高等天氣學系列第五講高空急流的次級環(huán)流和其與鋒面系統(tǒng)的耦合

1、第五講高空急流的次級環(huán)流和其與鋒面系統(tǒng)的耦合高等天氣學系列講座單元二：中緯度天氣系統(tǒng) 高空急流與鋒面及鋒面的次級環(huán)流有密切的關系，故人們常把高空急流和鋒面（主要是高空鋒區(qū)）統(tǒng)稱為急流鋒系，它們相伴隨的次級環(huán)流稱急流鋒次級環(huán)流。高空急流是對流層中上部重要的風系，過去對它的討論和研究已經很多。本節(jié)只重點討論一個問題，即與急流風速最大中心（或急流帶）相聯(lián)系的垂直環(huán)流及其與天氣的關系，另外也簡略地討論與東亞高空急流有關的能量學問題。圖5.1 200hPa 1月平均風速和風向（19661977年）。風速的單位：ms-1。AA和BB為圖剖面的位置，分別代表急流入口區(qū)和出口區(qū)圖5.2 1979年11月20日

2、00GMT日本和東亞地區(qū)橫交急流軸剖面中的二維流場（向量是無旋分量與垂直運動之合成）。（a）入口區(qū)情況；（b）出口區(qū)情況。實線是 等線，單位：Jkg-1s-110-4用地轉動量近似可進一步討論急流中心的垂直運動分布，請參看書中P142-143內容。這是Uccellini等人得到的。 圖是一個高空急流鋒系移過一個天氣尺度斜壓波時的概略圖16。這可代表一個短波槽移過長波槽的天氣型式。開始在一極槽和中緯度脊間有一匯合區(qū)，這種氣流匯合區(qū)一般可導致高空鋒和急流的形成和加強（圖）。大約一天之后（圖），急流和鋒在西南東北傾斜的輻散槽后西北氣流中移到了拐點處。這時溫度槽落后于氣壓槽四分之一波長，因而鋒面位于冷

3、平流區(qū)。如果在發(fā)展的短波擾動附近，基本緯向風隨緯度出現(xiàn)西風不斷增加，則高度場的傾斜意味著有正壓發(fā)展，而溫度波和高度波的分離對斜壓發(fā)展最有利。 圖的流場結構反映了早期發(fā)展階段非對稱槽結構的特征。在48小時后(圖5.5c)，急流鋒系達到長波槽底，且具有彎曲的取向。由于溫度場和高度場間南北傾斜和位相差的消失，而變成對稱結構，這表明正壓和斜壓發(fā)展停止。最后(圖5.5d)，急流和鋒移到長波槽下游西南氣流中的拐點處，而長波槽具有匯合的結構，槽軸的西南東北向傾斜及溫度波超前于高度波分別意味著正壓和斜壓阻尼。這時波槽的非對稱結構與圖相反。上面的過程清楚地說明了一個移動性急流鋒系與一緩慢移動的斜壓波相互作用的情

4、況。 圖5.5 72小時期間一個對流層上部急流鋒系通過一中緯斜壓波傳播的理想概略圖16。（a）急流鋒在中高緯氣流間的匯合區(qū)中形成；（b）急流鋒位于增輻波西北氣流拐點中；（c）急流鋒位于強烈發(fā)展的波槽槽底；（d）急流鋒位于阻尼波西南氣流拐點處。粗實線是等高線，粗虛線是等風速線，細虛線是等溫線。高空低空急流鋒系的垂直耦合及其對天氣的影響 上述垂直環(huán)流可以解釋低空急流的形成。在急流出口區(qū)，由于上述的上下層質量調整在間接環(huán)流的回流支，氣壓梯度力增加，結果變壓風增加。這支偏南的變壓風基本說明了實際觀測到的經向非地轉風向量的加強，是低空急流的重要組成部分。另一方面又可強迫u有相應的加速。因為ug由于氣壓梯

5、度力加大而增加，故vagi和u的增加就造成了低空急流的形成，它指向東北方向，與高空急流帶有明顯的交角。因為質量調整產生了變壓風，故高低空急流帶是通過兩次質量調整耦合在一起，而這種質量調整又與急流中心的傳播有關。這個過程強調了低空動量的產生是三維質量動量調整過程的結果。 這不同于其它人關于低空急流產生的解釋。Ninomiya認為對流引起的動量垂直輸送可在高空急流出口區(qū)引起低空急流的發(fā)展，但是高層急流帶中動量的向下輸送不能說明低空急流為什么會有強的與高空急流成正交的動量分量，以使高低空急流風向有明顯差別，這點已為許多觀測事實所證明。上述事實也表明高低空急流是相互耦合的，而不是分離的兩種現(xiàn)象。應該指

6、出，由質量動量調整在高空急流出口區(qū)發(fā)展的低空急流與某些夜間低空急流的成因不同，后者與邊界層中的過程密切有關。 高低空急流帶的相互作用是有組織的強風暴系統(tǒng)在高空急流的出口區(qū)中發(fā)展的一個重要因子。低空急流的變壓風分量正交于高空急流軸，它是低空急流所以與高空急流成一明顯交角的主要原因。但隨著高度增加，在中上對流層，慣性平流項的作用不斷增大，這造成風隨高度的順轉及水汽和感熱輸送的差別，也即低空急流迅速地在低層向北輸送水汽和感熱到風暴的初生區(qū)，而高空急流帶的向下伸展，在對流層中部向東輸送干冷空氣，這種不同輸送的結果是產生對流不穩(wěn)定（地面500hPa）、降低自由對流高度和抬高潛在不穩(wěn)定層上方的平衡高度的一

7、個原因。所有這些都有利于深對流風暴的形成。 這種通過由傳播的急流帶引起的相互質量動量調整而造成有利于深對流條件的概念，可為強天氣預報判據(jù)提供理論根據(jù)。根據(jù)最近的研究，過去在美國與許多強風暴有關的低空急流的形成（15個例子中有12個）都與高空急流帶的傳播有關。并且可以影響降水和強對流天氣的發(fā)生。Sortails等根據(jù)FRONTS87試驗資料分析這種輻合過程及其對對流活動的影響。他們發(fā)現(xiàn)高空急流出口區(qū)的間接環(huán)流與低空急流是耦合的，并位于冷鋒附近。高空急流橫向非地轉環(huán)流的低空支即為低空急流，它的上升支平流暖濕空氣，有利于該處深對流的發(fā)展與非絕熱加熱的增強。此外，與低空急流有關的中尺度橫向非地轉環(huán)流也

8、有利于冷鋒前對流的形成。 前面都是分別討論高空急流鋒系和地面鋒的次級環(huán)流。但是有些情況下，高低空強迫可以同時作用在同一地區(qū)，依它們的垂直取向差異，會產生顯著不同的次級環(huán)流。為了說明這一點，考慮一個高空急流的出口區(qū)與地面冷鋒相迭加的情況（地面冷鋒前緣有低空急流）（圖）。當一冷鋒和低空急流位于高空急流出口區(qū)前方時，高低空地轉變形的相對位置使急流出口區(qū)的熱力間接環(huán)流位于地面鋒直接環(huán)流上方，但這時急流環(huán)流的下沉支正好位于低層鋒面上升支之上，這阻止在鋒前方有深厚上升運動發(fā)展。另一方面，高空急流鋒的對流穩(wěn)定層結也阻止深對流的發(fā)展。 隨著高空急流的東移，最后高空急流處于地面鋒和低空急流上方，這種高低空急流相

9、交的分布是一種啟動對流和位勢不穩(wěn)定釋放的典型形勢。這時高空急流次級環(huán)流的上升支正好與地面鋒垂直環(huán)流的上升支上下重合，從而在地面鋒前緣形成一深厚的上升運動空氣層。這是鋒前位勢不穩(wěn)定層的一種啟動機制，能產生深而強烈的對流活動。 圖5.6 垂直耦合的高低空急流鋒系及其相應的垂直環(huán)流。（a）位于地面鋒和低空急流上方的高空急流鋒出口區(qū)；（b）沿圖（a）中BB線的剖面 由急流次級環(huán)流上升支觸發(fā)的對流，一旦發(fā)展起來，通過凝結潛熱釋放產生的非絕熱加熱作用和垂直動量輸送等可使急流加強及引起非地轉偏差。這種中尺度過程對急流的反饋作用可以用SawyerEliassen環(huán)流方程來診斷（書中方程（）。圖是中尺度對流加熱

10、和垂直動量輸送影響次級環(huán)流的一次數(shù)值模擬的結果。潛熱加熱在其最大值軸線處產生上升氣流（圖5.7a,b），其兩側是補償?shù)南鲁吝\動。動量通量分布強迫一個熱力直接環(huán)流，上升運動在暖空氣一側，下沉運動在其后（圖5.7c,d）。這種類型的質量環(huán)流為對流提供一種自身傳播的機制。上兩種強迫因子共同作用產生的次級環(huán)流是一個直接環(huán)流圈，它可以增加高空急流的動能（圖5.8a,b） 。非地轉氣流的水平分量通過急流中心從急流的反氣旋切變一側指向氣旋性切變一側。圖5.7 急流鋒系附近中尺度對流對次級環(huán)流的強迫作用的模擬結果。（a）對流非絕熱加熱（潛熱），10-4Ks-1；（b）加熱產生的環(huán)流流函數(shù)，ms-1hPa-1；

11、（c）對流垂直動量通量，10-1m2s-2；（d）動量通量產生的環(huán)流流函數(shù)，ms-1hPa-1。粗實線代表對流層頂，地面鋒邊界，粗虛線代表高空急流40ms-1的等風速線圖模擬得到的中尺度對流強迫的次級環(huán)流。它是由圖中非絕熱加熱和垂直動量通量共同產生的。（a）總強迫函數(shù)，非絕熱加上動量通量，10-4s-2；（b）由圖（a）強迫的總環(huán)流流函數(shù)（ms-1hPa）5.3 實例分析：1999年6月22日-7月2日長江梅雨暴雨期在這個過程中可以看到高空急流下傳及其與低空急流的耦合情況。 Longitude-time cross-section of daily precipitation averaged

12、 for the Meiyu zone fo 28-30N latitudinal range, based on the GPCP dataset. The maximum precipitation axes are represented with thick dashed lines which nearly correspond to tracks of three low-level vortices (C1, C2 and C3) Liu, DingC1C2C3 Longitude-time cross-section of 850hPa wind speed along the

13、 maximum wind axis shown in figure 4 (d). The areas with wind speed greather than 12 ms-1 are shaded. Unit: ms-1 Liu, DingCoupling of upper level jet streaks and the low-level jet during periods of eastward propagation of three low-level vortices. (a) Mean 200 hPa (dash lines) and 850 hPa (solid lin

14、es) isotach pattern averged for the period of 00UTC 23 June to 18UTC 24 June, 1999; (b) same as (a), but for the period of 00UTC 26 June-18UTC 28 June; and (c) same as (a), but for the period of 00UTC 28 June-18UTC 29 June, 1999. Shaded areas denote major precipitation regions based on GPCP dataset.

15、 (a)(b)(c)Liu, Ding(a)Liu, DingLatitude-time cross-sections of upper air wind speed (top panel, Unit: ms-1) and vertical velocity ( ) (bottom panel, Unit: hPa s-1) along the thick dashed line indicated in Figure of jet stream which represents the condition of the entrance sector of the upper jet stream,Liu, Ding(b) same as (a), but for