中尺度地形环流G.ppt

中尺度地形环流GFive types of mesoscale circulations:(1)Topographically forced systems of mechanical origin(e.g.,mountain waves and lee waves,downslope winds,and circulations in wakes),(2)Topographically forced systems of thermal origin(e.g.,sea-land breezes,urban circulations,slope and valley winds),(3)Free stable oscillations(e.g.,gravity waves,Kelvin-Helmholtz waves),(4)Baroclinically driven circulations(e.g.,upper-level jet streaks and low-level jets,across-frontal circulations,and those flows in cyclones),(5)Diabatically driven circulations(e.g.,local storms,MCCs,squall lines,tornadoes,hurricanes,frontal rainbands,and those taking convective or slantwise forms of clouds).中尺度环流系统中尺度环流系统Mesoscale Circulations五种基本类别五种基本类别2 机械强迫引起的机械强迫引起的 地形性环流系统地形性环流系统 (如地形波等如地形波等 热力强迫引起的热力强迫引起的中尺度环流系统中尺度环流系统 (如海陆风等如海陆风等 非对流性环流非对流性环流 自由大气环流系统自由大气环流系统 (如重力波等如重力波等 对流性环流对流性环流 (如如MCSMCS等等中尺度环流系统的中尺度环流系统的类别类别3第二章中尺度地形性机械和热力强迫环流地形性机械和热力强迫环流2.1 地形波2.2 尾流中的环流2.3 城市热岛环流2.4 海 陆 风2.5 山谷风2.6 复杂地形影响的数值模拟4Trajectories of free balloon (Von Ficker，1913）Satellite images observed on March 6,2004,in East side of Rocky Mountain （N.L.Uhlenbrock,et al,2006）.(a)infrared(b)Water vapor.2.1地形波5(a)19：40 UTC,Oct.28,2004(b)19：50 UTC,March 6,2004,bright temperature（K）（N.L.Uhlenbrock,et al,2006）亮温亮温云形云形62.1地形波山脉波山脉波 山脉上空的平滑浅波山脉上空的平滑浅波 驻波驻波 山脉背风面的半永久性涡旋山脉背风面的半永久性涡旋 背风波背风波 山脉背风面的波动气流山脉背风面的波动气流转子气流转子气流 山脉背风波的一种特殊形式山脉背风波的一种特殊形式 (闭合涡旋闭合涡旋)7背风波背风波波长波长 1.8-70 km 一般一般 5-20 km振幅振幅 一般一般 0.3-0.5 km 6.0km(水跃型水跃型)垂直速度垂直速度 一般一般 2-6m/s 最大最大 15m/s8背风波Lee Waves9Fohn cloudwallHydraulic jumprotorBreaking wavesInversionWave clouds(altocumulus lenticularis)Mountain wave terminology10背风波对天气的影响背风波对天气的影响 使背风面降水量增大使背风面降水量增大;使背风面强对流增多使背风面强对流增多 ;使背风面产生下坡风使背风面产生下坡风 11背风波形成的条件背风波形成的条件1.山顶附近有逆温山顶附近有逆温;2.风速垂直切变较强风速垂直切变较强12Scorer(Scorer(史哥勒史哥勒)参数参数ScorerScorer两层模式两层模式地面 z=-h界面z=0Z13Scorer(Scorer(史哥勒史哥勒)参数随高度减小的意义参数随高度减小的意义14背风波的例子 15下坡风下坡风down slope wind由于气流越山而在山脉背风恻山麓附近造成的局地强风称为下坡风由于气流越山而在山脉背风恻山麓附近造成的局地强风称为下坡风风速风速5-54m/s,5-54m/s,持续持续4-8h,4-8h,最长最长16h16h形成条件形成条件:逆温层逆温层;高低层高低层ScorerScorer参数差值大参数差值大;山脉两侧气压差值大山脉两侧气压差值大16Jan.11,1972,near Boulder Q(K)(Lilly,1978)Jan.11,1972,near Boulder u-component(m/s)(Lilly,1978)1708BST,June13,1963,700hPa500hPa Situation(a)12GMT,Jan 11,1972;(b)00GMT,Jan 12,1972（Lilly，1978)Surface maps (a)12GMT Jan 11,1972;(b)00GMT,Jan 12,1972（Lilly，1978)1819新疆吐鲁番新疆吐鲁番12级大风致级大风致4列火车滞留列火车滞留8小时小时 新疆12级大风致4列火车4000多名旅客滞留 图片来源：亚心网202122山脉波湍流（Mountain Wave Turbulence）2324MountainStrongest wind speed and turbulence on downwind side,also warm and dryOrographic cloud and possible IMC conditions on upwind side上坡风下坡风气流Desired flight pathActual flight pathSplat!过山气流25Turbulent Layer 1-SFC-7kft above peaksTropopauseTropopauseRollCloudLenticularCloudCapCloud024681012 14 16 18 20MilesTroposphereTroposphereStratosphereStratosphereMountain Wave(25kt perpendicular component/stable air are key)Rules of Thumb for Predicting TurbulenceTurbulent Layer 2Turbulent Layer 2 2kft above to 6kft below trop 2kft above to 6kft below trop2627尾流中的环流尾流中的环流背风坡低压背风坡低压,涡街涡街(a)(b)(c)(d)(a)(b)2.2 尾流中的环流处于相对于气流运动的实体背后的湍流区称为尾流处于相对于气流运动的实体背后的湍流区称为尾流(wake)卡门涡街卡门涡街1.由两排涡旋组成由两排涡旋组成,中心中心点连线近于平行点连线近于平行;2.一排涡旋位于另一排两一排涡旋位于另一排两涡旋的中点涡旋的中点;3.最初的涡旋直径及障碍最初的涡旋直径及障碍物相当物相当,以后逐渐扩大以后逐渐扩大;4.同一排涡旋环流相同同一排涡旋环流相同,另一排相反。另一排相反。2807:43 UTC,Dec 21,vortex street near Cheju（Y.S.Chung a;H.S.Kim，2008）18:45UTC,Jun13,Cheju,MODIS（G.S.Yound and J.Zawislak，2006）00 UT March Cheju,850hPa（Y.S.Chung a;H.S.Kim，2008）292.3 城市热岛环流图2.11 大西洋波多黎各岛附近的热岛环流现象（Fujita,1963）30Urban heat island31The urban heat island8:31 BST,Sept.1,200013:32BST,Sept.1,2000（Fujita,1963）(a)July 30,1959;(b)Feb.9,196032MODISSimulated33The urban heat islandCritical wind velocity large city （million）10m/s;medium city（hundred thousand）8m/s;small city （hundred thousand）5m/s;Height(m)Geostrophic windsmokeRural windHeat island(河村武,1977)34(a)28日18时地面温度和风场，（b）28日29时地面温度和风场，（c）28日20时至29日03时地面辐合线的运动情况，其中粗实线为地面辐合线，细实线为温度等值线，阴影区为温度高值区2005年年6月月2829日天津普降雷阵雨，局部暴日天津普降雷阵雨，局部暴雨，雨，24小时最大雨量均出现在市区及其周围，小时最大雨量均出现在市区及其周围，像市区北部的北辰区为像市区北部的北辰区为85.3mm，以及其西部，以及其西部的西青区为的西青区为75.6mm，而其他郊区的降水量明，而其他郊区的降水量明显偏少，约在显偏少，约在30mm左右，给天津地区造成了左右，给天津地区造成了暴雨和洪涝灾害。此次过程中降水主要集中在暴雨和洪涝灾害。此次过程中降水主要集中在市区及周围，降水时间集中在市区及周围，降水时间集中在28日日20时至时至29日日04时，具有局地暴雨的特征，时，具有局地暴雨的特征，图1 天津市区及周围各区的分布图114E115E116E117E118E38N39N40NCCCDDD29日日02时地面散度场，时地面散度场，D为辐散中心，为辐散中心，C为辐合中心，箭头为辐合中心，箭头表示散度的传播方向表示散度的传播方向352.4 2.4 海海 陆陆 风风深度深度100米米-1000米米穿透范围穿透范围50-300千米千米发生时间发生时间12时，海风开始时，海风开始15时，海风最强时，海风最强03时，陆风开始时，陆风开始06时，陆风最强时，陆风最强36台风台风寒寒潮潮暴雨暴雨局地常数项局地常数项中尺度项中尺度项大尺度项大尺度项摩擦项摩擦项非线性项非线性项X3738台湾海峡海陆风的数值模拟台湾海峡海陆风的数值模拟39Observation and Numerical Simulation of Sea-Observation and Numerical Simulation of Sea-Land Breeze CirculationLand Breeze Circulation40Power factory chimney Power factory chimney height 104mheight 104mDec 28,2001 afternoonLeft-sea;right-land wind from sea to landPicture toke from west to east 海风海风 Dec 29,2001 morningwind from land to sea陆风41(a)风向剖面(b)风速剖面（单位：m/s）(c)温度剖面（单位：）图2典型海陆风过程风向、风速、温度演变的高度时间剖面图(2005年6月11日20时13日14时)（图中横坐标为北京时间；纵坐标为高度，单位：m）42（a）17;(b)23(c)05 ;(d)11(Song and Shou et al 2008)43图4 WRF模式三重嵌套示意图442.5 2.5 山谷风山谷风452.6 2.6 复杂地形影响的数值模拟复杂地形影响的数值模拟 46海陆风、山谷风对天气的影响海陆风、山谷风对天气的影响海风锋、陆风锋例1 雪暴 例2 飑线例3 MCC例4 Pudget Sound Convergence Zone4748暴雨暴雨49 细网格模拟结果细网格模拟结果8月月14日日20时时-16日日20 时时48h降水量（降水量（a）总降水量最大处（总降水量最大处（121.7 o E,31.8 o N）的逐时降水量）的逐时降水量(b)50 敏感性试验结果对比敏感性试验结果对比 敏感性试验敏感性试验48小时累积降水量小时累积降水量 图中的黑框为除去地形的范围图中的黑框为除去地形的范围 51台湾海峡海陆风的数值模拟台湾海峡海陆风的数值模拟Numerical simulation of the sea-land breeze in Taiwan Straits area521600 UTC May15,radar echo picture（Jen Ping Chen et al,2006）53Pudget Sound Convergence Zone(PSCZ)(Whitney,W.M et al,1993)(Whitney,W.M et al,1993)542200-0100UTC,Dec 13-14,2001QPF-numerical simulation east-west vertical sections（Gravert，M.F,B.Smull et.al2007）Conceptual model of air flows of 23：00-01：00UTC Dec13-14,2001 over CASCADE mountain Oregon U.S（Gravert，M.F,B.Smull and C.Mass,2007）,55dAn analysis of the local rain storm process occurred in Tianjin City during June 28-29,2005,(a)18BST June28 surface temperature and wind;(b)19BST June28 surface temperature and wind;(c)20BST June 28-03BST June 29 surface convergence line,(thick lines)motion;(d)Map of Tianjin city (Liu et al,2007)Warm56思考题思考题1地形波有哪些常见类型？地形波有哪些常见类型？2背风波形成的条件是什么？背风波形成的条件是什么？3用史哥勒参数表示背风波的判据。用史哥勒参数表示背风波的判据。4涡街有哪些特点？涡街有哪些特点？5海陆风风向变化有什么规律？海陆风风向变化有什么规律？6 地形性环流对天气有何影响？地形性环流对天气有何影响？5758