接環(huán)流(圖5.20)圖5.21(a)1979年2月19日0000GMT通過(guò)對(duì)流層上部鋒區(qū)的剖面

13、圖。細(xì)實(shí)線:線,粗實(shí)線:位渦(1010-6K mb-1S-1)。(b)等風(fēng)速線(虛實(shí)線)和流函數(shù)線100=3.100105m2S-1)(c)同(b),但是對(duì)19日1200GMT圖5.22(c)同(b),但是對(duì)19日1200GMT圖5.23 引起高空鋒生和對(duì)流層頂(虛線)折疊的橫向/垂直環(huán)流示意圖 (Danielsen,1968)圖5.24是一個(gè)高空急流鋒系移過(guò)一個(gè)天氣尺度斜壓波時(shí)的概略圖。這可代表一個(gè)短波槽移過(guò)長(zhǎng)波槽的天氣型式。開(kāi)始在一極槽和中緯度脊間有一匯合區(qū),這種氣流匯合區(qū)一般可導(dǎo)致高空鋒和急流的形成和加強(qiáng)(圖5.24a)。大約一天之后(圖5.24b),急流和鋒在西南東北傾斜的輻散槽后西北

14、氣流中移到了拐點(diǎn)處。這時(shí)溫度槽落后于氣壓槽四分之一波長(zhǎng),因而鋒面位于冷平流區(qū)。如果在發(fā)展的短波擾動(dòng)附近,基本緯向風(fēng)隨緯度出現(xiàn)西風(fēng)不斷增加,則高度場(chǎng)的傾斜意味著有正壓發(fā)展,而溫度波和高度波的分離對(duì)斜壓發(fā)展最有利。圖5.25是高壓脊處急流傳播造成下游長(zhǎng)波發(fā)展與衰亡的概略圖。這種情況被稱作急流壓頂導(dǎo)致寒潮爆發(fā)的過(guò)程。 圖5.24b的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)反映了早期發(fā)展階段非對(duì)稱槽結(jié)構(gòu)的特征。在48小時(shí)后(圖5.24c),急流鋒系達(dá)到長(zhǎng)波槽底,且具有彎曲的取向。由于溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)間南北傾斜和位相差的消失,而變成對(duì)稱結(jié)構(gòu),這表明正壓和斜壓發(fā)展停止。最后(圖5.24d),急流和鋒移到長(zhǎng)波槽下游西南氣流中的拐點(diǎn)處,而長(zhǎng)波

15、槽具有匯合的結(jié)構(gòu),槽軸的西南東北向傾斜及溫度波超前于高度波分別意味著正壓和斜壓阻尼。這時(shí)波槽的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)與圖5.25b相反。上面的過(guò)程清楚地說(shuō)明了一個(gè)移動(dòng)性急流鋒系與一緩慢移動(dòng)的斜壓波相互作用的情況。 圖5.24 1954年2月27日15時(shí),最大風(fēng)層(a)等風(fēng)速線,(b)平均高度,(c)12小時(shí)后的等風(fēng)速線,(d)圖是(a)和(c)圖的槽以西最大風(fēng)等風(fēng)速線的空間時(shí)間剖面。這張圖的繪法是根據(jù)每個(gè)時(shí)間的圖,在穿過(guò)急流帶中心而正交于急流軸的一條線上填上各點(diǎn)的風(fēng),然后分析等風(fēng)速線,稍加平滑。圖5.25 72小時(shí)期間一個(gè)對(duì)流層上部急流鋒系通過(guò)一中緯斜壓波傳播的理想概略圖。(a)急流鋒在中高緯氣流間的匯合

16、區(qū)中形成;(b)急流鋒位于增輻波西北氣流拐點(diǎn)中;(c)急流鋒位于強(qiáng)烈發(fā)展的波槽槽底;(d)急流鋒位于阻尼波西南氣流拐點(diǎn)處。粗實(shí)線是等高線,粗虛線是等風(fēng)速線,細(xì)虛線是等溫線。(Shairo,1981)地轉(zhuǎn)悖論(Geostrophic paradox) 在急流入口區(qū),地轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)是匯合的,它使平均溫度場(chǎng)在急流中心處增密(圖5.26)通過(guò)熱成風(fēng)關(guān)系,使地轉(zhuǎn)垂直切變?cè)鰪?qiáng)。 圖5.26 急流入口區(qū)匯合流場(chǎng)使南北溫度梯度增加 (Martin, 2006)同時(shí),地轉(zhuǎn)風(fēng)把較低的地轉(zhuǎn)動(dòng)量從外區(qū)向內(nèi)核區(qū)輸送,這使內(nèi)核區(qū)的風(fēng)速減?。ㄓ绕涫巧蠈悠搅髯饔脼橹鞯膶哟危?,從而減小了該氣柱中的地轉(zhuǎn)風(fēng)垂直切變。因此,完全相同的地轉(zhuǎn)

17、風(fēng)急流一方面增加內(nèi)核區(qū)(中心區(qū))垂直切變的量值,另一方面通過(guò)負(fù)的地轉(zhuǎn)動(dòng)量平流減少地轉(zhuǎn)風(fēng)的垂直切變(圖5.27)。圖5.27 地轉(zhuǎn)動(dòng)量平流使近急流中心處的風(fēng)速減?。ㄇ凶儨p?。?Martin, 2006)這就構(gòu)成了一個(gè)悖論:一方面地轉(zhuǎn)溫度平流通過(guò)增加平均溫度梯度應(yīng)使急流中心區(qū)熱成風(fēng)增加,另一方面,地轉(zhuǎn)動(dòng)量平流應(yīng)使中心區(qū)熱成風(fēng)減小。所以,地轉(zhuǎn)風(fēng)實(shí)際上是破壞了熱成風(fēng)平衡,即使熱成風(fēng)平衡的兩個(gè)分量產(chǎn)生了相反的符號(hào)變化(平均溫度梯度增加與風(fēng)垂直切變減?。R?yàn)闊岢娠L(fēng)是地轉(zhuǎn)平衡的一種形式,因而可以說(shuō)地轉(zhuǎn)風(fēng)破壞了它自己!這就叫地轉(zhuǎn)悖論。但實(shí)際觀測(cè)表明,中緯天氣尺度急流總是近于地轉(zhuǎn)平衡的,因而可以推論,必需有另

18、外的一部分氣流在面對(duì)自身破壞趨勢(shì)下維持地轉(zhuǎn)平衡,這部分氣流是強(qiáng)迫的、非地轉(zhuǎn)次級(jí)環(huán)流。因?yàn)榈剞D(zhuǎn)急流趨于產(chǎn)生熱成風(fēng)不平衡,所以強(qiáng)迫的次級(jí)環(huán)流必須把急流帶回到一種地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)。因而,急流入口區(qū)附近的次級(jí)非地轉(zhuǎn)環(huán)流其作用是:(1)減少水平溫度梯度;同時(shí)(2)增加垂直切變(圖5.28),因?yàn)橐鉀Q地轉(zhuǎn)悖論,必須產(chǎn)生強(qiáng)迫的次級(jí)環(huán)流。 圖5.28 B(A)位于急流入口區(qū)右(左)側(cè),所激發(fā)的次級(jí)環(huán)流即減少經(jīng)向溫度梯度,又增加垂直切變(熱成風(fēng))。低層?xùn)|風(fēng)增加,高層面風(fēng)也增加。絕熱增溫絕熱冷卻增加的垂直切變 圖5.29 虛線是等熵線,實(shí)黑箭頭為地轉(zhuǎn)風(fēng),紅箭頭是Q向量,紅點(diǎn)是零值Q向量。右圖是Q向量分量(Q1與Q2

19、)圖。斜杠代表該項(xiàng)為零。Q向量導(dǎo)致的垂直環(huán)流但如上述地轉(zhuǎn)溫度平流為零,這種情況表明,熱成風(fēng)平衡在入口區(qū)被破壞,即垂直切變減小,但此層的水平溫度梯度不變。這表明即使簡(jiǎn)單的地轉(zhuǎn)流也能造成熱成風(fēng)平衡的破壞及地轉(zhuǎn)平衡和靜力平衡的破壞,其結(jié)果如何?也就是說(shuō)從地轉(zhuǎn)平衡的角度A點(diǎn)附近上述平衡被破壞的平衡條件如何恢復(fù)?這只可能由兩種方式:垂直切變必須增加或經(jīng)向溫度必須減小,以此才可以減緩或消除由地轉(zhuǎn)平流引起的不平衡。其結(jié)果是導(dǎo)致一種非地轉(zhuǎn)環(huán)流產(chǎn)生必要的變化去維持這種不平衡狀態(tài),圖5.31是通過(guò)圖5.30中B-C的截面??梢钥吹剑捎谀媳睖囟葘?duì)于地轉(zhuǎn)切變太強(qiáng),它必須減弱才能與減弱的地轉(zhuǎn)風(fēng)垂直切變相平衡,因而要求

20、暖空氣冷卻和冷空氣增暖,在非絕熱條件下,只有絕熱膨脹和壓縮才能是實(shí)現(xiàn)上述所要求的溫度變化,也就是南側(cè)的暖空氣要上升,并變冷,北側(cè)的冷空氣要下沉并變暖,即產(chǎn)生一個(gè)整的垂直于地轉(zhuǎn)風(fēng)的次級(jí)環(huán)流圈。這就是用QG-方程對(duì)地轉(zhuǎn)悖論的簡(jiǎn)明解釋。上述垂直運(yùn)動(dòng)分布型與QG-方程一致嗎?圖5.32-5.33說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。圖5.29表明,沿500hPa急流軸北側(cè)與南側(cè),分別有氣旋和反氣旋性切變渦度區(qū),由于100hPa地轉(zhuǎn)渦度平流為零,則不管500hPa渦度平流是什么符號(hào)(氣旋性或反氣旋性),它代表這一層中(1000-500hPa層)中的微分渦度平流。因而在急流入口區(qū)右(左)側(cè)的上升區(qū)與氣旋性(反氣旋性)渦度平流隨

21、高度增加的強(qiáng)迫是一致的。(參看QG-方程右邊第一項(xiàng),并注意圖5.32中的入口區(qū)右,左平流方向(箭頭)。由上可見(jiàn),QG垂直運(yùn)動(dòng)的作用方向正是把大氣帶回到熱成風(fēng)平衡的狀態(tài),在急流入口區(qū),有熱力直接環(huán)流發(fā)展,暖空氣上升,冷空氣下沉,從能量轉(zhuǎn)換看,位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)換。這表明隨空氣進(jìn)入急流中心的風(fēng)將加速,獲得動(dòng)能。在急流出口區(qū),情況與入口區(qū)相反,地轉(zhuǎn)平流將導(dǎo)致高空風(fēng)速增加,垂直切變?cè)黾?,并大于原水平溫度梯度所要求的垂直切變值。這種情況需要一個(gè)熱力間接的環(huán)流(暖空氣下沉與冷空氣上升)把大氣再帶回到熱成風(fēng)平衡狀態(tài)中。圖5.30 北半球急流入口概略圖。實(shí)線代表500hPa與1000-500hPa層厚度,紅箭頭是所

22、選點(diǎn)上的地轉(zhuǎn)風(fēng),紅虛線是等風(fēng)速線。線B-C 代表圖5.33中的剖面取向。圖5.31 B-C 剖面。虛彩色箭頭代表非地轉(zhuǎn)環(huán)流的方向,黑虛線為一等高線,垂直位移被放大。圖5.32 陰影彩色區(qū)中地轉(zhuǎn)相對(duì)渦度平流分布,標(biāo)出了明顯微分渦度平流區(qū)與上升及下沉運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)迫項(xiàng)。圖5.33 500hPa急流中心概略圖。實(shí)黑線代表位勢(shì)高度線,虛紅和藍(lán)線為相對(duì)渦度線,CVA與AVA分別代表氣旋性與反氣旋性渦度平流區(qū)。2 高空低空急流鋒系的垂直耦合及其對(duì)天氣的影響上述垂直環(huán)流可以解釋低空急流的形成。在急流出口區(qū),由于上述的上下層質(zhì)量調(diào)整在間接環(huán)流的回流支,氣壓梯度力增加,結(jié)果變壓風(fēng)增加。這支偏南的變壓風(fēng)基本說(shuō)明了實(shí)際觀

23、測(cè)到的經(jīng)向非地轉(zhuǎn)風(fēng)向量的加強(qiáng),是低空急流的重要組成部分。另一方面又可強(qiáng)迫u有相應(yīng)的加速。因?yàn)閡g由于氣壓梯度力加大而增加,故vagi和u的增加就造成了低空急流的形成,它指向東北方向,與高空急流帶有明顯的交角。因?yàn)橘|(zhì)量調(diào)整產(chǎn)生了變壓風(fēng),故高低空急流帶是通過(guò)兩次質(zhì)量調(diào)整耦合在一起,而這種質(zhì)量調(diào)整又與急流中心的傳播有關(guān)。這個(gè)過(guò)程強(qiáng)調(diào)了低空動(dòng)量的產(chǎn)生是三維質(zhì)量動(dòng)量調(diào)整過(guò)程的結(jié)果。 這不同于其它人關(guān)于低空急流產(chǎn)生的解釋。Ninomiya認(rèn)為對(duì)流引起的動(dòng)量垂直輸送可在高空急流出口區(qū)引起低空急流的發(fā)展,但是高層急流帶中動(dòng)量的向下輸送不能說(shuō)明低空急流為什么會(huì)有強(qiáng)的與高空急流成正交的動(dòng)量分量,以使高低空急流風(fēng)向

24、有明顯差別,這點(diǎn)已為許多觀測(cè)事實(shí)所證明。上述事實(shí)也表明高低空急流是相互耦合的,而不是分離的兩種現(xiàn)象。應(yīng)該指出,由質(zhì)量動(dòng)量調(diào)整在高空急流出口區(qū)發(fā)展的低空急流與某些夜間低空急流的成因不同,后者與邊界層中的過(guò)程密切有關(guān)。 高低空急流帶的相互作用是有組織的強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)在高空急流的出口區(qū)中發(fā)展的一個(gè)重要因子。低空急流的變壓風(fēng)分量正交于高空急流軸,它是低空急流所以與高空急流成一明顯交角的主要原因。但隨著高度增加,在中上對(duì)流層,慣性平流項(xiàng)的作用不斷增大,這造成風(fēng)隨高度的順轉(zhuǎn)及水汽和感熱輸送的差別,也即低空急流迅速地在低層向北輸送水汽和感熱到風(fēng)暴的初生區(qū),而高空急流帶的向下伸展,在對(duì)流層中部向東輸送干冷空氣,這

25、種不同輸送的結(jié)果是產(chǎn)生對(duì)流不穩(wěn)定(地面500hPa)、降低自由對(duì)流高度和抬高潛在不穩(wěn)定層上方的平衡高度的一個(gè)原因。所有這些都有利于深對(duì)流風(fēng)暴的形成。 這種通過(guò)由傳播的急流帶引起的相互質(zhì)量動(dòng)量調(diào)整而造成有利于深對(duì)流條件的概念,可為強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)判據(jù)提供理論根據(jù)。根據(jù)最近的研究,過(guò)去在美國(guó)與許多強(qiáng)風(fēng)暴有關(guān)的低空急流的形成(15個(gè)例子中有12個(gè))都與高空急流帶的傳播有關(guān)。并且可以影響降水和強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。Sortails等根據(jù)FRONTS87試驗(yàn)資料分析這種輻合過(guò)程及其對(duì)對(duì)流活動(dòng)的影響。他們發(fā)現(xiàn)高空急流出口區(qū)的間接環(huán)流與低空急流是耦合的,并位于冷鋒附近。高空急流橫向非地轉(zhuǎn)環(huán)流的低空支即為低空急流,它的

26、上升支平流暖濕空氣,有利于該處深對(duì)流的發(fā)展與非絕熱加熱的增強(qiáng)。此外,與低空急流有關(guān)的中尺度橫向非地轉(zhuǎn)環(huán)流也有利于冷鋒前對(duì)流的形成。 前面都是分別討論高空急流鋒系和地面鋒的次級(jí)環(huán)流。但是有些情況下,高低空強(qiáng)迫可以同時(shí)作用在同一地區(qū),依它們的垂直取向差異,會(huì)產(chǎn)生顯著不同的次級(jí)環(huán)流。為了說(shuō)明這一點(diǎn),考慮一個(gè)高空急流的出口區(qū)與地面冷鋒相迭加的情況(地面冷鋒前緣有低空急流)。當(dāng)一冷鋒和低空急流位于高空急流出口區(qū)前方時(shí),高低空地轉(zhuǎn)變形的相對(duì)位置使急流出口區(qū)的熱力間接環(huán)流位于地面鋒直接環(huán)流上方,但這時(shí)急流環(huán)流的下沉支正好位于低層鋒面上升支之上,這阻止在鋒前方有深厚上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展。另一方面,高空急流鋒的對(duì)流穩(wěn)定

27、層結(jié)也阻止深對(duì)流的發(fā)展。隨著高空急流的東移,最后高空急流處于地面鋒和低空急流上方,這種高低空急流相交的分布是一種啟動(dòng)對(duì)流和位勢(shì)不穩(wěn)定釋放的典型形勢(shì)。這時(shí)高空急流次級(jí)環(huán)流的上升支正好與地面鋒垂直環(huán)流的上升支上下重合,從而在地面鋒前緣形成一深厚的上升運(yùn)動(dòng)空氣層。這是鋒前位勢(shì)不穩(wěn)定層的一種啟動(dòng)機(jī)制,能產(chǎn)生深而強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)(圖5.34-5.35)。 圖5.34 高低空急流鋒系垂直上不耦合的配置以及其相應(yīng)次級(jí)環(huán)流的分布。(a)高空急流鋒系的出口區(qū)位于地面鋒和低空急流之西。粗實(shí)線代表高空急流等風(fēng)速線,實(shí)箭頭為高空急流軸,白箭頭為低空急流軸,細(xì)虛線為地面位溫線;(b)沿圖(a)中AA線的剖面,粗虛線代表高

28、低空急流的等風(fēng)速線,雙細(xì)線為位渦對(duì)流層頂,細(xì)實(shí)線為高低空鋒面,陰影區(qū)為濕區(qū),粗箭頭是強(qiáng)迫的次級(jí)環(huán)流的流線(Shairo,1981)圖5.35 垂直耦合的高低空急流鋒系及其相應(yīng)的垂直環(huán)流。(a)位于地面鋒和低空急流上方的高空急流鋒出口區(qū);(b)沿圖(a)中BB線的剖面 由急流次級(jí)環(huán)流上升支觸發(fā)的對(duì)流,一旦發(fā)展起來(lái),通過(guò)凝結(jié)潛熱釋放產(chǎn)生的非絕熱加熱作用和垂直動(dòng)量輸送等可使急流加強(qiáng)及引起非地轉(zhuǎn)偏差。這種中尺度過(guò)程對(duì)急流的反饋?zhàn)饔每梢杂肧awyerEliassen環(huán)流方程來(lái)診斷。圖5.31是中尺度對(duì)流加熱和垂直動(dòng)量輸送影響次級(jí)環(huán)流的一次數(shù)值模擬的結(jié)果。潛熱加熱在其最大值軸線處產(chǎn)生上升氣流(圖5.31a

29、,b),其兩側(cè)是補(bǔ)償?shù)南鲁吝\(yùn)動(dòng)。動(dòng)量通量分布強(qiáng)迫一個(gè)熱力直接環(huán)流,上升運(yùn)動(dòng)在暖空氣一側(cè),下沉運(yùn)動(dòng)在其后(圖5.31c,d)。這種類型的質(zhì)量環(huán)流為對(duì)流提供一種自身傳播的機(jī)制。上兩種強(qiáng)迫因子共同作用產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流是一個(gè)直接環(huán)流圈,它可以增加高空急流的動(dòng)能(圖5.32a,b) 。非地轉(zhuǎn)氣流的水平分量通過(guò)急流中心從急流的反氣旋切變一側(cè)指向氣旋性切變一側(cè)。由急流次級(jí)環(huán)流上升支觸發(fā)的對(duì)流,一旦發(fā)展起來(lái),通過(guò)凝結(jié)潛熱釋放產(chǎn)生的非絕熱加熱作用和垂直動(dòng)量輸送等可使急流加強(qiáng)及引起非地轉(zhuǎn)偏差。這種中尺度過(guò)程對(duì)急流的反饋?zhàn)饔每梢杂肧awyerEliassen環(huán)流方程來(lái)診斷。圖5.36是中尺度對(duì)流加熱和垂直動(dòng)量輸送影響

30、次級(jí)環(huán)流的一次數(shù)值模擬的結(jié)果。潛熱加熱在其最大值軸線處產(chǎn)生上升氣流(圖5.36a,b),其兩側(cè)是補(bǔ)償?shù)南鲁吝\(yùn)動(dòng)。動(dòng)量通量分布強(qiáng)迫一個(gè)熱力直接環(huán)流,上升運(yùn)動(dòng)在暖空氣一側(cè),下沉運(yùn)動(dòng)在其后(圖5.36c,d)。這種類型的質(zhì)量環(huán)流為對(duì)流提供一種自身傳播的機(jī)制。上兩種強(qiáng)迫因子共同作用產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流是一個(gè)直接環(huán)流圈,它可以增加高空急流的動(dòng)能(圖5.37a,b) 。非地轉(zhuǎn)氣流的水平分量通過(guò)急流中心從急流的反氣旋切變一側(cè)指向氣旋性切變一側(cè)。圖5.36 急流鋒系附近中尺度對(duì)流對(duì)次級(jí)環(huán)流的強(qiáng)迫作用的模擬結(jié)果。(a)對(duì)流非絕熱加熱(潛熱),10-4Ks-1;(b)加熱產(chǎn)生的環(huán)流流函數(shù),ms-1hPa-1;(c)對(duì)流

31、垂直動(dòng)量通量,10-1m2s-2;(d)動(dòng)量通量產(chǎn)生的環(huán)流流函數(shù),ms-1hPa-1。粗實(shí)線代表對(duì)流層頂,地面鋒邊界,粗虛線代表高空急流40ms-1的等風(fēng)速線(Shairo,1981)圖5.37模擬得到的中尺度對(duì)流強(qiáng)迫的次級(jí)環(huán)流。它是由圖5.36中非絕熱加熱和垂直動(dòng)量通量共同產(chǎn)生的。(a)總強(qiáng)迫函數(shù),非絕熱加上動(dòng)量通量,10-4s-2;(b)由圖(a)強(qiáng)迫的總環(huán)流流函數(shù)(ms-1hPa)附錄:實(shí)例分析:1999年6月22日-7月2日長(zhǎng)江梅雨暴雨期在這個(gè)過(guò)程中可以看到高空急流下傳及其與低空急流的耦合情況。Longitude-time cross-section of daily precipit

32、ation averaged for the Meiyu zone fo 28-30N latitudinal range, based on the GPCP dataset. The maximum precipitation axes are represented with thick dashed lines which nearly correspond to tracks of three low-level vortices (C1, C2 and C3) Liu, DingC1C2C3三個(gè)梅雨低渦產(chǎn)生的降水經(jīng)度-時(shí)間剖面圖Longitude-time cross-sectio

33、n of 850hPa wind speed along the maximum wind axis shown in figure 4 (d). The areas with wind speed greather than 12 ms-1 are shaded. Unit: ms-1 Liu, Ding850hPa風(fēng)速的經(jīng)度-時(shí)間剖面圖Coupling of upper level jet streaks and the low-level jet during periods of eastward propagation of three low-level vortices. (a)

34、 Mean 200 hPa (dash lines) and 850 hPa (solid lines) isotach pattern averged for the period of 00UTC 23 June to 18UTC 24 June, 1999; (b) same as (a), but for the period of 00UTC 26 June-18UTC 28 June; and (c) same as (a), but for the period of 00UTC 28 June-18UTC 29 June, 1999. Shaded areas denote major precipitation regions based on GPCP dataset. (a)(b)(c)Liu, Ding高空急流

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