第三章+动力作用.ppt

青藏高原动力作用 主要内容 1 大地形作用2 高原影响大气的方式 阻挡作用3 高原影响大气的方式 地面摩擦影响 重点 大地形的动力作用难点 西南低涡的倾斜涡度发展机制 各种尺度地形的一般作用 地球上的山脉对地球大气有重要的影响 不但能影响山区及其邻近地区的天气和气候 而且对大范围地区 甚至半球的天气和气候有重要的影响 山脉对大气影响的程度 一方面取决于大气的状态 另一方面取决于山脉本身的特征 长度 宽度 高度等 青藏高原 500hPa 落基山 850hPa15wd 50JD 55WD 20JD 1 抬高的加热作用由太阳接受到的大部分辐射通过大气在地面被吸收 如果这种吸收面在某些地方被抬高或具有一定的坡度 则可以产生强的热力环流 例如山谷风或坡风就是这种情况 在坡风情况下 由水平温差产生的浮力将引起气层向上加速或向下加速 这种加速度将一直继续到摩擦阻力等于浮力的时候 最后建立起稳态的坡风 7月沿30N纬圈温度距平分布 阴影部分为地形 夏半年 5 10月 青藏高原边界层里的气压系统综合示意图 冬半年 11 4月 青藏高原边界层里的气压系统综合示意图 2 山脉波和背风波引起的上升和下沉运动接近一山脉的气流在某种条件下将继续在山脉上空强迫向上 常常可以形成山脉波 在山的下风侧形成背风波 在地球上许多山脉的背风面几乎都可以观测到背风波的存在 动力学理论认为 背风波是气流爬越山脉过程中保持位涡守恒的结果 若干事实1 气球轨迹山区滑翔机的实践迎风坡上升 背风坡下沉并有波动 若干事实2 气流受到地形的干扰 山后并列的 云街 现象 山后垂直气流相间分布迎 背 风坡降水量增 减 幅山后逐渐减弱 3 对气团的阻挡作用在许多情况下 山脉的障碍作用是最明显的 不同的气团能够以平衡状态存在于山顶以下的山脉两侧 低层空气的阻挡是山脉影响气流的最重要方式之一 当地面气流接近山脉时 它趋于减速 4 空气的偏转当接近山脉的空气不能越过抬高的地形时 气流必须在水平方向偏转并绕过山脉 这会引起各种局地风系和天气系统的发展 甚至行星波的发展 5 对降水的地形控制降雨和降雪的地理分布受地形影响很大 有许多机制来说明地形的这种控制作用 其间的相对重要性由局地天气环境和山脉的尺度来决定 目前这个问题也是暴雨研究中的一个重要问题上述五个作用是地形影响气流的一般机制 应该指出 它们之间并不是相互独立的 由于它们通常是以组合的形式出现的 这就使山地气象学的研究变得很困难 高原 大地形 影响大气的三种方式 1 动力作用2 热力作用3 动力 热力的作用 所谓大地形的动力作用 1 纯粹由机械阻挡气流和摩擦引起的 这可以认为是纯粹的动力作用 动力影响 气流遇山会受阻 减速 分支 变向2 地形造成的抬高引起冷热源 这实际上可归为热力作用 3 由大地形造成摩擦分布不均匀而引起的 1 机械阻挡的4种形式 阻挡 爬流 绕流 摩擦阻挡广义阻挡为地形动力作用 狭义阻挡为山脉对气流阻挡的直接作用 有利于维持全球角动量平衡 西风失去 东风得到角动量 山脉可以阻挡大气物理量的交换 热量 角动量 水汽 青藏高原是一个隆起的巨大地形 大气环流在经过青藏高原时迫使气流绕行或爬坡 在单纯的动力作用下 高原北坡的纬向环流在低空盛行东风 在高空盛行西风 南坡相反 高原影响大气的方式 阻挡作用 夏季风水汽不能越过高原输送到高原北部 给高原开通水汽通道的梦想 1979年7月平均经向风 2m s 1间隔 沿90 E的剖面图 夏季风环流圈 西风槽过山在山前减在山前减下山后增 地面冷锋过高原变形变速 喇叭口地形迎 背 风坡降水的增 减 幅作用 3 喇叭口谷口 山麓开阔 山脊谷口狭窄山前潮湿气流顺喇叭口山谷地势辐合 抬升山后气流顺势辐散下沉 喜马拉雅山中段南北两侧剖面 山南降水多 迎风坡 约2000m高度Rmax再向上降水又减少了 山北坡降水更急剧减少大部分降水在6 9月 南亚季风期 6月是降水急剧增加 爬流 气流遇山 一部分被迫抬升越山而过 称为爬流绕流 气流遇山 另一部分水平方向偏转并绕山而过 称为绕流 高原影响大气的方式 绕流和爬流 地面 爬流 爬坡气流顺河谷爬升 青藏高原西侧中 低层大气的绕流现象 绕流 西风带槽过高原产生分裂 爬流与绕流相对大小 与山脉本身特征有关 不太强的西风气流 在南北尺度大的落基山爬流明显 在近似椭圆形状的高原 绕流明显 事实 飞机模型 D车与气流强度和层结稳定度有关 季节性变化 高原夏季绕流作用大 冬季绕流和爬流都大 与西风气流强弱有关 事实 赛车 垂直方向w V Z 数值预报 诊断分析等 Vf Vc V倾斜方向产生爬坡风分量 Vc 气流被强迫抬升 爬越山体而行 水平方向产生绕流风分量 Vf 水平围绕山体而行 气流分支 Vf及Vc间的相对比例一直是一个争论不休的复杂问题 绕流若Z为地形高度 则Vf和局地的高度梯度垂直 Vf ZVf Z 0V Z Vf Z爬流Vc沿局地高度梯度爬升 Vc ZVc Z 0V Z Vc Z 如何确定Vf和Vc 尺度分析 仅在一些特定的假设下 如气流遇山后未明显减速 全风速调整 全为绕流风 则绕流风Vf uf vf 将分别为 运动的水平尺度 L 1000mZ30 1000m扰流 或爬流 非地转 这里M为迎风坡的某点 V u v 为M点的实际风矢量 Vf uf vf 为M点作绕流调整后的绕流风矢量 Z为M点的地形高度梯度 为M点调整后绕流风矢量与实际风矢量间的夹角 SIGN I cos 为符号转换函数 在气流的背风坡 气流会汇流 加速 情况复杂 未见数学描述 根据数值试验的研究 夏季青藏高原纯动力的影响主要表现在对气流分支的绕流作用 35 N以北两槽一脊的平均形势 东亚槽的强度和位置 高原上的低压系统以及其北侧的高压带都与绕流作用有密切的关系 青藏高原的绕流气流D代表低压G代表高压 青藏高原的存在对大规模气流的影响 首先诱使热带西南季风向印度 缅甸侵袭 造成高原雨季 同时西南季风的一部分长驱深入 到达中国东部形成江南雨区 如果没有青藏高原 夏季的西南季风只能到达印度洋的南部 中国大部分地区都是偏西风和西北风 受下沉气流控制 那中国西部的干旱将更为严重 东部也将属于干旱气候 青藏高原的动力作用是巨大的 是相对 固定 的 其影响表现在气候平衡态 动力 热力作用 平坦 使气流减速 垂直风切变增加 若不考虑地球旋转 摩擦不会改变气流方向 地形 增加垂直切变 且改变水平切变 根据涡度表达式 水平切变必然引起气流水汽偏转 高原影响大气的方式 摩擦 大气边界层的气流运动特点之一是湍流特性 这是气流流过凹凸的地表面时地面摩擦引起的 它消耗了大气运动的平均动能 强台风登陆后将很快减弱填塞即是实例 地面摩擦在边界层内引起穿过等压线的运动 在边界层顶产生一附加的上升速度青藏高原地面的地气摩擦更强 D为摩擦层内实际风与等P线的交角 K为涡动粘滞系数 若取上式 K 10m2 s 若取下式 K 30m2 s还有侧向摩擦作用 在高原南侧盛行气旋性涡度在高原北侧盛行反气旋性涡度 与夏季风环流圈的关系西风急流位置与冬季风环流圈的关系 青藏高原对亚洲季风的影响 青藏高原对亚洲环流的动力作用冬季3000m上气流图 青藏高原附近1月各不同层次大气环流示意图 青藏高原附近7月各不同层次大气环流示意图 沿90E7月 左 和1月 右 平均经向垂直环流 1979年7月平均纬向风 a 10m s 1间隔 和平均经向风 b 2m s 1间隔 沿90 E的剖面图 夏季风环流圈 在图11中 高原南缘低层的南风最强 并沿南坡向上伸展 这引起强迫抬升运动 在高原北侧也有强迫上升运动 因为北风是从北坡吹上来的 这两支辐合气流的分界线大致与对流层上部青藏高压的位置是一致的 在青藏高原以南 200hPa以上北风盛行 在17 N 150hPa附近有最大值 4m s 1 这支北风气流代表沿90 E季风环流圈的高空回流支 与强纬向东风有关 它在100hPa17 N处有25m s 1的最大值 在这支东风急流下方 是低层西风 在13 N850hPa超过13m s 1 这种上 下相反的气流产生了明显的东风切变 这表明对流层温度从高原附近向南到赤道区减小 青藏高原的绕流气流D代表低压G代表高压 卫星云图 反映的是韩国济州岛背风一侧系列涡旋分布 纬向涡旋在高原上的形成过程 1979年6月15 20日沿30N纬向剖面内环流的变化 图101979年5月1日 6月30日300hPa纬向风纬度 时间剖面图 阴影区代表风速大于20m s 1 单位 m s 1 西风急流位置 1979年夏季风爆发前后 5月15 30日 a 和6月20 30日 b 300hPa温度差等温线间隔5 西风急流位置 1979年夏季风爆发前后300hPa的温度差 DT 上有一条很有组织 东西向的正DT带在30 40 N横越欧亚大陆 其中有三个中心 日本附近 西藏高原西部和沙特阿拉伯沙漠 因而DT的变化代表一种非常大尺度的现象 最大的DT增加出现在高原西部 这里也是西风急流北撤最明显的地区 在高原东部DT增加很小 表明了整个欧亚大陆热力作用的重要性 但是西藏高原在季风爆发阶段对引起温度的局地增加是很重要的 西藏高原对亚洲冬季风环流也有明显影响 亚洲冬季风1月份最强 它是北半球大气环流最强烈的一部分 在冬季 西藏高原对这种冬季风环流是一种热汇 同时对西风气流也具有重要的机械作用 很早就发现 低层西风在高原西端分裂成南北两支 高空急流是在高原南侧 而不是在高原上最强 图13是1978 79年冬季700hPa平均风场和涡度场 当低层气流流到高原西端时 平均风分裂成两支气流 图13 a 冬季 78年12月 79年2月 700hPa平均风向量 每单位向量代表10m s 1 实线为平滑的地形等高线 1km间隔 b 冬季平均涡度分布等值线 以1 10 5 s 1为间隔 阴影区为负涡度 反气旋 北支沿着2000m地形等高线流向东北 以后转向东流入西藏高原与阿尔泰山之间的鞍形区 南支气流比北支气流略弱 近于沿着西藏高原的南边缘流过 在高原以东约120 E处 上两支气流汇合成一支强气流 其间有一个极弱的风速区从东坡向下游一直伸展1000km左右 在这个最弱的风速区有一对涡 反气旋涡旋在北 气旋性涡旋在南 图14 a 同图13 a 但是对500hPa 实线 等风速线 间隔是5m s 1 b 是200hPa的情况 粗虚线是