高等天气学系列第五讲高空急流的次级环流和其与锋面系统的耦合

1、第五讲高空急流的次级环流和其与锋面系统的耦合高等天气学系列讲座单元二：中纬度天气系统 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。图5.1 200hPa 1月平均风速和风向（19661977年）。风速的单位：ms-1。AA和BB为图剖面的位置，分别代表急流入口区和出口区图5.2 1979年11月20日

2、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-110-4用地转动量近似可进一步讨论急流中心的垂直运动分布，请参看书中P142-143内容。这是Uccellini等人得到的。 图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16。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）。大约一天之后（图），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

3、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

4、况。 图5.5 72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16。（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。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

5、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

6、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

7、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FRONTS87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

8、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）。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

9、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5.6 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SawyerEliassen环流方程来诊断（书中方程（）。图是中尺度对流加热

10、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5.7a,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5.7c,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5.8a,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5.7 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；

11、（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的等风速线图模拟得到的中尺度对流强迫的次级环流。它是由图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-time cross-section of daily precipitation averaged

12、 for the Meiyu zone fo 28-30N latitudinal range, based on the GPCP dataset. The maximum precipitation axes are represented with thick dashed lines which nearly correspond to tracks of three low-level vortices (C1, C2 and C3) Liu, DingC1C2C3 Longitude-time cross-section of 850hPa wind speed along the

13、 maximum wind axis shown in figure 4 (d). The areas with wind speed greather than 12 ms-1 are shaded. Unit: ms-1 Liu, DingCoupling of upper level jet streaks and the low-level jet during periods of eastward propagation of three low-level vortices. (a) Mean 200 hPa (dash lines) and 850 hPa (solid lin

14、es) isotach pattern averged for the period of 00UTC 23 June to 18UTC 24 June, 1999; (b) same as (a), but for the period of 00UTC 26 June-18UTC 28 June; and (c) same as (a), but for the period of 00UTC 28 June-18UTC 29 June, 1999. Shaded areas denote major precipitation regions based on GPCP dataset.

15、 (a)(b)(c)Liu, Ding(a)Liu, DingLatitude-time cross-sections of upper air wind speed (top panel, Unit: ms-1) and vertical velocity ( ) (bottom panel, Unit: hPa s-1) along the thick dashed line indicated in Figure of jet stream which represents the condition of the entrance sector of the upper jet stream,Liu, Ding(b) same as (a), but for