南大天气学原理第七章(简)

• 低空急流是给中纬度暴雨和强暴雨提供水汽和动 量的最重要系统，并含有导致风暴发展的机制。
• 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
§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：由许多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。
– 沿着飑线可出现大风、强雷暴、强降水和冰雹 等强对流天气。
§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 ，因 为具有垂直切变的环境风能提供对流发展 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区别之一。
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，会增强下沉冷空气出流，从而 维持和激发上升气流增强； ②可以增强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 气更强烈的上升，导致对流加强； ③造成一定的散度分布，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。
§7.2.1 中尺度雨团
中尺度雨团的基本特征：
(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)多次发生，一次强降水过程中可出现多个中尺度 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。
• 低空辐合和暴雨或强对流活动关系密切，
– 是因为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，促使对流发展。
• 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，但不一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，而西南方则是上升 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。
• 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
• 一种主要是由非均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。
§7.3.6 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，从而激发对流发展。 • 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，空气非常潮湿，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，造成大量水汽凝结，补充空中 降水造成的水分消耗；
– 据估计，应达暴雨区本身面积的 10倍或以上，也就是 供应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
• 出现在对流层低层，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 850 hPa或 700 hPa层上最明显， 在其附近风的水平和垂直切变很强。
• 在大风核左侧为气旋性涡 度中心，因此，在其左前 方和右后方为正涡度平流 和辐散区；而在大风核的 右前方和左后方情形相反， 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。
在高空急流大风核的左前方和右后方，即在 环流圈的上升支内，有利于对流云的发展
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 生发展。
§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，造成强烈的对流。 – 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。
• 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。
– 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，天气强烈
• 气象要素梯度大，是中尺度天气系统区别于大尺 度系统的显著特征之一。
• 在飑线中尺度系统区，气压梯度达 1-3 hPa/km,温度梯度达 5º C/10km;飑线过境，气压涌升1hPa/1-2min,温度骤降 1º C/1min，
§7.3.3 水汽辐合和湿舌
• 丰富的水汽供应，是风暴的主Fra bibliotek能量来源，– 可以使强对流系统得以发生发展和维持。
• 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。
– 随着风暴的发展，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 应暴雨区所必须的水分，所要求的辐合区是相当 大的。
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
§7.4 中尺度系统发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 情况。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)， A’B’为其露点，下湿上干。设该气 层被抬升时其截面积不发生变化， 由于质量守恒，其顶、底之间的气 压差也不发生变化。开始A、B两 点都沿干绝热线上升。因A点湿度大，先于B点达到饱和(C点)， 此时B点到达C‘点，因其较干而未达饱和。如气层继续被抬升， 则 A点沿湿绝热线上升，而 B点仍沿干绝热线上升，直到 B点 达到其凝结高度E点，整层达到饱和状态，此时底部A移到D 点。 DE为初始AB气层被抬升整层达饱和时的温度层结。显 然，此时有>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)。
§7.1.2 中尺度天气系统的基本特征
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 10 km左右; 其生命期大多为几小时至 1天以内。
– 强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。
– 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 伴随的天气通常较强烈，
• 常带来大风、暴雨、冰雹，甚至出现龙卷和下击暴流等强烈致 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则弱得多，且较持续，变化也 较缓慢。
§7.3 中尺度系统发生发展的 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 降水蒸发使空气达到饱和，建立温度递减率大于 湿绝热递减率(>m)，就会出现位势不稳定。 • 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，使风暴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失。但这种过程只能 使弱逆温层消失，而不能使强逆温层消失。 – 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进 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。