南大天氣學(xué)原理第七章(簡)

第七章中尺度天氣系統(tǒng)

§7.1概述

§7.1.1什么是中尺度天氣系統(tǒng)中尺度天氣系統(tǒng)是介于大尺度和小尺度之間的天氣系統(tǒng)，水平空間尺度100-103km量級時間尺度103-105s量級分為三類：中尺度(102-103km,1-5天)，中尺度對流復(fù)合體中尺度(101-102km,3小時-1天)，颮線中尺度(100-101km,1小時)，雷暴單體§7.1.2中尺度天氣系統(tǒng)的基本特征1.水平尺度小、生命期短中尺度天氣系統(tǒng)的水平空間尺度為100-103km量級，垂直尺度為10km左右;其生命期大多為幾小時至1天以內(nèi)。強烈對流性中尺度天氣系統(tǒng)的水平尺度只有101-102km量級而大尺度系統(tǒng)的水平尺度一般在103km量級以上，生命期常達1天至幾天。鋒面、氣旋、反氣旋、長波槽脊、阻塞系統(tǒng)、熱帶氣旋等2.氣象要素梯度大，天氣強烈氣象要素梯度大，是中尺度天氣系統(tǒng)區(qū)別于大尺度系統(tǒng)的顯著特征之一。在颮線中尺度系統(tǒng)區(qū)，氣壓梯度達1-3hPa/km,溫度梯度達5oC/10km;颮線過境，氣壓涌升1hPa/1-2min,溫度驟降1oC/1min，而在大尺度天氣系統(tǒng)中，氣象要素梯度小得多，要素隨時間變化也小得多。同這種大的氣象要素梯度相聯(lián)系，中尺度系統(tǒng)所伴隨的天氣通常較強烈，常帶來大風(fēng)、暴雨、冰雹，甚至出現(xiàn)龍卷和下?lián)舯┝鞯葟娏抑聻?zāi)天氣，且具有突發(fā)性和急劇變化的特征。而大尺度所伴隨的天氣則弱得多，且較持續(xù)，變化也較緩慢。3.非地轉(zhuǎn)平衡大尺度運動是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)的，在大尺度系統(tǒng)中，空氣運動近于維持地轉(zhuǎn)風(fēng)平衡或梯度風(fēng)平衡。而在中尺度系統(tǒng)中，加速度同地轉(zhuǎn)偏向力和氣壓梯度力具有相同的數(shù)量級，對空氣運動有同等的重要性，因而運動是非地轉(zhuǎn)的。在中尺度系統(tǒng)中可看到風(fēng)向和等壓線相垂直的特征。4.非靜力平衡在垂直方向，大尺度運動是準(zhǔn)靜力平衡的，較大的中尺度系統(tǒng)也具有準(zhǔn)靜力平衡特性，但在強風(fēng)暴類的對流性中尺度系統(tǒng)中，空氣運動是非靜力的，浮力可以使氣塊產(chǎn)生較強的垂直加速度，導(dǎo)致猛烈天氣生成?！?.2中尺度系統(tǒng)中尺度系統(tǒng)的形成機制一種主要是由非均勻性質(zhì)下墊面引起強迫作用的結(jié)果，如山地背風(fēng)波、背風(fēng)槽和中尺度低壓等；另一種主要是由大氣內(nèi)部過程產(chǎn)生出來的，如高空急流鋒和中尺度雨帶等?！?.2.1中尺度雨團中尺度雨團的基本特征：(1)水平尺度小，通常不超過200km。(2)生命期短，一般在10小時以內(nèi)。(3)低空輻合強，對流層低層水平散度達10-4s-1。(4)多次發(fā)生，一次強降水過程中可出現(xiàn)多個中尺度雨團。(5)降水強度大，1小時降水量可達50mm以上。(6)兩種動態(tài)：移動性和準(zhǔn)靜止性，多數(shù)中尺度雨團是移動性的?！?.2.2中尺度雨帶中尺度雨帶由雷暴單體和小尺度系統(tǒng)組成，其天氣表現(xiàn)為暴雨或強對流特征，其長度約100-200km?；咎卣鳎?1)中尺度雨帶常幾條并存，并相互平行，其間距大致相同，約為100km。每條雨帶的寬度約10-50km。有時中尺度雨帶只有一條。(2)一條中尺度雨帶由更小的對流單體組成，它們分別處于不同的發(fā)展階段。北面的單體是成熟的或衰老的，南面的單體是新生或年輕的。(3)中尺度雨帶的移動方向，明顯偏向平均風(fēng)方向的右側(cè)，移動速度可大于平均層的風(fēng)速。(4)中尺度雨帶多出現(xiàn)在大氣層結(jié)為位勢不穩(wěn)定的地區(qū)。(5)中尺度雨帶通過測站時，地面氣象要素會發(fā)生明顯變化，如氣壓驟升，氣溫下降，濕度上升及風(fēng)向風(fēng)速突變等。中尺度雨帶的種類：鋒面氣旋區(qū)中尺度雨帶梅雨區(qū)中尺度雨帶臺風(fēng)區(qū)中尺度雨帶按雨帶在氣旋中所處的部位，將其分成六類：暖鋒雨帶、暖區(qū)雨帶、寬冷鋒雨帶、窄冷鋒雨帶、鋒前冷涌雨帶和鋒后雨帶。按對流發(fā)生的位置，又分成三種類型：U型雨帶，對流發(fā)生在對流層中上層L型雨帶，對流發(fā)生在對流層下層D型雨帶，為貫穿整個對流層的深厚對流。§7.2.3中尺度對流復(fù)合體中尺度對流復(fù)合體(簡稱為MCC)，是一種有組織的對流天氣系統(tǒng)。定義§7.2.4颮線颮：強陣風(fēng)的意思。颮線：由許多雷暴單體排列而成的強對流云帶。長約150-300km，生命期一般4-18小時。沿著颮線可出現(xiàn)大風(fēng)、強雷暴、強降水和冰雹等強對流天氣。颮線的特征颮線與冷鋒的區(qū)別鋒面是天氣尺度系統(tǒng)，颮線是中尺度系統(tǒng)；鋒面是兩種不同氣團的界面，颮線發(fā)生于同一氣團內(nèi)；颮線過境造成比鋒面更劇烈的天氣變化，冷鋒過境一般引起大風(fēng)，而颮線過境時有極強烈的大風(fēng)和冰雹；冷鋒維持時間較長，往往可達一周左右，颮線的生命期約十幾小時，不超過一天；颮線的移速大于冷鋒，有的可比冷鋒快2-3倍；§7.3中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的

大尺度環(huán)境條件①位勢不穩(wěn)定層結(jié)，并常有逆溫存在;②強的垂直風(fēng)切變;③低層有濕舌和強水汽輻合;④常有急流活動:⑤低空輻合和上升運動;⑥地形的作用等?！?.3.1位勢不穩(wěn)定層結(jié)考慮深厚氣層。在這種情形下，只要通過抬升或降水蒸發(fā)使空氣達到飽和，建立溫度遞減率大于濕絕熱遞減率(>m)，就會出現(xiàn)位勢不穩(wěn)定。位勢不穩(wěn)定的建立主要取決于高、低層水汽和熱量平流的差異，高層冷平流或干平流，低層是暖平流或中低層比上層增暖或增濕更明顯。在強對流爆發(fā)前，中低層還常有逆溫層或穩(wěn)定層存在。它暫時把低空濕層與對流層上部的干層分開，使風(fēng)暴發(fā)展所需要的高靜力能量得以積累。逆溫層或穩(wěn)定層的破壞至少有兩種方式：地面加熱，這可以從下面使逆溫層減弱或消失。但這種過程只能使弱逆溫層消失，而不能使強逆溫層消失。有組織的垂直運動。抬升一方面造成逆溫層上面干空氣絕熱冷卻，同時使低層空氣飽和濕層厚度增加，其冷卻率是按濕絕熱進行的。由于上下有不同的冷卻率，結(jié)果使氣層的溫度遞減率大于m，導(dǎo)致逆溫層破壞。§7.3.2強垂直風(fēng)切變颮線的發(fā)生對應(yīng)著較強的垂直風(fēng)切變，因為具有垂直切變的環(huán)境風(fēng)能提供對流發(fā)展的能量，促使風(fēng)暴生長。暴雨過程和強對流過程不同，它是發(fā)生在弱的垂直切變環(huán)境中。這是強對流與暴雨物理條件的重要區(qū)別之一。環(huán)境風(fēng)的垂直切變對強風(fēng)暴的作用：①在切變環(huán)境中使上升氣流傾斜，從而使上升氣流中形成的降水質(zhì)點能夠脫離出上升氣流，而不致因拖帶作用減弱上升氣流的浮力。相反，降落到下沉氣流中的降水質(zhì)點，因蒸發(fā)冷卻和下沉拖帶作用，會增強下沉冷空氣出流，從而維持和激發(fā)上升氣流增強；②可以增強中層干冷空氣的吸入，加強風(fēng)暴中的下沉氣流和低層的冷空氣外流，而后通過強迫抬升，使流入的暖濕空氣更強烈的上升，導(dǎo)致對流加強；③造成一定的散度分布，有利于風(fēng)暴在順切變一方不斷再生，使風(fēng)暴向前傳播；④能產(chǎn)生流體動力學(xué)壓強，有利于在風(fēng)暴左側(cè)新的對流單體增長?！?.3.3水汽輻合和濕舌豐富的水汽供應(yīng)，是風(fēng)暴的主要能量來源，可以使強對流系統(tǒng)得以發(fā)生發(fā)展和維持。風(fēng)暴的降水主要由水汽輻合形成，而水汽的輻合主要由低層水汽通量輻合導(dǎo)致。隨著風(fēng)暴的發(fā)展，輻合層上升。水汽水平輻合軸一般與強對流軸線一致。為了供應(yīng)暴雨區(qū)所必須的水分，所要求的輻合區(qū)是相當(dāng)大的。據(jù)估計，應(yīng)達暴雨區(qū)本身面積的10倍或以上，也就是供應(yīng)水汽的地區(qū)比水汽集中區(qū)要大一個量級?！?.3.4急流的作用低空急流的作用高空急流的作用急流耦合所產(chǎn)生的作用1.低空急流的作用出現(xiàn)在對流層低層，風(fēng)速最大值達12或16m/s以上的強風(fēng)區(qū)，通常稱為低空急流。低空急流一般在850hPa或700hPa層上最明顯，在其附近風(fēng)的水平和垂直切變很強。低空急流是給中緯度暴雨和強暴雨提供水汽和動量的最重要系統(tǒng)，并含有導(dǎo)致風(fēng)暴發(fā)展的機制。低空急流對強天氣的作用主要有三方面:通過低層暖濕平流的輸送產(chǎn)生位勢不穩(wěn)定層結(jié);在急流最大風(fēng)速中心的前方有明顯的水汽輻合和質(zhì)量輻合或強上升運動;在急流軸的左前方是正切變渦度區(qū)。2.高空急流的作用通常將300或200hPa層上風(fēng)速等于或大于30m/s的強風(fēng)區(qū)稱為高空急流。高空急流對暴雨或強對流的作用：急流下方強垂直切變的環(huán)境風(fēng)能提供對流發(fā)展的動能;急流區(qū)的強風(fēng)有利于對流云頂質(zhì)量輻散的增強和上升氣流的維持；在對流云體發(fā)展過程中，由于水汽凝結(jié)釋放潛熱，會使云體上部增暖，使層結(jié)趨于穩(wěn)定，因而抑制對流發(fā)展。這時高空的強風(fēng)能將云體上部增暖的空氣帶走，起到通風(fēng)作用，從而有利于對流云的維持和發(fā)展。在高空急流大風(fēng)核的左前方和右后方，即在環(huán)流圈的上升支內(nèi)，有利于對流云的發(fā)展在大風(fēng)核左側(cè)為氣旋性渦度中心，因此，在其左前方和右后方為正渦度平流和輻散區(qū)；而在大風(fēng)核的右前方和左后方情形相反，為負(fù)渦度平流區(qū)和輻合區(qū)。通過入口區(qū)的垂直環(huán)流圈為暖空氣上升、冷空氣下沉的直接(正)環(huán)流圈;而在出口區(qū)，為暖空氣下沉、冷空氣上升的間接(逆)環(huán)流圈。3.急流耦合所產(chǎn)生的作用高、低空急流上下重疊，呈適當(dāng)耦合時，強對流天氣發(fā)生的可能性很大。對流風(fēng)暴和龍卷常發(fā)生在高空急流入口區(qū)的負(fù)渦度區(qū)與低空急流的正渦度區(qū)相重疊的部位;在高空急流出口區(qū)的正渦度區(qū)與低空急流大風(fēng)核左前方相疊加的部位，也有利于強對流的發(fā)生發(fā)展。§7.3.5低空輻合和上升運動造成低空輻合區(qū)的天氣系統(tǒng)：氣旋、鋒面、切變線、輻合線等等。鋒面是產(chǎn)生有組織的雷暴系統(tǒng)的一種重要機制，它可以觸發(fā)鋒前不穩(wěn)定區(qū)能量的釋放，造成強烈的對流。低空風(fēng)的切變線或輻合線也是啟動對流活動的系統(tǒng)。這種切變線不但有明顯的低空輻合，而且常和干線或露點鋒有關(guān)，這更有利于風(fēng)暴的發(fā)生。低壓槽內(nèi)常有氣流輻合線，沿此線既有風(fēng)向輻合，又有風(fēng)速輻合。暴雨或強對流區(qū)的軸線常和輻合軸線趨于一致。低空輻合和暴雨或強對流活動關(guān)系密切，是因為低空輻合可造成較強的上升運動，使暖濕不穩(wěn)定的空氣釋放不穩(wěn)定能量，促使對流發(fā)展。上升或下沉運動區(qū)和強天氣落區(qū)的關(guān)系：暴雨位于上升運動區(qū)，但不一定和上升運動最大中心區(qū)相一致。在暴雨區(qū)的西北方是下沉運動區(qū)，而西南方則是上升運動區(qū)。強對流系統(tǒng)的初生階段，其天氣區(qū)常和上升區(qū)吻合，而在成熟強盛階段，強天氣位于下沉氣流區(qū)中?！?.3.6地形的作用地形對強對流的作用在于它能引起空氣被迫抬升，從而激發(fā)對流發(fā)展。地形粗糙度的變化(如水面與陸地、平原與高原不同)，也可引起局部地區(qū)的垂直運動(如海陸風(fēng))，引發(fā)對流天氣形成。地形看作是強對流發(fā)生的一個觸發(fā)條件最有利于山區(qū)暴雨發(fā)生的大尺度環(huán)境條件是:①在很深厚的一層大氣中，空氣非常潮濕，層結(jié)是不穩(wěn)定的；②在迎風(fēng)坡上存在準(zhǔn)靜止云系，大量降水是從該云層中降落的；③迎風(fēng)坡有強的地形上升運動，造成大量水汽凝結(jié)，補充空中降水造成的水分消耗；④在迎風(fēng)坡暴雨區(qū)中，風(fēng)速垂直切變要求在云底以下的氣層中風(fēng)速甚強，而在云層里風(fēng)速要弱。

條件①、②要求有與山脈近乎正交的強氣流吹向迎風(fēng)坡，且這股氣流中空氣潮濕，層結(jié)不穩(wěn)定。如果山脈的坡度越陡，吹向山脈的風(fēng)速越強，則地形上升速度愈強，可造成大量水汽凝結(jié)。條件④中的風(fēng)速垂直切變可使雷雨云在山坡上停留少動，造成山坡區(qū)大量降水?！?.4中尺度系統(tǒng)發(fā)展和大氣過程不穩(wěn)定§7.4.1對流不穩(wěn)定實際大氣中常會發(fā)生整層空氣被抬升的情況。氣層被抬升后，它本身的會發(fā)生變化。設(shè)氣層AB初始為穩(wěn)定層結(jié)(<m)，A’B’為其露點，下濕上干。設(shè)該氣層被抬升時其截面積不發(fā)生變化，由于質(zhì)量守恒，其頂、底之間的氣壓差也不發(fā)生變化。開始A、B兩點都沿干絕熱線上升。因A點濕度大，先于B點達到飽和(C點)，此時B點到達C‘點，因其較干而未達飽和。如氣層繼續(xù)被抬升，則A點沿濕絕熱線上升，而B點仍沿干絕熱線上升，直到B點達到其凝結(jié)高度E點，整層達到飽和狀態(tài)，此時底部A移到D點。DE為初始AB氣層被抬升整層達飽和時的溫度層結(jié)。顯然，此時有>m，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，這就是對流不穩(wěn)定(或通稱位勢不穩(wěn)定)。§7.5中尺度分析要做好中尺度天氣預(yù)報，首要的環(huán)節(jié)是將中尺度系統(tǒng)識別出來，這就是中尺度分析問題。必須對某些基本氣象資料加以處理，分離出反映中尺度擾動分量的氣象變量。中尺度分析的基本內(nèi)容大致包括:在中尺度系統(tǒng)生成之前，分析環(huán)境場是否利于中尺度系統(tǒng)的生成發(fā)展，即環(huán)境條件的分析;在中尺度系統(tǒng)形成之后，分析其天氣表現(xiàn)、活動特征及其時間演變，分析其結(jié)構(gòu)及發(fā)展機制等?！?.5.1資料來源及其處理中尺度分析所用的基本氣象資料，氣壓、氣溫、風(fēng)、濕度、降水以及云況等。飛機報告、危險天氣報告及雷達、衛(wèi)星資料等。中尺度系統(tǒng)范圍較小，變化較快，生命期較短，當(dāng)前常規(guī)測站網(wǎng)提供的資料，往往不能“捕捉”到中尺度系統(tǒng)。理想的中尺度分析資料由特別設(shè)置的時空分辨率高的觀測站網(wǎng)提供，難以做到。作為通常的中尺度分析，往往是在常規(guī)站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，盡可能添補資料，增大時空分辨率，使測站之間的距離達到30-50km，觀測時間間隔為1小時左右。目前許多地區(qū)的區(qū)域地面天氣圖能滿足此要求。如果再有一定數(shù)量的自記資料(如風(fēng)、氣壓、溫度、濕度自記等)，對中尺度分析更有幫助。由于中尺度系統(tǒng)是疊加在大尺度系統(tǒng)上的一種擾動，這種擾動引起的氣象要素變量一般不大，例如，氣壓變化只有零點幾個hPa。因此，不僅要求資料本身準(zhǔn)確可靠，而且要求分析時應(yīng)更為細(xì)致。對氣壓和溫度資料誤差的訂正以海拔高度測量準(zhǔn)確、儀器設(shè)備精良，以及觀測質(zhì)量較高的臺站觀測記錄為基準(zhǔn)，通過對歷史資料的分析比較，求出誤差加以訂正。降水特征的分析降水特征的分析是中尺度分析的一項重要內(nèi)容。鑒于不同來源(包括氣象或水文臺站)的雨量資料往往規(guī)格不同，有的是24小時雨量，有的是6小時或1小時雨量，因此，在分析每小時降水量或系統(tǒng)降水量時，要用間接的方法進行推算。常用的推算方法

(1)每小時降水量的推算首先對有每小時降水量的測站，求出每小時降水量(R1)占其24小時總降水量(R24)的百分率r(r=R1/R24);然后作百分率r圖，并分析等r線，用內(nèi)插法讀出要求站的r值;再用此r值推算出它的每小時降水量(即R1=R24r),(2)系統(tǒng)降水量的推算系統(tǒng)降水量的求法與求每小時降水量的方法類似，首先根據(jù)實際資料累計得出各站的過程降水量R’1,R’2,R’3等;其次根據(jù)有降水起迄時間觀測的臺站資料求得由某一系統(tǒng)造成的降水量R1,R2,R3等，并算出各站該系統(tǒng)降水量與其過程降水量的百分比然后分析百分率圖，內(nèi)插求出要求站的百分率，于是該站的系統(tǒng)降水量R0為，R0=R’0xr0，其中R’0為該站的過程降水量。§7.5.2時空轉(zhuǎn)換分析時空轉(zhuǎn)換分析是在系統(tǒng)演變呈準(zhǔn)穩(wěn)定條件下，將氣象要素的時間變化轉(zhuǎn)換為空間分布的一種分析方法。這是彌補中尺度分析資料不足的有效手段，是開發(fā)資料效能的重要途徑，也是揭示中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的一種方法。經(jīng)典的時空轉(zhuǎn)換是依據(jù)自記資料進行的，因為自記資料在時間上是充分連續(xù)的。將自記資料上時間變化轉(zhuǎn)換為空間分布的根據(jù)是:設(shè)系統(tǒng)的移動速度為C，則對某氣象要素F有dd若系統(tǒng)變化緩慢，呈準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，dF/dt0,則F/s是F在系統(tǒng)移動方向上的方向?qū)?shù)。若已知系統(tǒng)的移動速度，就可將單站要素的時間變化轉(zhuǎn)換為空間分布。系統(tǒng)的移速C可由雷達資料，相鄰臺站的監(jiān)測報告或中尺度系統(tǒng)動態(tài)圖等求得。時空轉(zhuǎn)換的步驟(1)取與系統(tǒng)移向近似垂直方向上的測站。如颮線分析，可取如圖所示的A,B,C,D等站。(2)確定系統(tǒng)移速，并轉(zhuǎn)換成空間距離。如系統(tǒng)移速C為60km·h-1，即10分鐘移動10km。由此在圖上作出每

10km的間距標(biāo)尺,該空間間距對應(yīng)的時間差為10分鐘。(3)讀數(shù)、填圖。設(shè)作15時的中尺度分析圖，并在自記曲線上每隔10分鐘讀一個數(shù)，則可在圖上標(biāo)出各間距所對應(yīng)的時間。由此指定的時間從自記曲線上逐個讀數(shù)，然后將這些讀數(shù)以15時為基準(zhǔn)，按時間在前的順序依次填在系統(tǒng)移動的去向上;時間在后的依次填在系統(tǒng)移動的來向上，時空轉(zhuǎn)換即告完成。

(4)分析。根據(jù)需要作氣壓場、溫度場及風(fēng)場等分析，繪制等值線及流線，以了解中尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。應(yīng)當(dāng)注意:時空轉(zhuǎn)換應(yīng)在中尺度系統(tǒng)相對穩(wěn)定的時段進行;轉(zhuǎn)換的時間不宜過長，一般1-2小時為宜;同時，應(yīng)盡量利用分析時間鄰近的常規(guī)觀測資料，以擴大資料范圍及提高分析質(zhì)量?！?.5.3相對坐標(biāo)分析上述的時空轉(zhuǎn)換分析可以揭示中尺度系統(tǒng)近地層的結(jié)構(gòu)特征，但不能揭示系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)，要認(rèn)識系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)，必須依據(jù)分辨率較高的探空和高空測風(fēng)資料，而這樣的資料目前的常規(guī)觀測難以提供。相對坐標(biāo)分析是彌補高空資料不足而提出來的一種分析方法。它是利用有限的，但較稠密的高空觀測資料，由觀測對系統(tǒng)的相對時間，轉(zhuǎn)換為測站對系統(tǒng)的相對空間，制作相對時空剖面圖，以揭示中尺度系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的一種分析方法。實際上這種方法也具有時空轉(zhuǎn)換的含義。相對坐標(biāo)分析的操作步驟(1)取與系統(tǒng)移向相近方向上的測站，并確定系統(tǒng)過境的時間(T)。T由自記記錄、天氣實況、雷達或中尺度系統(tǒng)動態(tài)圖得到。如霍山站，颮線過境時間為4月27日19時50分;南京站為4月27日22時40分等。(2)將系統(tǒng)過境時間(T)和高空觀測時間(t)相減，得觀測相對系統(tǒng)的時間(△T)?！鱐