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文檔簡(jiǎn)介

第七章影響中尺度運(yùn)動(dòng)的物理?xiàng)l件第一頁,共67頁。7.1下沉氣流

大氣層結(jié)狀態(tài)的不穩(wěn)定,可以引起對(duì)流,對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)生過程中,又和周圍環(huán)境大氣發(fā)生動(dòng)量、熱量、質(zhì)量(含水汽)的交換,因而改變了環(huán)境大氣的狀態(tài)例如云內(nèi)有上升氣流,在對(duì)流云的四周就有補(bǔ)償下沉氣流存在,下沉氣流對(duì)對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展產(chǎn)生影響。

第一頁第二頁,共67頁。7.1.1普通積云的云外下沉氣流

由于云內(nèi)上升氣流和云外下沉氣流是對(duì)流環(huán)流的統(tǒng)一整體,因此上升空氣從不穩(wěn)定層結(jié)中所取得的能量,并不完全都用在加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的本身,其中有一部分是消耗在維持下沉運(yùn)動(dòng)上的。從這個(gè)意義上講,云外補(bǔ)償下沉氣流是上升氣流的一種阻力。如果云體以上升氣流區(qū)為界,那末,云外下沉氣流對(duì)云的發(fā)展就會(huì)有影響。

第二頁第三頁,共67頁。7.1.1普通積云的云外下沉氣流皮葉克尼斯(J.Bierknes)用一個(gè)單位厚度的空氣薄層處理這一問題,同時(shí)考慮薄層空氣的上升、下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展判據(jù),稱為薄層法判據(jù)。

第三頁第四頁,共67頁。結(jié)論:普通積云對(duì)流的云外下沉運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn),使對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展受到不利的影響。

第四頁第五頁,共67頁。在中低緯度對(duì)積云對(duì)流的實(shí)際觀測(cè)表明,對(duì)流云附近和云塊之間的晴空,有一明顯的干下沉氣流區(qū)。一般來說,在云的中上部,云外的下沉氣流速度約為云內(nèi)主要上升氣流速度的25%—50%,在緊鄰上升空氣邊界的地方,下沉氣流最強(qiáng),離開上升氣流而逐漸減弱。按照空氣質(zhì)量連續(xù)性原理,受干下沉氣流影響的區(qū)域必定比濕上升氣流區(qū)大,它約為濕上升氣流區(qū)的兩倍。這就是說,對(duì)于中上部,約有50%的空氣質(zhì)量被局地于下沉氣流所補(bǔ)償。在對(duì)流云周圍的晴空區(qū)中,出現(xiàn)異常增溫,一般認(rèn)為這是由于下沉空氣絕熱壓縮的結(jié)果。第五頁第六頁,共67頁。7.1.2強(qiáng)風(fēng)暴中尺度環(huán)流的下沉運(yùn)動(dòng)

強(qiáng)風(fēng)暴天氣系統(tǒng)的中尺度環(huán)流有一個(gè)明顯的特征,即中尺度環(huán)流的準(zhǔn)二維剖面上是一支由邊界層開始傾斜上升直到對(duì)流層頂?shù)呐瘽駳饬骱土硪恢е锌崭衫淇諝獾南鲁吝\(yùn)動(dòng)氣流。這一支干冷空氣的下沉運(yùn)動(dòng),將與云中飽和空氣混合,使云中雨滴或雹粒的蒸發(fā)而冷卻,有蒸發(fā)冷卻的下沉氣流對(duì)于強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)的強(qiáng)度和維持具有十分重要的作用,有可能使強(qiáng)對(duì)流組織化。第六頁第七頁,共67頁。第七頁第八頁,共67頁。第八頁第九頁,共67頁。7.1.2強(qiáng)風(fēng)暴中尺度環(huán)流的下沉運(yùn)動(dòng))這是因?yàn)橐环矫嬗捎谂瘽裆仙龤饬骱驼舭l(fā)冷卻下沉氣流的最后結(jié)果是局地大氣穩(wěn)定化;另一方面,下沉氣流能形成近地面的冷空氣堆或強(qiáng)烈的向外流出的輻散氣流,可抬升雷暴前方低層暖濕空氣上升形成新的單體,并且由于在風(fēng)切變環(huán)境下,下沉氣流又把高空水平動(dòng)量帶到地面,在低空加強(qiáng)了與暖空氣的輻合作用,就更強(qiáng)烈地把暖空氣上抬。第九頁第十頁,共67頁。7.1.2強(qiáng)風(fēng)暴中尺度環(huán)流的下沉運(yùn)動(dòng)因而常觀測(cè)到新的對(duì)流單體在下沉氣流前方形成,如果這樣造成的上升氣流得到充分發(fā)展,并在強(qiáng)切變環(huán)境下不斷再生下沉和上升運(yùn)動(dòng),就可維持強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)。

第十頁第十一頁,共67頁。7.1.2強(qiáng)風(fēng)暴中尺度環(huán)流的下沉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)風(fēng)暴中下沉氣流的形成和維持機(jī)制一般比上升氣流要復(fù)雜.除上述普遍認(rèn)為水滴的蒸發(fā)作用是最重要的以外,還有以下兩個(gè)原因可能使云中空氣變冷,以得到負(fù)浮力或外加的拖帶作用使空氣向下運(yùn)動(dòng)。第十一頁第十二頁,共67頁。(1)冰晶質(zhì)點(diǎn)融解造成的冷卻。冰晶包含雪晶、冰雹和軟雹等,它們?cè)趶?qiáng)風(fēng)暴上升氣流中不可能下落,因?yàn)樗鼈兊哪┧俣刃。虼丝紤]它們的融解冷卻作用。根據(jù)計(jì)算,由融化過程造成某一層空氣的冷卻率較小,所以,由冰晶融化過程對(duì)下沉氣流的生成的作用可能較小。第十二頁第十三頁,共67頁。

(2)水滴的拖帶作用。因?yàn)橄陆档乃纹浣德渌俣冗_(dá)到平衡時(shí)的末速度所需時(shí)間極短,因而每一水滴可以認(rèn)為是以其未速度下降,末速度大小與水滴大小有關(guān),這時(shí)空氣要受到一向下的拖帶力,力的大小等于空氣中水摘的總重量,因而由水滴的拖帶力可造成下沉運(yùn)動(dòng)。第十三頁第十四頁,共67頁。由上述的分析可見:普通積云對(duì)流的云外下沉氣流和強(qiáng)風(fēng)暴中的下沉氣流對(duì)對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展起著不同的作用。普通積云對(duì)流的云外下沉運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn),使對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展受到不利的影響。強(qiáng)風(fēng)暴中干冷空氣的下沉運(yùn)動(dòng),對(duì)于強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)的強(qiáng)度和維持具有十分重要的作用,有可能使強(qiáng)對(duì)流組織化。第十四頁第十五頁,共67頁。7.2挾卷效應(yīng)

在討論大氣層結(jié)穩(wěn)定度時(shí),是把上升氣流當(dāng)成封閉系統(tǒng),它與周圍空氣不發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量和熱量的交換。但事實(shí)是,在云內(nèi)空氣上升過程中,還會(huì)將云外空氣大量卷入云內(nèi)。云外空氣同云內(nèi)相比是干而冷的,云中空氣由于顯熱的混合和云中水分進(jìn)入卷進(jìn)來的空氣里部分蒸發(fā)冷卻,這種卷挾過程的結(jié)果是使云中空氣受的浮力減小,使云的發(fā)展受到影響。故考慮大氣層結(jié)穩(wěn)定度判據(jù)時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮挾卷效應(yīng)。

第十五頁第十六頁,共67頁。7.2挾卷效應(yīng)(續(xù))挾卷過程產(chǎn)生的物理原因是:一方面由于湍流混合的水平交換產(chǎn)生的挾卷,稱為湍流挾卷;另一方面是動(dòng)力原因造成的補(bǔ)償性流動(dòng),即質(zhì)量連續(xù)性所要求的必然結(jié)果。第十六頁第十七頁,共67頁。7.2挾卷效應(yīng)(續(xù))因?yàn)樵谠苾?nèi),由于不穩(wěn)定能量的釋放,空氣將加速上升,如果上升氣柱的外形不變,那末在云柱內(nèi)任意兩個(gè)相鄰截面所包含的體積元中,從上斷面流出的質(zhì)量,要比從下斷面進(jìn)入的多,于是空氣必需從四側(cè)流入以補(bǔ)償這一體積元中空氣量之不足,由這種原因引起的挾卷稱為動(dòng)力挾卷。第十七頁第十八頁,共67頁。7.2挾卷效應(yīng)(續(xù))一般說來,對(duì)流云的水平范圍較小時(shí),湍流挾卷的相對(duì)貢獻(xiàn)較大。在大塊濃積云中,特別是積雨云中,動(dòng)力挾卷起主要作用,在研究挾卷作用時(shí),不同的對(duì)流模式的挾卷過程,所得的結(jié)果有差別。第十八頁第十九頁,共67頁。7.2.1氣泡模式在對(duì)流云發(fā)展的早期,是向上的一些云泡所組成。是以湍流挾卷為主的過程第十九頁第二十頁,共67頁。7.2.2氣柱模式對(duì)高聳的積云塔,一般呈柱狀是以動(dòng)力挾卷為主的過程第二十頁第二十一頁,共67頁。7.2.2氣柱模式(續(xù))通過的分析可知,泡狀或柱狀模式對(duì)于挾卷的影響的結(jié)論是相同的。它們都指出挾卷的影響是隨著云的直徑的增大而減小的。因而對(duì)于強(qiáng)大的雷暴云來說,除了云底以下的部分以外,都可以忽略挾卷的作用。特別是對(duì)那些穿入平流層的強(qiáng)雷暴云,其中心部位的垂直運(yùn)動(dòng)可用沒有挾卷效應(yīng)的氣塊模式來很好地描述。第二十一頁第二十二頁,共67頁。7.2.2氣柱模式(續(xù))另外,雷暴云在其不同的發(fā)展階段或在云體的不同部位上,往往分別和不同的對(duì)流模式相近似。例如,一般來說,普通的積狀云可以用分離的云泡模式來近似,而很多較大的雷暴云則比較符合氣柱模式或氣塊模式。第二十二頁第二十三頁,共67頁。7.2.3有挾卷作用的飽和過程中氣塊溫度變化率當(dāng)飽和對(duì)流云體上升時(shí),會(huì)有一部分環(huán)境空氣混合或被云體挾卷進(jìn)來,由于環(huán)境空氣較冷、較干,云體提供了一部分感熱和潛熱使環(huán)境大氣增暖和變飽和,但降低了云體自身的浮力。第二十三頁第二十四頁,共67頁。7.2.3有挾卷作用的飽和過程中氣塊溫度變化率(續(xù))由推導(dǎo)可知:由于挾卷效應(yīng),云內(nèi)空氣的溫度遞減率比沒有挾卷作用的溫度遞減率大可見夾卷過程使云發(fā)展所要求的遞減率變大,亦即夾卷效應(yīng)是不利于對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展的。第二十四頁第二十五頁,共67頁。7.3風(fēng)的垂直切變

風(fēng)的垂直切變影響著對(duì)流云的發(fā)展、移動(dòng)、分裂等過程。但早期研究認(rèn)為風(fēng)的垂直切變是阻礙對(duì)流云發(fā)展的因?yàn)樵陲L(fēng)垂直切變作用下,垂直發(fā)展的云向下風(fēng)方傾斜而不能直立,使對(duì)流上升的路徑加長,環(huán)境空氣的挾卷作用也增強(qiáng),另外,相繼的對(duì)流不易走相同的路徑,不利于形成持續(xù)對(duì)流上升的環(huán)境,這些作用使對(duì)流發(fā)展受到抑制。第二十五頁第二十六頁,共67頁。7.3風(fēng)的垂直切變(續(xù))這些看法曾由一些云的觀測(cè)和雷達(dá)回波觀測(cè)所證實(shí),所以風(fēng)的垂直切變當(dāng)時(shí)被看作是積云對(duì)流的一種破壞力,郭曉嵐從線性理論上研究了風(fēng)垂直切變對(duì)雷暴有抑制作用,有些數(shù)值試驗(yàn)也表明,在具有風(fēng)垂直切變的環(huán)境中對(duì)流受到抑制。第二十六頁第二十七頁,共67頁。7.3風(fēng)的垂直切變(續(xù))但近來的觀測(cè)分析發(fā)現(xiàn),強(qiáng)雷暴能在強(qiáng)垂直風(fēng)切變存在的環(huán)境下發(fā)展,并維持幾小時(shí),這說明風(fēng)的垂直切變對(duì)積云和強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的影響是不同的。事實(shí)上,風(fēng)的垂直切變決定了對(duì)流系統(tǒng)采取的是普通單體雷暴還是多單體雷暴或者是超級(jí)單體雷暴的形式。第二十七頁第二十八頁,共67頁。7.3風(fēng)的垂直切變(續(xù))在強(qiáng)熱力不穩(wěn)定的層結(jié)條件下,強(qiáng)的風(fēng)垂直切變有助于普通雷暴組織成持續(xù)性的強(qiáng)雷暴,它是維持和增強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的因子。牛頓(Newton)第一次說明了環(huán)境風(fēng)垂直切變與強(qiáng)雷暴的相互作用,指出通過這種相互作用可以增強(qiáng)或延長雷暴生命期。所以說風(fēng)的垂直切變條件是區(qū)別強(qiáng)風(fēng)暴動(dòng)力學(xué)和積云動(dòng)力學(xué)的基本條件之一。第二十八頁第二十九頁,共67頁。表1不同類型風(fēng)暴的環(huán)境風(fēng)垂直切變值風(fēng)暴類型切變值(云低至云頂)單位:10-3/s多單體風(fēng)暴1.5~2.5超級(jí)單體2.5~4.5強(qiáng)切變風(fēng)暴(颮線、雹暴等)4.5~8.0第二十九頁第三十頁,共67頁。7.3風(fēng)的垂直切變(續(xù))風(fēng)的垂直切變對(duì)風(fēng)暴的影響有兩個(gè)方面問題:一是風(fēng)垂直切變影響風(fēng)暴發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制;二是通過什么物理過程影響風(fēng)暴發(fā)展和傳播,及怎樣影響這些物理過程的。

第三十頁第三十一頁,共67頁。7.3.1風(fēng)垂直切變影響風(fēng)暴發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制

風(fēng)的垂直切變影響對(duì)流發(fā)展的動(dòng)力過程意味著微擾動(dòng)法的線性化方程的理論已不再適用,此時(shí)環(huán)境風(fēng)不再是常數(shù)。對(duì)于風(fēng)有垂直切變的情況,若考慮環(huán)境風(fēng)只是高度的函數(shù),因而用簡(jiǎn)單的有限振幅運(yùn)動(dòng)的方法處理這一非線性問題。第三十一頁第三十二頁,共67頁。7.3.1風(fēng)垂直切變影響風(fēng)暴發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制(續(xù))由推導(dǎo)式分析可以得出:除不穩(wěn)定層結(jié)是有利于對(duì)流發(fā)展的一個(gè)因子外,對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的對(duì)流環(huán)流,即使在層結(jié)穩(wěn)定的情形下,風(fēng)垂直切變也能夠使對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展。

第三十二頁第三十三頁,共67頁。圖1應(yīng)用雙多普勒雷達(dá)觀測(cè)到的成熟和消散階段雷暴內(nèi)部的三維氣流結(jié)構(gòu)(圖中箭頭的長度與風(fēng)速成正比)(a)6.4km高度上相對(duì)于風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)的水平氣流(b)如圖(a)所示的y=11.4km的x-z面上垂直氣流進(jìn)入雷暴云體的氣流,向著逆切變氣流方向傾斜上升,然后從高空流出,與云體周圍的干下沉氣流形成一個(gè)后傾的環(huán)流圈第三十三頁第三十四頁,共67頁。7.3.1風(fēng)垂直切變影響風(fēng)暴發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制(續(xù))圖中清楚地表明進(jìn)入雷暴云體的氣流,向著逆切變氣流方向傾斜上升,然后從高空流出,與云體周圍的干下沉氣流形成一個(gè)后傾的環(huán)流圈。第三十四頁第三十五頁,共67頁。7.3.1風(fēng)垂直切變影響風(fēng)暴發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制(續(xù))具有這種內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)流云,滿足垂直速度與水平速度具有凈的負(fù)相關(guān)條件,因而除熱力不穩(wěn)定能提供發(fā)展能量以外,在它發(fā)展過程中,還能從風(fēng)垂直切變環(huán)境中獲得動(dòng)能,使它進(jìn)一步向高空發(fā)展,這種風(fēng)垂直切變的環(huán)境在一般有高空急流時(shí)出現(xiàn),所以經(jīng)常見到對(duì)流云在高空急流的下方猛烈發(fā)展,有時(shí)還會(huì)穿透對(duì)流層頂進(jìn)入平流層。第三十五頁第三十六頁,共67頁。7.3.1風(fēng)垂直切變影響風(fēng)暴發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制(續(xù))例如,1975年5月30日,由安徽的定遠(yuǎn)、風(fēng)陽開始,直到上海地區(qū),發(fā)生了一次強(qiáng)冰雹過程。17時(shí)南京也出現(xiàn)了冰雹,雹云的雷達(dá)回波頂高達(dá)14km以上。從探空資料來看,南京30日08時(shí)300hPa以上為絕對(duì)穩(wěn)定層結(jié),11時(shí),按氣塊法作狀態(tài)曲線,對(duì)流上限也只達(dá)10km左右。30日08時(shí)300hPa急流軸附近最大風(fēng)速為54~56m/s。急流下方8~9km的風(fēng)速垂直切變達(dá)2.0X10-2/s。第三十六頁第三十七頁,共67頁。7.3.1風(fēng)垂直切變影響風(fēng)暴發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制(續(xù))雹云之所以大大超過由熱力層結(jié)確定的對(duì)流高度,是與高空急流分不開的。高空強(qiáng)風(fēng)區(qū)所提供的能量,不僅可以彌補(bǔ)高層熱力層結(jié)穩(wěn)定的缺陷,而且還能助長對(duì)流沖到對(duì)流層頂或以上。比較08時(shí)和20時(shí)高空風(fēng)速的變化可以看出,在南京降過冰雹之后,上空8~14km間的高空風(fēng)速明顯減小,在12km高空減得最多,達(dá)22m/s,這是強(qiáng)大冰雹云從高空強(qiáng)風(fēng)中獲得發(fā)展動(dòng)能的依據(jù)。第三十七頁第三十八頁,共67頁。7.3.2風(fēng)的垂直切變影響對(duì)流運(yùn)動(dòng)的物理過程

風(fēng)的垂直切變對(duì)于普通雷暴演變成持續(xù)性強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴起著重要意義。其物理過程如圖2所示這是當(dāng)代觀測(cè)研究得到的強(qiáng)風(fēng)暴天氣系統(tǒng)具有典型意義的天氣學(xué)概念模型,通過這一模型可說明許多物理問題及理論工作。

第三十八頁第三十九頁,共67頁。圖2中低空風(fēng)垂直切變對(duì)對(duì)流發(fā)展的影響第三十九頁第四十頁,共67頁。這里先討論風(fēng)垂直切變的影響:

低層大氣層結(jié)為條件不穩(wěn)定大氣,上面覆蓋著干空氣,干濕空氣之間存在風(fēng)的垂直切變;在中層以上有干冷氣自云體后部吸入,與云中飽和空氣混合,因水份蒸發(fā)進(jìn)一步冷卻而下沉,它按濕絕熱下降,在云體后形成濕下沉氣流。進(jìn)入下沉氣流的環(huán)境空氣,具有中層環(huán)境較高的動(dòng)量,使下沉氣流穿過風(fēng)暴向前流動(dòng),并與前方暖濕空氣輻合,加之到達(dá)地面的空氣溫度較低,成為冷的出流,由此抬升暖濕空氣,使上升氣流呈傾斜狀態(tài),傾斜上升氣流是逆切變方向的。

第四十頁第四十一頁,共67頁。風(fēng)的垂直切變作用主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面:在這種具有風(fēng)切變環(huán)境下作傾斜上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)風(fēng)暴,對(duì)大小水滴有分離作用,以致大水滴能離開上升氣流而不會(huì)因雨滴的拖帶作用減弱上升氣流的浮力。從強(qiáng)垂直風(fēng)切變環(huán)境中發(fā)展起來的強(qiáng)風(fēng)暴模式中可以看到,它增強(qiáng)中層干冷空氣的吸入,加強(qiáng)了風(fēng)暴中的下沉氣流,在上節(jié)論述強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)下沉氣流的作用時(shí)也說明了這一點(diǎn)。

第四十一頁第四十二頁,共67頁。風(fēng)的垂直切變對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)的傳播有重要影響,有風(fēng)的垂直切變的強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)使低層風(fēng)場(chǎng)分布形成的散度分布特征,有利于風(fēng)暴在其前方不斷再生并向前傳播,對(duì)于風(fēng)速隨高度改變的簡(jiǎn)單的情況下,云中由于強(qiáng)的亂流活動(dòng)使上、下層動(dòng)量混合,造成云內(nèi)風(fēng)速分布均均勻化,因而在云的前部低空有輻合,高空有輻散,產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),有利于新雷暴單體出現(xiàn),而在云的后部則相反,使風(fēng)暴減弱,這種過程使風(fēng)暴不斷向前傳播。第四十二頁第四十三頁,共67頁。同時(shí)由對(duì)流單體下方下沉氣流產(chǎn)生的冷空氣堆而產(chǎn)生的水平外流分量,由于風(fēng)垂直切變影響,外流產(chǎn)生的地面輻合呈現(xiàn)不對(duì)稱形式,最強(qiáng)的輻合出現(xiàn)在有組織單體的順切變方向,此時(shí)沿外流邊界的輻合帶上新對(duì)流單體一再發(fā)展可能造成多單體結(jié)構(gòu)。而沒有風(fēng)的垂直切變時(shí),外流冷空氣均向四周傳播,即使形成新單體但無運(yùn)動(dòng),而輻合帶已傳播出去,新單體在輻合帶后的冷而穩(wěn)定的環(huán)境中,進(jìn)一步發(fā)展便不可能,只能呈普通單體風(fēng)暴。

第四十三頁第四十四頁,共67頁。由于風(fēng)的垂直切變,產(chǎn)生流體動(dòng)力學(xué)壓力,在風(fēng)暴右側(cè)有利于新的對(duì)流單體增長。目前認(rèn)為并不是切變愈強(qiáng),對(duì)風(fēng)暴發(fā)展愈有利。此問題還待進(jìn)一步研究。風(fēng)的垂直切變使對(duì)流單體的分裂。對(duì)流單體有時(shí)會(huì)發(fā)生分裂,分裂與環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的垂直切變有關(guān)。如風(fēng)切變把一個(gè)雷暴單體分裂成兩個(gè)雷暴單體等。

第四十四頁第四十五頁,共67頁。7.4低空急流與高空急流

風(fēng)的垂直切變是風(fēng)場(chǎng)隨高度分布的一種狀態(tài),當(dāng)對(duì)流層上部風(fēng)速達(dá)30m/s,且當(dāng)風(fēng)的垂直切變達(dá)到一定數(shù)量級(jí)[一般為5—10m/(s.km)]時(shí),并且水平切變達(dá)到每100km為5m/s時(shí)形成強(qiáng)而窄的氣流帶即為急流,急流中心的長軸是急流軸,急流軸線有一個(gè)或多個(gè)風(fēng)速極大值中心,急流軸在二維空間中呈準(zhǔn)水平,多數(shù)為東西向,水平尺度長達(dá)上萬公里,此為高空急流。

第四十五頁第四十六頁,共67頁。全球范圍西風(fēng)急流的分布狀況全球緯向平均的緯向風(fēng)高度—緯度變化200hPa緯向風(fēng)速的全球分布變化第四十六頁第四十七頁,共67頁。水平結(jié)構(gòu)第四十七頁第四十八頁,共67頁。7.4低空急流與高空急流(續(xù))在對(duì)流層600hPa以下,也常有強(qiáng)而窄的氣流帶,雖然垂直切變和水平切變達(dá)不到上述標(biāo)準(zhǔn),而且水平尺度比對(duì)流層上部小得多,但與中尺度對(duì)流大氣有密切關(guān)系,因此,將600hPa以下的出現(xiàn)強(qiáng)而窄的氣流帶稱為低空急流低空急流與高空急流都有強(qiáng)烈的非地轉(zhuǎn)特征,急流兩側(cè)產(chǎn)生氣旋性和反氣旋渦度,因此對(duì)大氣系統(tǒng)發(fā)展有重要作用。

第四十八頁第四十九頁,共67頁。7.4.1低空急流與強(qiáng)對(duì)流天氣

7.4.1.1基本特征

低空急流出現(xiàn)在對(duì)流層下部,在850hPa和700hPa層中最明顯,一般最大風(fēng)速可達(dá)15—25m/s,更強(qiáng)的風(fēng)速也可以見到。第四十九頁第五十頁,共67頁。低空急流是一種動(dòng)量、熱量和水汽的高度集中帶,這種低空的高速氣流具有以下一些特征:①很強(qiáng)的超地轉(zhuǎn)風(fēng);實(shí)際風(fēng)速一般超過地轉(zhuǎn)風(fēng)20%以上②低空急流有明顯的日變化;

最大:02~08時(shí);最小:08~20時(shí)可以解釋雷暴和暴雨出現(xiàn)在夜間的觀測(cè)事實(shí)。第五十頁第五十一頁,共67頁。③小的Ri數(shù)分布;很小,甚至為負(fù),成為一支不穩(wěn)定的急流,有利于對(duì)流發(fā)展④強(qiáng)風(fēng)速中心的傳播。在一次暴雨過程中,可以觀測(cè)到幾個(gè)風(fēng)速最大值中心沿急流軸向下游傳播。風(fēng)速最大值前部為上升運(yùn)動(dòng),后部為下沉運(yùn)動(dòng),隨著風(fēng)速最大值的傳播,熱量和水汽的中尺度最大值也沿急流軸傳播。第五十一頁第五十二頁,共67頁。2003年夏季淮河降水異常的成因分析之高低空急流活動(dòng)對(duì)雨帶的影響5次明顯的急流中心從西向東傳播過程,這說明動(dòng)量是從西部傳播過來的,也是與7次暴雨過程緊密相連的。

6~7月東亞的高空急流軸位于38°N附近,偏強(qiáng)5ms-1,急流軸比多年平均(40°N)偏南2個(gè)緯距,由此導(dǎo)致副高位置偏南,進(jìn)而使淮河流域降水異常增加。

第五十二頁第五十三頁,共67頁。2003年夏季淮河降水異常的成因分析之高低空急流活動(dòng)對(duì)雨帶的影響

平均風(fēng)速在印度西部沿海和我國江淮地區(qū)分別可達(dá)22ms-1和10ms-1以上,明顯強(qiáng)于多年平均。在6~7月暴雨期中,850hPa出現(xiàn)了≥16ms-1西南風(fēng)共6次。6月22日~7月15日低空急流前端維持在30°N左右。第五十三頁第五十四頁,共67頁。2003年夏季淮河降水異常的成因分析之高低空急流活動(dòng)對(duì)雨帶的影響正反饋的結(jié)果是:在江淮地區(qū)產(chǎn)生持久的上升運(yùn)動(dòng),上升氣流到達(dá)200hPa輻散向南北兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng),向南的一支與Hadley環(huán)流匯合在15~30°N之間產(chǎn)生強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng),下沉增溫加熱中、低層大氣;向北一支在36~42°N之間下沉,兩支下沉氣流到達(dá)地面后匯聚到江淮地區(qū),從而產(chǎn)生了由于高低空急流激發(fā)和維持的次級(jí)環(huán)流。

2003年6月21日~7月22平均圖vω合成流線圖第五十四頁第五十五頁,共67頁。7.4.1低空急流與強(qiáng)對(duì)流天氣

7.4.1.2低空急流的作用根據(jù)日本的統(tǒng)計(jì),日降水量大于100mm的暴雨大部分同時(shí)有低空急流出現(xiàn)。在日本九州地區(qū),低空急流與后6h的降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.5。在我國華南和華北暴雨的發(fā)生中,低空急流的作用非常重要。在暴雨和強(qiáng)暴雨出現(xiàn)前期經(jīng)常有低交急流發(fā)展北伸。據(jù)統(tǒng)計(jì),70%—80%的暴雨發(fā)生與低空急流有關(guān)。颮線等強(qiáng)烈風(fēng)暴發(fā)生時(shí)也常觀測(cè)有低空急流的出現(xiàn)。第五十五頁第五十六頁,共67頁。7.4.1低空急流與強(qiáng)對(duì)流天氣

7.4.1.2低空急流的作用低空急流有三個(gè)方面的作用:通過低層暖濕平流的輸送產(chǎn)生位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié);在急流最大風(fēng)速中心的前方有明顯的水汽輻合和質(zhì)量輻合或強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),這對(duì)強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)的連續(xù)發(fā)展是有利的;在急流軸的左前方是正切變渦度區(qū),有利于對(duì)流活動(dòng)發(fā)展。

第五十六頁第五十七頁,共67頁。7.4.1低空急流與強(qiáng)對(duì)流天氣

7.4.1.2低空急流的作用根據(jù)日本梅雨暴雨發(fā)生頻率與急流關(guān)系的統(tǒng)計(jì),暴雨主要發(fā)生在急流軸左側(cè)200km之內(nèi)的地區(qū)。

第五十七頁第五十八頁,共67頁。7.4.2高空急流的作用

在預(yù)報(bào)強(qiáng)雷暴或強(qiáng)暴雨天氣時(shí),應(yīng)考慮對(duì)流層上部的高空輻散機(jī)制。在許多情況下,高空急流是產(chǎn)生高空輻散的機(jī)制之一。在中緯度,強(qiáng)雷暴或颮線最常出現(xiàn)的地點(diǎn)是在高空急流(或中空急流)影響區(qū)。第五十八頁第五十九頁,共67頁。7.4.2高空急流的作用

(續(xù))高空輻散機(jī)制具有兩個(gè)作用:一是抽氣作用;二是通風(fēng)作用。若形象地把對(duì)流上升氣流看做“煙筒”,那末,當(dāng)有高空急流時(shí),這個(gè)“煙筒”向上呈傾斜狀,“煙筒”頂部的強(qiáng)風(fēng)起著抽風(fēng)作用,有利于上升氣流的維持和加強(qiáng)。第五十九頁第六十頁,共67頁。7.4.2高空急流的作用

(續(xù))另外,在對(duì)流云體發(fā)展的過程中,由于水汽凝結(jié)釋放潛熱,會(huì)使對(duì)流云的中上部增暖,整個(gè)氣柱層結(jié)趨于穩(wěn)定,從而抑制對(duì)流的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)有高空急流存在時(shí),對(duì)流云中上部所增加的熱量,就不斷被高空強(qiáng)風(fēng)帶走,起著通風(fēng)作用,因而有利于對(duì)流云的維持和發(fā)展。第六十頁第六十一頁,共67頁。7.4.3高低空急流的耦合與對(duì)流天氣

低空急流軸線左前方是正切變渦度區(qū),因此垂直于急流軸線的次級(jí)環(huán)流是左側(cè)有上升運(yùn)動(dòng)、右側(cè)為下沉運(yùn)動(dòng),當(dāng)高空急流出口區(qū)與入口區(qū)形成的次級(jí)熱力環(huán)流與低空急流的次級(jí)環(huán)流形成不同方式的耦合時(shí),對(duì)流天氣的影響不一樣,如圖4所示。第六十一頁第六十二頁,共67頁。圖4高空急流和低空急流的耦合形式及

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