[自然科学]高等天气学第四讲

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1、第四讲锋生动力学和锋面次级环流丁一汇国家气候中心高等天气学系列讲座（2010年春季）单元二：中纬度天气系统锋面理论是天气学中出现的第一个比较完整的理论。20世纪初，利用欧洲尤其是北欧较为稠密的地面观测网，皮叶克尼斯（V.Bjerknes）提出了极锋理论。这个理论对当时的气象学是一个重大的突破或革命。在空间锋面是一个倾斜区，它的垂直厚度一般只1～2km。锋面的产生可以由不同的动力过程引起，因而在大气中会出现不同类型的锋面，如地面锋、低空锋、高空锋以及其它不同类型的锋面。地球的旋转也是影响锋面特征以及锋生动力学的一个重要因子。正是由于锋面受到这种旋转的明显作用（通过科氏力）而使锋面

2、与其它辐散占优势的许多有关现象（重力波、密度流、飑线等）而有所区别。锋面的研究不但具有理论意义，也具有重要的实际意义。从气象上，地面锋和高空锋常常与中纬的斜压波和气旋有密切的关系。为了了解气旋的结构和形成，必须从锋面研究开始。虽然锋面只占斜压波一些区中不大的一部分面积，但它们对非地转环流的无旋部分是最显著的动力强迫因子；与高空锋区和高空急流带有关的辐散场在中纬气旋形成中起着很重要的作用，它可使低压的地面气压场或质量场发生变化；围绕地面和高空锋区的垂直环流则是各种中纬云系和降水系统（如大范围的斜对流、有组织的垂直对流系统和对流风暴等）发展和组织起来的一个重要因子，这对降水和强天气

3、预报有重要意义；此外，高空锋区也是小尺度混合或晴空乱流（CAT）的主要发生区，这包括重力波、开尔文－赫姆霍兹波和一些乱流涡动等。因而确定和预报高空锋区和急流的位置与强度对于避开危险区保证飞行安全是十分重要的；最后，高空锋区是对流层和平流层之间显著的质量交换区，由此可以了解放射性尘埃、化学痕量物质的输送过程。4.1锋生函数（F）锋面的形成叫锋生，而衰减称锋消。在局地坐标系中，当某一属性（如温度、涡度、比湿、动量、散度和涡度等）在某时刻沿锋面两侧的梯度随时间加大的现象叫局地锋生。一般我们用位温梯度变化表示锋生函数。在二维锋生条件下，锋生函数可写作：（4.1）暖图4.1汇合（锋生）(

4、a)与疏散（锋消）风场对准水平位涡场的作用（Bluestein，1986）图4.2倾斜项对垂直位温梯度的作用。(a)锋生，(b)锋消（Bluestein，1986）涡度+-图4.3伸长与压缩轴取向与等位温线关系的示意图。角b与α分别是依x’轴反时针与顺时针度量。当D>0，x’与伸长轴一致，y’是与压缩轴一致。当D<0时，情况相反。+图4.5伸长轴与等温线相对取向与锋生的关系。左：锋生（00；右：锋消（45

5、（a）变形项；（b）辐合项；（c）倾斜项；（d）锋生函数（上三项之总和）。图4.6a,b,c是位温的变形项、辐合项和倾斜项的计算结果。非绝热项没有计算。可以看到上面三项具有相同的量级。在锋区中，变形和辐合项产生锋生，最大值在近地面层。倾斜项的分布比前两项不规则一些，因为这一项与垂直速度的水平导数有关，而垂直速度是很难算准的。其主要特征是在近地面上升运动中心之左为锋消，中心之右为锋生。这种近地面的锋消作用趋于与变形和辐合产生的锋生作用抵消。在600hPa上有一锋消最大值，这与该处存在着一个上升运动次极大值有关。图4.6d是三项的总和。可以看到近地面及锋面前方锋生作用很强，而中层是

6、锋消的。上式中项1，5，9是非绝热项，2，7，12是水平和垂直变形项，3，，6，10，11代表水平与垂直切变的作用，项4，8代表垂直运动的分布不均匀的作用，即倾斜项。最后我们可总结锋生的因子为：（1）水平变形场。气流在一个方向上伸长，同时在另一个方向收缩；（2）水平切变运动；（3）垂直变形场，在一个水平方向上的收缩和伸长可引起补偿的垂直位移；（4）垂直运动分布的不均匀；（5）地面摩擦；（6）乱流和混合作用；（7）非绝热加热，包括潜热释放，感热加热（主要在地面）和辐射过程。4.2锋面的次级环流锋面的次级环流（也称锋面垂直环流）的研究是十分重要的，因为这种稳态的（主要沿与锋面正交方

7、向）垂直环流不仅涉及到锋系的基本动力学问题，而且也是中尺度对流系统，尤其是锋前飑线和中尺度雨带的一种启动机制。强烈的锋面天气并不是产生在锋面的所有部位上，主要出现在垂直环流圈的上升支。因而只要设法确定了上升支的位置，就可以估计剧烈天气发生的地方。首先这里给出一些由实际观测分析得到的冷锋垂直环流模式。图4.7冷锋模式概略图。虚线代表气旋性相对涡度最大值轴线。虚点线连接了地面水平温度梯度最大值与地面锋后逆温层的位置。图4.8与华北冷锋有关的垂直环流图。（a）与强对流天气有关；（b）与强暴雨有关。