11 锋生动力学和锋面次级环流

第四讲锋生动力学和锋面次级环流丁一汇国家气候中心高等天气学系列讲座单元二：中纬度天气系统锋面理论是天气学中出现的第一个比较完整的理论。20世纪初，利用欧洲尤其是北欧较为稠密的地面观测网，皮叶克尼斯（V.Bjerknes）提出了极锋理论。这个理论对当时的气象学是一个重大的突破或革命。在空间锋面是一个倾斜区，它的垂直厚度一般只1～2km。锋面的产生可以由不同的动力过程引起，因而在大气中会出现不同类型的锋面，如地面锋、低空锋、高空锋以及其它不同类型的锋面。地球的旋转也是影响锋面特征以及锋生动力学的一个重要因子。正是由于锋面受到这种旋转的明显作用（通过科氏力）而使锋面与其它辐散占优势的许多有关现象（重力波、密度流、飑线等）而有所区别。锋面的研究不但具有理论意义，也具有重要的实际意义。从气象上，地面锋和高空锋常常与中纬的斜压波和气旋有密切的关系。为了了解气旋的结构和形成，必须从锋面研究开始。虽然锋面只占斜压波一些区中不大的一部分面积，但它们对非地转环流的无旋部分是最显著的动力强迫因子；与高空锋区和高空急流带有关的辐散场在中纬气旋形成中起着很重要的作用，它可使低压的地面气压场或质量场发生变化；围绕地面和高空锋区的垂直环流则是各种中纬云系和降水系统（如大范围的斜对流、有组织的垂直对流系统和对流风暴等）发展和组织起来的一个重要因子，这对降水和强天气预报有重要意义；此外，高空锋区也是小尺度混合或晴空乱流（CAT）的主要发生区，这包括重力波、开尔文－赫姆霍兹波和一些乱流涡动等。因而确定和预报高空锋区和急流的位置与强度对于避开危险区保证飞行安全是十分重要的；最后，高空锋区是对流层和平流层之间显著的质量交换区，由此可以了解放射性尘埃、化学痕量物质的输送过程。4.1锋生函数（F）锋面的形成叫锋生，而衰减称锋消。在局地坐标系中，当某一属性（如温度、涡度、比湿、动量、散度和涡度等）在某时刻沿锋面两侧的梯度随时间加大的现象叫局地锋生。一般我们用位温梯度变化表示锋生函数。在二维锋生条件下，锋生函数可写作：2pdFdt（4.1）00,0()0,dFdtdFdt当时，为锋生当时，为锋消图4.1汇合（锋生）(a)与疏散（锋消）风场对准水平位涡场的作用（Bluestein，1986）图4.2倾斜项对垂直位温梯度的作用。(a)锋生，(b)锋消（Bluestein，1986）图4.3伸长与压缩轴取向与等位温线关系的示意图。角b与α分别是依x’轴反时针与顺时针度量。当D0，x’与伸长轴一致，y’是与压缩轴一致。当D0时，情况相反。图4.5伸长轴与等温线相对取向与锋生的关系。左：锋生（0b45），F0；右：锋消（45b90），F0（取自Bluestein,1986;Pettersen1956）图4.6锋生函数各项的垂直剖面图。所取的剖面与锋面正交。虚点线为锋面位置。（a）变形项；（b）辐合项；（c）倾斜项；（d）锋生函数（上三项之总和）。图4.6a,b,c是位温的变形项、辐合项和倾斜项的计算结果。非绝热项没有计算。可以看到上面三项具有相同的量级。在锋区中，变形和辐合项产生锋生，最大值在近地面层。倾斜项的分布比前两项不规则一些，因为这一项与垂直速度的水平导数有关，而垂直速度是很难算准的。其主要特征是在近地面上升运动中心之左为锋消，中心之右为锋生。这种近地面的锋消作用趋于与变形和辐合产生的锋生作用抵消。在600hPa上有一锋消最大值，这与该处存在着一个上升运动次极大值有关。图4.6d是三项的总和。可以看到近地面及锋面前方锋生作用很强，而中层是锋消的。上式中项1，5，9是非绝热项，2，7，12是水平和垂直变形项，3，，6，10，11代表水平与垂直切变的作用，项4，8代表垂直运动的分布不均匀的作用，即倾斜项。最后我们可总结锋生的因子为：（1）水平变形场。气流在一个方向上伸长，同时在另一个方向收缩；（2）水平切变运动；（3）垂直变形场，在一个水平方向上的收缩和伸长可引起补偿的垂直位移；（4）垂直运动分布的不均匀；（5）地面摩擦；（6）乱流和混合作用；（7）非绝热加热，包括潜热释放，感热加热（主要在地面）和辐射过程。4.2锋面的次级环流锋面的次级环流（也称锋面垂直环流）的研究是十分重要的，因为这种稳态的（主要沿与锋面正交方向）垂直环流不仅涉及到锋系的基本动力学问题，而且也是中尺度对流系统，尤其是锋前飑线和中尺度雨带的一种启动机制。强烈的锋面天气并不是产生在锋面的所有部位上，主要出现在垂直环流圈的上升支。因而只要设法确定了上升支的位置，就可以估计剧烈天气发生的地方。首先这里给出一些由实际观测分析得到的冷锋垂直环流模式。图4.7冷锋模式概略图。虚线代表气旋性相对涡度最大值轴线。虚点线连接了地面水平温度梯度最大值与地面锋后逆温层的位置。图4.8与华北冷锋有关的垂直环流图。（a）与强对流天气有关；（b）与强暴雨有关。图4.9上滑冷锋气流场分布概略图。细实线是流线，可分别代表高空急流和低空急流的位置。粗实线代表锋区和对流边界顶层。阴影区是后倾上升运动区。地面冷锋前对流边界层中的空气相对湿度很高，当它冲出到冷锋之上时达到饱和。在锋区下方下沉的空气开始是干的。以后在进入降水区后变成近于饱和。锋面的次级环流可以是热力直接的，也可以是热力间接的。这主要取决于引起次级环流的不同物理因子的相当重要性。因而从动力学上对锋面次级环流进行诊断长期以来就引起人们的重视。实际上锋面次级环流是处于平衡状态的主环流（如地转平衡）破坏后的必然产物。正如Sawyer和Eliassen曾指出的，水平无辐散的主环流强迫出次级环流，即出现水平速度和垂直速度分量，这是准地转运动的特征。在这种情况下主强迫是通过无辐散变形作用而产生次级垂直环流的。以后这种环流又通过产生次级垂直变形加速或减速锋生速度。因而次级环流问题与锋生动力学是密切联系在一起的。Sawyer和Eliassen曾得到了锋面次级环流方程，这被称为Sawyer－Eliassen环流方程。以下将详细讨论这个方程以及以后发展和应用的情况。图4.10Bluestein，1993图4.11Bluestein，1993图4.12Sawyer-Eliassen方程中强迫项和非地转环流方向的概略图。实线代表非地转环流，虚线为区分冷暖空气的一条等位温线。带叉号和带点号的圆圈分别代表进入剖面和流出剖面的沿锋面方向的风分量；（a）中的非地转环流是热力直接的；（b）中是热力间接的。图4.13地转形变（Q1）（上图），地转切变（Q2）（中图）和（Q1+Q2）（下图）强迫的次级环流图[6]。实线代表流函数（单位：105m2s-1）,虚线代表等位温线。图4.13是Shapiro计算的一个北美冷锋次级环流的例子。可以看到Q1在高空锋附近强迫出一个热力直接的次级环流，在急流中心上方的平流层中，有一较弱的直接环流。Q2强迫的次级环流与Q1是反号的，围绕锋区强迫出一热力间接的环流。Q1+Q2=Q强迫出两个相反的环流圈，锋区下部为直接的，上部为间接的。这是由于上部Q2占优势，下部Q1占优势。中纬度天气尺度运动一般是处于地转平衡的。但对流一旦爆发，可使大气脉冲形式失去地转平衡。结果地转动量近似不成立，另外当气块有明显曲率时，地转风的离心力加速度很大，地转动量近似也不成立；另外，对于直线气流，如气块加速度很强，使R0≈1，地转动量近似也不成立。但地转动量近似是有优点的：（1）动量与温度的非地转平流及动量垂直平流很显著时仍很易计算垂直速度与位势倾向。（2）可用不同的分辨率研究天气系统特征。在大的气旋性涡度区，分辨率最高，即锋区。