中尺度气象学第三章

2、重力波的结构
重力波解（李麦村,1978,大气科学）：

s w 0sinkz zcos(k x x k y y t ) w 0 fk z
D k z w 0 coskz zsin(k x x k y y t )


w -w0sinkz zsin(k x x k y y t ) p (1 f2
Buoyancy waves where air parcels oscillate along slant paths
λH
Group velocity
z
λv Phase velocity
x
Group and phase velocity
Individual phase fronts propagate perpendicular to themselves as normal
重力波的作用：
• 使一般降水区位于低压环流的后部，与高 压环流的前部。
在锋面气旋、登陆台风以及低空急流等许 多系统中，都经常有中尺度重力波活动， 它们与暴雨有着密切的关系。
3.2 重力波的发生发展
1、风的垂直切变与重力波发生发展的关系 在静止大气的环境中重力波是由重力和浮力作用 产生的，即扰动的振荡是通过扰动动能与重力位能 的相互转换而实现的。
重力波的性质
重力波是一种垂直横波，质点振动方向与波的 传播方向垂直，当这类波动水平传播时，空气 质点做上、下移动。 纵波或压缩波传播时，质点振动是平行于波的 传播方向的。 水平横波作纬向传播时，质点是作经向移动的， 质点振动方向和波的传播方向都在水平面上 （天气图上的水平横波）。 背风波也是一种重力波，有固定发生源。
GROUP of waves propagates ALONG phase lines
The 3-8-day filtered 850 hPa wind field (vector) and negative OLR anomalies (shaded) on (a) 27 June, (b) 29 June, (c) 1 July, (d) 3 July, (e) 5 July, (f) 7 July 2002. The typhoon symbols denote the locations of cyclogenesis. The letters of “A” and “C” stand for anticyclonic and cyclonic circulations.

coskz zcos(k x x k y y t )

2 2 1 )( k k (k x x k y y t ) x y ) k z w 0 coskz zcos 2
重力波结构示意图（Uccellini 和Koch987）
地面实线为涡 度虚线为散度
高
低
高
低
重力波的特点
L
赤道
H
H
L
混合Rossby-重力波 (MRG wave)
L H 赤道
热带低压型扰动 (TD-type-disturbance)
重力波对对流天气的作用
重力波出现在对流天气发展之前，触发机制的 作用。
当已经产生的对流区有重力波通过时，对流强 度会出现周期性变化。在波槽后，对流发展， 最强对流活动出现在波脊处，当下一个波槽接 近时，对流强度减弱，以后当另一个波脊接近 时，对流又重新加强。
Gaussian-shaped ridge, width 1 km
Gaussian-shaped ridge, width 100 km
From Carmen J. Nappo, Atmospheric Gravity Waves, Academic Press
Propagating gravity waves
重力波
重力振荡即浮力振荡，重力波即浮力波 可产生重力波的系统多种多样：
暖平流导致产生气体膨胀使质点产生位移产 生重力波 锋面抬升、大气中的辐合辐散场、背风波、 风速的垂直切变、高低空急流的质量调整等
What causes them?
Gravity waves have a variety of causes, e.g. Flow over a mountain range Flow over convective cloud (moving mountain) Kelvin-Helmholtz instability around the jet stream Geostrophic adjustment
与强降水相联系的重力波一般是振幅较大， 存在时间较长的重力波。
（3）观测方法 微压计（10μbar以下） 卫星 雷达 气象飞机 声学探测法
典型的对流层中尺度 重力波包括大振幅的 不规则型和振幅较小 的较规则型。
重力波产生的天气条件
逆温层或稳定层存在 明显的风速垂直切变 Ri<0.5（ 有时Ri<0.25） ，Ri越小 重力波振幅越大。
V f t D 0 t V p t p
fD t D 2 f t 2 C 2 t p p
重力波的类型
大气很高层重力波
高于20km
次天气尺 度波长有上千公里
重力波
大气层主体中的重力波
500m至20km
中尺度
大气很低层重力波
低于500m 简称K—H波。这类波的波 长很短，通常是中、小尺 度系统之间的联系者。
重力波可发生在大气层的各个高度上，低至近地面层，高至75-100km的高空
中尺度重力波：波长4.4-300km,平均约为 34km;振幅约852m，气压振幅为0.1-5hPa， 平均0.9hPa；周期4-160min,平均27min；相 速为5.9-60m/s；平均26m/s（阿特金森， 1987） Uccellini和Koch（1987）指出，中尺度重力 波波长50-500km,周期1-4h,气压振幅1.07.0hPa;水平相速为13-50m/s；存在时间933h以上。
C2 t p
2 p ˆ 2 ˆ f t 2
1 2 f


1 2 ( 200 850 ) (200 850 ) f
Rossby number
dV dt Ro fV
dV k fVag dt Vag Ro V
1 t1时刻，气层发生扰动气 层Z的平均风速为U U 2 扰动前t0时刻气层的平均动能：
1 1 2 1 1 2 2 2 （E k） [ U (U U) ] [U (U U) ] t0 2 2 2 4 1 1 2 扰动后t1 时刻气层的平均动能（ E k） U） t1 （U 2 2 扰动前后的动能差： 1 2 1 U 2 2 此能量可以用来产 （E k） U ( ) (z) 生上升运动 t0 (E k ) t1 8 8 z
第三章 自由大气非对流性中尺度环流
§3.1 自由大气的重力波 §3.2 重力波的发生发展 §3.3 锋和急流系统
§3.4 锋-急流附近的次级环流
本章要求
掌握：重力波的观测特征
熟悉：重力波的天气背景
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理解：重力波的发生发展
了解：重力波的结构及其对天气的影响 初步了解：锋和急流系统及次级环流
①气压场与涡度场同位相，高压中心与气旋 涡度中心重合，反气旋涡度中心与低压中 心重合； ②涡度与散度中心位相差π/2，气压场与散 度场也相差π/2； ③垂直运动与散度同位相（上升运动区→辐 合区，下沉运动区→ 辐散区） ④上升运动区一般为降水区。
辐合、上升
辐散、下沉
于是，高压移向辐合区，低压移向辐散区，扰动沿气流方向传播。 如果大气是对流不稳定的，则在重力波槽通过之后，即在上升运动区，对流应 当发展。最强的对流活动发生在气块最大位移处，即与波脊相一致。
重力波是静力稳定大气受到扰动后产生的振荡的传播
T1
T0
T1
T0
dw 0 dt
dw 1 p T g dt z T
' '
dw 0 dt
T1 T1
dw 0 dt
T T ' z z '，为静力稳定大气 dw T T - T ;当T T 时， 0 dt
3.1 自由大气的重力波
1、重力波的基本类型
研究意义 ： 重力波是大气中的基本波动之一，也 是最简单和最基本的中尺度运动之一。它们可能 起到触发对流性风暴、传输能量和动量等重要作 用，特别是大振幅的重力波会对天气产生很大的 影响。 定义：一般把由于外部条件作用下方能存在的 重力波称为重力外波，而把在外部条件被限制 （如上下边界固定）时，存在于流体内部的重 力波称为重力内波。
产生重力波的条件是Ri<1/4.
V f fD 0 t
D 2 f 0 t
C 2 R dQ V 2 0 t p C p p dt p p
中尺度大气环流系统
地形性 环流系统 中尺度 大气环 流系统
机械性强迫运动 （如地形波、下 坡风、尾流等）
下垫面的起伏不平或冷 热不均所引起的
热力性强迫运动 （如热岛环流、海 陆风、山谷风等） 非对流性环流（如 移动性重力波、锋急流次级环流等）
自由大气
环流系统
对流性环流 浅对流
锋面雨带
深对流
雷暴、超级单体、飑线
Ro
小,接近地转, 大,非地转 是地转调整产生重力波的动力条件 可能出现大振幅中尺度重力波
Ro 0.5
Ro=2p / fT
产生重力波的条件是Ri<1/4.
假设z→z+Δz层为静力稳定层，有风随高度的变化
Z+△z U+△U
z:U z z : U U
Z U
1 U U为气层z的平均风 2
Some examples of Lenticular clouds
Lee waves
24 Jan 2002 NNW flow over UK with stable cap on boundary layer: trapped gravity waves
Calculated wave patterns over a two-dimensional ridge
N2 g 2 Ri; N u 2 z 0 ( ) z
l 0 z
2
Ri<0.25
8-10km 高空锋区、风垂直切变局地最 大值、理查森数最小值
重力波的作用
①可触发对流 ②可引起CAT (clear air turblence)晴空湍流 ③高低空能量传输 ④不同尺度能量交换
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。 重力波又可分为移动性和静止性的，山脉背风面 出现的地形波，是一种静止性重力波它可向上伸 展到对流层上部和平流层下部；移动性重力波通 过时，会造成地面气压和风场的扰动。 不同的重力波对天气的影响不同。许多天气分析 表明，一些大振幅的次天气尺度或中尺度的重力 波(或重力惯性波)与对流天气的发生有密切的关 系。
u 0, 扰动的振荡机制与静止 大气的环境中的机制是 相同的。 z
u 0, 扰动会受到垂直风切变 的显著影响，风速垂直 切变愈强， z 影响也愈大。
Miles（1961）和Howard（1961）等研究了风速垂 直切变与重力波发生发展的关系，指出当平均气 流的风速垂直切变较大，造成切变不稳定时，波 动可以从这种动力不稳定气流中获取能量而发生 增长。特别是在急流附近，风速有很强的垂直切 变，容易引起重力波，所以急流附近成为产生中 尺度重力波的能源区。