兰大大气学院天气学原理教程锋生锋消.ppt

4 锋生和锋消4 1概念4 2锋生函数4 3影响锋生函数的因子4 4中国的锋生锋消概况 4 1概念锋生和锋消是锋面动力学和天气分析中的两个重要天气概念 大气中锋的形成 加强或减弱 消失 可导致锋面附近天气的剧烈变化 锋生一般是指密度或温度不连续形成的一种过程 或者是指已有一条锋面存在 其密度 或温度 水平梯度增大的过程 锋消是指与锋生过程相反的过程 按锋的定义 锋的两侧水平温度差异显著是锋的热力场最主要的特征 因此研究锋生 锋消时 可以从水平温度梯度随时间的变化入手 锋面的锋生和锋消过程可以用锋生函数来描述 4 2锋生函数 锋生函数定义为 T1 T2 T3 T4 T5 n指向暖空气 n 锋生带 锋生的必要条件 锋生函数 0 锋生作用锋生函数 0 锋消作用固定地区F最强 锋生 消的充分条件锋生条件 锋消条件 二 锋生锋消公式及物理意义1 公式推导其中展开 求 和 而 同理 锋生函数 将 代入 式 热力学方程 水平散度 伸展变形 切变变形 垂直方向的涡度 2 讨论 式 锋生消公式 设坐标系x轴平行于等位温线 由冷指向暖 y轴垂直于等位温线 指向位温升的方向 所以转为讨论 式 1 水平运动的作用 当时 则 锋消当时 则 锋生 气流辐合 锋生 沿温度升度方向 水平气流辐合 则有锋生作用沿温度升度方向 水平气流辐散 则有锋消作用即在垂直于等位温线的方向上有气流辐合利于锋生 反之则有利于锋消 气流辐散 锋消 进一步说明 一个线性流场可分解为四种简单的流场平流场旋转场辐合辐散变形场前三种对锋生 锋消不起作用 变形场 a 若等位温线与伸展的轴夹角 45 则在辐合气流下易锋生b 若 45 则辐散气流下易锋消 但等位温线会逐渐旋转使 45 变形场最有利于产生锋生在天气图上鞍型场最易产生锋生 a b c A利于锋生B利于锋生C不利于锋生 等位温线与膨胀轴正交 2 垂直运动作用a 稳定大气 一般状态下 当时 锋生当时 锋消 说明 0 下沉 0 上升 同理 暖上升 冷下沉 辐散 锋消 在稳定大气中 暖空气一侧相对于冷空气一侧是下沉的 则锋生 反之则锋消 暖下沉 冷上升 辐合 锋生 稳定度与垂直运动项 a 稳定大气例 冷锋上山 其上空有等温线密集带 靠近其暖一侧有上升运动 上升绝热膨胀冷却 其暖一侧降温 而靠近其冷一侧上升运动很弱或无上升运动 靠近其冷一侧温度无变化 这样密集带等温线变稀疏 所以锋减弱或消失 锋消 冷锋下山 靠暖的一侧基本无下沉运动 温度无变化 其靠冷一侧 下沉运动很强 温度升高 等温线变稀疏 锋消 b 在不稳定大气中当 锋生当 锋消因为暖气团的凝结潜热作用抵消了上升作用 b 不稳定大气例 冷锋上山 靠暖的一侧 大量水蒸气凝结释放潜热 温度升高 而靠近其冷的一侧上升运动很弱或无上升运动 温度变化不大 这样温度密度集带变密 所以锋生 3 非绝热加热项 暖空气相对加热 冷空气相对冷却则 锋生同理 则 锋消加热形式凝结潜热加热 有利于锋生下垫面加热 有利于锋消 非绝热加热项冷锋南下 暖锋北上 由于下垫面影响 锋消冷锋南下 靠冷一侧 下垫面影响大 温度升高 靠暖一侧 下垫面影响不大 所以等温线密集带变疏 锋消 三 锋生 锋消的动力学特点 A B 运动学锋生a温度水平梯度加大 热成风加大 风垂直切变加大 等压面间厚度南侧加大北侧减小 等压面梯度上层加大地层减小 b热成风平衡破坏 高层西风加速 低层西风减速c高层有向东的加速度 产生向北地转偏差 低层有向西的加速度 产生向南地转偏差d锋区内地转偏差大于锋区外有垂直于锋面的环流 锋生次级环流产生 次级环流又对锋生发生作用高层辐合发生在b点 冷边界 低层辐合发生在a点 暖边界 使得锋区发生倾斜 使这两处温度梯度加大 锋区加强 中层暖空气绝热冷却 冷空气绝热增温 中层趋于锋消 4 3影响锋生函数的因子 l 非绝热加热T1T1表示沿已存在温度梯度方向的非绝热加热的梯度产生的锋生作用 2 垂直运动作用T2T2表示沿温度垂直梯度方向上 垂直速度的水平梯度产生的锋生作用 若大气为稳定层结 z 0 当暖气团中下沉运动w 0 而冷气团中有上升运动w 0 相应有n hw o 则T2 0 表示锋生 相反为锋消过程 3 水平运动辐合T3T3表示在已有的水平温度梯度情况 水平辐合 D 0 或水平辐散 D 0 产生的水平温度梯度的增加 或减弱 即锋生或锋消 4 水平变形场的作用T4表示整个水平变形产生的锋生作用 为了更进一步简化 选择典型变形场 设x轴为变形场的膨胀轴 y轴为收缩轴 而等位温线与x轴的夹角为 相应位温梯度 h 与x轴的夹角为 900 则位温梯度 h h sin cos 相应T4表达式为T4 Esin2 2Fsin cos Ecos2 h 2 对线性变形场F 0 无切变变形 所以相应 当 450 T4表示锋生作用 当 450 表示锋消作用 当 0 表示锋生作用最大 水平运动 辐合场 鞍型场 4 4中国的锋生锋消概况 4 4 1中国的锋生区一个是北方锋生区 位于河西走廊到东北一带 一个是南方锋生区 位于华南到长江流域一带 这两个锋生带是和南北两支高空锋区相对应的 锋生带随高空锋区的季节变化而相应地发生位移 自春到夏 锋生带逐渐北移 自夏到冬 则逐渐南移 北方锋生区 北方锋生区季节变化特征冬季 由于这一带经常位于高空脊前槽后 地面反气旋活动频繁而强 所以锋生不多 3月以后 这一带冷空气势力减弱 暖空气势力增强 高空槽活动频繁 锋生逐渐增多 5月以后高空锋区北移 中蒙边界一带锋生减少 但我国东北地区 这时因常有冷涡存在 涡后强烈的冷平流常在东北及华北地区生成副冷锋 南方锋生区 南方锋生区 在冬半年 10 5月 位于江南地区 以春季最为活跃 因冷暖空气逐渐趋于势均力敌 高空东移低槽增多 地面倒槽容易发展 有利于锋生 6 7月间锋生带移到长江流域 盛夏北移到华北 9月后逐渐南移 我国有些地区的锋生与地形有关 如天山北坡 南岭北坡和昆明 贵阳 成都一线的坡地等 都是常见的静止锋锋生区 4 4 2锋生的天气形势和气象要素变化 1 天气形势高空温压场形势地面气压形势 冷式切变 暖式切变 2 气象要素场的变化 锋生在变压场上有明显的反映 冷锋锋生前 由于冷平流 地面常有明显的正变压 暖锋锋生前 有明显的负变压 另外 锋生往往配合有云量增加和云层变厚 以及雨区的扩大和发展的天气现象 东北地区的冷锋锋生 东北地区的冷锋锋生 天气形势和气象要素有下列变化 高空有低槽移入 出现明显的冷平流或冷平流加强 地面低槽显著加深 使槽后有较强冷空气侵入 且天空出现云量8 10量的密卷云 原停滞性的大陆高压突然向东或东南移动 高压前部3小时正变压达2 3hPa 同时偏北风加强 江南地区锋生 江南地区 锋生天气形势特点为 500hPa常有高空槽自青藏高原上空东移 700hPa 850hPa图上都有明显的切变线 有时表现为一个变形场 南海高压或高脊往往加强北伸 江南上空出现大片偏南风 暖平流很强 4 4 3锋消 中国的锋消区主要在青藏高原以东北纬30 40度一带 该地区常处于东亚大槽后部 又处于高原东侧 下沉气流往往较强 有利于锋消 从季节来看 夏半年锋消较多 绝大多数冷锋在中国大陆消失 极少能继续东移入海 太平洋副热带高压脊经常控制中国近海及东南大陆 受下沉气流影响 有利于锋消 此外 夏季冷空气本身不强 而南下又极易变性 锋消 一般有下列几种情况 与地面锋线配合的高空槽减弱 地面甚至出现辐散流场 锋将减弱 消失 维持锋面的冷暖平流减弱 消失 锋也将减弱 消失 如东北地区冷锋锋消与冷平流减弱 中断有关 当冷中心位于低槽的西南或南部时 冷平流较弱甚至出现暖平流 锋减弱消失 当地面锋两侧变压差减弱或与锋相联系的天气区强度减弱 范围缩小 都是锋消的征兆 气团变性 锋在南下过程中由于下垫面的热力作用 总是引起锋消 锋的移动 概况 地区差异 锋的移速北方比南方快 平均移速 西北35 50km h 可达100km h华北30 40km h 可达90 100km h华东 中南20km h华南小于20km h 季节差异 冬季最快 其次是春夏秋季 锋的移动可以从以下几方面考虑 1 高空引导气流移速与其上空引导气流 700 500hpa 垂直于地面锋线的风速成正比 随地区和季节有差异 要考虑高空气流本身的变化 2 地面气压场低压槽越浅 移速越大 低压槽越深 移速越小 变压梯度越大 移速越大 变压梯度越小 移速越小 3 地面地转风假定不考虑摩擦影响 可用锋两侧地转风垂直于锋线的风速来估计移速 即当等压线与锋的交角越大 等压线越密 移速越快 4 地面摩擦及地形地面摩擦 移速减慢 上下层移速不同影响锋面坡度 地形 遇高原或山脉阻挡将变慢 变形 如天山静止锋 云贵静止锋等 复习题 1 气团的概念及分类 锋 锋面 锋线 锋区含义是什么 2 请写出冷锋 暖锋 锢囚锋 冷性锢囚锋 暖性锢囚锋定义 空间结构及等温线分布 3 锋在空间状态为什么会随高度往冷的方向倾斜 4 锋区内等温线及等位温线为什么会存在密集带 5 对锋面坡度公式进行讨论6 请用锋面坡度公式解释锋面附近气压分布特征7 锋面附近要素场的特征是什么 锋面附近气压场 变压场 风场特征如何 以密度零级和一级不连续不连续模拟锋面 7 风随高度逆转快为什么可能有冷锋通过 同样 风随高度顺转快为什么表示可能有