高等天气学第五讲讲述.pptVIP

第五讲 高空急流的次级环流及其与锋面系统的耦合 丁一汇 国家气候中心 高空急流与锋面及锋面的次级环流有密切的关系，故人们常把高空急流和锋面（主要是高空锋区）统称为急流—锋系，它们相伴随的次级环流称急流—锋次级环流。高空急流是对流层中上部重要的风系，过去对它的讨论和研究已经很多。本节只重点讨论一个问题，即与急流风速最大中心（或急流带）相联系的垂直环流及其与天气的关系，另外也简略地讨论与东亚高空急流有关的能量学问题。 这就构成了一个悖论：一方面地转温度平流通过增加平均温度梯度应使急流中心区热成风增加，另一方面，地转动量平流应使中心区热成风减小。所以，地转风实际上是破坏了热成风平衡，即使热成风平衡的两个分量产生了相反的符号变化（平均温度梯度增加与风垂直切变减小）。因为热成风是地转平衡的一种形式，因而可以说地转风破坏了它自己！这就叫地转悖论。但实际观测表明，中纬天气尺度急流总是近于地转平衡的，因而可以推论，必需有另外的一部分气流在面对自身破坏趋势下维持地转平衡，这部分气流是强迫的、非地转次级环流。因为地转急流趋于产生热成风不平衡，所以强迫的次级环流必须把急流带回到一种地转平衡状态。因而，急流入口区附近的次级非地转环流其作用是：（1）减少水平温度梯度；同时（2）增加垂直切变（图5.8），因为要解决地转悖论，必须产生强迫的次级环流。 5.2高空低空急流锋系的垂直耦合及其对天气的影响 上述垂直环流可以解释低空急流的形成。在急流出口区，由于上述的上下层质量调整在间接环流的回流支，气压梯度力增加，结果变压风增加。这支偏南的变压风基本说明了实际观测到的经向非地转风向量的加强，是低空急流的重要组成部分。另一方面又可强迫u有相应的加速。因为ug由于气压梯度力加大而增加，故vagi和u的增加就造成了低空急流的形成，它指向东北方向，与高空急流带有明显的交角。因为质量调整产生了变压风，故高低空急流带是通过两次质量调整耦合在一起，而这种质量调整又与急流中心的传播有关。这个过程强调了低空动量的产生是三维质量－动量调整过程的结果。 这不同于其它人关于低空急流产生的解释。Ninomiya认为对流引起的动量垂直输送可在高空急流出口区引起低空急流的发展，但是高层急流带中动量的向下输送不能说明低空急流为什么会有强的与高空急流成正交的动量分量，以使高低空急流风向有明显差别，这点已为许多观测事实所证明。上述事实也表明高低空急流是相互耦合的，而不是分离的两种现象。应该指出，由质量－动量调整在高空急流出口区发展的低空急流与某些夜间低空急流的成因不同，后者与边界层中的过程密切有关。 高低空急流带的相互作用是有组织的强风暴系统在高空急流的出口区中发展的一个重要因子。低空急流的变压风分量正交于高空急流轴，它是低空急流所以与高空急流成一明显交角的主要原因。但随着高度增加，在中上对流层，惯性平流项的作用不断增大，这造成风随高度的顺转及水汽和感热输送的差别，也即低空急流迅速地在低层向北输送水汽和感热到风暴的初生区，而高空急流带的向下伸展，在对流层中部向东输送干冷空气，这种不同输送的结果是产生对流不稳定（地面－500hPa）、降低自由对流高度和抬高潜在不稳定层上方的平衡高度的一个原因。所有这些都有利于深对流风暴的形成。 这种通过由传播的急流带引起的相互质量－动量调整而造成有利于深对流条件的概念，可为强天气预报判据提供理论根据。根据最近的研究，过去在美国与许多强风暴有关的低空急流的形成（15个例子中有12个）都与高空急流带的传播有关。并且可以影响降水和强对流天气的发生。Sortails等根据FRONTS－87试验资料分析这种辐合过程及其对对流活动的影响。他们发现高空急流出口区的间接环流与低空急流是耦合的，并位于冷锋附近。高空急流横向非地转环流的低空支即为低空急流，它的上升支平流暖湿空气，有利于该处深对流的发展与非绝热加热的增强。此外，与低空急流有关的中尺度横向非地转环流也有利于冷锋前对流的形成。 随着高空急流的东移，最后高空急流处于地面锋和低空急流上方，这种高低空急流相交的分布是一种启动对流和位势不稳定释放的典型形势。这时高空急流次级环流的上升支正好与地面锋垂直环流的上升支上下重合，从而在地面锋前缘形成一深厚的上升运动空气层。这是锋前位势不稳定层的一种启动机制，能产生深而强烈的对流活动。 5.3 实例分析：1999年6月22日-7月2日长江梅雨暴雨期 在这个过程中可以看到高空急流下传及其与低空急流的耦合情况。 它代表风向的局地变化率，当风向变化是零时，轨迹与流线一致。或稳态气流中，气流的轨迹与流线是相同的。这是一种特殊，对梯度风方程，曲率R是Rt不是RS。 （c）同（b），但