1、第四讲第四讲 锋生动力学和锋面次级环流锋生动力学和锋面次级环流丁一汇丁一汇国家气候中心国家气候中心高等天气学讲座高等天气学讲座(2014春季春季)单元二：中纬度天气系统单元二：中纬度天气系统4.1 4.1 复习和预备知识复习和预备知识空气运动学的基本变量空气运动学的基本变量Figure 2 A field of pure, positive divergence所得流场沿所得流场沿x x方向伸长，沿方向伸长，沿y y方向压缩。前者称伸长轴，后者称压缩轴。注意：形变和辐合方向压缩。前者称伸长轴，后者称压缩轴。注意：形变和辐合两个量容易混淆，图两个量容易混淆，图4 4说明了它们的区别，设两个流体的
2、面积初始时刻相同。皆为一正方形，说明了它们的区别，设两个流体的面积初始时刻相同。皆为一正方形，但一个置于纯辐合场中，另一置入纯伸长形变场，则前者（图但一个置于纯辐合场中，另一置入纯伸长形变场，则前者（图4a4a）在辐合气流下面积变得）在辐合气流下面积变得越来越小，而后者（越来越小，而后者（4b4b），面积保持不变，但变形成一沿伸长轴拉长的长方形。在天气分），面积保持不变，但变形成一沿伸长轴拉长的长方形。在天气分析中，这表现为流线的汇合与疏散析中，这表现为流线的汇合与疏散。Figure 4 (a) A fluid element in a field of pure convergence. T
3、he lighter square represent the initially square element. Note that the area of the fluid element is decreased in a field of convergence . (b) A fluid element in a field of pure stretching deformation. The original square is deformed into a rectangle whose area is the same as that of the square 图6：上
4、图：作用在上图：作用在x x方向的伸长形变，与方向的伸长形变，与沿沿y=xy=x和和y=-xy=-x线的切变形变线的切变形变。下图：沿下图：沿y=xy=x线左右的伸长形变与沿线左右的伸长形变与沿x x与与y y轴的切变形变。轴的切变形变。实线正方形为置于两种形变场中的流体实线正方形为置于两种形变场中的流体元。后来，前者变成长方形，后者变成元。后来，前者变成长方形，后者变成菱形。实际上上下图是完全相同的。只菱形。实际上上下图是完全相同的。只是下图是上图反时针旋转是下图是上图反时针旋转4545的结果。的结果。图图7 7给出了一些理想化流体在水平风场上的各种运动学特征之间的关系，给出了一些理想化流体
5、在水平风场上的各种运动学特征之间的关系，如：如：（a a）无曲率、扩张、伸张或散度的切变气流。从北半球来看，图的上）无曲率、扩张、伸张或散度的切变气流。从北半球来看，图的上 半部分的切变和涡度为气旋性；下半部分的切变和涡度为反气旋半部分的切变和涡度为气旋性；下半部分的切变和涡度为反气旋 性。性。（b b）整个区域均为具有气旋性切变和曲率（即气旋性涡度）的旋转固体，）整个区域均为具有气旋性切变和曲率（即气旋性涡度）的旋转固体， 不存在扩张或伸展，因此其散度为零。不存在扩张或伸展，因此其散度为零。（c c）辐射状气流，其速度与半径成正比。该气流具有明显的扩张伸展，）辐射状气流，其速度与半径成正比。
6、该气流具有明显的扩张伸展， 因此具有散度；但不存在曲率及切变，因此涡度为零。因此具有散度；但不存在曲率及切变，因此涡度为零。（d d）既存在扩张，又存在伸展的双曲线型流体。由于扩张和伸展因这两）既存在扩张，又存在伸展的双曲线型流体。由于扩张和伸展因这两 项相互抵消，因而是无辐散的。该流体同时还存在切变和曲率，但项相互抵消，因而是无辐散的。该流体同时还存在切变和曲率，但 其切变和曲率相互抵消，因此该流体是无旋的（即涡度为零其切变和曲率相互抵消，因此该流体是无旋的（即涡度为零）6.6.理想流体运动学的小结理想流体运动学的小结图图7 7 理想化水平流体配置。（大气科学理想化水平流体配置。（大气科学2
7、0082008）最后给出一个天气学的例子说明气流变形场的作用。图最后给出一个天气学的例子说明气流变形场的作用。图8 8清楚地说明在伸清楚地说明在伸长和切变形变的作用下，向下游移动的气流发生形变的过程长和切变形变的作用下，向下游移动的气流发生形变的过程。图图8 8 左上图为稳定水平风场（箭头表示）中的空气块网格，任一点的风速与该点上的等值线间左上图为稳定水平风场（箭头表示）中的空气块网格，任一点的风速与该点上的等值线间距成反比。（距成反比。（a a）（）（e e）给出网格在空气块向气流下游方向移动时形变的过程，其中网格的右）给出网格在空气块向气流下游方向移动时形变的过程，其中网格的右上角向东移动
8、，而其左下角则向南然后向东移动，这样形成了一个闭合环流。（上角向东移动，而其左下角则向南然后向东移动，这样形成了一个闭合环流。（TellusTellus，7 7，141141156156（19551955） （引自（引自Martin, J.E.Martin, J.E.， 20062006）锋面引起的地面天气和冷暖空气分布锋面引起的地面天气和冷暖空气分布1 1、锋面引起的地面天气和冷暖空气分布、锋面引起的地面天气和冷暖空气分布冷锋过境时高分辨率（冷锋过境时高分辨率（1 1分钟）自动气象站记录到的气象变量演变曲线。分钟）自动气象站记录到的气象变量演变曲线。注意：温度，露点，地面气压，风向，风速在锋
9、面过境时（注意：温度，露点，地面气压，风向，风速在锋面过境时（20032003年年3 3月月4 4日日2306UTC2306UTC）有突然的转变。）有突然的转变。 （美国（美国Oklahoma城站，城站，NOAA，2012） 2 2、暖锋引起的地面天气和冷暖气流分布、暖锋引起的地面天气和冷暖气流分布暖锋过境时的自记记录（暖锋过境时的自记记录（20022002年年1 1月月231700-241700UTC231700-241700UTC），美国），美国Athens Athens 站。站。（取自（取自Ackerman and Knox,2012)挪威学派的锢囚锋模式。此时冷锋移动比暖锋快。冷锋的冷
10、气团可以比暖锋前的气挪威学派的锢囚锋模式。此时冷锋移动比暖锋快。冷锋的冷气团可以比暖锋前的气团冷或暖，前者为冷性锢囚锋（左），后者为暖性锢囚锋（右）。最近的研究表明，团冷或暖，前者为冷性锢囚锋（左），后者为暖性锢囚锋（右）。最近的研究表明，锢囚锋实际上在更稳定的气团上倾斜，不一定是更冷的气团锢囚锋实际上在更稳定的气团上倾斜，不一定是更冷的气团 （以上取自（以上取自Acherman and KnoxAcherman and Knox，20122012）。）。典型冷暖锋过程时气象要素的变化（典型冷暖锋过程时气象要素的变化（ A &K A &K，20122012）锋面理论是天气学中出现的第一个比较完
11、整的理论。锋面理论是天气学中出现的第一个比较完整的理论。2020世纪初，利用欧世纪初，利用欧洲尤其是北欧较为稠密的地面观测网，皮叶克尼斯（洲尤其是北欧较为稠密的地面观测网，皮叶克尼斯（V.BjerknesV.Bjerknes）提出）提出了极锋理论。这个理论对当时的气象学是一个重大的突破或革命。了极锋理论。这个理论对当时的气象学是一个重大的突破或革命。 在空间锋面是一个倾斜区，它的垂直厚度一般只在空间锋面是一个倾斜区，它的垂直厚度一般只1 12km2km。锋面的产生可。锋面的产生可以由不同的动力过程引起，因而在大气中会出现不同类型的锋面，如地以由不同的动力过程引起，因而在大气中会出现不同类型的锋
12、面，如地面锋、低空锋、高空锋以及其它不同类型的锋面。面锋、低空锋、高空锋以及其它不同类型的锋面。 地球的旋转也是影响锋面特征以及锋生动力学的一个重要因子。正是由地球的旋转也是影响锋面特征以及锋生动力学的一个重要因子。正是由于锋面受到这种旋转的明显作用（通过科氏力）而使锋面与其它辐散占于锋面受到这种旋转的明显作用（通过科氏力）而使锋面与其它辐散占优势的许多有关现象（重力波、密度流、飑线等）而有所区别。优势的许多有关现象（重力波、密度流、飑线等）而有所区别。 4.2 4.2 锋生函数（锋生函数（F F）锋面的研究不但具有理论意义，也具有重要的实际意义。从气象上，锋面的研究不但具有理论意义，也具有重
13、要的实际意义。从气象上，地面锋和高空锋常常与中纬的斜压波和气旋有密切的关系。为了了解地面锋和高空锋常常与中纬的斜压波和气旋有密切的关系。为了了解气旋的结构和形成，必须从锋面研究开始。虽然锋面只占斜压波一些气旋的结构和形成，必须从锋面研究开始。虽然锋面只占斜压波一些区中不大的一部分面积，但它们对非地转环流的无旋部分是最显著的区中不大的一部分面积，但它们对非地转环流的无旋部分是最显著的动力强迫因子；动力强迫因子； 与高空锋区和高空急流带有关的辐散场在中纬气旋形成中起着很重要与高空锋区和高空急流带有关的辐散场在中纬气旋形成中起着很重要的作用，它可使低压的地面气压场或质量场发生变化；围绕地面和高的作用
14、，它可使低压的地面气压场或质量场发生变化；围绕地面和高空锋区的垂直环流则是各种中纬云系和降水系统（如大范围的斜对流、空锋区的垂直环流则是各种中纬云系和降水系统（如大范围的斜对流、有组织的垂直对流系统和对流风暴等）发展和组织起来的一个重要因有组织的垂直对流系统和对流风暴等）发展和组织起来的一个重要因子，这对降水和强天气预报有重要意义；此外，高空锋区也是小尺度子，这对降水和强天气预报有重要意义；此外，高空锋区也是小尺度混合或晴空乱流（混合或晴空乱流（CATCAT）的主要发生区，这包括重力波、开尔文赫）的主要发生区，这包括重力波、开尔文赫姆霍兹波和一些乱流涡动等。姆霍兹波和一些乱流涡动等。 因而确定
15、和预报高空锋区和急流的位置与强度对于避开危险区保证飞因而确定和预报高空锋区和急流的位置与强度对于避开危险区保证飞行安全是十分重要的；最后，高空锋区是对流层和平流层之间显著的行安全是十分重要的；最后，高空锋区是对流层和平流层之间显著的质量交换区，由此可以了解放射性尘埃、化学痕量物质的输送过程质量交换区，由此可以了解放射性尘埃、化学痕量物质的输送过程。 锋面的形成叫锋生，而衰减称锋消。在局地坐标系中，当某一属性（如锋面的形成叫锋生，而衰减称锋消。在局地坐标系中，当某一属性（如温度、涡度、比湿、动量、散度和涡度等）在某时刻沿锋面两侧的梯度温度、涡度、比湿、动量、散度和涡度等）在某时刻沿锋面两侧的梯度
16、随时间加大的现象叫局地锋生。随时间加大的现象叫局地锋生。 一般我们用位温梯度变化表示锋生函一般我们用位温梯度变化表示锋生函数。在二维锋生条件下，锋生函数可写作：数。在二维锋生条件下，锋生函数可写作：2pdFdt（4.1）00,0()0,dFdtdFdt当时，为锋生当时，为锋生暖暖图图4.1 4.1 汇合（锋生）汇合（锋生）(a)(a)与疏散（锋消）风场对准水平位涡场的作用与疏散（锋消）风场对准水平位涡场的作用 （BluesteinBluestein，19861986）图图4.2 4.2 倾斜项对垂直位温梯度的作用。倾斜项对垂直位温梯度的作用。(a)(a)锋生，锋生，(b) (b) 锋消锋消 （
17、BluesteinBluestein，19861986）涡度+-图图4.3 4.3 伸长与压缩轴取向与等位温线关系的示意图。角伸长与压缩轴取向与等位温线关系的示意图。角b b与与分别是依分别是依xx轴反时针与顺时针度量。当轴反时针与顺时针度量。当D0D0，xx与伸长轴一致，与伸长轴一致，yy是与压缩轴一致。是与压缩轴一致。当当D0D0时，情况相反。时，情况相反。+图图4.5 4.5 伸长轴与等温线相对取向与锋生的关系。左：锋生（伸长轴与等温线相对取向与锋生的关系。左：锋生（0b450b0F0；右：锋消（；右：锋消（45b9045b90），），F0F0（取自（取自Bluestein, 1986;
18、 Pettersen 1956Bluestein, 1986; Pettersen 1956）图图4.6 4.6 锋生函数各项的垂直剖面图。所取的剖面与锋面正交。虚点线为锋面锋生函数各项的垂直剖面图。所取的剖面与锋面正交。虚点线为锋面位置。（位置。（a a）变形项；（）变形项；（b b）辐合项；（）辐合项；（c c）倾斜项；（）倾斜项；（d d）锋生函数（上三项）锋生函数（上三项之总和）。之总和）。 图图4.6a,b,c4.6a,b,c是位温的变形项、辐合项和倾斜项的计算结果。是位温的变形项、辐合项和倾斜项的计算结果。非绝热项没有计算。可以看到上面三项具有相同的量级。在非绝热项没有计算。可以看
19、到上面三项具有相同的量级。在锋区中，变形和辐合项产生锋生，最大值在近地面层。倾斜锋区中，变形和辐合项产生锋生，最大值在近地面层。倾斜项的分布比前两项不规则一些，因为这一项与垂直速度的水项的分布比前两项不规则一些，因为这一项与垂直速度的水平导数有关，而垂直速度是很难算准的。其主要特征是在近平导数有关，而垂直速度是很难算准的。其主要特征是在近地面上升运动中心之左为锋消，中心之右为锋生。这种近地地面上升运动中心之左为锋消，中心之右为锋生。这种近地面的锋消作用趋于与变形和辐合产生的锋生作用抵消。在面的锋消作用趋于与变形和辐合产生的锋生作用抵消。在600hPa600hPa上有一锋消最大值，这与该处存在着
20、一个上升运动次上有一锋消最大值，这与该处存在着一个上升运动次极大值有关。图极大值有关。图4.6d4.6d是三项的总和。可以看到近地面及锋面是三项的总和。可以看到近地面及锋面前方锋生作用很强，而中层是锋消的。前方锋生作用很强，而中层是锋消的。上式中项上式中项1 1，5 5，9 9是非绝热项，是非绝热项，2 2，7 7，1212是水平和垂直变形项，是水平和垂直变形项，3 3，6 6，1010，1111代表水平与垂直切变的作用，项代表水平与垂直切变的作用，项4 4，8 8代表垂直运动的分代表垂直运动的分布不均匀的作用，即倾斜项。布不均匀的作用，即倾斜项。最后我们可总结锋生的因子为：（最后我们可总结锋
21、生的因子为：（1 1）水平变形场。气流在一个方）水平变形场。气流在一个方向上伸长，同时在另一个方向收缩；（向上伸长，同时在另一个方向收缩；（2 2）水平切变运动；（）水平切变运动；（3 3）垂）垂直变形场，在一个水平方向上的收缩和伸长可引起补偿的垂直位移；直变形场，在一个水平方向上的收缩和伸长可引起补偿的垂直位移；（4 4）垂直运动分布的不均匀；（）垂直运动分布的不均匀；（5 5）地面摩擦；（）地面摩擦；（6 6）乱流和混合）乱流和混合作用；（作用；（7 7）非绝热加热，包括潜热释放，感热加热（主要在地面）非绝热加热，包括潜热释放，感热加热（主要在地面）和辐射过程。和辐射过程。4.3 4.3
22、锋面的次级环流锋面的次级环流 锋面的次级环流（也称锋面垂直环流）的研究是十分重要的，锋面的次级环流（也称锋面垂直环流）的研究是十分重要的，因为这种稳态的（主要沿与锋面正交方向）垂直环流不仅涉因为这种稳态的（主要沿与锋面正交方向）垂直环流不仅涉及到锋系的基本动力学问题，而且也是中尺度对流系统，尤及到锋系的基本动力学问题，而且也是中尺度对流系统，尤其是锋前飑线和中尺度雨带的一种启动机制。强烈的锋面天其是锋前飑线和中尺度雨带的一种启动机制。强烈的锋面天气并不是产生在锋面的所有部位上，主要出现在垂直环流圈气并不是产生在锋面的所有部位上，主要出现在垂直环流圈的上升支。因而只要设法确定了上升支的位置，就可
23、以估计的上升支。因而只要设法确定了上升支的位置，就可以估计剧烈天气发生的地方。首先这里给出一些由实际观测分析得剧烈天气发生的地方。首先这里给出一些由实际观测分析得到的冷锋垂直环流模式。到的冷锋垂直环流模式。 图图4.7 4.7 冷锋模式概略图。虚线代表气旋性相对涡度最大值轴线。虚点线连冷锋模式概略图。虚线代表气旋性相对涡度最大值轴线。虚点线连接了地面水平温度梯度最大值与地面锋后逆温层的位置。接了地面水平温度梯度最大值与地面锋后逆温层的位置。 图图4.8 4.8 与华北冷锋有关的垂直环流图。（与华北冷锋有关的垂直环流图。（a a）与强对流天气有关；）与强对流天气有关；（b b）与强暴雨有关。）与
24、强暴雨有关。图图4.9 4.9 上滑冷锋气流场分布概略图。细实线是流线，上滑冷锋气流场分布概略图。细实线是流线，J J可分别代表高空急流和低空急流的可分别代表高空急流和低空急流的位置。粗实线代表锋区和对流边界顶层。阴影区是后倾上升运动区。地面冷锋前对流边位置。粗实线代表锋区和对流边界顶层。阴影区是后倾上升运动区。地面冷锋前对流边界层中的空气相对湿度很高，当它冲出到冷锋之上时达到饱和。在锋区下方下沉的空气界层中的空气相对湿度很高，当它冲出到冷锋之上时达到饱和。在锋区下方下沉的空气开始是干的。以后在进入降水区后变成近于饱和。开始是干的。以后在进入降水区后变成近于饱和。锋面的次级环流可以是热力直接的
25、，也可以是热力间接的。这主要锋面的次级环流可以是热力直接的，也可以是热力间接的。这主要取决于引起次级环流的不同物理因子的相当重要性。因而从动力学取决于引起次级环流的不同物理因子的相当重要性。因而从动力学上对锋面次级环流进行诊断长期以来就引起人们的重视。实际上锋上对锋面次级环流进行诊断长期以来就引起人们的重视。实际上锋面次级环流是处于平衡状态的主环流（如地转平衡）破坏后的必然面次级环流是处于平衡状态的主环流（如地转平衡）破坏后的必然产物。正如产物。正如SawyerSawyer和和EliassenEliassen曾指出的，水平无辐散的主环流强迫曾指出的，水平无辐散的主环流强迫出次级环流，即出现水平
26、速度和垂直速度分量，这是准地转运动的出次级环流，即出现水平速度和垂直速度分量，这是准地转运动的特征。在这种情况下主强迫是通过无辐散变形作用而产生次级垂直特征。在这种情况下主强迫是通过无辐散变形作用而产生次级垂直环流的。以后这种环流又通过产生次级垂直变形加速或减速锋生速环流的。以后这种环流又通过产生次级垂直变形加速或减速锋生速度。因而次级环流问题与锋生动力学是密切联系在一起的。度。因而次级环流问题与锋生动力学是密切联系在一起的。SawyerSawyer和和EliassenEliassen曾得到了锋面次级环流方程，这被称为曾得到了锋面次级环流方程，这被称为SawyerSawyerEliassenE
27、liassen环流方程。以下将详细讨论这个方程以及以后发展和应用环流方程。以下将详细讨论这个方程以及以后发展和应用的情况。的情况。 冷暖y-yxT-2T-1T0T1半半半牵88图图4.10 Bluestein，1993 图图4.11 Bluestein，1993 0所以 Q200; 0, 0yxuyvxuxugggg则有图图4.12 Sawyer-Eliassen4.12 Sawyer-Eliassen方程中强迫项和非地转环流方向的概略图。实线代表非地转环方程中强迫项和非地转环流方向的概略图。实线代表非地转环流，虚线为区分冷暖空气的一条等位温线。带叉号和带点号的圆圈分别代表进入剖面和流，虚线为
28、区分冷暖空气的一条等位温线。带叉号和带点号的圆圈分别代表进入剖面和流出剖面的沿锋面方向的风分量；（流出剖面的沿锋面方向的风分量；（a a）中的非地转环流是热力直接的；（）中的非地转环流是热力直接的；（b b）中是热力）中是热力间接的。间接的。图图4.13 4.13 地转形变（地转形变（Q1Q1）（上图），地转切变（）（上图），地转切变（Q2Q2）（中图）和（中图）和（Q1+Q2Q1+Q2）（下图）强迫的次级环流图。）（下图）强迫的次级环流图。实线代表流函数（单位：实线代表流函数（单位：105m2s-1105m2s-1）, ,虚线代表等位虚线代表等位温线。温线。 图图4.134.13是是Shap
29、iroShapiro计算的计算的一个北美冷锋次级环流一个北美冷锋次级环流的例子。可以看到的例子。可以看到Q1Q1在在高空锋附近强迫出一个高空锋附近强迫出一个热力直接的次级环流，热力直接的次级环流，在急流中心上方的平流在急流中心上方的平流层中，有一较弱的直接层中，有一较弱的直接环流。环流。Q2Q2强迫的次级环强迫的次级环流与流与Q1Q1是反号的，围绕是反号的，围绕锋区强迫出一热力间接锋区强迫出一热力间接的环流。的环流。Q1+Q2=QQ1+Q2=Q强迫出强迫出两个相反的环流圈，锋两个相反的环流圈，锋区下部为直接的，上部区下部为直接的，上部为间接的。这是由于上为间接的。这是由于上部部Q2Q2占优势，
30、下部占优势，下部Q1Q1占占优势。优势。 中纬度天气尺度运动一般是处于地转平衡的。但对流一旦爆发，可中纬度天气尺度运动一般是处于地转平衡的。但对流一旦爆发，可使大气脉冲形式失去地转平衡。结果地转动量近似不成立，另外当使大气脉冲形式失去地转平衡。结果地转动量近似不成立，另外当气块有明显曲率时，地转风的离心力加速度很大，地转动量近似也气块有明显曲率时，地转风的离心力加速度很大，地转动量近似也不成立；另外，对于直线气流，如气块加速度很强，使不成立；另外，对于直线气流，如气块加速度很强，使R R0 011，地，地转动量近似也不成立。但地转动量近似是有优点的转动量近似也不成立。但地转动量近似是有优点的：（1 1）动量与温度的非地转平流及动量垂直平流很显著时仍很易计）动量与温度的非地转平流及动量垂直平流很显著时仍很易计 算垂直速度与位势倾向。算垂直速度与位势倾向。（2 2）可用不同的分辨率研究天气系统特征。在大的气旋性涡度区）可用不同的分辨率研究天气系统特征。在大的气旋性涡度区 分辨率最高，即锋区。分辨率最高，即锋区。附录附录 Rossby Rossby 波理论波理论 说明说明RossbyRossby机制的示意图。这根据运动的气块位涡守恒原理得到。机制的示意图。这根据运动的气块位涡守恒原理得到。波波 长长与高度无关。（与高度无关。（AndrewsAndrews，20102010）完完
