高等天氣學(xué)講座---鋒生動力學(xué)和鋒面次級環(huán)流課件

1、高等天氣學(xué)講座（2017年春季）單元二：中緯度天氣系統(tǒng)第四講 鋒生動力學(xué)和鋒面次級環(huán)流1 復(fù)習(xí)和預(yù)備知識一、空氣運(yùn)動學(xué)的基本變量（2a）與（2b）兩式可據(jù)上定義改寫為(3a)(3b)(3b)圖 4.2 純正輻散場圖4.3純正伸長變形場（D1=1）。黑實(shí)線是流線注意：形變和輻合兩個(gè)量容易混淆，圖4.4A說明了它們的區(qū)別，設(shè)兩個(gè)流體的面積初始時(shí)刻相同。皆為一正方形，但一個(gè)置于純輻合場中，另一置入純伸長形變場，則前者（圖4.4A（a）在輻合氣流下面積變得越來越小，而后者（4.4A（b），面積保持不變，但變形成一沿伸長軸拉長的長方形。在天氣分析中，這表現(xiàn)為流線的匯合與疏散。圖4.4A變形場（b）與輻合

2、場（a）的比較圖4.4B變形場氣流中等熵線（）的演變。黑線為流線，虛線為等熵（）線。（a）初始時(shí)刻；（b）后來時(shí)刻；（c）,（d）是平行于伸長軸情況圖4.5 純正切變形變場（D2=1）圖4.6：上圖：作用在x方向的伸長形變，與沿y=x和y=-x線作用的切變形變。下圖：沿y=x線作用的伸長形變與沿x與y軸的切變形變。實(shí)線正方形為置于兩種形變場中的流體元。后來，前者變成長方形，后者變成菱形。實(shí)際上，上下圖（虛線）是完全相同的。只是下圖是上圖反時(shí)針旋轉(zhuǎn)45的結(jié)果。圖4.6比較了切變形變場和伸長場對流體有相同的作用?？梢姡v使兩種純變形的風(fēng)場在物理上相當(dāng)，且都有切變和伸長形變，但在圖4.6上圖D10，

3、D2=0，而圖4.6下圖中D1=0，D20。在頂部風(fēng)場中，沿x軸是伸長，離x軸+45方向有切變，在下圖中沿離x軸+45 方向有伸長，而只沿X與y軸有切變（Bluestein，1993）圖4.7給出了一些理想化流體在水平風(fēng)場上的各種運(yùn)動學(xué)特征之間的關(guān)系，如：（a）無曲率、擴(kuò)張、伸張或散度的切變氣流。從北半球來看，圖的上 半部分的切變和渦度為氣旋性；下半部分的切變和渦度為反氣旋 性。（b）整個(gè)區(qū)域均為具有氣旋性切變和曲率（即氣旋性渦度）的旋轉(zhuǎn)固體， 不存在擴(kuò)張或伸展，因此其散度為零。（c）輻射狀氣流，其速度與半徑成正比。該氣流具有明顯的擴(kuò)張伸展， 因此具有散度；但不存在曲率及切變，因此渦度為零。（

4、d）既存在擴(kuò)張，又存在伸展的雙曲線型流體。由于擴(kuò)張和伸展因這兩 項(xiàng)相互抵消，因而是無輻散的。該流體同時(shí)還存在切變和曲率，但 其切變和曲率相互抵消，因此該流體是無旋的（即渦度為零）6.理想流體運(yùn)動學(xué)的小結(jié)圖4.7 理想化水平流體配置。（大氣科學(xué)2008）最后給出一個(gè)天氣學(xué)的例子說明氣流變形場的作用。圖4.8清楚地說明在伸長和切變形變的作用下，向下游移動的氣流發(fā)生形變的過程。圖4.8 左上圖為穩(wěn)定水平風(fēng)場（箭頭表示）中的空氣塊網(wǎng)格，任一點(diǎn)的風(fēng)速與該點(diǎn)上的等值線間距成反比。（a）（e）給出網(wǎng)格在空氣塊向氣流下游方向移動時(shí)形變的過程，其中網(wǎng)格的右上角向東移動，而其左下角則向南然后向東移動，這樣形成了一

5、個(gè)閉合環(huán)流。（Tellus，7，141156（1955） （引自Martin, J.E.， 2006）二、鋒面引起的地面天氣和冷暖空氣分布(圖4.9-4.13）1、冷鋒引起的地面天氣和冷暖空氣分布（圖4.9）冷鋒圖4.10 冷鋒過境時(shí)高分辨率（1分鐘）自動氣象站記錄到的氣象變量演變曲線。注意：溫度，露點(diǎn)，地面氣壓，風(fēng)向，風(fēng)速在鋒面過境時(shí)（2003年3月4日2306UTC）有突然的轉(zhuǎn)變。 （美國Oklahoma城站，NOAA，2012） 2、暖鋒引起的地面天氣和冷暖氣流分布（圖4.11）暖鋒圖4.12暖鋒過境時(shí)的自記記錄（2002年1月231700-241700UTC），美國Athens 站。（

6、取自Ackerman and Knox,2012)圖4.13挪威學(xué)派的錮囚鋒模式。此時(shí)冷鋒移動比暖鋒快。冷鋒的冷氣團(tuán)可以比暖鋒前的氣團(tuán)冷或暖，前者為冷性錮囚鋒（左），后者為暖性錮囚鋒（右）。最近的研究表明，錮囚鋒實(shí)際上在更穩(wěn)定的氣團(tuán)上傾斜，不一定是更冷的氣團(tuán) （以上取自Acherman and Knox，2012）。典型冷暖鋒過程時(shí)氣象要素的變化（ A &K，2012）3、鋒面特征小結(jié)（1）根據(jù)鋒面的氣團(tuán)邊界定義，具有增強(qiáng)的溫度與（或）水汽水平梯度；（2）沿鋒區(qū)具有氣壓槽和氣旋性渦度最大值；（3）強(qiáng)的風(fēng)垂直切變和水平風(fēng)在氣壓槽兩側(cè)具有明顯變化；（4）鋒區(qū)內(nèi)靜力穩(wěn)定度大（5）鋒區(qū)附近存在上升運(yùn)動

7、，云和降水；（6）近地面最強(qiáng)，隨高度減弱；（7）鋒區(qū)伴有中緯急流（如極鋒氣流）；（8）響應(yīng)鋒區(qū)熱成風(fēng)平衡的破壞，產(chǎn)生橫交鋒區(qū)的非地轉(zhuǎn)環(huán)流，這是降雨和云 雨帶產(chǎn)生的原因；（9）鋒區(qū)的長度一般為1000km，寬度為100km，由于它接近于Rossby 變形半徑 （天氣尺度為1000km），所以鋒面在某種意義上具有中尺度和天氣尺度的 兩種特征。因而，準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論不再正式適用正交鋒面的垂直環(huán)流研究，須 用半地轉(zhuǎn)理論的GM近似（地轉(zhuǎn)動量近似）鋒面理論是天氣學(xué)中出現(xiàn)的第一個(gè)比較完整的理論。20世紀(jì)初，利用歐洲尤其是北歐較為稠密的地面觀測網(wǎng)，皮葉克尼斯（V.Bjerknes）提出了極鋒理論。這個(gè)理論對當(dāng)時(shí)的氣

8、象學(xué)是一個(gè)重大的突破或革命。 在空間，鋒面是一個(gè)傾斜區(qū)，它的垂直厚度一般只12km。鋒面的產(chǎn)生可以由不同的動力過程引起，因而在大氣中會出現(xiàn)不同類型的鋒面，如地面鋒、低空鋒、高空鋒以及其它不同類型的鋒面。 地球的旋轉(zhuǎn)也是影響鋒面特征以及鋒生動力學(xué)的一個(gè)重要因子。正是由于鋒面受到這種旋轉(zhuǎn)的明顯作用（通過科氏力）而使鋒面與其它輻散占優(yōu)勢的許多有關(guān)現(xiàn)象（重力波、密度流、颮線等）而有所區(qū)別。 2 鋒生函數(shù)（F）鋒面的研究不但具有理論意義，也具有重要的實(shí)際意義。從氣象上，地面鋒和高空鋒常常與中緯的斜壓波和氣旋有密切的關(guān)系。為了了解氣旋的結(jié)構(gòu)和形成，必須從鋒面研究開始。雖然鋒面只占斜壓波區(qū)中不大的一部分面積

9、，但它們對非地轉(zhuǎn)環(huán)流的無旋部分是最顯著的動力強(qiáng)迫因子； 與高空鋒區(qū)和高空急流帶有關(guān)的輻散場在中緯氣旋形成中起著很重要的作用，它可使低壓的地面氣壓場或質(zhì)量場發(fā)生變化；圍繞地面和高空鋒區(qū)的垂直環(huán)流則是各種中緯云系和降水系統(tǒng)（如大范圍的斜對流、有組織的垂直對流系統(tǒng)和對流風(fēng)暴等）發(fā)展和組織起來的一個(gè)重要因子，這對降水和強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)有重要意義；此外，高空鋒區(qū)也是小尺度混合或晴空亂流（CAT）的主要發(fā)生區(qū)，這包括重力波、開爾文赫姆霍茲波和一些亂流渦動等。 因而確定和預(yù)報(bào)高空鋒區(qū)和急流的位置與強(qiáng)度對于避開危險(xiǎn)區(qū)保證飛行安全是十分重要的；最后，高空鋒區(qū)是對流層和平流層之間顯著的質(zhì)量交換區(qū)，由此可以了解放射性塵埃

10、、化學(xué)痕量物質(zhì)的輸送過程。 鋒面的形成叫鋒生，而衰減稱鋒消。在局地坐標(biāo)系中，當(dāng)某一屬性（如溫度、渦度、比濕、動量、散度和渦度等）在某時(shí)刻沿鋒面兩側(cè)的梯度隨時(shí)間加大的現(xiàn)象叫局地鋒生。 一般我們用位溫梯度變化表示鋒生函數(shù)。在二維鋒生條件下，鋒生函數(shù)可寫作：（4.1）鋒面定義中的問題雖然鋒或鋒面的存在是被觀測(尤其是衛(wèi)星時(shí)代以后)完全證實(shí)，但對鋒由什么因素組成，如何確定和分析鋒仍有爭議。大部分氣象科學(xué)家（如Hoskins，1992）認(rèn)為，試圖給鋒下一個(gè)嚴(yán)格的定義可能是一個(gè)錯(cuò)誤。從科學(xué)上講，這種認(rèn)識也有一定道理，但在實(shí)際天氣和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中確實(shí)需要一個(gè)可用的鋒的定義。這有助于預(yù)報(bào)員更集中地考察天氣的分布與

11、演變及其與高低氣流場的關(guān)系。鋒的最常用的定義是：水平溫度或位溫梯度的增強(qiáng)區(qū)。所謂“增強(qiáng)”是指比通常的天氣尺度溫度梯度大一個(gè)量級。如有人把中等強(qiáng)度的鋒定義為8 /220km，強(qiáng)鋒定義為8 /110km.應(yīng)該指出，鋒面分析的檢驗(yàn)結(jié)果表明，一大部分的強(qiáng)溫度梯度并非是鋒面。所以， 除強(qiáng)溫度梯度外，還需增加一個(gè)條件：它們需是斜壓區(qū)，并在其暖空氣側(cè)應(yīng)表現(xiàn)為強(qiáng)氣旋性風(fēng)（圖4.14）。也有人簡單地定義鋒為氣團(tuán)的邊界，但這易于與干線相混，干線也是氣團(tuán)的邊界（干、濕氣團(tuán)），但它只表現(xiàn)為濕度差，所以不是一般意義上的鋒（溫度差）。因此，后來修改為兩種具有不同密度的氣團(tuán)間界面或過度區(qū)域，但這需要引入密度或密度變量（如虛

12、溫）。這也會引起應(yīng)用的不便和問題。所以一個(gè)嚴(yán)格的，共同使用的鋒面定義是不存在的。更常用的定義是根據(jù)地面溫度場分析而得到的強(qiáng)水平溫度區(qū)。（e）圖4.14 北美2009年11月0000UTC 鋒面?zhèn)€例。（a）海平面氣壓和鋒面客觀分析。虛線為（d）中剖面的剖線。（b）1000hPa相當(dāng)位溫（e）等值線分析（間隔2k），（c）950hPa相對渦度場（陰影間隔：210-5秒-1，開始線代表410-4秒-1 ），（d）正交于峰面的風(fēng)與位溫（）空間剖面（間隔5k）（e）：沿冷鋒理想的等溫線與等壓線分布（Lackmann，2012，下同）圖4.1（b）。圖4.15（a），也見圖4.16。，(4.2)圖4.15

13、 匯合（鋒生）(a)與疏散（鋒消）風(fēng)場對準(zhǔn)水平位渦場的作用 （Bluestein，1986）圖4.16（A） 近地面風(fēng)向量（黑箭頭），等溫線（紅虛線），與鋒區(qū)的概略圖。（a）初始時(shí)刻；（b）24hr 之后，表示冷鋒區(qū)的切變過程（B），同（A） 但表示暖鋒區(qū)的切變過程（C），同4.16（A） 但代表匯合項(xiàng)引起的鋒生（A）（B）（C）AB（圖4.17-18），如地面冷鋒很淺薄，且暖空氣位于其上見圖19,20認(rèn)圖4.17 傾斜項(xiàng)對垂直位溫梯度的作用。(a)鋒生，(b) 鋒消 （Bluestein，1986）圖4.18，說明傾斜項(xiàng)作用的理想圖。虛線為線，紅箭頭為垂直運(yùn)動。（a）初值時(shí)刻；（b）后來時(shí)刻

14、（Carlson，1998）圖4.19，不同太陽輻射加熱引起的鋒生作用。虛線為等溫線，灰色陰影為云區(qū)。（a）初值時(shí)刻，（b）后來時(shí)刻（Carlson，1998）圖4.20 Q向量表征的主地轉(zhuǎn)環(huán)流的匯合鋒生作用，產(chǎn)生上升運(yùn)動。虛線為線，紅箭頭為水平向量，粗箭頭和黑點(diǎn)代表Q向量。（a）初始時(shí)刻；（b）后來時(shí)刻；（c）產(chǎn)生的非地轉(zhuǎn)環(huán)流減小溫度梯度，與地轉(zhuǎn)環(huán)流造成的鋒生作用相反，以平衡主地轉(zhuǎn)環(huán)流。圖4.20（c）4.20（a）4.20（c）由Q向量可得到鋒面的垂直環(huán)流)，(4.9)+圖4.21 伸長與壓縮軸取向與等位溫線關(guān)系的示意圖。角b與分別是依x軸反時(shí)針與順時(shí)針度量。當(dāng)D0，x與伸長軸一致，y是與

15、壓縮軸一致。當(dāng)D0時(shí)，情況相反。,（圖4.21）（圖4.22-4.23）；,圖4.22圖4.23 伸長軸與等溫線相對取向與鋒生的關(guān)系。左：鋒生（0b0；右：鋒消（45b90），F(xiàn)0（取自Bluestein, 1986; Pettersen 1956）密集下面我們討論三維鋒生與鋒生因子的總結(jié)。之后，再根據(jù)二維鋒生模式與北美的一個(gè)鋒生個(gè)例計(jì)算不同因子造成的鋒生函數(shù)，從而可以了解各種鋒生因子在實(shí)際鋒生中的作用00或（4.3）與（4.11）是（4.16）式的特例三維0F上式中項(xiàng)1，5，9是非絕熱項(xiàng)，2，7，12是水平和垂直變形項(xiàng)，3，6，10，11代表水平與垂直切變的作用，項(xiàng)4，8代表垂直運(yùn)動的分布不

16、均勻的作用，即傾斜項(xiàng)。最后我們可總結(jié)鋒生的因子為：（1）水平變形場。氣流在一個(gè)方向上伸長，同時(shí)在另一個(gè)方向收縮；（2）水平切變運(yùn)動；（3）垂直變形場，在一個(gè)水平方向上的收縮和伸長可引起補(bǔ)償?shù)拇怪蔽灰?；?）垂直運(yùn)動分布的不均勻；（5）地面摩擦；（6）亂流和混合作用；（7）非絕熱加熱，包括潛熱釋放，感熱加熱（主要在地面）和輻射過程。集上式中： (4.13) 是變形項(xiàng)，其中 是伸長變形， 是x軸（東西方向）與伸長軸之間的夾角，它可由下式計(jì)算： （4.14）由式（4.13）和（4.14）可得： （4.15）因而變形項(xiàng)的量值是以伸長和切變變形為分量的向量長度。伸長軸是正x軸與此向量夾角的平分線。方程（

17、3.16）各項(xiàng)的意義為：非絕熱項(xiàng) 變形項(xiàng) 輻合項(xiàng) 傾斜項(xiàng) 式中角為伸長軸至屬性等值線的角度。D是水平散度。圖4.24 鋒生函數(shù)各項(xiàng)的垂直剖面圖。所取的剖面與鋒面正交。虛點(diǎn)線為鋒面位置。（a）變形項(xiàng)；（b）輻合項(xiàng)；（c）傾斜項(xiàng)；（d）鋒生函數(shù)（上三項(xiàng)之總和）。 圖4.24a,b,c是位溫的變形項(xiàng)、輻合項(xiàng)和傾斜項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果。非絕熱項(xiàng)沒有計(jì)算?？梢钥吹缴厦嫒?xiàng)具有相同的量級。在鋒區(qū)中，變形和輻合項(xiàng)產(chǎn)生鋒生，最大值在近地面層。傾斜項(xiàng)的分布比前兩項(xiàng)不規(guī)則一些，因?yàn)檫@一項(xiàng)與垂直速度的水平導(dǎo)數(shù)有關(guān)，而垂直速度是很難算準(zhǔn)的。其主要特征是在近地面上升運(yùn)動中心之左為鋒消，中心之右為鋒生。這種近地面的鋒消作用趨于與

18、變形和輻合產(chǎn)生的鋒生作用抵消。在600hPa上有一鋒消最大值，這與該處存在著一個(gè)上升運(yùn)動次極大值有關(guān)。圖4.24d是三項(xiàng)的總和?？梢钥吹浇孛婕颁h面前方鋒生作用很強(qiáng)，而中層是鋒消的。3 鋒面的次級環(huán)流（圖4.25-4.27） 鋒面的次級環(huán)流（也稱鋒面垂直環(huán)流）的研究是十分重要的，因?yàn)檫@種穩(wěn)態(tài)的（主要沿與鋒面正交方向）垂直環(huán)流不僅涉及到鋒系的基本動力學(xué)問題，而且也是中尺度對流系統(tǒng)，尤其是鋒前颮線和中尺度雨帶的一種啟動機(jī)制。強(qiáng)烈的鋒面天氣并不是產(chǎn)生在鋒面的所有部位上，主要出現(xiàn)在垂直環(huán)流圈的上升支。因而只要設(shè)法確定了上升支的位置，就可以估計(jì)劇烈天氣發(fā)生的地方。首先這里給出一些由實(shí)際觀測分析得到的冷鋒

19、垂直環(huán)流模式。 圖4.25 冷鋒模式概略圖。虛線代表氣旋性相對渦度最大值軸線。虛點(diǎn)線連接了地面水平溫度梯度最大值與地面鋒后逆溫層的位置。 圖4.26 與華北冷鋒有關(guān)的垂直環(huán)流圖。（a）與強(qiáng)對流天氣有關(guān)；（b）與強(qiáng)暴雨有關(guān)。圖4.27 上滑冷鋒氣流場分布概略圖。細(xì)實(shí)線是流線，J可分別代表高空急流和低空急流的位置。粗實(shí)線代表鋒區(qū)和對流邊界頂層。陰影區(qū)是后傾上升運(yùn)動區(qū)。地面冷鋒前對流邊界層中的空氣相對濕度很高，當(dāng)它沖出到冷鋒之上時(shí)達(dá)到飽和。在鋒區(qū)下方下沉的空氣開始是干的。以后在進(jìn)入降水區(qū)后變成近于飽和。鋒面的次級環(huán)流可以是熱力直接的，也可以是熱力間接的。這主要取決于引起次級環(huán)流的不同物理因子的相對重

20、要性。因而從動力學(xué)上對鋒面次級環(huán)流進(jìn)行診斷長期以來就引起人們的重視。實(shí)際上鋒面次級環(huán)流是處于平衡狀態(tài)的主環(huán)流（如地轉(zhuǎn)平衡）破壞后的必然產(chǎn)物。正如Sawyer和Eliassen曾指出的，水平無輻散的主環(huán)流強(qiáng)迫出次級環(huán)流，即出現(xiàn)水平速度和垂直速度分量，這是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動的特征。在這種情況下主強(qiáng)迫是通過無輻散變形作用而產(chǎn)生次級垂直環(huán)流的。以后這種環(huán)流又通過產(chǎn)生次級垂直變形加速或減速鋒生速度。因而次級環(huán)流問題與鋒生動力學(xué)是密切聯(lián)系在一起的。Sawyer和Eliassen曾得到了鋒面次級環(huán)流方程，這被稱為SawyerEliassen環(huán)流方程。以下將詳細(xì)討論這個(gè)方程以及以后發(fā)展和應(yīng)用的情況。 冷暖y-yxT-

21、2T0T1（1）坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)90:x 沿等線或鋒面，而y指向冷空氣圖4.28 沿鋒面正交鋒面應(yīng)引入半地轉(zhuǎn)理論風(fēng)無系統(tǒng)增加或其增加值比地轉(zhuǎn)風(fēng)增加遠(yuǎn)小得多即地轉(zhuǎn)動量近似）非地轉(zhuǎn)環(huán)流只限于出現(xiàn)在于鋒面正交（橫向）的平面內(nèi)。這種近似關(guān)系描述了正交與鋒面的平面中科氏力和氣壓梯度的近于平衡狀態(tài)，實(shí)際上是地轉(zhuǎn)動量的一種特例非地轉(zhuǎn)平流近似可寫為：準(zhǔn)地轉(zhuǎn)對于一條東西取向的平直鋒區(qū)，上述近似關(guān)系意味著： (4.17a) (4.17b) (4.17c)這種關(guān)系是由鋒面的幾何特征造成的，也即正交于鋒面的長度尺度和速度分量遠(yuǎn)小于沿鋒面的尺度和速度分量。取x軸平行鋒區(qū)，布辛內(nèi)斯克近似、假定科氏參數(shù)不隨緯度變化（f平面）和 ,

22、則運(yùn)動方程和熱力學(xué)方程分別為：,(4.18a)(4.18b)(4.18c)(4.18d)(4.18e)(4.18f)(4.18g)方程（4.18a）和（4.18b）分別為沿鋒面和正交于鋒面的動量方程。（4.18c）是熱力學(xué)方程。（4.18d）是地轉(zhuǎn)風(fēng)方程及 很小條件下地轉(zhuǎn)風(fēng)的水平無輻散特征。（4.18e）是熱成風(fēng)方程，（4.18f）是質(zhì)量連續(xù)方程，它可由（4.17c）式和f常數(shù)的假設(shè)得到。 是非地轉(zhuǎn)流函數(shù)， 和是(y,p)平面中次級環(huán)流的速度分量。對（4.18a）取 ，對（4.18c）取 ，對（4.18a）（4.18c）取 ，并代入(4.18f），忽略r之垂直導(dǎo)數(shù)（布辛內(nèi)斯克流），可得： (4

23、.19a) (4.19b) (4.19c) (4.19d)上方程左邊與Sawyer的結(jié)果相同，右邊Sawyer沒有考慮位溫沿鋒面的變化，即Q中之 或 ，但這項(xiàng)以后由Eliassen考慮了進(jìn)來。故方程（4.21）稱為SawyerEliassen方程。如果假定m和以及（4.21）式右邊的強(qiáng)迫項(xiàng)已知，邊條件規(guī)定并在(y,p)域內(nèi)處處滿足橢圓性條件： （4.22）則可以唯一地確定出 的分布。 是p坐標(biāo)系中的Ertel位渦。方程（4.21）中Q強(qiáng)迫項(xiàng)由兩項(xiàng)組成。由（4.18d）和（4.18e）Q可寫成：上式中故 是地轉(zhuǎn)伸長形變，代表地轉(zhuǎn)匯合（或疏散） 對加強(qiáng)（或減弱）正交于鋒面溫度梯度 的作用。 是地轉(zhuǎn)

24、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)迫的次級環(huán)流是由于正交于鋒面的溫度梯度有地轉(zhuǎn)伸長和切變形變才出現(xiàn)的（圖4.29-4.30）。圖4.29 Bluestein，1993 圖4.30 Bluestein，1993 （圖4.29-4.30）（圖4.29）鋒圖4.304.31a）4.31b）圖4.31 Sawyer-Eliassen方程中強(qiáng)迫項(xiàng)和非地轉(zhuǎn)環(huán)流方向的概略圖。實(shí)線代表非地轉(zhuǎn)環(huán)流，虛線為區(qū)分冷暖空氣的一條等位溫線。帶叉號和帶點(diǎn)號的圓圈分別代表進(jìn)入剖面和流出剖面的沿鋒面方向的風(fēng)分量；（a）中的非地轉(zhuǎn)環(huán)流是熱力直接的；（b）中是熱力間接的。圖4.

25、32 地轉(zhuǎn)形變（Q1）（上圖），地轉(zhuǎn)切變（Q2）（中圖）和（Q1+Q2）（下圖）強(qiáng)迫的次級環(huán)流圖。實(shí)線代表流函數(shù)（單位：105m2s-1）,虛線代表等位溫線。 圖4.32是Shapiro計(jì)算的一個(gè)北美冷鋒次級環(huán)流的例子?？梢钥吹絈1在高空鋒附近強(qiáng)迫出一個(gè)熱力直接的次級環(huán)流，在急流中心上方的平流層中，有一較弱的直接環(huán)流。Q2強(qiáng)迫的次級環(huán)流與Q1是反號的，圍繞鋒區(qū)強(qiáng)迫出一熱力間接的環(huán)流。Q1+Q2=Q強(qiáng)迫出兩個(gè)相反的環(huán)流圈，鋒區(qū)下部為直接的，上部為間接的。這是由于上部Q2占優(yōu)勢，下部Q1占優(yōu)勢。 中緯度天氣尺度運(yùn)動一般是處于地轉(zhuǎn)平衡的。但對流一旦爆發(fā)，可使大氣脈沖形式失去地轉(zhuǎn)平衡。結(jié)果地轉(zhuǎn)動量近似

26、不成立，另外當(dāng)氣塊有明顯曲率時(shí)，地轉(zhuǎn)風(fēng)的離心力加速度很大，地轉(zhuǎn)動量近似也不成立；另外，對于直線氣流，如氣塊加速度很強(qiáng)，使R01，地轉(zhuǎn)動量近似也不成立。但地轉(zhuǎn)動量近似是有優(yōu)點(diǎn)的（見圖4.33）：（1）動量與溫度的非地轉(zhuǎn)平流及動量垂直平流很顯著時(shí)仍很易計(jì) 算垂直速度與位勢傾向。（2）可用不同的分辨率研究天氣系統(tǒng)特征。在大的氣旋性渦度區(qū) 分辨率最高，即鋒區(qū)。圖4.33 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)鋒生（a），（b）與半地轉(zhuǎn)鋒生（c），（d）之比較。綠線為主環(huán)流，紅箭頭為非地轉(zhuǎn)鋒面環(huán)流，虛黑線為線（Bluestein，1986）附錄：鋒生的理論問題1、運(yùn)動學(xué)鋒生圖1 理想的地面風(fēng)向量水平分布（黑箭頭）。等溫線（紅虛線）與鋒

27、區(qū)。（a）初始時(shí)刻；（b）后來同樣相對鋒面的分布（24小時(shí)后），旋轉(zhuǎn)的相對于鋒面的坐標(biāo)系。圖2同圖1，但說明暖鋒區(qū)中切變過程的作用圖3 同圖1， 但是對匯合鋒生總結(jié)鋒生運(yùn)動學(xué)，可以概括出一些明顯的物理過程能改變鋒面的強(qiáng)度：（1）切變與匯合機(jī)制是類似的，都可解釋為溫度平流差異。切變情況下， 是通過平行于風(fēng)的風(fēng)分量，匯合情況下，是通過正交于鋒的風(fēng)分量。（2）傾斜項(xiàng)可看作位溫場垂直平流的差異。（3）非絕熱加熱或冷卻（輻射，邊界層，熱力過程等）的梯度能產(chǎn)生鋒 生或鋒消。（4）一維鋒生定義可推廣到二維鋒生。對于變形場氣流中的等線場， 是鋒生還是鋒消將取決于等溫線與變形氣流伸長軸之間的夾角（圖6）。如等溫

28、線的方向在伸長軸的45夾角之內(nèi)，氣流是鋒生的，等溫線將趨于沿此軸密集。最后給出一個(gè)北美鋒生的例子（圖4）。在圖7（c） 中，診斷得到的鋒生分布可幫助定出移近華盛頓州的暖鋒，其尾部冷鋒在西南方。冷鋒以北是經(jīng)典的匯合性鋒生。圖4 說明鋒生的傾斜項(xiàng)作用示意圖。虛線是等溫線，紅箭頭是垂直運(yùn)動；（a）初始時(shí)刻；（b）后來時(shí)刻（Carlson ，1998）。圖5 太陽加熱差異引起的非絕熱鋒生效應(yīng)示意圖。虛線：等線，灰色陰影：云區(qū)。（a）初始時(shí)刻，（b）后來時(shí)刻（Carlson ，1998）圖6 變形場氣流中位溫演變的示意圖。黑線是流線，紅虛線是位溫線。（a）初始時(shí)刻，位溫線垂直于伸長軸。（b）同（a）但為后來時(shí)刻，（c）、（d）同（a）（b）但位溫線平行于伸長軸。（Lackmann，2010）圖