第三章中纬度天气系统-part1

•三、锋面特征的具体表现 三 •1、锋面具有很强的温度梯度和绝对涡度 、
对 求导则得： 求导则得：
上式表明： 上式表明：锋区的重要特征绝对涡度 可有 来表示
表明： 表明：锋区的斜压性可由
来表示
2、锋面具有大的静立稳定度 、 对于满足公式
以及在沿着锋区方向近似地转平衡的条件 完全可以用位涡来表征高空锋区。 下，完全可以用位涡来表征高空锋区。
•4、锋面结构模型的研究历史回顾 、
J Bjerknes (1918) first introduced the concept of front and frontal surface. ~ one of the most useful concept in wx diagnosis and forecast. Original definition of a front? Air masses? ~ the intercept of the frontal surface and the surface surface front, ~ … 850 hPa front or baroclinic zone (a transition zone) A discontinuous surface in density, Tv, θ (or zero order discontinuity)
5、几个锋面结构模型 、
第一种锋面结构模型
• 对流层锋区是一个断裂区（并没有将 对流层锋区是一个断裂区（ 极地和热带气团上空的对流层顶连接 起来） 起来） • 这个对流层锋区可以认作是极地空气和 热带空气分开的区域和不连续区域（ 热带空气分开的区域和不连续区域（在 对流层上是水平温度梯度消失） 对流层上是水平温度梯度消失） • 对流层锋区也是与剖面正交的地转 风分量气旋性切变和垂直切变很大 的区域 • 对流层顶断裂区之上虽然没有分析锋 面，但是风的气旋性切变一直伸展到 平流层下部， 平流层下部，其范围比在对流层还大 • 在对流层顶高度有一个急流核，它 在对流层顶高度有一个急流核， 正位于对流层中部锋层的位置的上 方
• 绝对涡度的垂直 分量由绝对动量m 分量由绝对动量 的水平梯度来表 示
因此，锋面的热力场和风场的显著变化的 因此，锋面的热力场和风场的显著变化的 热力场和风场 可以由m一个物理量来表征 一个物理量来表征。 可以由 一个物理量来表征。
• 实例： 实例： • 见图3.3 1976年4月17日00时通过北美的空 17日00时通过北美的空 见图3.3 1976年 间时间剖面图 • 图3.3a θ线和等风速线 • 300hPa以下θ线的密集区为锋区，锋区上 300hPa以下 线的密集区为锋区， 以下θ 空为高空急流中心， 空为高空急流中心，急流中心至锋区为风 的垂直切变大值区，200hPa为另一 为另一θ 的垂直切变大值区，200hPa为另一θ线密 集区以及风的垂直切变大值区。 集区以及风的垂直切变大值区。
• 上式表示： 上式表示： • P2的量与某一面积上 和θ线交点的密度成正 的量与某一面积上m和 线交点的密度成正 与形成的力管的大小成反比。 比，与形成的力管的大小成反比。 • 大气的静力稳定度越大， P2的值也越大。 大气的静力稳定度越大， 的值也越大。 • 图3.3b、3.3d中说明，在平流层气旋性位涡 中说明， 、 中说明 值最大， 与等 线非常集中， 与等θ线非常集中 值最大，m与等 线非常集中，并且两者近于 垂直，这个结构与对流层不同，在那里m线 垂直，这个结构与对流层不同，在那里 线 线近于平行， 和θ线近于平行，m lines and isentropes 线近于平行 are closely spaced。 。
图3.2现代用于分析高空锋和对流层顶的模式概略 3.2现代用于分析高空锋和对流层顶的模式概略 实线：代表锋面和对流层顶的边界，虚线： 图（实线：代表锋面和对流层顶的边界，虚线：是 平流层下部气旋性切变区的边界） 平流层下部气旋性切变区的边界）
• 二、高空锋区的表征
由前面的锋面定义可知：在大气科学中， 由前面的锋面定义可知：在大气科学中， 一般将在热力场和风场 热力场和风场具有显著变化的狭窄倾 一般将在热力场和风场具有显著变化的狭窄倾 斜带定义为锋面 那么，用什么物理量来表征热力场和风场的 那么，用什么物理量来表征热力场和风场的 显著变化呢？ 显著变化呢？ Shapiro用位涡和绝对动量来确定高空锋区 用位涡和绝对动量来确定高空锋区 的位置和动力特征
• 冷的对流 层空气
• Berggren模式（1952） 模式（ 模式 ）
第三种（一种新的锋面结构模型） 第三种（一种新的锋面结构模型）
• 基本接近于现代模式 • 不要求高空锋把极地和热带空气分开， 不要求高空锋把极地和热带空气分开， 高空锋是对流层和平流层的分界面， 高空锋是对流层和平流层的分界面，而 不是极地和热带空气的分界面 • 锋面的形成不是由于深厚对流层中这两 种气流汇合的结果，而主要是由于倾斜 种气流汇合的结果， 所造成，倾斜作用主要是下沉运动的差 所造成， 异所造成 • 高空锋不一定需要伸展到地面，故其形 高空锋不一定需要伸展到地面， 成可能与低空锋及其锋生过程无关 • 对流层顶有折叠现象，这使平流层空气 对流层顶有折叠现象， 向对流层空气输送，并最终到达地面。 向对流层空气输送，并最终到达地面。 en模式 模式
第四种（现代用于分析高空锋和对流层顶的模式概略图） 第四种（现代用于分析高空锋和对流层顶的模式概略图）
• Berggren模式 模式 包含了Berggren和Reed模式的一些特征 和 包含了 模式的一些特征
• Reed Danielsen模式 模式
模式一样， 和Berggren模式一样，锋区一直伸展到平流层下部，并且其坡 模式一样 锋区一直伸展到平流层下部， 度方向与对流层的坡度方向相反 模式不一样的是， 和Berggren模式不一样的是，冷暖对流层气团上方的对流层顶 模式不一样的是 在锋面并不断裂，而是分别与上部对流层的上下边界相连， 在锋面并不断裂，而是分别与上部对流层的上下边界相连，这点 是与Reed Danielsen模式相似的。 模式相似的。 是与 模式相似的
•3、锋面存在的原因 、
• 从运动学上来看，认为温度和风场的水平 从运动学上来看， 差异是锋面存在的主要原因： 差异是锋面存在的主要原因： •
d ∂θ ∂v n ∂θ ∂ω ∂θ ( )=− − dt ∂n ∂n ∂n ∂n ∂p
• 该式表示：在绝热条件下，气块沿轨迹的 该式表示：在绝热条件下， 位温梯度的变化由水平汇合和倾斜作用形 成
地面锋: 地面锋: horizontal convergence, upward motion 高空锋 ： 和急流相联系 (thermal wind balance), upper-level divergence ~ low-level cyclogenesis strong vertical wind shear ~ CAT
③围绕地面和高空锋区的垂直环流则是各种中纬云 系和降水系统（如大范围的斜对流、有组织的垂直 对流系统和对流风暴等）发展和组织起来的一个重 要因子，这对降水和强天气预报有重要意义 ④高空锋区也是小尺度混合或晴空乱流（CAT）的主要 发生区，这包括重力波、开尔文－赫姆霍兹波和一些 乱流涡动等。因而确定和预报高空锋区和急流的位置 与强度对于避开危险区保证飞行安全是十分重要的； ⑤高空锋区是对流层和平流层之间显著的质量交换区， 由此可以了解放射性尘埃、化学痕量物质的输送过程。
1960s后的对锋面的认识 1960s后的对锋面的认识 60s
~ a transition zone with horizontal scale ≦100 km and vertical scale at few km, ~ large cyclonic vorticity and horizontal gradient in static stability, T, θ and q ~ most significant at the surface and weakening quickly upward The 2ndary circulation associated with front APE KE
• 在局地直角坐标系中（切平面） 在局地直角坐标系中（切平面）
• 其中，ug地转风是沿锋面方向（x方向）的分量 其中， 地转风是沿锋面方向（ 方向） 进过简单的变换，我们可以得到下式： 进过简单的变换，我们可以得到下式：
• 穿越锋区的斜压 不稳定度由绝对 动量m的垂直梯 动量 的垂直梯 度来表示
高等天气学
中纬度天气系统
大气科学学院
主要内容： 主要内容：
锋面结构 锋面次级环流及其诊断方程 高空急流及其有关的次级环流
§3.1锋面的结构 3.1锋面的结构
•一、关于锋面的一些基本知识 一
• 1、基本概念 、
• 锋面：在大气科学中，一般将在热力场和风场具 锋面：在大气科学中，一般将在热力场和风场具 热力场和风场 有显著变化的狭窄倾斜带定义为锋面， 有显著变化的狭窄倾斜带定义为锋面，如果从气 团概念来看，锋面可定义为冷暖两种不同性质气 团概念来看， 团之间的过渡带， 团之间的过渡带，这种倾斜过渡带有时也称为锋 锋面与地面相交的线，叫做锋线， 区。锋面与地面相交的线，叫做锋线，习惯上又 把锋面和锋线通称为锋。 把锋面和锋线通称为锋。 • 锋面的特征：强的温度梯度，静力稳定度，绝对 锋面的特征：强的温度梯度，静力稳定度， 涡度和风垂直切变。 涡度和风垂直切变。 • 锋面的长度：1000-2000km，属于中 α尺度 锋面的长度： ， 尺度 • 宽度：100-200km，属于中 β尺度 宽度： ， 尺度 • 空间结构：具有 纬的空间结构，向冷区倾斜 空间结构：具有3纬的空间结构 纬的空间结构， • 锋面的类型：地面锋、低空锋、高空锋（冷、暖 锋面的类型：地面锋、低空锋、高空锋（ 锢囚锋） 锋、锢囚锋）
• Palmen 和 Nagler模式 模式 • （1949） ）