高等天气学第五讲

1954年2月27日15时，最大风层（a）等风速线，（b）平均高度，（c）12小时后 的等风速线，（d）图是（a）和（c）图的槽以西最大风等风速线的空间—时间剖 面。这张图的绘法是根据每个时间的图，在穿过急流带中心而正交于急流轴的一 条线上填上各点的风，然后分析等风速线，稍加平滑。
图5.5 72小时期间一个对流层上部急流—锋系通过一中纬斜压波传播的 理想概略图。（a）急流—锋在中高纬气流间的汇合区中形成；（b） 急流—锋位于增辐波西北气流拐点中；（c）急流—锋位于强烈发展的 波槽槽底；（d）急流—锋位于阻尼波西南气流拐点处。粗实线是等高 线，粗虚线是等风速线，细虚线是等温线。
高等天气学系列讲座 单元二：中纬度天气系统
（2010年春季）
第五讲 高空急流的次级环 流及其与锋面系统的耦合
丁一汇 国家气候中心
高空急流与锋面及锋面的次级环流有密
切的关系，故人们常把高空急流和锋面（主 要是高空锋区）统称为急流—锋系，它们相 伴随的次级环流称急流—锋次级环流。高空 急流是对流层中上部重要的风系，过去对它 的讨论和研究已经很多。本节只重点讨论一 个问题，即与急流风速最大中心（或急流带） 相联系的垂直环流及其与天气的关系，另外 也简略地讨论与东亚高空急流有关的能量学 问题。
（c）同（b），但是对19日1200GMT
引起高空锋生和对流层顶（虚线）折叠的横向/ 垂直环流示意图（Danielsen，1968）
图5.5是一个高空急流－锋系移过一个天气尺度斜 压波时的概略图。这可代表一个短波槽移过长波槽的 天气型式。开始在一极槽和中纬度脊间有一汇合区， 这种气流汇合区一般可导致高空锋和急流的形成和加 强（图5.5a）。大约一天之后（图5.5b），急流和锋 在西南－东北倾斜的辐散槽后西北气流中移到了拐点 处。这时温度槽落后于气压槽四分之一波长，因而锋 面位于冷平流区。如果在发展的短波扰动附近，基本 纬向风随纬度出现西风不断增加，则高度场的倾斜意 味着有正压发展，而温度波和高度波的分离对斜压发 展最有利。
地转悖论（Geostrophic paradox）
在急流入口区，地转风场是汇合的，它使平均温 度场在急流中心处增密（图5.6）通过热成风关 系，使地转垂直切变增强。
图5.6 急流入口区汇合流场使南北温度梯度增加
同时，地转风把较低的地转动量从外区向内核区输送，这 使内核区的风速减小（尤其是上层平流作用为主的层次）， 从而减小了该气柱中的地转风垂直切变。因此，完全相同 的地转风急流一方面增加内核区（中心区）垂直切变的量 值，另一方面通过负的地转动量平流减少地转风的垂直切 变（图5.7）。
气候平均1月份的急流所在高度（250hPa）上的纬向风速分布。等值线 间隔为15ms-1。粗线为零线，实线表示西风，虚线表现东风【数据来 源于NCEP-NCAR再分析资料，由Todd P.Mitchell提供】。
1998年11月10日12时风和位温的垂直剖面图。这个 剖面从内布拉斯加州北普拉提延伸到密西西比州杰 克逊。
图5.5b的流场结构反映了早期发展阶段非对称槽结 构的特征。在48小时后(图5.5c)，急流锋系达到长波槽 底，且具有弯曲的取向。由于温度场和高度场间南北倾 斜和位相差的消失，而变成对称结构，这表明正压和斜 压发展停止。最后(图5.5d)，急流和锋移到长波槽下游 西南气流中的拐点处，而长波槽具有汇合的结构，槽轴 的西南－东北向倾斜及温度波超前于高度波分别意味着 正压和斜压阻尼。这时波槽的非对称结构与图5.5b相反。 上面的过程清楚地说明了一个移动性急流－锋系与一缓 慢移动的斜压波相互作用的情况。
和东亚地区横交急
流轴剖面中的二维
流场（向量是无旋
分量与垂直运动之
合成）。Hale Waihona Puke Baidua）入
口区情况；（b）
出口区情况。实线
是

K
等线，单位：
Jkg-1s-1×10-4
急流中心四象限模式的三维环流示意图。只考虑汇合情况。 管状箭头：急流轴。两个曲线箭头：与急流相交的水平面 上的地转风。垂直虚线：正交于急流轴的垂直面上的Vg等 值线。流线代表横向/垂直环流（Carson，1993）
1998年11月10日00时风和 温度的垂直剖面图。 这个剖面从怀俄明州瑞尔顿到路易斯安那州 查尔斯湖
图5.1 200hPa 1月平均风速和风向（1966~1977年）。风 速的单位：ms-1。AA和BB为图5.2剖面的位置，分别代表 急流入口区和出口区
图5.2 1979年11月
20日00GMT日本
图5.7 地转动量平流使近急流中心处的风速减小（切变减小）
这就构成了一个悖论：一方面地转温度平流通过增 加平均温度梯度应使急流中心区热成风增加，另一方面， 地转动量平流应使中心区热成风减小。所以，地转风实 际上是破坏了热成风平衡，即使热成风平衡的两个分量 产生了相反的符号变化（平均温度梯度增加与风垂直切 变减小）。因为热成风是地转平衡的一种形式，因而可 以说地转风破坏了它自己！这就叫地转悖论。但实际观 测表明，中纬天气尺度急流总是近于地转平衡的，因而 可以推论，必需有另外的一部分气流在面对自身破坏趋 势下维持地转平衡，这部分气流是强迫的、非地转次级 环流。因为地转急流趋于产生热成风不平衡，所以强迫 的次级环流必须把急流带回到一种地转平衡状态。因而， 急流入口区附近的次级非地转环流其作用是：（1）减 少水平温度梯度；同时（2）增加垂直切变（图5.8）， 因为要解决地转悖论，必须产生强迫的次级环流。
用地转动量近似可进一步讨论急流中心的垂直 运动分布，请参看书中P142-143内容。这是 Uccellini等人得到的。
5.4 5.4
Q1 Q1
x
（a）1979年2月19日0000GMT通过对流层上部锋区的剖面图。细实线：θ 线， 粗实线：位涡（10×10-6K mb-1S-1）。 （b）等风速线（虚实线）和流函数线（100=3.100×105m2S-1） （c）同（b），但是对19日1200GMT
图5.8 B（A）位于急流入口区右（左）侧，所激 发的次级环流即减少经向温度梯度，又增加垂直 切变（热成风）。低层东风增加，高层面风也增 加。