高等天氣學(xué)第五講課件

高等天氣學(xué)系列講座單元二:中緯度天氣系統(tǒng)(2019年春季)第五講高空急流的次級環(huán)流及其與鋒面系統(tǒng)的耦合丁一匯國家氣候中心高空急流與鋒面及鋒面的次級環(huán)流有密切的關(guān)系,故人們常把高空急流和鋒面(主要是高空鋒區(qū))統(tǒng)稱為急流一鋒系,它們相伴隨的次級環(huán)流稱急流一鋒次級環(huán)流。高空急流是對流層中上部重要的風(fēng)系,過去對它的討論和研究已經(jīng)很多。本節(jié)只重點(diǎn)討論個問題,即與急流風(fēng)速最大中心(或急流帶)相聯(lián)系的垂直環(huán)流及其與天氣的關(guān)系,另外也簡略地討論與東亞高空急流有關(guān)的能量學(xué)問題。氣候平均1月份的急流所在高度(250hPa)上的緯向風(fēng)速分布。等值線間隔為15ms1。粗線為零線,實(shí)線表示西風(fēng),虛線表現(xiàn)東風(fēng)【數(shù)據(jù)來源于NGEP-NGAR再分析資料,由TodP.Mitchell提供】。2003003102019年1月10日12時風(fēng)和位溫的垂直剖面圖。這個剖面從內(nèi)布拉斯加州北普拉提延伸到密西西比州杰克遜。500Ln60O701000D2019年1月10日00時風(fēng)和溫度的垂直剖面圖。這個剖面從懷俄明州瑞爾頓到路易斯安那州查爾斯湖4000E160°E圖51200hPa1月平均風(fēng)速和風(fēng)向(1966~1977年)。風(fēng)速的單位:ms1。AA和BB為圖52剖面的位置,分別代表急流入口區(qū)和出口區(qū)觀測表明,高空急流并不是一種圍繞地球的均勻氣流。一般它的很強(qiáng)的風(fēng)速是集屮在一些急流風(fēng)速最大中心或急流帶中,急流帶之間風(fēng)速較弱。這些急;帶沿急流一個個地向下游傳播,由于急流帶前進(jìn)遠(yuǎn)度比風(fēng)速要小待多,因而當(dāng)空氣穿過急流帶時,在上風(fēng)方速度就會增大,在下風(fēng)方速度會減小。圖51是月東亞和西太平洋平均20Pa(1968~1977年)的等風(fēng)速線和風(fēng)向量分布22不計粘性項(xiàng),dhh的運(yùn)動方程為h-2=/2式中v。是地轉(zhuǎn)風(fēng)的經(jīng)同分量。在線AA以左,bh明顯為正,即在急沉區(qū),當(dāng)空氣質(zhì)點(diǎn)向中心移動時不斷加速,因而有(y-v0,或1m>0,這表明所有入口區(qū)運(yùn)動的氣塊會得到向左偏(看向下游)的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量。結(jié)果在急流北側(cè)產(chǎn)生高空輻合,急流南側(cè)產(chǎn)生高空輯散。進(jìn)而北側(cè)出現(xiàn)下沉氣流,南側(cè)出現(xiàn)上升氣流。低層大氣會隨之發(fā)上質(zhì)量調(diào)整,產(chǎn)生與高層相反的輻散輻合區(qū)和北風(fēng),從而形成垂直環(huán)流。也即在急流入口區(qū)存在一直接的力管環(huán)流。在線AA和BB之間,風(fēng)向量的方向與等風(fēng)速線方向一致,加h近于零,-vg減或vn近于等于零,即氣塊的運(yùn)動不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在BB線之右,dh為負(fù)值,即空氣塊向下游運(yùn)動時是不斷減速的,則有(v-1)<0,或vm<0,即空氣塊的運(yùn)動向右偏轉(zhuǎn),這導(dǎo)致在急流的出口區(qū)產(chǎn)生一間接環(huán)流。圖52是根據(jù)實(shí)際資料計算出的入口區(qū)和出口區(qū)的垂直環(huán)流圖,圖中向量的水平分量是等壓面上的無旋氣流或水平風(fēng)的輻敢分量,而向量的垂直分量是垂直運(yùn)動(p=)。圖中還給出動能等值線,:k=(n2+2T·Ve-I·F式F是摩擦力,φ是位勢高度。由圖可見,在急流入口區(qū)出現(xiàn)正K的最大值,而在急流出口區(qū)為負(fù)K的大值區(qū)。前者表明位能向動能轉(zhuǎn)換,后者是動能向位能轉(zhuǎn)換。K的這些正負(fù)中心位置與相對靜止的急流風(fēng)速最大值區(qū)是相配合的。急流也與鋒區(qū)相一致。在入口區(qū)輻散的氣流向量表現(xiàn)出一單圈的直接力管流,冷空氣下沉,暖空氣上升。這支簡單的環(huán)流與極鋒和急浣橫交,厚度達(dá)整個對流層,它可以解釋該區(qū)強(qiáng)的動能制造。在急流出口區(qū)為明顯的深厚間接力管環(huán)流圖,這說明動能向位能的轉(zhuǎn)挨很強(qiáng)圖521979年11月20日00GMT日本2個和東亞