第四講鋒生動力學和鋒面次級環流丁一匯國家氣候中心高等天氣學講座(2014春季)單元二：中緯度天氣系統4.1復習和預備知識空氣運動學的基本變量Figure2Afieldofpure,positivedivergence

所得流場沿x方向伸長，沿y方向壓縮。前者稱伸長軸，后者稱壓縮軸。注意：形變和輻合兩個量容易混淆，圖4說明了它們的區別，設兩個流體的面積初始時刻相同。皆為一正方形，但一個置于純輻合場中，另一置入純伸長形變場，則前者（圖4a）在輻合氣流下面積變得越來越小，而后者（4b），面積保持不變，但變形成一沿伸長軸拉長的長方形。在天氣分析中，這表現為流線的匯合與疏散。Figure4(a)Afluidelementinafieldofpureconvergence.Thelightersquarerepresenttheinitiallysquareelement.Notethattheareaofthefluidelementisdecreasedinafieldofconvergence.(b)Afluidelementinafieldofpurestretchingdeformation.Theoriginalsquareisdeformedintoarectanglewhoseareaisthesameasthatofthesquare

圖6：上圖：作用在x方向的伸長形變，與沿y=x和y=-x線的切變形變。下圖：沿y=x線左右的伸長形變與沿x與y軸的切變形變。實線正方形為置于兩種形變場中的流體元。后來，前者變成長方形，后者變成菱形。實際上上下圖是完全相同的。只是下圖是上圖反時針旋轉45°的結果。圖7給出了一些理想化流體在水平風場上的各種運動學特征之間的關系，如：（a）無曲率、擴張、伸張或散度的切變氣流。從北半球來看，圖的上半部分的切變和渦度為氣旋性；下半部分的切變和渦度為反氣旋

性。（b）整個區域均為具有氣旋性切變和曲率（即氣旋性渦度）的旋轉固體，

不存在擴張或伸展，因此其散度為零。（c）輻射狀氣流，其速度與半徑成正比。該氣流具有明顯的擴張伸展，

因此具有散度；但不存在曲率及切變，因此渦度為零。（d）既存在擴張，又存在伸展的雙曲線型流體。由于擴張和伸展因這兩

項相互抵消，因而是無輻散的。該流體同時還存在切變和曲率，但

其切變和曲率相互抵消，因此該流體是無旋的（即渦度為零）6.理想流體運動學的小結圖7理想化水平流體配置。（大氣科學2008）最后給出一個天氣學的例子說明氣流變形場的作用。圖8清楚地說明在伸長和切變形變的作用下，向下游移動的氣流發生形變的過程。圖8左上圖為穩定水平風場（箭頭表示）中的空氣塊網格，任一點的風速與該點上的等值線間距成反比。（a）～（e）給出網格在空氣塊向氣流下游方向移動時形變的過程，其中網格的右上角向東移動，而其左下角則向南然后向東移動，這樣形成了一個閉合環流。（Tellus，7，141～156（1955））（引自Martin,J.E.，2006）鋒面引起的地面天氣和冷暖空氣分布1、鋒面引起的地面天氣和冷暖空氣分布冷鋒過境時高分辨率（1分鐘）自動氣象站記錄到的氣象變量演變曲線。注意：溫度，露點，地面氣壓，風向，風速在鋒面過境時（2003年3月4日2306UTC）有突然的轉變。

（美國Oklahoma城站，NOAA，2012）

2、暖鋒引起的地面天氣和冷暖氣流分布暖鋒過境時的自記記錄（2002年1月231700-241700UTC），美國Athens站。（取自AckermanandKnox,2012)挪威學派的錮囚鋒模式。此時冷鋒移動比暖鋒快。冷鋒的冷氣團可以比暖鋒前的氣團冷或暖，前者為冷性錮囚鋒（左），后者為暖性錮囚鋒（右）。最近的研究表明，錮囚鋒實際上在更穩定的氣團上傾斜，不一定是更冷的氣團

（以上取自AchermanandKnox，2012）。典型冷暖鋒過程時氣象要素的變化（

A&K，2012）鋒面理論是天氣學中出現的第一個比較完整的理論。20世紀初，利用歐洲尤其是北歐較為稠密的地面觀測網，皮葉克尼斯（V.Bjerknes）提出了極鋒理論。這個理論對當時的氣象學是一個重大的突破或革命。在空間鋒面是一個傾斜區，它的垂直厚度一般只1～2km。鋒面的產生可以由不同的動力過程引起，因而在大氣中會出現不同類型的鋒面，如地面鋒、低空鋒、高空鋒以及其它不同類型的鋒面。地球的旋轉也是影響鋒面特征以及鋒生動力學的一個重要因子。正是由于鋒面受到這種旋轉的明顯作用（通過科氏力）而使鋒面與其它輻散占優勢的許多有關現象（重力波、密度流、颮線等）而有所區別。4.2鋒生函數（F）鋒面的研究不但具有理論意義，也具有重要的實際意義。從氣象上，地面鋒和高空鋒常常與中緯的斜壓波和氣旋有密切的關系。為了了解氣旋的結構和形成，必須從鋒面研究開始。雖然鋒面只占斜壓波一些區中不大的一部分面積，但它們對非地轉環流的無旋部分是最顯著的動力強迫因子；

與高空鋒區和高空急流帶有關的輻散場在中緯氣旋形成中起著很重要的作用，它可使低壓的地面氣壓場或質量場發生變化；圍繞地面和高空鋒區的垂直環流則是各種中緯云系和降水系統（如大范圍的斜對流、有組織的垂直對流系統和對流風暴等）發展和組織起來的一個重要因子，這對降水和強天氣預報有重要意義；此外，高空鋒區也是小尺度混合或晴空亂流（CAT）的主要發生區，這包括重力波、開爾文－赫姆霍茲波和一些亂流渦動等。

因而確定和預報高空鋒區和急流的位置與強度對于避開危險區保證飛行安全是十分重要的；最后，高空鋒區是對流層和平流層之間顯著的質量交換區，由此可以了解放射性塵埃、化學痕量物質的輸送過程。鋒面的形成叫鋒生，而衰減稱鋒消。在局地坐標系中，當某一屬性（如溫度、渦度、比濕、動量、散度和渦度等）在某時刻沿鋒面兩側的梯度隨時間加大的現象叫局地鋒生。一般我們用位溫梯度變化表示鋒生函數。在二維鋒生條件下，鋒生函數可寫作：（4.1）圖4.1匯合（鋒生）(a)與疏散（鋒消）風場對準水平位渦場的作用（Bluestein，1986）圖4.2傾斜項對垂直位溫梯度的作用。(a)鋒生，(b)鋒消（Bluestein，1986）渦度+-圖4.3伸長與壓縮軸取向與等位溫線關系的示意圖。角b與α分別是依x’軸反時針與順時針度量。當D>0，x’與伸長軸一致，y’是與壓縮軸一致。當D<0時，情況相反。+圖4.5伸長軸與等溫線相對取向與鋒生的關系。左：鋒生（0<b<45），F>0；右：鋒消（45<b<90），F<0（取自Bluestein,1986;Pettersen1956）圖4.6鋒生函數各項的垂直剖面圖。所取的剖面與鋒面正交。虛點線為鋒面位置。（a）變形項；（b）輻合項；（c）傾斜項；（d）鋒生函數（上三項之總和）。圖4.6a,b,c是位溫的變形項、輻合項和傾斜項的計算結果。非絕熱項沒有計算。可以看到上面三項具有相同的量級。在鋒區中，變形和輻合項產生鋒生，最大值在近地面層。傾斜項的分布比前兩項不規則一些，因為這一項與垂直速度的水平導數有關，而垂直速度是很難算準的。其主要特征是在近地面上升運動中心之左為鋒消，中心之右為鋒生。這種近地面的鋒消作用趨于與變形和輻合產生的鋒生作用抵消。在600hPa上有一鋒消最大值，這與該處存在著一個上升運動次極大值有關。圖4.6d是三項的總和。可以看到近地面及鋒面前方鋒生作用很強，而中層是鋒消的。上式中項1，5，9是非絕熱項，2，7，12是水平和垂直變形項，3，，6，10，11代表水平與垂直切變的作用，項4，8代表垂直運動的分布不均勻的作用，即傾斜項。最后我們可總結鋒生的因子為：（1）水平變形場。氣流在一個方向上伸長，同時在另一個方向收縮；（2）水平切變運動；（3）垂直變形場，在一個水平方向上的收縮和伸長可引起補償的垂直位移；（4）垂直運動分布的不均勻；（5）地面摩擦；（6）亂流和混合作用；（7）非絕熱加熱，包括潛熱釋放，感熱加熱（主要在地面）和輻射過程。4.3鋒面的次級環流

鋒面的次級環流（也稱鋒面垂直環流）的研究是十分重要的，因為這種穩態的（主要沿與鋒面正交方向）垂直環流不僅涉及到鋒系的基本動力學問題，而且也是中尺度對流系統，尤其是鋒前颮線和中尺度雨帶的一種啟動機制。強烈的鋒面天氣并不是產生在鋒面的所有部位上，主要出現在垂直環流圈的上升支。因而只要設法確定了上升支的位置，就可以估計劇烈天氣發生的地方。首先這里給出一些由實際觀測分析得到的冷鋒垂直環流模式。圖4.7冷鋒模式概略圖。虛線代表氣旋性相對渦度最大值軸線。虛點線連接了地面水平溫度梯度最大值與地面鋒后逆溫層的位置。圖4.8與華北冷鋒有關的垂直環流圖。（a）與強對流天氣有關；（b）與強暴雨有關。圖4.9上滑冷鋒氣流場分布概略圖。細實線是流線，J可分別代表高空急流和低空急流的位置。粗實線代表鋒區和對流邊界頂層。陰影區是后傾上升運動區。地面冷鋒前對流邊界層中的空氣相對濕度很高，當它沖出到冷鋒之上時達到飽和。在鋒區下方下沉的空氣開始是干的。以后在進入降水區后變成近于飽和。鋒面的次級環流可以是熱力直接的，也可以是熱力間接的。這主要取決于引起次級環流的不同物理因子的相當重要性。因而從動力學上對鋒面次級環流進行診斷長期以來就引起人們的重視。實際上鋒面次級環流是處于平衡狀態的主環流（如地轉平衡）破壞后的必然產物。正如Sawyer和Eliassen曾指出的，水平無輻散的主環流強迫出次級環流，即出現水平速度和垂直速度分量，這是準地轉運動的特征。在這種情況下主強迫是通過無輻散變形作用而產生次級垂直環流的。以后這種環流又通過產生次級垂直變形加速或減速鋒生速度。因而次級環流問題與鋒生動力學是密切聯系在一起的。Sawyer和Eliassen曾得到了鋒面次級環流方程，這被稱為Sawyer－Eliassen環流方程。以下將詳細討論這個方程以及以后發展和應用的情況。冷暖y-yxT-2T-1T0T1半半牽88圖4.10Bluestein，1993圖4.11Bluestein，1993<所以Q1>0所以Q2>0圖4.12Sawyer-Eliassen方程中強迫項和非地轉環流方向的概略圖。實線代表非地轉環流，虛線為區分冷暖空氣的一條等位溫線。帶叉號和帶點號的圓圈分別代表進入剖面和流出剖面的沿鋒面方向的風分量；（a）中的非地轉環流是熱力直接的；（b）中是熱力間接的。圖4.13地轉形變（Q1）（上圖），地轉切變（Q2）（中圖）和（Q1+Q2）（下圖）強迫的次級環流圖。實線代表流函數（單位：105m2s-1）,虛線代表等位溫線。圖4.13是Shapiro計算的一個北美冷鋒次級環流的例子。可以看到Q1在高空鋒附近強迫出一個熱力直接的次級環流，在急流中心上方的平流層中，有一較弱的直接環流。Q2強迫的次級環流與Q1是反號的，圍繞鋒區強迫出一熱力間接的環流。Q1+Q2=Q強迫出兩個相反的環流圈，鋒區下部為直接的，上部為間接的。這是由于上部Q2占優勢，下部Q1占優勢。中緯度天氣尺度運動一般是處于地轉平衡的。但對流一旦爆發，可使大氣脈沖形式失去地轉平衡。結果地轉動量近似不成立，另外當氣塊有明顯曲率時，地轉風的離心力加速度