第五讲 高空急流的次级环流及其与锋面系统的耦合.ppt

第五讲高空急流的次级环流及其与锋面系统的耦合 丁一汇国家气候中心 高等天气学系列讲座单元二 中纬度天气系统 2014年春季 预备知识 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 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 气流的轨迹与流线是相同的 这是一种特殊情况 对梯度风方程 曲率R是Rt不是RS 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 如下图所示 有一相速度为c的正弦波向东传播 并迭加在风速为U 不变 的均匀西风带上 实线为t时刻的水平流线 虚线为波动向东传播的t t时刻的水平流线 轨迹从A点出发 初始时刻 A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A点的空气块向东移动 一直位于波的槽底 如直线轨迹AC所示 如西风带波动的相速度快 即U c 则空气块在t t时刻将超前于西风气流 位于槽前偏北方向 如轨迹图中的AB所示 反之 如U c 则空气质点在t t时刻将位于槽后偏南方 图中轨迹AD所示 总的来说 这三条轨迹均与最初经过A点的流线平行 也与之后经过B C D点的流线平行 其中最长的轨迹AB与西风带速度最大值相对应 在风速为U的均匀西风带中 以相速度c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风带风速下从A处开始的运动轨线 AB为U c的轨线 AC为U c的轨线 AD为U c的轨线 见华莱士等 2008 5 1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 故人们常把高空急流和锋面 主要是高空锋区 统称为急流 锋系 它们相伴随的次级环流称急流 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 另外也简略地讨论与东亚高空急流有关的能量学问题 气候平均1月份的急流所在高度 250hPa 上的纬向风速分布 等值线间隔为15ms 1 粗线为零线 实线表示西风 虚线表现东风 数据来源于NCEP NCAR再分析资料 由ToddP Mitchell提供 1998年11月10日12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 1998年11月10日00时风和温度的垂直剖面图 这个剖面从怀俄明州瑞尔顿到路易斯安那州查尔斯湖 全球急流与对流层顶分布示意图 BAM 1987 见Shahiro 急流的形成与对流层顶断裂 BAM 1987 图5 1200hPa1月平均风速和风向 1966 1977年 风速的单位 ms 1 AA和BB为图5 2剖面的位置 分别代表急流入口区和出口区 图5 21979年11月20日00GMT日本和东亚地区横交急流轴剖面中的二维流场 向量是无旋分量与垂直运动之合成 a 入口区情况 b 出口区情况 实线是等线 单位 Jkg 1s 1 10 4 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Vg等值线 流线代表横向 垂直环流 Carson 1993 Q1 Q1 x a 1979年2月19日0000GMT通过对流层上部锋区的剖面图 细实线 线 粗实线 位涡 10 10 6Kmb 1S 1 b 等风速线 虚实线 和流函数线 100 3 100 105m2S 1 c 同 b 但是对19日1200GMT c 同 b 但是对19日1200GMT 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 Danielsen 1968 图5 5是一个高空急流 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5 5a 大约一天之后 图5 5b 急流和锋在西南 东北倾斜的辐散槽后西北气流中移到了拐点处 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 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离对斜压发展最有利 图5 5b的流场结构反映了早期发展阶段非对称槽结构的特征 在48小时后 图5 5c 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 而变成对称结构 这表明正压和斜压发展停止 最后 图5 5d 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斜压阻尼 这时波槽的非对称结构与图5 5b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用的情况 1954年2月27日15时 最大风层 a 等风速线 b 平均高度 c 12小时后的等风速线 d 图是 a 和 c 图的槽以西最大风等风速线的空间 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 然后分析等风速线 稍加平滑 图5 572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 a 急流 锋在中高纬气流间的汇合区中形成 b 急流 锋位于增辐波西北气流拐点中 c 急流 锋位于强烈发展的波槽槽底 d 急流 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 地转悖论 Geostrophicparadox 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5 6 通过热成风关系 使地转垂直切变增强 图5 6急流入口区汇合流场使南北温度梯度增加 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变 图5 7 图5 7地转动量平流使近急流中心处的风速减小 切变减小 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 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 1 减少水平温度梯度 同时 2 增加垂直切变 图5 8 因为要解决地转悖论 必须产生强迫的次级环流 图5 8B A 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度 又增加垂直切变 热成风 低层东风增加 高层面风也增加 5 2高空低空急流锋系的垂直耦合及其对天气的影响 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分 另一方面又可强迫u有相应的加速 因为ug由于气压梯度力加大而增加 故vagi和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的解释 Ninomiya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 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 500hPa 降低自由对流高度和抬高潜在不稳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 15个例子中有12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 Sortails等根据FRONTS 87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的形成 前面都是分别讨论高空急流 锋系和地面锋的次级环流 但是有些情况下 高低空强迫可以同时作用在同一地区 依它们的垂直取向差异 会产生显著不同的次级环流 为了说明这一点 考虑一个高空急流的出口区与地面冷锋相迭加的情况 地面冷锋前缘有低空急流 图5 9 图5 10 当一冷锋和低空急流位于高空急流出口区前方时 高低空地转变形的相对位置使急流出口区的热力间接环流位于地面锋直接环流上方 但这时急流环流的下沉支正好位于低层锋面上升支之上 这阻止在锋前方有深厚上升运动发展 另一方面 高空急流锋的对流稳定层结也阻止深对流的发展 随着高空急流的东移 最后高空急流处于地面锋和低空急流上方 这种高低空急流相交的分布是一种启动对流和位势不稳定释放的典型形势 这时高空急流次级环流的上升支正好与地面锋垂直环流的上升支上下重合 从而在地面锋前缘形成一深厚的上升运动空气层 这是锋前位势不稳定层的一种启动机制 能产生深而强烈的对流活动 图5 9高低空急流锋系垂直上不耦合的配置以及其相应次级环流的分布 a 高空急流锋系的出口区位于地面锋和低空急流之西 粗实线代表高空急流等风速线 实箭头为高空急流轴 白箭头为低空急流轴 细虚线为地面位温线 b 沿图 a 中AA 线的剖面 粗虚线代表高低空急流的等风速线 双细线为位涡对流层顶 细实线为高低空锋面 阴影区为湿区 粗箭头是强迫的次级环流的流线 图5 10垂直耦合的高低空急流锋系及其相应的垂直环流 a 位于地面锋和低空急流上方的高空急流锋出口区 b 沿图 a 中BB 线的剖面 由急流次级环流上升支触发的对流 一旦发展起来 通过凝结潜热释放产生的非绝热加热作用和垂直动量输送等可使急流加强及引起非地转偏差 这种中尺度过程对急流的反馈作用可以用Sawyer Eliassen环流方程来诊断 书中方程 3 32 图5 10是中尺度对流加热和垂直动量输送影响次级环流的一次数值模拟的结果 潜热加热在其最大值轴线处产生上升气流 图5 11a b 其两侧是补偿的下沉运动 动量通量分布强迫一个热力直接环流 上升运动在暖空气一侧 下沉运动在其后 图5 11c d 这种类型的质量环流为对流提供一种自身传播的机制 上两种强迫因子共同作用产生的次级环流是一个直接环流圈 它可以增加高空急流的动能 图5 12a b 非地转气流的水平分量通过急流中心从急流的反气旋切变一侧指向气旋性切变一侧 图5 11急流锋系附近中尺度对流对次级环流的强迫作用的模拟结果 a 对流非绝热加热 潜热 10 4Ks 1 b 加热产生的环流流函数 ms 1hPa 1 c 对流垂直动量通量 10 1m2s 2 d 动量通量产生的环流流函数 ms 1hPa 1 粗实线代表对流层顶 地面锋边界 粗虚线代表高空急流40ms 1的等风速线 图5 12模拟得到的中尺度对流强迫的次级环流 它是由图5 11中非绝热加热和垂直动量通量共同产生的 a 总强迫函数 非绝热加上动量通量 10 4s 2 b 由图 a 强迫的总环流流函数 ms 1hPa 5 3实例分析 1999年6月22日 7月2日长江梅雨暴雨期 在这个过程中可以看到高空急流下传及其与低空急流的耦合情况 Longitude timecross sectionofdailyprecipitationaveragedfortheMeiyuzonefo28 30 Nlatitudinalrange basedontheGPCPdataset Themaximumprecipitationaxesarerepresentedwiththickdashedlineswhichnearlycorrespondtotracksofthreelow levelvortices C1 C2andC3 Liu Ding C1 C2 C3 Longitude timecross sectionof850hPawindspeedalongthemaximumwindaxisshowninfigure4 d Theareaswithwindspeedgreatherthan12ms 1areshaded Unit ms 1 Liu Ding Couplingofupperleveljetstreaksandthelow leveljetduringperiodsofeastwardpropagationofthreelow levelvortices a Mean200hPa dashlines and850hPa solidlines isotachpatternavergedfortheperiodof00UTC23Juneto18UTC24June 1999 b sameas a butfortheperiodof00UTC26June 18UTC28June and c sameas a butfortheperiodof00UTC28June 18UTC29June 1999 ShadedareasdenotemajorprecipitationregionsbasedonGPCPdataset a b c Liu Ding a Liu Ding Latitude timecross sectionsofupperairwindspeed toppanel Unit ms 1 andverticalvelocity bottompanel Unit hPas 1 alongthethickdashedlineindicatedinFigureofjetstreamwhichrepresentstheconditionoftheentrancesectoroftheupperjetstream Liu Ding b sameas a butf