中小尺度动力气象学

中小尺度天气动力学

第一章中尺度天气系统的特征

1、中尺度天气系统：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。

2、划分依据及分类：

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

2）依据物理本质对天气系统进行分类（动力学分类方法）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

行星尺度、气旋尺度、中尺度、积云尺度、小尺度

3）Orlanski的综合分类（观测与理论分类）

大尺度（α、β）中尺度（α、β、γ）小尺度

3、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；

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

第二章地形性中尺度环流

1、中尺度大气环流系统的分类：地形性环流系统、自由大气环流系统

2、地形波的基本类型主要依赖风的不同类型

（1）层状气流

小风、层状气流。平滑浅波，波动只发生在山脉上空的浅层，向上很快消失——山脉波（mountain wave）

（2）驻涡气流：

在山顶高度以上风速较大时，可能在山脉背风坡形成半永久性的涡动，上面则有气流的平滑浅波——驻涡（standing eddy）

（3）波动气流

当风速随高度增大时，在背风坡出现波动气流——背风波（lee wave）。背风波可以伸展到对流层上层和平流层。

（4）转子气流：

在背风波出现时，当垂直方向有风速极大值出现时，则会形成转子气流（rotor streaming）。

驻涡和转子是背风波的特殊形式！

3、背风波的形成、特征及大气条件

背风波是地形波的一种类型，由于障碍物引起空气垂直振荡而造成的。

特征：波长：1.8～70km之间，多为5～20km左右。波长一般随高度而变，高层较

长，低层较短。 随风速而变，风速愈大，波长愈大。

波幅：指流线的峰、谷之间的距离。背风波的波幅可在几 百米至2km 之间。一般在0.3~0.5 km 。与波长无一 定联系。当波长与山脉形状一致时，振幅最大。

垂直速度：一般为2~6 m/s ，最大可达15 m/s 。波长为13km 的背风波的垂直速度最大。

4、 海陆风发生时间与强度的规律：

中午12时前后，开始吹海风，15时前后海风最强；夜间03时前后，开始吹陆风，凌晨06时前后陆风最强。

风向变化的规律： 一般情况下，北半球多随时间顺时针旋转，南半球呈逆时针旋转。 风向取决于：地球自转项、中尺度气压梯度力项、大尺度项、摩擦项、平流项

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第三章 自由大气非对流性中尺度环流

1、 重力波的定义、分类、基本特征、发生的天气条件、对天气的影响

定义： 重力波是因静力稳定大气受到扰动而产生的惯性振荡的传播，属于横波（质点扰

动方向与波的传播方向垂直）。

分类：

重力外波——由外部条件作用下存在的重力波；

重力内波——当外部条件被限制时，存在于流体内部的重力波 ；

惯性重力内波——考虑地球自转的影响

基本特征：在大气中经常发生重力波(或重力惯性波)，它的频谱很广，周期、波长、移速

差别很大，从周期10分钟，气压振幅只100微巴的高频波，到周期为几十小

时，或者气压振幅达几毫巴的大振幅波。

产生的天气条件：

稳定层（或逆温层）；

具有明显的风速垂直风切变；

通常而言，Ri<0.5，Ri 越小重力波振幅越大。

重力波的作用

①可触发对流

②可引起晴空湍流 (CAT ，clear air turblence)

③高低空能量传输

④不同尺度之间能量交换

2、风速垂直切变与重力波发生发展的关系 在基本气流随高度变化，即 的环境中，扰动会受到风速垂直切变的显著影响，风速垂直切变愈强，影响愈大。

3、锋与锋生

锋——通常指具有强大水平温度梯度和较大静力稳定性以及较大气旋性涡度的狭长地

带。长度约为1000 km ，宽度约为 100 km 。锋长度属于中尺度系统的范围。

锋生、锋消：

锋的形成（加强）——锋生

锋的消亡（减弱）——锋消

4、中尺度高空急流

急流：一条强而窄的准水平的气流带。

低空急流：700 hPa 左右的急流 0u z

∂≠∂

高空急流：一般指对流层上部的急流。具体强度标准一般是规定急流中心最大风速在对流层的上部必须大于或等于30 m/s，风速水平切变量级为每100 km

为5m/s，垂直切变量级为每千米 5～10 m/s。

第四章：中尺度对流系统

1、定义：中尺度对流系统（MCS）泛指水平尺度为10-2000km左右的具有旺盛对流运动的天气系统。

2、分类：

按天气现象分类：

暴雨、暴雹、飑线

按系统结构分类:

孤立对流系统；带状对流系统；

中尺度对流复合体（MCC）

按运动状态分类:

移动性、静止性和准静止性对流系统

3、孤立对流系统有三种基本类型：

普通单体雷暴、多单体风暴与超级单体风暴。

普通单体雷暴：

通常将一个强上升区（垂直速度>=10m/s，水平范围十至数十千米，垂直伸展几乎达到整个对流层）称为一个对流单体。伴有强烈放电现象的对流系统称为雷暴；只有一个对流单体构成的雷暴系统叫做单体雷暴，亦即普通单体雷暴。

单体雷暴的发展经历塔状积云、成熟、消散三个阶段。

每个阶段的主要特征的差异主要表现在云内的垂直气流、温度和物态等几个方面。

雷暴系统一般随最低5-8km 高度的环境平均风移动。伴随有阵风、阵雨、小雹等强天气现象，时间一般比较短暂。

多单体雷暴：

多单体雷暴（muti-cell storm）是由一些处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体组成，是具有统一环流的雷暴系统。

通常在风暴移动方向上辐合最强，从而促使沿阵风锋附近新的上升气流发展。然后每个新生对流单体又经历其自身的发展过程。

多单体风暴中的单体呈现有组织的状态，这与新单体仅出现在一定的方向上有关，否则，便会呈现无组织的形态。

在多单体风暴中，个别单体的传播可能有三种不同方式：

1）个别单体向平均风左侧传播；

2）个别单体向平均风右侧传播；

3）个别单体随环境风移动。

超级单体风暴

超级单体风暴（super-cell storm）是指直径达20~40km 以上，生命期达数小时以上，即比普通的成熟单体雷暴更巨大、更持久、天气更猛烈的单体强雷暴系统。

它具有近于稳定的、高度有组织的内部环流（图4.11）。并且连续地向前传播可达数百公里。