中小尺度天气动力学-2
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绪论
中小尺度天气学研究的对象、内容、意义。
研究对象：大气中的中小尺度环流系统。 研究的内容：中小尺度环流系统的结构、 内容、机制、规律、分析预报方法。
意义1：中小尺度环流系统是许多灾害性天 气的制造者和载体。 意义2：中小尺度天气学是甚短期预报和临 近预报的理论基础 WMO大气科学委员会，1981.10提出， 1983.1确定 长期预报：7天以上，中期3~7天，短期 1~3天，甚短期预报：0~12小时，临近预 报：0~2小时。
楔状龙卷（Wedge Tornado）
http://greek.wunderground.com/data/wximagenew/m/MikeTheiss/453.jpg
绳状龙卷（Rope Tornado)
http://www.outdoor.com/wp-content/uploads/2008/01/ropetornado.jpg
（四）Orlanski标准
如何发现中尺度对流系统？ 雷达 加密观测 数值模拟
Dr. Kerry Emanuel, Professor, Atmospheric Science,
Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Isidoro Orlanski
飑线
0.5
0.5
3.4
3.4
河南安徽江苏 6.3 飑线过程
19:55 飑线
Leabharlann Baidu概况
2010年8月7日晚11时左右，舟曲县城东北部山区突降特大暴 雨，降雨量达97毫米，持续40多分钟。但是，甘肃南部舟曲县 气象资料的降水量在当晚和次日晨为零。 舟曲县多年的平均年降水量不到200毫米 。 经过分析表明,造成此次特大山洪泥石流的主要气象触发因素是 一场局地性强、短时强度大、突发性强的短历时强降雨型的强 对流天气过程;经过雷达、卫星资料分析,其天气系统具有明显 的中尺度特征;这种中尺度天气系统的发生、发展是在高空有冷 空气东移南下的大尺度环流背景下,由低层切变线天气系统强迫 作用造成的。引发舟曲特大泥石流暴雨的是一具有长生命史的 移动性中尺度对流系统 （mcs）
二、中尺度大气运动的基本特征
(1)空间尺度小, 生命期短。β中尺度系统的水平尺 度( L )一般为20～200 km, 垂直尺度( H) 为10 km 左右, H/ L 生命史：几～十几小时, 而大尺度系统在12～24 h 以上
（2）气象要素梯度大。中尺度天气系统气象要素 的梯度很大, 气压达1～3 hPa/ 10 km , 温度3℃ 以上/ 10 km, 飑线过境时, 变温为10℃/ 15 min 左右, 变压为6 hP a/ 15 min左右。
Tetsuya “Ted” Fujita, 1920-1998
Ogura 1963 小仓 Fujita（藤田哲也）1963 Orlanski 1975
中小尺度天气学主要研究对象
（一）由大气内部过程综合作用为主衍生的 系统
中低压、中高压、超级单体、MCC、飑线等。
（二） 由地形中不均匀的下垫面引起强迫 作用导致的系统
（2）1975年8月5-7日河南省特大暴雨 1975年8月上旬在河南省南部、淮河上游的丘陵地区发生一次 历史上罕见的特大暴雨（下称“758”暴雨），暴雨中心最大过 程雨量（8月4日-8日）达1631毫米，三天（8月5-7日）最大 降水量达1605毫米。图14.30是5日-7日三天雨量分布图。最 强的雨带呈西北—东南走向，位于伏牛山麓的迎风面。4-8日 超过400毫米的降雨面积达19410平方公里。驻马店地区、许 昌地区南部和南阳地区东北部，雨量普遍大于500毫米，大雨 1000毫米的降水区在京广铁路以西薄山水库西北经板桥水库、 石漫滩水库到方城一带。暴雨的降水强度极强，1天最大降水 量为1005毫米，6小时最大降水量为685毫米，1小时最大降 水量为189.5毫米。1小时和6小时雨强均为我国历史上最高记 录。
2010年7月27日深圳
昨日上午将近9点的时候，深圳市国家气候 气象台在深圳湾西南部临近 香港一侧的海面上，监测发现了“水龙卷”， 水龙卷是一种罕见的天气气象，这是深圳气 象部门首次记录下活动长达10多分钟的“水 龙卷”影像资料。 2010年7月27日8时50分-9时08分左右
MCC
分类方法不统一，主要有以下几种
（一）经验分类方法 大尺度、中尺度、小尺度（空间尺度分别 为106m，105m，104m，时间尺度分别为： 105s，104s，103s） （二）动力学标准 Ro( 罗斯贝数)、Fr( 弗罗德数)、Ri (里查 森数)、Re ( 雷诺数)
中尺度的定义
Ligda ( 1951 )曾把中尺度现象定义为: 对 常规高空探测网(间隔几百千米) 来说太小, 以致完全捕捉不到; 对单站雷达观测又太大 ( 缺乏遥感能力) , 而不能完全观测得到的 那些大气现象。因而将中尺度描述性地定义 为时间尺度和空间尺度比常规探测站网小, 但比积云单体又大得多的一种尺度, 即它们 的水平尺度约为几千米到几百千米,时间尺 度约为1～12 h。
欧美和日本气象界, 一般以水平空间尺度作为 划分标准, 将大气过程区分为： 大尺度(macro - 大于2000 km) , 中尺度(meso - 2～2000 km) , 小尺度(micro - 小于2 km )。 而在日本又于中尺度和大尺度之间, 给出中间 尺度(intermediate scale , 水平尺度为 200～2000 km 之间)的定义。
自由大气和近地面的东西风分量的平均动能 ( 引自Vin nic he nko , 1970 )
（三）需要进一步研究的内容
中尺度环流的动力机制。 中尺度强迫机制和中尺度系统、中尺度波的传播特 征。 积云与中尺度系统的相互作用。 中尺度环流与大尺度环流的相互作用。 中尺度系统的可预报性。 临近预报和超短时预报的准业务试验或业务工作, 发布了强天气的警报。
其他
Ga te 将热带天气现象的水平尺度区分为: A 尺度 ( 波动尺度, 103～104 km) , B尺度( 云簇尺度, 102～103 km) , C 尺度( 中尺度, 101 ～102 km) , D 尺度( 积云尺度,1～10 km)。 AEIOU 分类法: Fujita ( 1981 ) 提出以一个英语 母音AEIOU 分类法来划分尺度, 以地球尺度圆周 约40000 km为准, 将大气过程具体划分为五种尺 度: mAso 尺度(400～40000 km) , mEso 尺度 ( 4～400 km) , mIso 尺度(40m～4 km) , mOso 尺度(40 cm～40 m) , mUso 尺度(4 mm～40 cm)。
意义3：中小尺度环流系统是大气环流的重 要成员。
大尺度环流系统制约着中尺度的环流系统 中小尺度环流系统可以影响大尺度环流系统。
中尺度天气系统和天气现象
强对流天气 （雷暴、超级单体、龙卷、飑线、中尺度对流 复合体等） 台风 暴雨
Supercell thunderstorm
图14.30 1975年8月5-7日雨量分布图。虚线：100米等高线
中小尺度天气学的主要内容
中小尺度天气系统的基本特征和方程组 地形性中尺度环流 自由大气中非对流性中尺度环流 中尺度对流系统 锋面气象及台风附近的中尺度雨带 大气中的不稳定与对流的关系 影响中尺度对流系统发生发展的因子
主要参考书：
陆汉城, 中尺度天气原理和预报, 气象出版社, ( 2000) 。 杨国祥, 中小尺度天气学, 气象出版社, ( 1983) 。 杨国祥等, 中尺度气象学, 气象出版社, ( 1991) 。 寿绍文等, 中尺度天气动力学, 气象出版社, (1993)。 寿绍文等, 中尺度对流系统及其预报, 气象出版社, (1993 )。 Lin, Y.-L., Mesoscale Dynamics. Cambridge University Press. (2007)
第一章
本章重点：
天气系统的一般分类标准 中小尺度大气运动的基本特征 中小尺度天气学主要研究对象 描述中小尺度运动的方程组
一、天气系统 分类
不同尺度的物理现象性质不同，研究方法和工 具不同 如： 大尺度气旋 500~2000km 中尺度气旋 10-100km 下击暴流 200km 微下击暴流 1km 龙卷 30-300m
美国是世界上出现龙卷最多的国家, 平均每年达 403 个, 1974 年4 月3～4 日, 在美国中、东部, 24 h 内连续出现148 个龙卷。 1999年5月3日，一共有66个龙卷风袭击俄克拉荷 马州和邻近的堪萨斯州，造成49人丧生，摧毁了 2600间房屋，8000间建筑物受损，经济损失达 12亿美元，是近年来破坏力最大的龙卷风袭击事 件。
莫拉克颱風期間總累積雨量圖
（1）1963年8月上旬河北省特大暴雨（638暴 雨） 1963年8月上旬，河北省太行山东麓地区 出现了有气象记录以来的特大洪水。这次洪 水是由为时一星期的持续性强降水所造成的。 过程总降水量的最大值达到1329毫米，并 且8月4日在邢台专区的的司苍站24小时降 水量达到704毫米。这次暴雨强度大，面积 广，这在历史上是少见的。
非地转平衡和非静力平衡及强的垂直运动。 气压场适应风场。 小概率和频谱宽、大振幅事件。
非地转平衡和非静力平衡
准静力平衡近似对于大尺度运动是相当精确的, 由于中尺度运动包含的空间尺度范围比较宽广, 一 般认为对于较大的中尺度运动, 静力平衡仍是一种 较好的近似, 特别是用尺度分析法讨论α中尺度系 统的垂直运动方程时,加速度项比气压梯度力和浮 力项小一个量级。 但是对于β中尺度, 尤其是γ 中尺度运动, 准静力平 衡假定对所描述的中尺度系统有明显的歪曲, 因而有人提出采用非静力平衡的模式更能描述 中尺度系统的物理本质和过程, 这个问题还在进一 步研究之中。
Piel k 把中尺度运动定义为:“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, 但又足够的小, 以致在 边界层以上地转风和梯度风作为实际风环流 近似已不合适”，这种流体静力近似主要适 用于中尺度运动中的尺度较大的系统。
表1.1 不同尺度的运动特征
（三）欧美、日本标准
2009 0807 12:00~0809 12:00 高雄最大累積雨量2419mm，颱風逆 時旋轉引進西南氣流，雨量大部分都停留於高雄山區，導致山崩、土石 流造成575人死亡(其中甲仙鄉小林村456人)
台风
“莫拉克”威力 --造成南台湾50年最重水灾 “莫拉克”台风带来的强风暴雨持续3天影 响台湾地区，尤其是大暴雨造成台湾中南部 50年来最严重的水灾。在受灾严重的屏东县， 累积雨量已达2400毫米。 东海掀起8米狂浪
中小尺度天气学研究的对象、内容、意义。
研究对象：大气中的中小尺度环流系统。 研究的内容：中小尺度环流系统的结构、 内容、机制、规律、分析预报方法。
意义1：中小尺度环流系统是许多灾害性天 气的制造者和载体。 意义2：中小尺度天气学是甚短期预报和临 近预报的理论基础 WMO大气科学委员会，1981.10提出， 1983.1确定 长期预报：7天以上，中期3~7天，短期 1~3天，甚短期预报：0~12小时，临近预 报：0~2小时。
楔状龙卷（Wedge Tornado）
http://greek.wunderground.com/data/wximagenew/m/MikeTheiss/453.jpg
绳状龙卷（Rope Tornado)
http://www.outdoor.com/wp-content/uploads/2008/01/ropetornado.jpg
（四）Orlanski标准
如何发现中尺度对流系统？ 雷达 加密观测 数值模拟
Dr. Kerry Emanuel, Professor, Atmospheric Science,
Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Isidoro Orlanski
飑线
0.5
0.5
3.4
3.4
河南安徽江苏 6.3 飑线过程
19:55 飑线
Leabharlann Baidu概况
2010年8月7日晚11时左右，舟曲县城东北部山区突降特大暴 雨，降雨量达97毫米，持续40多分钟。但是，甘肃南部舟曲县 气象资料的降水量在当晚和次日晨为零。 舟曲县多年的平均年降水量不到200毫米 。 经过分析表明,造成此次特大山洪泥石流的主要气象触发因素是 一场局地性强、短时强度大、突发性强的短历时强降雨型的强 对流天气过程;经过雷达、卫星资料分析,其天气系统具有明显 的中尺度特征;这种中尺度天气系统的发生、发展是在高空有冷 空气东移南下的大尺度环流背景下,由低层切变线天气系统强迫 作用造成的。引发舟曲特大泥石流暴雨的是一具有长生命史的 移动性中尺度对流系统 （mcs）
二、中尺度大气运动的基本特征
(1)空间尺度小, 生命期短。β中尺度系统的水平尺 度( L )一般为20～200 km, 垂直尺度( H) 为10 km 左右, H/ L 生命史：几～十几小时, 而大尺度系统在12～24 h 以上
（2）气象要素梯度大。中尺度天气系统气象要素 的梯度很大, 气压达1～3 hPa/ 10 km , 温度3℃ 以上/ 10 km, 飑线过境时, 变温为10℃/ 15 min 左右, 变压为6 hP a/ 15 min左右。
Tetsuya “Ted” Fujita, 1920-1998
Ogura 1963 小仓 Fujita（藤田哲也）1963 Orlanski 1975
中小尺度天气学主要研究对象
（一）由大气内部过程综合作用为主衍生的 系统
中低压、中高压、超级单体、MCC、飑线等。
（二） 由地形中不均匀的下垫面引起强迫 作用导致的系统
（2）1975年8月5-7日河南省特大暴雨 1975年8月上旬在河南省南部、淮河上游的丘陵地区发生一次 历史上罕见的特大暴雨（下称“758”暴雨），暴雨中心最大过 程雨量（8月4日-8日）达1631毫米，三天（8月5-7日）最大 降水量达1605毫米。图14.30是5日-7日三天雨量分布图。最 强的雨带呈西北—东南走向，位于伏牛山麓的迎风面。4-8日 超过400毫米的降雨面积达19410平方公里。驻马店地区、许 昌地区南部和南阳地区东北部，雨量普遍大于500毫米，大雨 1000毫米的降水区在京广铁路以西薄山水库西北经板桥水库、 石漫滩水库到方城一带。暴雨的降水强度极强，1天最大降水 量为1005毫米，6小时最大降水量为685毫米，1小时最大降 水量为189.5毫米。1小时和6小时雨强均为我国历史上最高记 录。
2010年7月27日深圳
昨日上午将近9点的时候，深圳市国家气候 气象台在深圳湾西南部临近 香港一侧的海面上，监测发现了“水龙卷”， 水龙卷是一种罕见的天气气象，这是深圳气 象部门首次记录下活动长达10多分钟的“水 龙卷”影像资料。 2010年7月27日8时50分-9时08分左右
MCC
分类方法不统一，主要有以下几种
（一）经验分类方法 大尺度、中尺度、小尺度（空间尺度分别 为106m，105m，104m，时间尺度分别为： 105s，104s，103s） （二）动力学标准 Ro( 罗斯贝数)、Fr( 弗罗德数)、Ri (里查 森数)、Re ( 雷诺数)
中尺度的定义
Ligda ( 1951 )曾把中尺度现象定义为: 对 常规高空探测网(间隔几百千米) 来说太小, 以致完全捕捉不到; 对单站雷达观测又太大 ( 缺乏遥感能力) , 而不能完全观测得到的 那些大气现象。因而将中尺度描述性地定义 为时间尺度和空间尺度比常规探测站网小, 但比积云单体又大得多的一种尺度, 即它们 的水平尺度约为几千米到几百千米,时间尺 度约为1～12 h。
欧美和日本气象界, 一般以水平空间尺度作为 划分标准, 将大气过程区分为： 大尺度(macro - 大于2000 km) , 中尺度(meso - 2～2000 km) , 小尺度(micro - 小于2 km )。 而在日本又于中尺度和大尺度之间, 给出中间 尺度(intermediate scale , 水平尺度为 200～2000 km 之间)的定义。
自由大气和近地面的东西风分量的平均动能 ( 引自Vin nic he nko , 1970 )
（三）需要进一步研究的内容
中尺度环流的动力机制。 中尺度强迫机制和中尺度系统、中尺度波的传播特 征。 积云与中尺度系统的相互作用。 中尺度环流与大尺度环流的相互作用。 中尺度系统的可预报性。 临近预报和超短时预报的准业务试验或业务工作, 发布了强天气的警报。
其他
Ga te 将热带天气现象的水平尺度区分为: A 尺度 ( 波动尺度, 103～104 km) , B尺度( 云簇尺度, 102～103 km) , C 尺度( 中尺度, 101 ～102 km) , D 尺度( 积云尺度,1～10 km)。 AEIOU 分类法: Fujita ( 1981 ) 提出以一个英语 母音AEIOU 分类法来划分尺度, 以地球尺度圆周 约40000 km为准, 将大气过程具体划分为五种尺 度: mAso 尺度(400～40000 km) , mEso 尺度 ( 4～400 km) , mIso 尺度(40m～4 km) , mOso 尺度(40 cm～40 m) , mUso 尺度(4 mm～40 cm)。
意义3：中小尺度环流系统是大气环流的重 要成员。
大尺度环流系统制约着中尺度的环流系统 中小尺度环流系统可以影响大尺度环流系统。
中尺度天气系统和天气现象
强对流天气 （雷暴、超级单体、龙卷、飑线、中尺度对流 复合体等） 台风 暴雨
Supercell thunderstorm
图14.30 1975年8月5-7日雨量分布图。虚线：100米等高线
中小尺度天气学的主要内容
中小尺度天气系统的基本特征和方程组 地形性中尺度环流 自由大气中非对流性中尺度环流 中尺度对流系统 锋面气象及台风附近的中尺度雨带 大气中的不稳定与对流的关系 影响中尺度对流系统发生发展的因子
主要参考书：
陆汉城, 中尺度天气原理和预报, 气象出版社, ( 2000) 。 杨国祥, 中小尺度天气学, 气象出版社, ( 1983) 。 杨国祥等, 中尺度气象学, 气象出版社, ( 1991) 。 寿绍文等, 中尺度天气动力学, 气象出版社, (1993)。 寿绍文等, 中尺度对流系统及其预报, 气象出版社, (1993 )。 Lin, Y.-L., Mesoscale Dynamics. Cambridge University Press. (2007)
第一章
本章重点：
天气系统的一般分类标准 中小尺度大气运动的基本特征 中小尺度天气学主要研究对象 描述中小尺度运动的方程组
一、天气系统 分类
不同尺度的物理现象性质不同，研究方法和工 具不同 如： 大尺度气旋 500~2000km 中尺度气旋 10-100km 下击暴流 200km 微下击暴流 1km 龙卷 30-300m
美国是世界上出现龙卷最多的国家, 平均每年达 403 个, 1974 年4 月3～4 日, 在美国中、东部, 24 h 内连续出现148 个龙卷。 1999年5月3日，一共有66个龙卷风袭击俄克拉荷 马州和邻近的堪萨斯州，造成49人丧生，摧毁了 2600间房屋，8000间建筑物受损，经济损失达 12亿美元，是近年来破坏力最大的龙卷风袭击事 件。
莫拉克颱風期間總累積雨量圖
（1）1963年8月上旬河北省特大暴雨（638暴 雨） 1963年8月上旬，河北省太行山东麓地区 出现了有气象记录以来的特大洪水。这次洪 水是由为时一星期的持续性强降水所造成的。 过程总降水量的最大值达到1329毫米，并 且8月4日在邢台专区的的司苍站24小时降 水量达到704毫米。这次暴雨强度大，面积 广，这在历史上是少见的。
非地转平衡和非静力平衡及强的垂直运动。 气压场适应风场。 小概率和频谱宽、大振幅事件。
非地转平衡和非静力平衡
准静力平衡近似对于大尺度运动是相当精确的, 由于中尺度运动包含的空间尺度范围比较宽广, 一 般认为对于较大的中尺度运动, 静力平衡仍是一种 较好的近似, 特别是用尺度分析法讨论α中尺度系 统的垂直运动方程时,加速度项比气压梯度力和浮 力项小一个量级。 但是对于β中尺度, 尤其是γ 中尺度运动, 准静力平 衡假定对所描述的中尺度系统有明显的歪曲, 因而有人提出采用非静力平衡的模式更能描述 中尺度系统的物理本质和过程, 这个问题还在进一 步研究之中。
Piel k 把中尺度运动定义为:“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, 但又足够的小, 以致在 边界层以上地转风和梯度风作为实际风环流 近似已不合适”，这种流体静力近似主要适 用于中尺度运动中的尺度较大的系统。
表1.1 不同尺度的运动特征
（三）欧美、日本标准
2009 0807 12:00~0809 12:00 高雄最大累積雨量2419mm，颱風逆 時旋轉引進西南氣流，雨量大部分都停留於高雄山區，導致山崩、土石 流造成575人死亡(其中甲仙鄉小林村456人)
台风
“莫拉克”威力 --造成南台湾50年最重水灾 “莫拉克”台风带来的强风暴雨持续3天影 响台湾地区，尤其是大暴雨造成台湾中南部 50年来最严重的水灾。在受灾严重的屏东县， 累积雨量已达2400毫米。 东海掀起8米狂浪