中尺度天气系统的特征

z
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END
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10
1. 早期的经验分类
天气系统——大尺度、中尺度和小尺度 空间尺度分别为：106m、105m和104m 时间尺度对应为：105s、104s和103s
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2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）依据无量纲数罗斯贝数Ro和拉格朗日
时间尺度T的尺度分类，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
1) 空间尺度范围广，生命周期跨度大； 2) 气象要素梯度大； 3) 散度、涡度与垂直速度； 4) 非地转平衡和非静力平衡； 5) 质量场和风场的适应； 6) 小概率和频谱宽、大振幅事件
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中尺度大气运动的基本特征
1）空间尺度范围广，生命周期跨度大 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
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§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
dt x y z
• 状态方程： • 位温方程：
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滞弹性（anelastic）近似
du 1 p fv
dt x
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g dt z
方程假设：
w ( u v w) 0
z x y z
（1）大气密度在水平方向变化很小气压梯度力项线性化； （2）垂直方向，考虑大气密度扰动引起的浮力； （3）假定大气运动是准不可压缩，滤除声波; （4）连续方程中考虑 项的作用——深层运动。
中尺度系统气象要素的梯度：3°C/10km，1～3 hPa/10km
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中尺度大气运动的基本特征
• 3）散度、涡度与垂直速度
从连续方程可知： W HV / L
W, V 分别为大气的垂直和水平速度，H, L为垂直与水平 尺度。
若：V~10m/s，H~10km，则对于 ,, 中尺度系统， 垂直速度可分别达到10-1 m/s，100 m/s，101 m/s。
一般而言，水平尺度为20 km～200 km的 中尺度系统是中尺度系统的核心，具有典型的中 尺度系统特性，具有空间尺度小，生命周期短的 特征。
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中尺度大气运动的基本特征
2）气象要素梯度大 天气尺度系统中气象要素的梯度一般较小，锋区 附近的温度和气压的梯度约为1～10°C/100km， 1～10 hPa /100 km;
（从东南方向来看）
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§1.2 天气系统的尺度划分
中尺度大气运动的定义:
• Ligda (1951)最早提出中尺度概念：对常规高空探测网 （间隔几百公里）来说太小，以至于完全捕捉不到；对单 站雷达观测尺度又太大（缺乏遥感能力），而不能完全观 测得到的那些大气现象。通常定性描述为，时间尺度和空 间尺度比常规探测站网小，但比积云单体的生命周期及空 间尺度大得多的一种尺度。即水平尺度为几公里到几百公 里，时间尺度由1小时到十几小时。
中小尺度天气动力学
主要内容
• 第一章 中尺度天气系统的特征 • 第二章 地形性中尺度环流 • 第三章 自由大气非对流性中尺度环流 • 第四章 中尺度孤立对流系统 • 第五章 中尺度带状对流系统 • 第六章 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带 • 第七章 中尺度对流复合体 • 第八章 影响中尺度对流系统发生发展的因子 • 第九章 中尺度天气预报
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教学安排
中小尺度天气动力学
第一章 中尺度天气系统的特征
4
第二章 地形性中尺度环流
2
第三章 自由大气非对流性中尺度环流
4
第四章 中尺度孤立对流系统
2
第五章 中尺度带状对流系统
5
第六章 锋面气旋及台风附近的中尺度雨带
6
第七章 中尺度对流复合体
5
第八章 影响中尺度对流系统发生发展的因子
4
总学时
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第一章 中尺度天气系统的特征
典型中尺度运动：非地转、准静力平衡。
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中尺度大气运动的基本特征
• 5）质量场和风场的适应 大尺度运动：一般是风场适应质量场； 中尺度运动：一般是质量场适应风场
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中尺度大气运动的基本特征
• 6）小概率和频谱宽、大振幅事件
中尺度系统在统计意义上是小概率事件，它的空间尺度 跨越范围宽，且中尺度系统影响时的气象要素变化激烈，表 明他是频谱宽的大振幅事件。
显然，中尺度系统的散度、涡度也会相应增大！
19
中尺度大气运动的基本特征
• 4）非地转平衡和非静力平衡
尺度愈大，地转偏向力作用愈大，浮力作用愈小；
小，
小，
大；
大尺度运动：地转、静力平衡；
小尺度运动：非地转、非静力平衡与湍流运动；
中尺度运动：
大的中尺度运动：准地转、准静力平衡；
小的中尺度运动：非地转、非静力平衡；
Vinnichenko（1970）对自由大气和近地面层的东西风 分量做了能谱密度分析。谱分析结果反映了不同大气尺度的 客观存在性，表明中尺度环流的能量密度小，但是在大尺度 和小尺度运动的能量变换中起着重要作用。
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中尺度大气运动的基本特征
能量密度
时间尺度
该图给出了不同时间尺度的动能谱分布。表明在1分钟、1日到数日、
月、年的时间尺度上分别有能量密度的峰值，这些峰值分别反映了大气
边界层湍流、日变化和季节变化的运动，而在几十分钟到十几小时的时
段（即中尺度运动的事件尺度）上，则是能量密度的低谷或称为中尺度
缝隙（gap）。这种谱分析结果反映了不同尺度的客观存在性，他表明中
尺度环流的能量密度小，但是他在大尺度和小尺度运动的能量变换中起
• Peilk的定义：“它是这样的大气系统，它们的水平范围 足够的大，以致维持着流体静力近似，但有足够的小，以 致在边界层以上地转风和梯度风作为实际风环流已不合 适。”
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天气系统的尺度划分
• 早期的经验分类 • 依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类
方法） • Orlanski的综合分类（观测与理论分类）
p RT
T
1000 p
AR
Cp
• 热量方程：d dQ
dt CpT dt
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Boussinesq（包辛尼斯克近似）
du 1 p fv
dt x
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g dt z
u v w 0 x y z
方程假设：
（1）大气密度在水平方向变化很小气压梯度力项线性化； （2）垂直方向，考虑大气密度扰动引起的浮力； （3）假定大气运动是准不可压缩，滤除声波
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§1.1 中尺度气象学概述
• 天气现象：
雷暴、暴雨、冰雹、大风等对流性天气； 局地低云、浓雾等稳定性天气
• 主要特点：
生命史短、空间范围小，但天气变化剧烈
• 主要研究内容：
中尺度天气学、动力学、数值模拟、短期和甚短期预报以 及中尺度大气物理学等等方面。
4
美国电工拍到神奇超级单体风暴“上帝之眼”
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大气运动 形式
尺度分类
Rossby数 拉格朗日 时间
Emanuel将具有状态比 L / D Uz / f和时间尺度 T 1/ f 的运动定义为“中尺度”运动。
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3. Orlanski的综合分类（根据观测与理论）
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特征尺度及其量级
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§1.3 中尺度大气运动的基本特征
6
近二十年来中尺度气象学的研究进展
① 提出和得到了强风暴的三维模式； ② 进一步阐明了制约雷暴和中尺度系统演变的物
理机制； ③ 深入开展了强对流系统的数值模式的试验； ④ 中尺度动力学研究的深入开展。 ⑤ ……
观测——新的观测设备、观测网，针对性的野外观测试验；
强风暴动力学研究等
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强风暴的三维模式
2010.7.28，超级单体风暴
“上帝之眼”（风暴准备发威，直径5～ 10英里，85英里/小时）
美国电工肖 恩希维
“神族母舰”（超级单体风暴形成时） 5
中尺度气象学面临的主要科学问题
✓ 中尺度对流系统及造成暴雨天气系统的三维结构和发生 发展的观测；
✓ 中尺度系统的触发机制； ✓ 中尺度系统与地形的关系； ✓ 多尺度系统与中尺度系统之间的相互影响、作用； ✓ 中尺度大气运动不稳定问题； ✓ 中尺度天气数值模拟和预报研究； ✓ 中尺度灾害性天气的短期、甚短期或临近预报方法研究 ✓ ……