高等天气学讲座-高空急流的次级环流及其与锋面系统的耦合课件.pptx

1、高等天气学讲座高等天气学讲座（20172017年年春季春季）单元单元二二：中纬度天气系统：中纬度天气系统第五讲第五讲 高空急流的次级环流及高空急流的次级环流及 其其与锋面系统的耦合与锋面系统的耦合预备知识预备知识图图5.15.1冬季极锋急流和副热带急流的平均位置示意图。两支急流皆是西风急流，高空急流冬季极锋急流和副热带急流的平均位置示意图。两支急流皆是西风急流，高空急流从西向东，是一支快速流动的气流。它以波状的形式在中高纬从西流向东。图中所示为冬从西向东，是一支快速流动的气流。它以波状的形式在中高纬从西流向东。图中所示为冬季极锋急流和副热带急流的平均位置。虽然急流是一条连续的强风速带，但实际上

2、是不连季极锋急流和副热带急流的平均位置。虽然急流是一条连续的强风速带，但实际上是不连续的，强风速带中存在着一些更强的风速中心，并且每天其位置和强度都会变化。续的，强风速带中存在着一些更强的风速中心，并且每天其位置和强度都会变化。流线和轨迹的数学流线和轨迹的数学关系（见图）关系（见图）图图5.2 5.2 流线和轨迹的关系流线和轨迹的关系它代表风向的局地变化率，当风向变化是零时，轨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。这是一种特殊情况，对梯度风方程，曲是相同的。这是一种特殊情况，对梯度风方程，曲

3、率率R R是是R Rt t不是不是R RS S。波动气流中空气的流动波动气流中空气的流动如果水平风场随时间改变，即不是定常的，则瞬时水平风场的流线与空气块的水平轨如果水平风场随时间改变，即不是定常的，则瞬时水平风场的流线与空气块的水平轨迹是不同的。如图迹是不同的。如图5.35.3所示。有一相速度为所示。有一相速度为c c的正弦波向东传播，并迭加在风速为的正弦波向东传播，并迭加在风速为U U（不变）的均匀西风带上，实线为（不变）的均匀西风带上，实线为t t时刻的水平流线，虚线为波动向东传播的时刻的水平流线，虚线为波动向东传播的t+t+t t 时刻的水平流线。轨迹从时刻的水平流线。轨迹从A A点出

4、发。初始时刻，点出发。初始时刻，A A点在波谷。当西风带的风速与波动的点在波谷。当西风带的风速与波动的相速度一致时，原位于波动中相速度一致时，原位于波动中A A点的空气块向东移动，一直位于波的槽底，如直线轨点的空气块向东移动，一直位于波的槽底，如直线轨迹迹 AC AC 所示。如西风带波动的相速度快（即所示。如西风带波动的相速度快（即U Uc c），则空气块在），则空气块在 t+t+t t 时刻将超前时刻将超前于西风气流，位于槽前偏北方向（如轨迹图中的于西风气流，位于槽前偏北方向（如轨迹图中的ABAB所示）。反之，如所示）。反之，如U Uc c，则空气则空气质点在质点在t+t+t t 时刻将位于

5、槽后偏南方（图时刻将位于槽后偏南方（图5.35.3中轨迹中轨迹ADAD所示。总的来说，这三条轨迹所示。总的来说，这三条轨迹均与最初经过均与最初经过A A点的流线平行，也与之后经过点的流线平行，也与之后经过B B，C C，D D点的流线平行。其中最长的轨迹点的流线平行。其中最长的轨迹ABAB与西风带速度最大值相对应。与西风带速度最大值相对应。图图5.35.3在风速为在风速为U U的均匀西风带中，以相速度的均匀西风带中，以相速度c c向东传播的流动空气块的流线及向东传播的流动空气块的流线及轨迹。实线黑箭头表示初始时刻的流线。曲线箭头表示空气质点在不同的西轨迹。实线黑箭头表示初始时刻的流线。曲线箭头

6、表示空气质点在不同的西风带风速下从风带风速下从A A处开始的运动轨线。处开始的运动轨线。ABAB为为U Uc c的轨线；的轨线；ACAC为为U Uc c的轨线；的轨线；ADAD为为U Uc c 的轨线（见华莱士等，的轨线（见华莱士等，20082008）。）。5.15.1高空急流的次级环流及其天气意义高空急流的次级环流及其天气意义高空急流与锋面及锋面的次级环流有密切的关系，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）统故人们常把高空急流和锋面（主要是高空锋区）统称为急流称为急流锋系，它们相伴随的次级环流称急流锋系，它们相伴随的次级环流称急流锋次级环流。高

7、空急流是对流层中上部重要的风系，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。讨论与东亚高空急流有关的能量学问题。图图5.4 5.4 气候平均气候平均1 1月份的急流所在高度（月份的急流所在高度（250hPa250hPa）上的纬向风速分布。等值线）上的纬向风速分布。等值线间隔为间隔为15ms15ms

8、-1-1。粗线为零线，实线表示西风，虚线表现东风。粗线为零线，实线表示西风，虚线表现东风【数据来源于数据来源于NCEP-NCARNCEP-NCAR再分析资料，由再分析资料，由Todd Todd P.MitchellP.Mitchell提供提供】。图图5.5 19985.5 1998年年1111月月1010日日1212时风和位温的垂直剖面图。这个剖时风和位温的垂直剖面图。这个剖面从内布拉斯加州北普拉提延伸到密西西比州杰克逊。面从内布拉斯加州北普拉提延伸到密西西比州杰克逊。图图5.6 19985.6 1998年年1111月月1010日日0000时风和时风和 温度的垂直剖面图。这温度的垂直剖面图。这

9、个剖面从怀俄明州瑞尔顿到路易斯安那州查尔斯湖个剖面从怀俄明州瑞尔顿到路易斯安那州查尔斯湖图图5.7 5.7 全球急流与对流层顶分布全球急流与对流层顶分布示意图示意图（BAMBAM，19871987，见，见 ShahiroShahiro）图图5.8 5.8 急流的形成与对流层顶急流的形成与对流层顶断裂断裂（BAMBAM，19871987）高空急流和急流中心的形成高空急流和急流中心的形成（参看图（参看图5.125.12）图图5.12 5.12 急流中心四象限模式的三维环流示意图。只考虑汇合情况。管状箭头：急流中心四象限模式的三维环流示意图。只考虑汇合情况。管状箭头：急流轴。两个曲线箭头：与急流相交

10、的水平面上的地转风。垂直虚线：正交于急流轴。两个曲线箭头：与急流相交的水平面上的地转风。垂直虚线：正交于急流轴的垂直面上的急流轴的垂直面上的VgVg等值线。流线代表横向等值线。流线代表横向/垂直环流垂直环流（CarsonCarson，19931993）图图5.9 200hPa 15.9 200hPa 1月平均风速和风向（月平均风速和风向（1966197719661977年）。风速的单位：年）。风速的单位：msms-1-1。AAAA和和BBBB为图为图5.25.2剖面的位置，分别代表急流入口区和出口区剖面的位置，分别代表急流入口区和出口区高空急流的次级环流高空急流的次级环流（Cressmen，1

11、981）观测表明，高空急流并不是一种围绕地球的均匀气流。一般它的很强的风观测表明，高空急流并不是一种围绕地球的均匀气流。一般它的很强的风速是集中在一些急流风速最大中心或急流带中，急流带之间风速较弱。这速是集中在一些急流风速最大中心或急流带中，急流带之间风速较弱。这些急流带沿急流轴一个个地向下游传播，由于急流带前进速度比风速要小些急流带沿急流轴一个个地向下游传播，由于急流带前进速度比风速要小得多，因而当空气穿过急流带时，在上风方速度就会增大，在下风方速度得多，因而当空气穿过急流带时，在上风方速度就会增大，在下风方速度会减小。图会减小。图5.15.1是是1 1月东亚和西太平洋平均月东亚和西太平洋平

12、均200hPa200hPa（1968196819771977年）的等风年）的等风速线和风向量分布。不计粘性项，速线和风向量分布。不计粘性项，的运动方程为的运动方程为dtduaggfvvvfdtdu式中式中 是地转风的经向分量。在线是地转风的经向分量。在线AAAA以左，以左，明显为正，即在急流入口区，明显为正，即在急流入口区，当空气质点向中心移动时不断加速，因而有当空气质点向中心移动时不断加速，因而有 ，或，或 ，这表明，这表明所有入口区运动的气块会得到向左偏（看向下游）的非地转风分量。结果在急流所有入口区运动的气块会得到向左偏（看向下游）的非地转风分量。结果在急流北侧产生高空辐合，急流南侧产生

13、高空辐散。进而北侧出现下沉气流，南侧出现北侧产生高空辐合，急流南侧产生高空辐散。进而北侧出现下沉气流，南侧出现上升气流。低层大气会随之发上质量调整，产生与高层相反的辐散辐合区和北风，上升气流。低层大气会随之发上质量调整，产生与高层相反的辐散辐合区和北风，从而形成垂直环流。也即在急流入口区存在一直接的力管环流。在线从而形成垂直环流。也即在急流入口区存在一直接的力管环流。在线AAAA和和BBBB之之间，风向量的方向与等风速线方向一致，间，风向量的方向与等风速线方向一致，近于零，近于零，或或 近于近于等于零，即气块的运动不再发生偏转。在等于零，即气块的运动不再发生偏转。在BBBB线之右，线之右，为负

14、值，即空气块为负值，即空气块向下游运动时是不断减速的，则有向下游运动时是不断减速的，则有 或或 ，dtdu即空气块的运动向右偏转，这导致在急流的出口区产生一间接环流。图即空气块的运动向右偏转，这导致在急流的出口区产生一间接环流。图5.105.10是是根据实际资料计算出的入口区和出口区的垂直环流图，图中向量的水平分量是等根据实际资料计算出的入口区和出口区的垂直环流图，图中向量的水平分量是等压面上的无旋气流或水平风的辐散分量，而向量的垂直分量是垂直运动压面上的无旋气流或水平风的辐散分量，而向量的垂直分量是垂直运动 图中还给出动能等值线，即图中还给出动能等值线，即：dtdpFVVvudtdK222F

15、KKK上式上式 是摩擦力是摩擦力 是位势高度。由图可见，在急流入口区出现正是位势高度。由图可见，在急流入口区出现正 的最的最大值，大值，而在急流出口区为负而在急流出口区为负 的最大值，而在急流出口区为负的最大值，而在急流出口区为负 的最大值的最大值区。前者表明位能向动能转换，后者是动能向位能转换。区。前者表明位能向动能转换，后者是动能向位能转换。的这些正负中心的这些正负中心位置与相对静止的急流风速最大值区是相配合的。急流也与锋区相一致。在位置与相对静止的急流风速最大值区是相配合的。急流也与锋区相一致。在入口区辐散的气流向量表现出一单圈的直接力管环流，冷空气下沉，暖空气入口区辐散的气流向量表现出

16、一单圈的直接力管环流，冷空气下沉，暖空气上升。这支简单的环流与极锋和急流横交，厚度达整个对流层，它可以解释上升。这支简单的环流与极锋和急流横交，厚度达整个对流层，它可以解释该区强的动能制造。在急流出口区为明显的深厚间接力管环流圈，这说明动该区强的动能制造。在急流出口区为明显的深厚间接力管环流圈，这说明动能向位能的转换很强。能向位能的转换很强。图图5.10 19795.10 1979年年1111月月2020日日00GMT00GMT日本和东亚地区横日本和东亚地区横交急流轴剖面中的二维流交急流轴剖面中的二维流场（向量是无旋分量与垂场（向量是无旋分量与垂直运动之合成）。（直运动之合成）。（a a）入口

17、区情况；（入口区情况；（b b）出口）出口区情况。实线是区情况。实线是 等线，等线，单位：单位：JkgJkg-1-1s s-1-11010-4-4K（Cressmen，1981）(5.2)上面讨论的急流次级环流实际上是一种比较简单的情况。由于温度场（位温场）上面讨论的急流次级环流实际上是一种比较简单的情况。由于温度场（位温场）相对于高空急流最大值的配置不同，所产生的次级环流也不同。图相对于高空急流最大值的配置不同，所产生的次级环流也不同。图5.135.13给出不给出不同温度场分布条件下直线高空急流中心的次级环流方向也可以根据自然坐标系同温度场分布条件下直线高空急流中心的次级环流方向也可以根据自

18、然坐标系中类似的表达式中类似的表达式 来讨论。图来讨论。图5.13a5.13a和和5.13b5.13b中温度场的分布特征中温度场的分布特征分别为分别为 和和 ，因而它们分别代表汇合和水平切变的作用。图，因而它们分别代表汇合和水平切变的作用。图5.4c5.4c和和5.4d5.4d中的等温线相对于急流轴旋转了某一角度，这沿锋面方向分别造成中的等温线相对于急流轴旋转了某一角度，这沿锋面方向分别造成了冷平流和暖平流。它们代表了汇合和水平切变机制共同作用的情况了冷平流和暖平流。它们代表了汇合和水平切变机制共同作用的情况。Sunrg20 x0y（图（图5.135.13）（Shairo,1981）图图5.1

19、3 5.13 等压面上各种位温和沿锋面地转风分量理想配置的概略图这是对等压面上各种位温和沿锋面地转风分量理想配置的概略图这是对对流层上部是直线急流最大值的情况。粗实线是位势高度线，粗虚线是沿对流层上部是直线急流最大值的情况。粗实线是位势高度线，粗虚线是沿锋面风分量的等风速线，细实线是等温（或锋面风分量的等风速线，细实线是等温（或 ）线。粗实箭头是正交于）线。粗实箭头是正交于锋面的非地转风分量。正负号代表对流层中部锋面的非地转风分量。正负号代表对流层中部 的方向。（的方向。（a a）沿急流方）沿急流方向不存在温度平流下向不存在温度平流下 不存在汇合和疏散作用下具有不存在汇合和疏散作用下具有 的纯

20、水平切变；（的纯水平切变；（c c）-（f f）汇合）汇合/疏散和水平切变同时存在的不同情况；疏散和水平切变同时存在的不同情况；（c c）沿急流有冷平流；（）沿急流有冷平流；（d d）沿急流有暖平流；（）沿急流有暖平流；（e e）急流在温度脊中；）急流在温度脊中；（f f）急流在温度槽中）急流在温度槽中 0 x0 x方程（方程（4.214.21）中）中Q Q强迫项由两项组成。由（强迫项由两项组成。由（4.18d4.18d）和（）和（4.18e4.18e）Q Q可写成：可写成：上式中上式中故故 是地转伸长形变，代表地转汇合（或疏散是地转伸长形变，代表地转汇合（或疏散）对加强（或减弱）正交对加强（

21、或减弱）正交于锋面温度梯度于锋面温度梯度 的作用的作用。是地转切变项，代表正交于锋面的地转风切是地转切变项，代表正交于锋面的地转风切变变 在沿锋面的温度梯度在沿锋面的温度梯度 旋转成正交于锋面方面的作用。强迫的旋转成正交于锋面方面的作用。强迫的次级环流是由于正交于锋面的温度梯度有地转伸长和切变形变才出现的次级环流是由于正交于锋面的温度梯度有地转伸长和切变形变才出现的（图（图4.29-4.304.29-4.30）。由第四讲中得到的由第四讲中得到的Sawyer-Eliassen Sawyer-Eliassen 方程如下：方程如下：sn图图5.14a5.14a图图5.14b5.14b图图5.14c5

22、.14c（图（图5.145.14）温温度度平平流流对对急急流流中中心心垂垂直直环环流流的的作作用用沿直线急流轴无温度平流沿直线急流轴无温度平流冷平流冷平流暖平流暖平流注注意：意：上上升升和和下下沉沉运运动动中中心心发发生生南南北北偏偏移移图图5.155.15再次清楚地给出了高空急流与入口区和出口区散再次清楚地给出了高空急流与入口区和出口区散度分布的情况。图度分布的情况。图5.165.16给出给出了了冷平流与冷平流与气旋性切变共同气旋性切变共同作用下产生作用下产生热力热力间接环流。图间接环流。图5.175.17给出了给出了水平切变和温水平切变和温度平流各种度平流各种组合作用下的垂直环流形态。以下

23、给出欧洲组合作用下的垂直环流形态。以下给出欧洲和美洲的急流个例（图和美洲的急流个例（图5.18-5.18-图图5.235.23）。图）。图5.185.18中，中，ABAB线是通过急流出口区的剖面，可看到一间接环流图，这线是通过急流出口区的剖面，可看到一间接环流图，这导致高空导致高空锋生。锋生。（图（图5.155.15）（图（图5.165.16）冷平流与气旋性切变：热力间接环流冷平流与气旋性切变：热力间接环流（图（图5.175.17）水平切变和温度平流各种组合的作用水平切变和温度平流各种组合的作用冷平流冷平流+气旋性切变气旋性切变热力间接环流热力间接环流冷平流冷平流+反气旋性切变反气旋性切变热力

24、直接环流热力直接环流暖平流暖平流+气旋性切变气旋性切变热力直接环流热力直接环流暖平流暖平流+反气旋性切变反气旋性切变热力间接环流热力间接环流（图（图5.185.18）大西洋高空深槽中急流带的移动和垂直环流的结构大西洋高空深槽中急流带的移动和垂直环流的结构（图（图5.195.19）急流出口区的间接环流急流出口区的间接环流（图（图5.205.20）图图5.215.21（a a）19791979年年2 2月月1919日日0000GMT0000GMT通过对流层上部锋区的剖面图。细实线：通过对流层上部锋区的剖面图。细实线：线，粗实线：线，粗实线：位涡（位涡（10101010-6-6K mbK mb-1-

25、1S S-1-1）。（）。（b b）等风速线（虚实线）和流函数线）等风速线（虚实线）和流函数线100=3.100100=3.10010105 5m m2 2S S-1-1）（）（c c）同（同（b b），但是对），但是对1919日日1200GMT1200GMT图图5.225.22（c c）同（）同（b b），但是对），但是对1919日日1200GMT1200GMT图图5.23 5.23 引起高空锋生和对流层顶（虚线）折叠的横向引起高空锋生和对流层顶（虚线）折叠的横向/垂直环流示意图垂直环流示意图 （DanielsenDanielsen，19681968）图图5.245.24是是一个高空急流锋系

26、移过一个天气尺度斜压波时的概略一个高空急流锋系移过一个天气尺度斜压波时的概略图。这可代表一个短波槽移过长波槽的天气型式。开始在一极槽图。这可代表一个短波槽移过长波槽的天气型式。开始在一极槽和中纬度脊间有一汇合区，这种气流汇合区一般可导致高空锋和和中纬度脊间有一汇合区，这种气流汇合区一般可导致高空锋和急流的形成和加强（图急流的形成和加强（图5.24a5.24a）。大约一天之后（图）。大约一天之后（图5.24b5.24b），），急急流流和锋在西南东北倾斜的辐散槽后西北气流中移到了拐点处。和锋在西南东北倾斜的辐散槽后西北气流中移到了拐点处。这时温度槽落后于气压槽四分之一波长，因而锋面位于冷平流区。这

27、时温度槽落后于气压槽四分之一波长，因而锋面位于冷平流区。如果在发展的短波扰动附近，基本纬向风随纬度出现西风不断增如果在发展的短波扰动附近，基本纬向风随纬度出现西风不断增加，则高度场的倾斜意味着有正压发展，而温度波和高度波的分加，则高度场的倾斜意味着有正压发展，而温度波和高度波的分离对斜压发展最有利离对斜压发展最有利。图图5.255.25是高压脊处急流传播造成下游长波发展与衰亡的概略图。是高压脊处急流传播造成下游长波发展与衰亡的概略图。这种情况被称作急流压顶导致寒潮爆发的过程。这种情况被称作急流压顶导致寒潮爆发的过程。图图5.24b5.24b的流场结构反映了早期发展阶段非对称槽结构的特征。在的流

28、场结构反映了早期发展阶段非对称槽结构的特征。在4848小时后小时后(图图5.24c)5.24c)，急流锋系达到长波槽底，且具有弯曲的取向。，急流锋系达到长波槽底，且具有弯曲的取向。由于温度场和高度场间南北倾斜和位相差的消失，而变成对称结由于温度场和高度场间南北倾斜和位相差的消失，而变成对称结构，这表明正压和斜压发展停止。最后构，这表明正压和斜压发展停止。最后(图图5.24d)5.24d)，急流和锋移到，急流和锋移到长波槽下游西南气流中的拐点处，而长波槽具有汇合的结构，槽长波槽下游西南气流中的拐点处，而长波槽具有汇合的结构，槽轴的西南东北向倾斜及温度波超前于高度波分别意味着正压和轴的西南东北向倾

29、斜及温度波超前于高度波分别意味着正压和斜压阻尼。这时波槽的非对称结构与图斜压阻尼。这时波槽的非对称结构与图5.25b5.25b相反。上面的过程清相反。上面的过程清楚地说明了一个移动性急流锋系与一缓慢移动的斜压波相互作楚地说明了一个移动性急流锋系与一缓慢移动的斜压波相互作用的情况。用的情况。图图5.24 19545.24 1954年年2 2月月2727日日1515时，最大风层（时，最大风层（a a）等风速线，（）等风速线，（b b）平均高度，（）平均高度，（c c）1212小时后的小时后的等风速线，（等风速线，（d d）图是（）图是（a a）和（）和（c c）图的槽以西最大风等风速线的空间）图的

30、槽以西最大风等风速线的空间时间剖面。这张图时间剖面。这张图的绘法是根据每个时间的图，在穿过急流带中心而正交于急流轴的一条线上填上各点的风，的绘法是根据每个时间的图，在穿过急流带中心而正交于急流轴的一条线上填上各点的风，然后分析等风速线，稍加平滑。然后分析等风速线，稍加平滑。图图5.25 725.25 72小时期间一个对流层上部急流小时期间一个对流层上部急流锋系通过一中纬斜压波传播的理想概略图。锋系通过一中纬斜压波传播的理想概略图。（a a）急流）急流锋在中高纬气流间的汇合区中形成；（锋在中高纬气流间的汇合区中形成；（b b）急流）急流锋位于增辐波西北气流拐锋位于增辐波西北气流拐点中；（点中；（

31、c c）急流）急流锋位于强烈发展的波槽槽底；（锋位于强烈发展的波槽槽底；（d d）急流）急流锋位于阻尼波西南气流拐锋位于阻尼波西南气流拐点处。粗实线是等高线，粗虚线是等风速线，细虚线是等温线。点处。粗实线是等高线，粗虚线是等风速线，细虚线是等温线。（Shairo,1981）地转悖论（地转悖论（Geostrophic paradoxGeostrophic paradox）在急流入口区，地转风场是汇合的，它使平均温度场在急流中心在急流入口区，地转风场是汇合的，它使平均温度场在急流中心处增密（图处增密（图5.265.26）通过热成风关系，使地转垂直切变增强。）通过热成风关系，使地转垂直切变增强。图图

32、5.26 5.26 急流入口区汇合流场使南北温度梯度增加急流入口区汇合流场使南北温度梯度增加 (Martin,2006)同时，地转风把较低的地转动量从外区向内核区输送，这使内核区的风速减小（尤其是同时，地转风把较低的地转动量从外区向内核区输送，这使内核区的风速减小（尤其是上层平流作用为主的层次），从而减小了该气柱中的地转风垂直切变。因此，完全相同上层平流作用为主的层次），从而减小了该气柱中的地转风垂直切变。因此，完全相同的地转风急流一方面增加内核区（中心区）垂直切变的量值，另一方面通过负的地转动的地转风急流一方面增加内核区（中心区）垂直切变的量值，另一方面通过负的地转动量平流减少地转风的垂直切

33、变（图量平流减少地转风的垂直切变（图5.275.27）。）。图图5.27 5.27 地转动量平流使近急流中心处的风速减小（切变减小）地转动量平流使近急流中心处的风速减小（切变减小）(Martin,2006)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实际上是破坏了热成风平衡，即使热成风平衡的两

34、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，（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

35、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：（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 1）减少水平）减少水平温度梯度；同时（温度梯度；同时（2 2）增加垂直切变（图）增加垂直切变（图5.285.28），因为要解决地转悖论，必须产），因为要解决地转悖论，必须产生强迫的次级环流。生强迫的次级环流。图图5.28 B5.28 B（A A）位于急流入口区右（左）侧，所激发的次级环流即减少）位于急流入口区右（左）侧，所激发的次级环流即减少经向温度梯

36、度，又增加垂直切变（热成风）。低层东风增加，高层面经向温度梯度，又增加垂直切变（热成风）。低层东风增加，高层面风也增加。风也增加。绝热增温绝热增温绝热冷却绝热冷却增加的垂直增加的垂直切变切变 图图5.29 5.29 虚线虚线是等熵线，实黑箭头为地转风，红箭头是是等熵线，实黑箭头为地转风，红箭头是Q Q向量，红点是零值向量，红点是零值Q Q向量。右图是向量。右图是Q Q向量分量（向量分量（Q1Q1与与Q2Q2）图。斜杠代表该项为零。）图。斜杠代表该项为零。Q Q向量导致的垂直环流向量导致的垂直环流但如上述地转温度平流为零，这种情况表明，热成风平衡在入口区被破坏，即垂但如上述地转温度平流为零，这种

37、情况表明，热成风平衡在入口区被破坏，即垂直切变减小，但此层的水平温度梯度不变。这表明即使简单的地转流也能造成热直切变减小，但此层的水平温度梯度不变。这表明即使简单的地转流也能造成热成风平衡的破坏及地转平衡和静力平衡的破坏，其结果如何？也就是说从地转平成风平衡的破坏及地转平衡和静力平衡的破坏，其结果如何？也就是说从地转平衡的角度衡的角度A A点附近上述平衡被破坏的平衡条件如何恢复？这只可能由两种方式：点附近上述平衡被破坏的平衡条件如何恢复？这只可能由两种方式：垂直切变必须增加或经向温度必须减小，以此才可以减缓或消除由地转平流引起垂直切变必须增加或经向温度必须减小，以此才可以减缓或消除由地转平流引

38、起的不平衡。其结果是导致一种非地转环流产生必要的变化去维持这种不平衡状态，的不平衡。其结果是导致一种非地转环流产生必要的变化去维持这种不平衡状态，图图5.315.31是是通过图通过图5.305.30中中B-CB-C的截面。可以看到，由于南北温度对于地转切变太强，的截面。可以看到，由于南北温度对于地转切变太强，它必须减弱才能与减弱的地转风垂直切变相平衡，因而要求暖空气冷却和冷空气它必须减弱才能与减弱的地转风垂直切变相平衡，因而要求暖空气冷却和冷空气增暖，在非绝热条件下，只有绝热膨胀和压缩才能是实现上述所要求的温度变化，增暖，在非绝热条件下，只有绝热膨胀和压缩才能是实现上述所要求的温度变化，也就是

39、南侧的暖空气要上升，并变冷，北侧的冷空气要下沉并变暖，即产生一个也就是南侧的暖空气要上升，并变冷，北侧的冷空气要下沉并变暖，即产生一个整的垂直于地转风的次级环流圈。这就是用整的垂直于地转风的次级环流圈。这就是用QG-QG-方程对地转悖论的简明解释。方程对地转悖论的简明解释。上述垂直运动分布型与上述垂直运动分布型与QG-QG-方程一致吗？图方程一致吗？图5.32-5.335.32-5.33说明了这个问题。说明了这个问题。图图5.295.29表明表明，沿，沿500hPa500hPa急流轴北侧与南侧，分别有气旋和反气旋性切变急流轴北侧与南侧，分别有气旋和反气旋性切变涡度区，由于涡度区，由于100hP

40、a100hPa地转涡度平流为零，则不管地转涡度平流为零，则不管500hPa500hPa涡度平流是什么涡度平流是什么符号（气旋性或反气旋性），它代表这一层中（符号（气旋性或反气旋性），它代表这一层中（1000-500hPa1000-500hPa层）中的层）中的微分涡度平流。因而在急流入口区右（左）侧的上升区与气旋性（反气微分涡度平流。因而在急流入口区右（左）侧的上升区与气旋性（反气旋性）涡度平流随高度增加的强迫是一致的。（参看旋性）涡度平流随高度增加的强迫是一致的。（参看QG-QG-方程右边第一方程右边第一项，并注意图项，并注意图5.325.32中中的入口区右，左平流方向（箭头）。由上可见，的入

41、口区右，左平流方向（箭头）。由上可见，QGQG垂直运动的作用方向正是把大气带回到热成风平衡的状态，在急流入口垂直运动的作用方向正是把大气带回到热成风平衡的状态，在急流入口区，有热力直接环流发展，暖空气上升，冷空气下沉，从能量转换看，区，有热力直接环流发展，暖空气上升，冷空气下沉，从能量转换看，位能向动能转换。这表明随空气进入急流中心的风将加速，获得动能。位能向动能转换。这表明随空气进入急流中心的风将加速，获得动能。在急流出口区，情况与入口区相反，地转平流将导致高空风在急流出口区，情况与入口区相反，地转平流将导致高空风速增加，垂直切变增加，并大于原水平温度梯度所要求的垂速增加，垂直切变增加，并大

42、于原水平温度梯度所要求的垂直切变值。这种情况需要一个热力间接的环流（暖空气下沉直切变值。这种情况需要一个热力间接的环流（暖空气下沉与冷空气上升）把大气再带回到热成风平衡状态中。与冷空气上升）把大气再带回到热成风平衡状态中。图图5.30 5.30 北半球北半球急流入口概略图。实线代表急流入口概略图。实线代表500hPa500hPa与与1000-500hPa1000-500hPa层厚度，红箭头是所层厚度，红箭头是所选点上的地转风，红虚线是等风速线。线选点上的地转风，红虚线是等风速线。线B-C B-C 代表代表图图5.335.33中中的剖面取向的剖面取向。图图5.31 5.31 B-C B-C 剖面

43、。虚彩色箭头代表非地转环流的方向，黑虚线为一等高线，剖面。虚彩色箭头代表非地转环流的方向，黑虚线为一等高线，垂直位移被放大。垂直位移被放大。图图5.32 5.32 阴影阴影彩色区中地转相对涡度平流分布，标出了明显微分涡度平流区与上彩色区中地转相对涡度平流分布，标出了明显微分涡度平流区与上升及下沉运动的强迫项。升及下沉运动的强迫项。图图5.33 5.33 500hPa500hPa急流中心概略图。实黑线代表位势高度线，虚红和蓝急流中心概略图。实黑线代表位势高度线，虚红和蓝线为相对涡度线，线为相对涡度线，CVACVA与与AVAAVA分别代表气旋性与反气旋性涡度平流区。分别代表气旋性与反气旋性涡度平流

44、区。2 2 高空低空急流锋系的垂直耦合及高空低空急流锋系的垂直耦合及其对天气的影响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。另一方面又可强迫分。另一方面又可强迫u u有相应的加速。因为有相应的加速。因为u

45、 ug g由于气压梯度力加大而增加，故由于气压梯度力加大而增加，故v vagiagi和和u 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。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

46、的解释。这不同于其它人关于低空急流产生的解释。NinomiyaNinomiya认为对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事实也表明高低空急流是相互耦合的，而不是分

47、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。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，所以与高空急流成一明显

48、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（地面果是产生对流不稳定（地面500hPa500hPa）、降低自由对流高度和抬高潜在不稳）、降低自由对流高度和抬高潜在不稳定层上方的平衡高度

49、的一个原因。所有这些都有利于深对流风暴的形成。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（强风暴有关的低空急流的形成（1515个例子中有个例子中有1212个）都与高空急流带的传播有个）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。关。并且可以影响降水和强对流天

50、气的发生。SortailsSortails等根据等根据FRONTSFRONTS8787试验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热的增强。此外，