第四講 鋒生動(dòng)力學(xué)及鋒面次級(jí)環(huán)流

第四講鋒生動(dòng)力學(xué)和鋒面次級(jí)環(huán)流丁一匯國家氣候中心高等天氣學(xué)講座(2014春季)單元二：中緯度天氣系統(tǒng)4.1復(fù)習(xí)和預(yù)備知識(shí)空氣運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本變量Figure2Afieldofpure,positivedivergence

所得流場沿x方向伸長，沿y方向壓縮。前者稱伸長軸，后者稱壓縮軸。注意：形變和輻合兩個(gè)量容易混淆，圖4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4a）在輻合氣流下面積變得越來越小，而后者（4b），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。Figure4(a)Afluidelementinafieldofpureconvergence.Thelightersquarerepresenttheinitiallysquareelement.Notethattheareaofthefluidelementisdecreasedinafieldofconvergence.(b)Afluidelementinafieldofpurestretchingdeformation.Theoriginalsquareisdeformedintoarectanglewhoseareaisthesameasthatofthesquare

圖6：上圖：作用在x方向的伸長形變，與沿y=x和y=-x線的切變形變。下圖：沿y=x線左右的伸長形變與沿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7給出了一些理想化流體在水平風(fēng)場上的各種運(yùn)動(dòng)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。（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(dòng)學(xué)的小結(jié)圖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8清楚地說明在伸長和切變形變的作用下，向下游移動(dòng)的氣流發(fā)生形變的過程。圖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(dòng)時(shí)形變的過程，其中網(wǎng)格的右上角向東移動(dòng)，而其左下角則向南然后向東移動(dòng)，這樣形成了一個(gè)閉合環(huán)流。（Tellus，7，141～156（1955））（引自Martin,J.E.，2006）鋒面引起的地面天氣和冷暖空氣分布1、鋒面引起的地面天氣和冷暖空氣分布冷鋒過境時(shí)高分辨率（1分鐘）自動(dòng)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暖鋒過境時(shí)的自記記錄（2002年1月231700-241700UTC），美國Athens站。（取自AckermanandKnox,2012)挪威學(xué)派的錮囚鋒模式。此時(shí)冷鋒移動(dòng)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AchermanandKnox，2012）。典型冷暖鋒過程時(shí)氣象要素的變化（

A&K，2012）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1～2km。鋒面的產(chǎn)生可以由不同的動(dòng)力過程引起，因而在大氣中會(huì)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(dòng)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。4.2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一些區(qū)中不大的一部分面積，但它們對非地轉(zhuǎn)環(huán)流的無旋部分是最顯著的動(dòng)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(dòng)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、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(dòng)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）圖4.1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4.2傾斜項(xiàng)對垂直位溫梯度的作用。(a)鋒生，(b)鋒消（Bluestein，1986）渦度+-圖4.3伸長與壓縮軸取向與等位溫線關(guān)系的示意圖。角b與α分別是依x’軸反時(shí)針與順時(shí)針度量。當(dāng)D>0，x’與伸長軸一致，y’是與壓縮軸一致。當(dāng)D<0時(shí)，情況相反。+圖4.5伸長軸與等溫線相對取向與鋒生的關(guān)系。左：鋒生（0<b<45），F(xiàn)>0；右：鋒消（45<b<90），F(xiàn)<0（取自Bluestein,1986;Pettersen1956）圖4.6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4.6a,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(jí)。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(dòng)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(dòng)次極大值有關(guān)。圖4.6d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。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(dòng)的分布不均勻的作用，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(dòng)；（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(dòng)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。4.3鋒面的次級(jí)環(huán)流

鋒面的次級(jí)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(dòng)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(dòng)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垂直環(huán)流模式。圖4.7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4.8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4.9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(dòng)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(jí)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(jí)環(huán)流的不同物理因子的相當(dāng)重要性。因而從動(dòng)力學(xué)上對鋒面次級(jí)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(jí)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(jí)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(dòng)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(jí)垂直環(huán)流的。以后這種環(huán)流又通過產(chǎn)生次級(jí)垂直變形加速或減速鋒生速度。因而次級(jí)環(huán)流問題與鋒生動(dòng)力學(xué)是密切聯(lián)系在一起的。Sawyer和Eliassen曾得到了鋒面次級(jí)環(huán)流方程，這被稱為Sawyer－Eliassen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-2T-1T0T1半半牽88圖4.10Bluestein，1993圖4.11Bluestein，1993<所以Q1>0所以Q2>0圖4.12Sawyer-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(hào)和帶點(diǎn)號(hào)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4.13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(jí)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4.13是Shapiro計(jì)算的一個(gè)北美冷鋒次級(jí)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(jí)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(jí)環(huán)流與Q1是反號(hào)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(dòng)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(dòng)量近似不成立，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