高等天气学(大气所考博真题知识点归纳)讲解

一．定常波：定义： 把纬向平均环流偏差的时间平均定义为定常波，即*[]A A A =-。

它表示时间平均图上的纬向偏差值，又称定常涡旋项，主要反映大气活动中心、高空平均槽脊以及季风等特征。

其三维结构主要用半球时间平均场的纬向不对称分布和经度－高度剖面图表征。

形成原因：定常波的形成主要是地形和非绝热加热分布不均匀性强迫的结果，两者对于定常波的维持都是十分重要的。

但热力强迫和地形强迫产生的定常波有不同的结构。

热力强迫的扰动尺度比地形强迫的大，尤其是在对流层上部。

它们的位相随高度也有更显著、更系统的向西倾斜。

对大气环流的作用：定常波对热量、西风动量、位势高度有经向输送作用：（1）热量以50N 为中心有很强的向北输送，这与中纬度定常波槽脊随高度有明显的向西倾斜有关。

向北的输送有两个最大值区，一在对流层上部和平流层下部，一在近地面附近。

（2）动量通量分布的特征在50N 以南有向北的输送，50N 以北有向南的输送。

这种输送特征与定常波槽脊在副热带有西南－东北倾斜，在中高纬有东南－西北倾斜的特征有关。

（3）因为地转风对位能的经向输送沿纬圈的平均值为零，因此定常波对位能的输送代表的是非地转运动的作用。

这种输送的主要特点是在中纬度有明显的向赤道输送。

定常的输送与瞬变波的输送相比一般较弱，*2[]v 和'2[]v 之差特别明显。

但是定常波的输送在热量、动量和涡度的局地时间平均的收支中起着重要作用，因而定常波和瞬变波的相对重要性不能只以上述方差和协方差量值来决定。

北半球冬季定常波主要特征：（1）200hPa 高度场在高纬度和低纬度有不同的流型，中纬度有明显的纬向动量向极通量，这种向极通量表示有一个从高纬流型向低纬流型的EP 通量。

因此低纬度流型的波动部分是由较高纬度的波动所强迫。

中高纬负值中心位于140E 和70W 。

在30N 附近高度场分布有明显突变现象，30N 南北高度场有明显反位相分布。

（2）地形作用是确定北半球冬季急流层次上定常波的主脊和主槽位置的主要因子，而热力作用对维持高纬度洋面低压起重要作用。

比如，500hPa 高度场在西藏高原和落基山上空有西北气流，气候平均急流向极一侧有明显下游槽。

海平面低气压位于高纬度海洋上，等压线沿海面线密集。

GCM 数值模拟中气候平均海平面气压扰动可由下边界热力影响产生。

（3）定常波垂直结构。

在较高纬度上位势高度场随高度向西倾斜，而且定常波倾斜向上伸展到平流层下部，这种西倾反映了定常波的热量通量在各层上都是指向极地的。

高度场中定常波振幅随高度明显增加直到对流层顶，这表明定常波的垂直结构中有一个相当正压分量（即随高度没有位相倾斜）。

在对流层顶上，特别在低纬度，高度场振荡的振幅随高度增加而减小；*Z 和*T 都与高纬有一明显反位相分量。

（4）在低于700hPa 处，低层由定常波引起的向极热量通量特别大，*v 和*T 之间的相关系数达0.8左右。

地面温度场的极大值和极小值多数位于高度场中相应值的两边约四分之一波长处，而高度场表现出随高度明显西倾，这种特殊的低层结构在北半球夏季和南半球冬夏季的定常波均不存在。

北半球夏季定常波主要特征：（1）200hPa 上，夏季定常波在30N 附近达到最大振幅，在这个纬度上，200hPa 高度场的主要特征是青藏高原和两个大洋中部的低槽（即太平洋气旋和大西洋气旋）。

其次，大西洋槽扩展到地中海；而北非和落基山存在高压。

（2）海平面气压场中，上述系统均反位相。

这些系统的垂直结构类似于热带天气系统的垂直结构。

这是由于较暖的大陆和较冷的海洋之间的热力对比。

这种结构在夏季定常波位势高度及温度的沿30N 经度－高度剖面图上也很明显。

而由200hPa 高度场和海平面气压场来看，热带型结构的影响一直延伸到太平洋和欧亚大陆相当高的纬度。

这两个层次上的高度场*Z 的位相是相反的。

夏季定常波高低层的反位相可以认为是下垫面的加热和冷却作用，而热带型结构伸展到较高纬度又并非是季风作用，因此在形成夏季定常波中分辨热力和动力作用是困难的，尚待研究。

（3）夏季定常波的垂直结构有随高度，向东倾斜的特征。

这反映了夏季定常波地形强迫作用不是主要的，而地形强迫作用主要表现在大地形上空是脊的形势，在大地形的西侧有明显的短波槽。

东倾特征在500hPa 上较明显，200hPa 、700hPa 之间都有。

槽脊的距离在1000公里的量级，小于冬季特征半波长。

北半球定常波的经向结构：（1）定常波动能的纬向分量是占主导地位的。

这说明定常波的纬向尺度大于经向尺度。

（2）冬季纬向定常波动*2[]u 的最强中心位于36N 附近。

在该纬度上恰是亚洲和北美东岸的强急流以及欧洲和北美西部较弱的西风带，在该纬度上也伴随着较大的纬向动量的向极通量。

在10N 附近具有定常波动*2[]u 的第二极大值。

这和定常波的纬向扰动深入到热带地区有关，这个极大值是以西风动量的向南通量为特征的。

（3）夏季，7月*u 的极大值在15N 附近，位于对流层上部大洋中部槽区，*v 的极大值在35N 附近，在40N 以北夏季定常波动能比冬季小得多。

（4）纬向动能*2[]u 和经向动能*2[]v 都是冬夏季较强，转换季节较弱，而经向分量冬季比夏季更强。

最大值中心随季节位置有变化。

二．瞬变波定义：大气变量A 对时间平均的偏差称为瞬变扰动，又称瞬变涡旋项，即A A A -='。

其中又有''*'[]A A A =+，'[]A 表示瞬时的纬圈平均对其多年平均值的偏差，称为瞬变纬圈平均项或瞬变轴对称（纬向平均）环流。

就逐日相对于多年月平均而言，这部分主要反映指数循环过程；就逐年、逐月平均相对于多年平均而言，可以反映年际和季节变化。

*'A 表示瞬时偏差，称为瞬变涡旋项或瞬变纬向波动。

主要反映了天气尺度系统，如移动性气旋、反气旋、锋面、斜压扰动等系统。

瞬变扰动的强度和特征取决于取样或平均时间间隔。

瞬变扰动的强度一般用某一种物理量的均方根或方差来表示。

对大气环流的作用：瞬变涡旋是由时间平均气流的不稳定产生的。

它的主要作用是进行顺梯度的水平热输送，以此减少水平温度梯度（或斜压分量）。

中纬度瞬变涡动动量的主要作用是增强时间平均气流的正压分量和补偿地面摩擦作用。

自由大气中水平瞬变涡动通量的净局地作用是耗散性的。

这不仅对纬向平均的时间平均气流是如此，对定常波也是如此。

瞬变涡动的斜压过程（热通量）在瞬变涡动与时间平均气流的相互作用上超了正压过程（动量和涡度通量），但这并不意味着两者在瞬变扰动的内部动力学及气流的每日局地变化上也是如此。

E-P 通量：在研究瞬变涡度与平均气流的相互作用时，可以在y ，p 平面上定义一个向量]}[][][{)()(****θθv f v u k p E j y E E p，-=+= 来讨论水平瞬变涡度动量通量和热量通量对纬向平均时间平均气流的影响，这个向量称为E-P 通量。

其中[]A 表示A 的纬向平均项，*A 为A 的纬向偏差项，][**v u -为涡动动量的经向通量，][][**θθv f p为涡动热量的经向通量。

E-P 通量中以热量通量为主，决定了E-P 通量的垂直分量。

而动量通量决定了E-P 通量的水平分量，在大部分地区是负的（辐合），这会使东风加速。

E-P 通量的散度等于位涡的经向瞬变输送，即有：*]*[q v E =⋅∇，其中*q 为准地转位势涡度。

涡动热输送的基本特征：（1）热量通量向量是顺梯度的（从高值平均温度到低值平均温度），也即减小平均温度梯度。

这些通量趋于向亚洲东北部和加拿大东北部辐合，而在较暖的海洋上辐散，其作用是分别破坏该处定常温度场的负距平和正距平。

因为时间平均的温度场的纬向偏差代表了定常波的有效位能，因而瞬变热输送可以看作是这些波动能量平衡中的消耗机制。

（2）瞬变涡动热输送主要是由无辐散风部分完成的。

在300hPa ，在海洋东部和邻近大陆区，瞬变涡动热输送是沿着平均温度线方向的。

这种情况下，北美西部和西欧地区有明显的向赤道方向的经向输送，即逆梯度输送。

在这两个地区扰动更常处于衰减阶段，而非增长阶段。

300hPa 无旋的涡动热输送主要是顺平均温度梯度的，虽其量值只是850hPa 层的40%左右，但只有无旋部分对热量输送的辐散辐合才是重要的。

（3）冬季700hPa 上，北美和亚洲东岸出现南面冷却、北面加热的偶极性分布，而其间的零线大致分别对应两个主要的风暴路径。

因而可知：发展的移动性气旋在产生垂直其路径的热通量，并在其南侧造成冷却、北侧造成加热上起着十分重要的作用。

（4）冬季700hPa 水平涡动热输送的辐合图上，辐散区主要由低频扰动（10－90天）引起，这与风暴路径情况不同（主要由天气尺度扰动引起）。

（5）中纬度对流层的瞬变涡动的垂直输送与有效位能向动能的转换有关。

''T w 和''T v 有很好的相关，这种情况与斜对流的概念一致（暖空气向北上升，冷空气向南并下沉），因而两者在两个气旋生成区都有很大的值。

（6）在北美、亚洲两支急流入口区和风暴路径区，最大的向北热能量位于近地面附近。

在200hPa 有较弱的次最大值。

由急流入口区和风暴路径区向东，向极地的热通量输送强度增加。

大陆西部为明显的三层结构，在850hPa 和200hPa 有最强的向极地热输送。

对于纬向平均分布，300hPa 有最小值，这主要是由大陆500-250hPa 层中有向赤道（负的）的热输送引起。

其它输送量的基本特征：（1）瞬变涡动对动量水平输送的通量散度分布依地区而异。

在北美西部和西欧时间平均的纬向气流较弱的地区，西风动量的涡动通量趋于辐合；反之，定常气流较强的东亚地区，通量趋于辐散。

但在平均急流的风速最大值区附近，涡动动量通量的作用比平均气流对纬向动量的平流要小。

瞬变涡动的动量输送对平均气流的强迫作用在对流层上部和平流层下部有最大值，常常能使平均副热带急流北移，并且在抵消由地面摩擦造成的平均涡源涡汇的作用上也很重要。

北美急流入口区有强的向极地输送，最大值位于急流轴偏北一些的地方。

亚洲急流入口区的输送要弱得多。

动量通量强烈的向45N 附近的风暴路径轴区辐合。

大陆西部在中纬度角动量有强的向极输送。

对于纬向平均分布，在对流层上部有强的向北输送，这是由大陆西岸和海洋风暴路径以南地区的向极地输送共同引起的。

（2）瞬变涡动对位势高度的水平输送的通量向量是顺着'2φ等值线的，并且以顺时针方向围绕位势脉动的最大值的中心分布。

此外，这些通量向量的量值应正比于'2φ场水平梯度的绝对值。

在急流入口区和风暴路径区，对位势高度的输送在40N 以北是向极地的，以南是向赤道的，在大陆西部主要是向赤道输送的。

对于纬向平均分布，输送值很小，这是因为经向输送的地转分量当对一纬圈平均时其值为零。