自控原理第七章

本文格式为Word版，下载可任意编辑——自控原理第七章第七章中尺度天气系统§7.1概述§7.1.1什么是中尺度天气系统,中尺度天气系统是介于大尺度和小尺度之间的天气系统，水平空间尺度100-103km量级时间尺度103-105s量级分为三类：

中尺度(102-103km,1-5天)，中尺度对流复合体中尺度(101-102km,3小时-1天)，飑线中尺度(100-101km,1小时)，雷暴单体,§7.1.2中尺度天气系统的根本特征,1.水平尺度小、生命期短中尺度天气系统的水平空间尺度为100-103km量级，垂直尺度为10km左右;其生命期大多为几小时至1天以内。

猛烈对流性中尺度天气系统的水平尺度只有101-102km量级而大尺度系统的水平尺度一般在103km量级以上，生命期常达1天至几天。

锋面、气旋、反气旋、长波槽脊、阻塞系统、热带气旋等,2.气象要素梯度大，天气猛烈气象要素梯度大，是中尺度天气系统识别于大尺度系统的显著特征之一。

在飑线中尺度系统区，气压梯度达1-3hPa/km,温度梯度达5ºC/10km;飑线过境，气压涌升1hPa/1-2min,温度骤降1ºC/1min，而在大尺度天气系统中，气象要素梯度小得多，要素随时间变化也小得多。

同这种大的气象要素梯度相联系，中尺度系统所伴随的天气通常较猛烈，常带来大风、暴雨、冰雹，甚至展现龙卷和下击暴流等猛烈致灾天气，且具有突发性和急剧变化的特征。

而大尺度所伴随的天气那么弱得多，且较持续，变化也较缓慢。,,3.非地转平衡大尺度运动是准地转的，在大尺度系统中，空气运动近于维持地转风平衡或梯度风平衡。

而在中尺度系统中，加速度同地转偏向力和气压梯度力具有一致的数量级，对空气运动有同等的重要性，因而运动是非地转的。

在中尺度系统中可看到风向和等压线相垂直的特征。,,4.非静力平衡在垂直方向，大尺度运动是准静力平衡的，较大的中尺度系统也具有准静力平衡特性，但在强风暴类的对流性中尺度系统中，空气运动是非静力的，浮力可以使气块产生较强的垂直加速度，导致猛烈天气生成。,§7.2中尺度系统,中尺度系统的形成机制一种主要是由非平匀性质下垫面引起强迫作用的结果，如山地背风波、背风槽和中尺度低压等；

另一种主要是由大气内部过程产生出来的，如高空急流锋和中尺度雨带等。,§7.2.1中尺度雨团,中尺度雨团的根本特征：

(1)水平尺度小，通常不超过200km。

(2)生命期短，一般在10小时以内。

(3)低空辐合强，对流层低层水平散度达10-4s-1。

(4)屡屡发生，一次强降水过程中可展现多个中尺度雨团。

(5)降水强度大，1小时降水量可达50mm以上。

(6)两种动态：移动性和准静止性，多数中尺度雨团是移动性的。,§7.2.2中尺度雨带,中尺度雨带由雷暴单体和小尺度系统组成，其天气表现为暴雨或强对流特征，其长度约100-200km。,根本特征：,(1)中尺度雨带常几条并存，并相互平行，其间距大致一致，约为100km。每条雨带的宽度约10-50km。有时中尺度雨带只有一条。

(2)一条中尺度雨带由更小的对流单体组成，它们分别处于不同的进展阶段。

北面的单体是成熟的或衰弱的，南面的单体是新生或年轻的。

(3)中尺度雨带的移动方向，明显偏向平均风方向的右侧，移动速度可大于平均层的风速。

(4)中尺度雨带多展现在大气层结为位势不稳定的地区。

(5)中尺度雨带通过测站时，地面气象要素会发生明显变化，如气压骤升，气温下降，湿度上升及风向风速突变等。,中尺度雨带的种类：

锋面气旋区中尺度雨带梅雨区中尺度雨带台风区中尺度雨带按雨带在气旋中所处的部位，将其分成六类：

暖锋雨带、暖区雨带、宽冷锋雨带、窄冷锋雨带、锋前冷涌雨带和锋后雨带。

按对流发生的位置，又分成三种类型：

U型雨带，对流发生在对流层中上层L型雨带，对流发生在对流层下层D型雨带，为贯穿整个对流层的深厚对流。,§7.2.3中尺度对流复合体,中尺度对流复合体(简称为MCC)，是一种有组织的对流天气系统。,定义,§7.2.4飑线,飑：强阵风的意思。

飑线：由大量雷暴单体排列而成的强对流云带。

长约150-300km，生命期一般4-18小时。

沿着飑线可展现大风、强雷暴、强降水和冰雹等强对流天气。,飑线的特征,,,飑线与冷锋的识别,锋面是天气尺度系统，飑线是中尺度系统；

锋面是两种不同气团的界面，飑线发生于同一气团内；

飑线过境造成比锋面更强烈的天气变化，冷锋过境一般引起大风，而飑线过境时有极猛烈的大风和冰雹；

冷锋维持时间较长，往往可达一周左右，飑线的生命期约十几小时，不超过一天；

飑线的移速大于冷锋，有的可比冷锋快2-3倍；

,§7.3中尺度系统发生进展的大尺度环境条件,①位势不稳定层结，并常有逆温存在;②强的垂直风切变;③低层有湿舌和强水汽辐合;④常有急流活动:⑤低空辐合和上升运动;⑥地形的作用等。,§7.3.1位势不稳定层结,考虑深厚气层。在这种情形下，只要通过抬升或降水蒸发使空气达成饱和，建立温度递减率大于湿绝热递减率(m)，就会展现位势不稳定。

位势不稳定的建立主要取决于高、低层水汽和热量平流的差异，高层冷平流或干平流，低层是暖平流或中低层比上层增暖或增湿更明显。,,在强对流爆发前，中低层还常有逆温层或稳定层存在。它暂时把低空湿层与对流层上部的干层分开，使风迸发展所需要的高静力能量得以积累。

逆温层或稳定层的破坏至少有两种方式：

地面加热，这可以从下面使逆温层减弱或消散。但这种过程只能使弱逆温层消散，而不能使强逆温层消散。

有组织的垂直运动。

抬升一方面造成逆温层上面干空气绝热冷却，同时使低层空气饱和湿层厚度增加，其冷却率是按湿绝热举行的。由于上下有不同的冷却率，结果使气层的温度递减率大于m，导致逆温层破坏。,§7.3.2强垂直风切变,飑线的发生对应着较强的垂直风切变，由于具有垂直切变的环境风能供给对流进展的能量，促使风暴生长。

暴雨过程和强对流过程不同，它是发生在弱的垂直切变环境中。

这是强对流与暴雨物理条件的重要识别之一。,环境风的垂直切变对强风暴的作用：,①在切变环境中使上升气流倾斜，从而使上升气流中形成的降水质点能够脱离出上升气流，而不致因拖带作用减弱上升气流的浮力。相反，降落到下沉气流中的降水质点，因蒸发冷却和下沉拖带作用，会巩固下沉冷空气出流，从而维持和激发上升气流巩固；

②可以巩固中层干冷空气的吸入，加强风暴中的下沉气流和低层的冷空气外流，而后通过强迫抬升，使流入的暖湿空气更猛烈的上升，导致对流加强；

③造成确定的散度分布，有利于风暴在顺切变一方不断再生，使风暴向前传播；

④能产生流体动力学压强，有利于在风暴左侧新的对流单体增长。,§7.3.3水汽辐合和湿舌,丰富的水汽供给，是风暴的主要能量来源，可以使强对流系统得以发生进展和维持。

风暴的降水主要由水汽辐合形成，而水汽的辐合主要由低层水汽通量辐合导致。

随着风暴的进展，辐合层上升。

水汽水平辐合轴一般与强对流轴线一致。为了供给暴雨区所务必的水分，所要求的辐合区是相当大的。

据估计，应达暴雨区本身面积的10倍或以上，也就是供给水汽的地区比水汽集中区要大一个量级。,§7.3.4急流的作用,低空急流的作用高空急流的作用急流耦合所产生的作用,1.低空急流的作用,展现在对流层低层，风速最大值达12或16m/s以上的强风区，通常称为低空急流。

低空急流一般在850hPa或700hPa层上最明显，在其邻近风的水平和垂直切变很强。

低空急流是给中纬度暴雨和强暴雨供给水汽和动量的最重要系统，并含有导致风迸发展的机制。,,低空急流对强天气的作用主要有三方面:通过低层暖湿平流的输送产生位势不稳定层结;在急流最大风速中心的前方有明显的水汽辐合和质量辐合或强上升运动;在急流轴的左前方是正切变涡度区。,2.高空急流的作用,通常将300或200hPa层上风速等于或大于30m/s的强风区称为高空急流。

高空急流对暴雨或强对流的作用：

急流下方强垂直切变的环境风能供给对流进展的动能;急流区的强风有利于对流云顶质量辐散的巩固和上升气流的维持；

在对流云体进展过程中，由于水汽凝聚释放潜热，会使云体上部增暖，使层结趋于稳定，因而抑制对流进展。这时高空的强风能将云体上部增暖的空气带走，起到通风作用，从而有利于对流云的维持和进展。,在高空急流大风核的左前方和右后面，即在环流圈的上升支内，有利于对流云的进展,在大风核左侧为气旋性涡度中心，因此，在其左前方和右后面为正涡度平流和辐散区；

而在大风核的右前方和左后面情形相反，为负涡度平流区和辐合区。

通过入口区的垂直环流圈为暖空气上升、冷空气下沉的直接(正)环流圈;而在出口区，为暖空气下沉、冷空气上升的间接(逆)环流圈。,3.急流耦合所产生的作用,高、低空急流上下重叠，呈适当耦合时，强对流天气发生的可能性很大。

对流风暴和龙卷常发生在高空急流入口区的负涡度区与低空急流的正涡度区相重叠的部位;在高空急流出口区的正涡度区与低空急流大风核左前方相叠加的部位，也有利于强对流的发生进展。,§7.3.5低空辐合和上升运动,造成低空辐合区的天气系统：

气旋、锋面、切变线、辐合线等等。

锋面是产生有组织的雷暴系统的一种重要机制，它可以触发锋前不稳定区能量的释放，造成猛烈的对流。

低空风的切变线或辐合线也是启动对流活动的系统。这种切变线不但有明显的低空辐合，而且常和干线或露点锋有关，这更有利于风暴的发生。

低压槽内常有气流辐合线，沿此线既有风向辐合，又有风速辐合。暴雨或强对流区的轴线常和辐合轴线趋于一致。,,低空辐合和暴雨或强对流活动关系紧密，是由于低空辐合可造成较强的上升运动，使暖湿不稳定的空气释放不稳定能量，促使对流进展。

上升或下沉运动区和强天气落区的关系：暴雨位于上升运动区，但不确定和上升运动最大中心区相一致。

在暴雨区的西北方是下沉运动区，而西南方那么是上升运动区。

强对流系统的初生阶段，其天气区常和上升区吻合，而在成熟强盛阶段，强天气位于下沉气流区中。,§7.3.6地形的作用,地形对强对流的作用在于它能引起空气被迫抬升，从而激发对流进展。

地形粗糙度的变化(如水面与陆地、平原与高原不同)，也可引起局部地区的垂直运动(如海陆风)，引发对流天气形成。,地形看作是强对流发生的一个触发条件,最有利于山区暴雨发生的大尺度环境条件是:①在很深厚的一层大气中，空气分外潮湿，层结是不稳定的；

②在迎风坡上存在准静止云系，大量降水是从该云层中降落的；

③迎风坡有强的地形上升运动，造成大量水汽凝聚，补充空中降水造成的水分消耗；

④在迎风坡暴雨区中，风速垂直切变要求在云底以下的气层中风速甚强，而在云层里风速要弱。

条件①、②要求有与山脉近乎正交的强气流吹向迎风坡，且这股气流中空气潮湿，层结不稳定。假设山脉的坡度越陡，吹向山脉的风速越强，那么地形上升速度愈强，可造成大量水汽凝聚。条件④中的风速垂直切变可使雷雨云在山坡上停留少动，造成山坡区大量降水。,,,§7.4中尺度系统进展和大气过程不稳定,§7.4.1对流不稳定实际大气中常会发生整层空气被抬升的处境。气层被抬升后，它本身的会发生变化。,,设气层AB初始为稳定层结(m，呈现出不稳定状态，这就是对流不稳定(或通称位势不稳定)。,,,,§7.5中尺度分析,要做好中尺度天气预报，首要的环节是将中尺度系统