第十一讲中小尺度系统发生发展的天气和环流条件ppt第十
中小尺度气象学总结
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和 101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。
中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波 ,风小。
驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。
中小尺度复习
中小尺度中尺度带状对流系统由对流单体侧向排列而成的中尺度对流系统一般称为带状对流系统。
结构：飑线作为一个中尺度系统，应包括对流区和非对流(层状云)区两部分。
对流区包含强烈的、垂直延伸的强回波核，而层状区域由一些降水构成均匀（不是绝对均匀）纹理。
概念：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。
其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速气压、温度等突变的狭窄强对流云带。
为破坏力严重的灾害性天气。
飑线的一般特征○!发生地点：出现在中纬度的某些大陆地区以及主要的热带大陆和热带海洋地区。
温带地区的飑线常发生在春夏之交的过渡季节，有的出现在冷锋前或气旋波的暖区，有的在冷锋后的冷区里，还有在冷暖锋上或切变线(辐合线)附近生成的。
并大致与锋面相平行。
○2尺度：长约几百千米，宽度约50～100km。
飑线由若干“飑段”组成。
每个飑段包含若干大而孤立的相互分离的风暴。
○3时间尺度：几小时至十几小时。
○4飑线的地面要素场的结构：飑线由雷暴单体侧向排列而成，每个单体成熟期都有地面冷丘及水平外流和阵风锋；小冷丘和阵风锋结合起来形成小尺度雷暴高压和阵风锋。
阵风锋又称为飑锋：处在雷暴高压边缘。
具有很强的温度梯度、气压梯度和风速和风向水平切变，它也叫气压涌升线或跳跃线。
○5过境特征：由于飑锋附近是各种气象要素水平梯度很大的地带，因此当飑锋过境时，气象要素将发生急剧的变化。
通常表现为气压涌升、气温急降、风向突变、风速剧增以及强烈降水等。
飑线前低压：飑锋前方一般有中尺度低压。
它的形成可能与飑线前方高层的补偿下沉气流引起的绝热增温有关。
尾流低压：雷暴高压后方的中尺度低压，它的形成与雷暴高压后部的尾流效应相联系。
飑中系统：包括飑线、飑线前低压、雷暴高压以及尾流低压统称为飑中系统。
※飑中系统的全部系统一般只在成熟阶段才同时出现。
不同阶段系统的强度和结构是不同的。
两类比较常见飑线：1、具有前导对流线和尾随层状云区以及具有由前向后和由后向前两支入流的飑线发生在风垂直切变相对小的环境中的飑线飑线的前方有一支由前向后的入流迎着飑锋上升，到高层分裂成向前和向后的两支气流，其后部中层则另有一支由后向前的入流。
中尺度对流系统
发生实例
国家气候中心的统计结果表明，在1954、1969、1980、1991、1996、1998、1999、2003、2007年，我国先 后发生特大暴雨洪涝，给国民经济和人民生命财产造成重大损失；特别是近10年，暴雨洪涝平均每年给我国造成 的经济损失逾千亿元，MCSs在这些典型洪涝年暴雨事件中是主要影响系统。 具体实例如：
中尺度对流系统
造成暴雨、冰雹、雷雨大风和龙卷等灾 害性天气的重要系统
01 定义
目录
0பைடு நூலகம் 特征
03 分类
04 时空分布
05 生成环境条件
06 发生实例
中尺度对流系统，简称MCS(Mesoscale Convective System)，是造成暴雨、冰雹、雷雨大风和龙卷等灾害 性天气的重要系统。中尺度对流系统由对流单体、多单体风暴和超级单体风暴以各种形式组织而成，包括飑线和 中尺度对流辐合体，水平尺度在2-2500 km。
生成环境条件
MCCs
从 MCCs地理位置分布看，国内外研究均表明，MCCs最活跃区域一般位于大山脉下游，特别是高温高湿的低 空急流前方。从气候背景看，我国黄河和长江中下游地区类似于北美中纬度平原地区，都具备MCCs发生的有利条 件。
线状 MCSs
Bluesteint等 对北美地区许多飑线个例的探空观测进行统计分析，总结出中纬度飑线最重要的环境特征： 一是大尺度环境对流层为位势不稳定的，即存在很大的对流有效位能；二是平均风的最大垂直切变在低层，切变 向量在顺时针方向偏离飑线 45°左右。
多数 MαCSs和MβCSs在午后形成(15—17 BST，北京时)，但MαCS在夜间(21—23 BST)还有一更明显的高 峰，而 MβCSs在夜间(01 BST)仅一很小峰值，说明 MαCS的夜发性明显。MβCSs在形成后 2h就可成熟 (面积 达到最大)，而在午后形成的 MαCS要3～4 h后成熟，比 MβCSs需时要长。夜间形成的 MαCS要7～8 h后才成 熟，成熟后的 MαCS和MβCSs一般可维持 2～4h。 MαCS和MβCSs的生命史分别为 7～8、5～6 h，即较大尺度 的 MCSs生命史也较长。
天气系统和天气过程优秀课件
天气过程
寒潮 梅雨
寒潮
定义
中央气象局规定： 由于冷空气的入侵，使气温在24h内下降 10℃以上，最低气温在5℃以下，称为寒潮。近年来又补充规 定：长江流域及其以北地区，48h内降温14℃以上，长江中下 游最低气温达到4℃或以下，并且陆地上有三个大区伴有5—7 级大风，海上有三个海区伴有6—8级大风，也称为寒潮。
(3)过渡季节的气团活动 春秋两季，控制我国的主要 气团是变性西伯利亚气团和热带太平洋气团。
天气系统
➢气团 ➢锋 ➢气旋 ➢反气旋 ➢高空天气系统
锋
• 锋的概念
当冷气团和暖气团相遇时，两气团之间有一交接过渡 区，称它为“锋面”。锋面与地面的交线称锋线，锋线简 称为锋（图6－6）
• 锋的分类和锋面天气 暖锋
气旋的加深与填塞
气旋中心气压变低，称之为气旋加深；反之， 中心气压增加，常称之为气旋减弱或填塞。
气旋的分类
气旋按热力结构来分类，分为锋面气旋和无锋面气旋 两类，其中无锋面气旋包括暖性气旋(热低压、台风)和冷 性气旋(高空冷涡)。
温带气旋
1. 锋面气旋的结构和天气 发展成熟的锋面气旋内部，可分为冷、暖两个区。通
空气有95％都要经过关键区(如图中的阴影区)。
到达关键区后，冷空气可由西北、东、西、东 加西等四路侵入我国：
①西北路 冷空气自关键区经蒙古到达我国 河套附近南下，直达长江中下游地区，冷空气 在长江以北，造成大风、降温天气，在长江以 南，可发展为雨雪天气。
②东路 冷空气东移到我国华北北部后，其主力继续 东移，低层冷空气受长白山阻挡折向西南，经渤海 侵入华北，再从黄河下游向南直达两湖盆地。东路 冷空气,使渤海、黄海、黄河下游一带出现东北大风， 华北、东北出现连阴雨雪。
中尺度天气系统的特征
26
END
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1. 早期的经验分类
天气系统——大尺度、中尺度和小尺度 空间尺度分别为：106m、105m和104m 时间尺度对应为：105s、104s和103s
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2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）依据无量纲数罗斯贝数Ro和拉格朗日
时间尺度T的尺度分类，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
1) 空间尺度范围广，生命周期跨度大； 2) 气象要素梯度大； 3) 散度、涡度与垂直速度； 4) 非地转平衡和非静力平衡； 5) 质量场和风场的适应； 6) 小概率和频谱宽、大振幅事件
16
中尺度大气运动的基本特征
1）空间尺度范围广，生命周期跨度大 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
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§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
高天11讲 中尺度对流系统(MCC与MCS)和暴雨
1、 暴雨的形成
在我国暴雨的发生受三个大尺度方面的因子影响。第一是来 自印度洋和西太平洋的夏季风，中国大范围的雨季一般开始 于夏季风的爆发（华南要更早一些），而结束于夏季风的撤 退，降雨强度和变化与夏季风脉动密切相关。我国暴雨出现 的频率年际变化很大，这也与夏季风状况的年际变率密切有 关。第二，西太平洋和青藏高原副热带高压的位置决定了中 国主要雨季的季节移动。暴雨常出现在100hPa高压和120ºE 处副高比常年更偏北的位置上，如1962。1965，1968，1969 和1970年，如果100hPa高压位置比常年偏南，则长江流域一 般出现干旱。
中尺度对流复合体的特征
物理特征 尺度 A——小于－32℃的红外温度的云区面积必须大于106km2 B——小于－52℃温度的内部冷云区的面积≥5×104km2
开始时
尺度定义A和B首先满足
生命期
最大范 围 外形 结束时
满足尺度定义A和B的时期≥6小时
连续的冷云区（红外温度≤－32℃）达到最大尺度 椭圆形，在最大范围时刻偏心率≤0.7 尺度定义A和B不再满足
中尺度对流系统（MCSs）是有组织完好的，中— 尺度（200-2000Km）的对流系统，它的外形近于 呈椭圆形，边缘平滑。MCSs在中国经常出现。如 在华南前汛期和梅雨期间。下图是MCSs的全球分 布（引自Richad Johson 的图，WMO季风会文集）
MCC locations based on 1980s satellite data for JJA in the northern hemisphere and DJF in the southern hemisphere. Outgoing longwave radiation (OLR) values are shaded. From Laing and Fritsch (1997).
中小尺度气象学总结
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。
中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。
驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。
高中地理必修一 常见天气系统 课件(共3张PPT)[优秀课件][优秀课件]
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（1）图中E、F、G、H四地中， 目前在冷气团控制下的
是 F G 。在暖气团控制下 的是 E H 。
（２）此时E、F两地各吹什么
方向的风？
F吹西北风
D
E吹西南风
暖（３）E、F、G、H四地中。目
锋前 是最F有可G能发。生降水的
（４）未来一段时间内，E、G
暖气团
两地的天气将发生什么样的变
化？
E地出现阴天、下雨、大风、降温等天气。
北半球：逆时针由四周向中心辐合 南半球：顺时针由四周向中心辐合
水平气压梯度力 风向
地面
上升气流——阴雨天气
气象案例—台风（课本44页，学案41页）
（1）概念和分布：在西北太平洋，中心附近风力在 12级以上的热带气旋。 （2）形成条件及危害： （3）防御措施：加强气象卫星的监测和预报
台 风 眼： 风和日丽 ，天气晴朗 旋涡风雨区： 出现最大风速和最强风暴 外围大风区 ： 存在不同程度的狂风暴雨
探究：试比较分析暖锋与冷锋之间有何异同？
冷锋
暖锋
暖气团 冷气团
暖气团
冷气团
如何判别冷锋、暖锋？（难点、重点 学案37页）
（1）根据冷气团移动的方向：冷锋的冷气团 移动箭头直指锋面,而暖锋的冷气团移动箭头 在锋面附近回旋后退。
（2）根据雨区的位置：冷锋主要在锋后，暖 锋在锋前。
（3）根据冷暖锋符号判断。冷锋用线和三角 表示，三角在暖气团一侧，暖锋用线和半圆组 成，半圆在冷气团一侧。
天气变化 名称 定义 过境前 过境时 过境后 影响
冷锋
冷空气 主动向 暖空气 移动
单一暖气 团控制, 温暖晴朗
阴、雨 （雪）、 刮风、降 水（多在 锋后）
降温 气压升高 晴朗
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地形作用 地形抬升 热力强迫 障碍作用 地表作用 感热/潜热通量 不连续性
平流条件
辐合线 冷锋 阵风锋 海风、湖风 干线
边界交波 边界层水平对流滚 轴云
（Johnson与Mapes，2003）
表11.3 产生风暴的中尺度作用
中小尺度对流系统与其环境条件有密切的关系。 大尺度环境条件不但制约了对流系统的种类与演 变过程；而且还可影响对流系统内部的结构、强 度、运动和组织程度。例如，一般的气团雷暴是 发生在比较少变的天气形势和弱的风垂直切变， 各层水汽含量较大的湿润环境中。而强风暴（如 飑线）则是出现在强的风垂直切变，对流层中层 干、下层湿润的环境中。其结果是内部气流的结 构，对流的强度和传播情况等都有很大的差别。 因而大尺度环境条件对中尺度对流系统起着明显 的制约作用。在这种情况下，有组织的对流系统 在大尺度环境中不是随机发生和分布的，而是发 生在一定的地区和时间内。
11.1 大尺度和中尺度条件的概述
关于强对流系统发生的大尺度天气学条件人们已归 纳很多。早在40年代中期就提出了雷暴发生的三要 素，即丰富的水汽，条件不稳定层结和抬升气块到 凝结高度的启动机制。但这只是一般雷暴发生的条 件。以后在大量研究的基础上，进一步归纳出强风 暴系统发生的天气条件，这可包括：（1）位势不稳 定层结，并常有逆温层存在；（2）低层有湿舌或强 水汽辐合；（3）有使不稳定释放的机制（如低空辐 合区、重力波、密度流、地形等）；（4）常有低空 急流存在；（5）强的风垂直切变；（6）中层有干 冷空气等。上述条件都只是必要条件，即在强风暴 发生发展时往往可以看到这种情况。因而在作预报 时，即使出现这些条件强风暴也不一定发生。
目前在大尺度条件上，虽然有了较多的了解，
但对大尺度条件与中尺度风暴的发展在物理上究竟 有什么联系还不十分清楚，对于两者之间的因果关 系还没有完全弄清楚。例如在强风暴低层出现的辐 合区和风暴上空出现的强风速区有时认为是对流活 动的结果，有时认为是强对流发生发展的原因。
近十几年来，对强对流天气有重要作用的中尺度过 程研究取得了明显的进展。最近Johnson与Mapes 对强天气发生的中尺度前提条件与触发过程进行了 总结。由表11.1，11.2，11.3可见，许多中尺度过 程与强天气有密切关系，从前期的环境条件到触发 因子以及对流对环境的反馈作用都涉及到中尺度过 程，也就是说，大尺度流场主要是建立有利于强天 气的环境条件，而中尺度过程则直接启动强对流系 统，影响它们的演变并通过反馈过程可进一步影响 风暴所处的环境。但应该指出，强风暴系统与大尺 度条件之间的关系在风暴发展的不同阶段其相互依 赖和相互作用的程度是不同的。在风暴发生和初期 发展时期，主要决定于大尺度环境的作用。但是一 旦强风暴组织起来后，对流风暴发展到很高的能量 密度时，大尺度环境条件不但失去了对其制约作用， 反而会受到对流风暴的影响。
局地条件
平流条件
动力条件
辐射
粒子平流下落和相变
微物理
下降气流产生
下降气流，冷空气堆 逆尺度增长
产生
微尺度暴流产生
产生融化的中层辐合
闪电产生
重力流，重力波 影响单体/MCS增长 影响临近对流
冷空气堆过程 单体生成 MCS演变
中尺度气压场
浮力作用 动力作用（风暴分 裂，传播）
动量输送/坡风 强地面风
斜压涡度产生 阵风锋的水平涡度
表11.1 强天气发生的中尺度前提条件
局地条件
边界过程 混合层高度增加 湿层高度增加 沿干线的辐合 夜间逆温，低空急流 形成
地形作用 产生辐合区 发展坡风 风矢端迹改变
地表作用 蒸发、加热 地表不连续性 —土壤湿度 —粗糙度
平流条件
动力条件
平流差异
次级环流
产生逆温
地转调整
失稳
急流
形成深厚干PBL（导致下
击暴流）
辐合线 锋面 干线 海/陆/湖风 山谷风
水汽平流 增加CAPE，降低LFC 局地积云增温
重力流、重力波 冷空气抬升 局地减少条件不稳定 改变垂直切变
中尺度不稳定边界层过程 水平对流滚轴云 惯性振荡（低空急流）
（Johnson与Mapes，2003）
表11.2 强天气的中尺度触发过程
局地条件
涡旋倾斜/伸长
涡旋崩溃
垂直涡度产生
中气旋
（超级单体，MCS中涡旋） 龙卷
（Johnson与Mapes，2003）
11.2 风垂直切变的作用
在1940年代，一般认为风垂直切变阻碍雷暴或积雨 云发展的，因为在切变作用下垂直发展的云向下风 方倾斜，而不能直立。在这种情况下由于对流上升 的路径加长，环境空气混合入对流空气的作用增强。 另外相继的对流空气不容易走相同的路径以形成有 利于以后对流上升的环境。因而通过这些作用使对 流受到抑制。这种看法曾由一些云的观测和雷达回 波观测所证实，所以风垂直切变当时被看作是对积 云的一种“破坏力”，从理论上也得到类似的结果。 郭晓岚根据线性理论研究了迭加在层结流体中切变 气流上的扰动特征，也指出垂直切变对雷暴有抑制 作用。浅井通过数值试验得到，在平行于具有切变 的风的垂直剖面中，对流发展会受到抑制。 Kuettner把“云街”的成因归于风的垂直剖面的曲 率对对流的产生造成动力阻碍作用的结果。
高等天气学系列讲座 单元四：对流和降水天气系统
第十一讲 中小尺度系统发生发 展的天气和环流条件
丁一汇 国家气候中心
对流和降水活动是大气中的主要气象现象之一，它 们是在大尺度条件影响下，主要由中小尺度天气系 统造成的。因而属于中尺度气象学的内容。中尺度 气象学主要是研究25~50km水平尺度的天气现象和 天气系统（又称中-系统）。它介于大尺度（或中尺度，即250~2500km）和小尺度（或中-尺度，即 2.5~25km）系统之间。主要是指强风暴等有组织的 雷暴或对流系统。而对于其中个别雷暴积云单体或 一些孤立的小雷暴则属于小尺度天气系统。中尺度 气象学还包括其它一些天气现象或天气系统的研究， 如山脉背风波、海陆风、锋面中的中尺度结构，强 斜压区，高低空急流中的风速中心，热岛效应和严 重空气污染区等。这些问题也很重要，近年来日益 引起人们的注意。本章只讨论与降水和对流有关的 中尺度天气现象和天气系统。