高等天气学：第4讲 锋生动力学和锋面次级环流.pptx

高等天气学讲座（2017年春季） 单元二：中纬度天气系统;1 复习和预备知识;?;?;?;图 4.2 纯正辐散场;图4.3纯正伸长变形场（D1=1）。黑实线是流线;注意：形变和辐合两个量容易混淆，图4.4A说明了它们的区别，设两个流体的面积初始时刻相同。皆为一正方形，但一个置于纯辐合场中，另一置入纯伸长形变场，则前者（图4.4A（a））在辐合气流下面积变得越来越小，而后者（4.4A（b）），面积保持不变，但变形成一沿伸长轴拉长的长方形。在天气分析中，这表现为流线的汇合与疏散。;图4.4B变形场气流中等熵线（θ）的演变。黑线为流线，虚线为等熵（θ）线。（a）初始时刻；（b）后来时刻；（c）,（d）是θ平行于伸长轴情况;图4.5 纯正切变形变场（D2=1）;图4.6： 上图：作用在x方向的伸长形变，与沿y=x和y=-x线作用的切变形变。;图4.6比较了切变形变场和伸长场对流体有相同的作用。可见，纵使两种纯变形的风场在物理上相当，且都有切变和伸长形变，但在图4.6上图D1≠0，D2=0，而图4.6下图中D1=0，D2≠0。在顶部风场中，沿x轴是伸长，离x轴+45°方向有切变，在下图中沿离x轴+45 °方向有伸长，而只沿X与y轴有切变（Bluestein，1993）;图4.7给出了一些理想化流体在水平风场上的各种运动学特征之间的关系， 如： （a）无曲率、扩张、伸张或散度的切变气流。从北半球来看，图的上 半部分的切变和涡度为气旋性；下半部分的切变和涡度为反气旋 性。 （b）整个区域均为具有气旋性切变和曲率（即气旋性涡度）的旋转固体， 不存在扩张或伸展，因此其散度为零。 （c）辐射状气流，其速度与半径成正比。该气流具有明显的扩张伸展， 因此具有散度；但不存在曲率及切变，因此涡度为零。 （d）既存在扩张，又存在伸展的双曲线型流体。由于扩张和伸展因这两 项相互抵消，因而是无辐散的。该流体同时还存在切变和曲率，但 其切变和曲率相互抵消，因此该流体是无旋的（即涡度为零）;图4.7 理想化水平流体配置。（大气科学2008）;最后给出一个天气学的例子说明气流变形场的作用。图4.8清楚地说明在伸长和切变形变的作用下，向下游移动的气流发生形变的过??。;二、锋面引起的地面天气和冷暖空气分布(图4.9-4.13）;图4.10 冷锋过境时高分辨率（1分钟）自动气象站记录到的气象变量演变曲线。注意：温度，露点，地面气压，风向，风速在锋面过境时（2003年3月4日2306UTC）有突然的转变。 （美国Oklahoma城站，NOAA，2012）;;图4.12暖锋过境时的自记记录（2002年1月231700-241700UTC），美国Athens 站。 （取自Ackerman and Knox,2012);图4.13挪威学派的锢囚锋模式。此时冷锋移动比暖锋快。冷锋的冷气团可以比暖锋前的气团冷或暖，前者为冷性锢囚锋（左），后者为暖性锢囚锋（右）。最近的研究表明，锢囚锋实际上在更稳定的气团上倾斜，不一定是更冷的气团 （以上取自Acherman and Knox，2012）。 ;典型冷暖锋过程时气象要素的变化（ A K，2012）;3、锋面特征小结;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