973第二课题南大研究群体 主要成员：伍荣生、谈哲敏、王元、方娟、潘益农 锋生、锋面动力学研究 973第二课题南大研究群体 主要成员：伍荣生、谈哲敏、王元、方娟、潘益农

主要研究内容 地转适应锋生理论 边界层锋面结构动力学 地形对锋生、锋面影响作用 非绝热过程对锋生、锋面环流的影响

地转适应锋生理论 在没有大尺度强迫场的作用下，初始不平衡流通过地转适应过程也可以形成锋面 用数值方法证明：在地转适应锋生过程中，锋生和锋消现象交替发生，垂直运动速度和位温梯度存在明显的振荡现象

地转适应锋生理论 在质量，动量与能量等守恒原理条件下，研讨了适应锋生特点 利用按时间级数展开办法，探讨初始时刻附近锋生演变特点 利用数值方法完整地再现了锋生过程，发现适应锋生过程是锋生与锋消交替进行

锋生示意图： a.b.c: 适应锋生； d: 平衡锋生

级数展开解：t = 0.45和t = 0.68时的密度和垂直速度在x-z剖面上的分布

b a c 适应锋生数值模拟 初始位温分布 t=5h时垂直环流、位温分布（ci=2K） t=5h时w分布（ci=0.5m/s ） 横坐标：Y方向的格点数, 纵坐标：高度(km)

适应锋生过程中的振荡现象 t=11h时垂直环流、位温 (ci=2K) t=11h时w分布(ci=0.5m/s ) 锋面宽度随时间的变化 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 case1 case2 case3 case4 Width of front zone (Km) Time (min.) 适应锋生过程中的振荡现象 t=11h时垂直环流、位温 (ci=2K) t=11h时w分布(ci=0.5m/s ) 锋面宽度随时间的变化

地形对适应锋生的影响 终态时风速 (左) 和位温(右) 的分布

地形对适应锋生的影响 终态时风速 (左) 和位温(右) 的分布

地形对适应锋生的影响 初始不平衡场位于迎风坡时，地形不利于锋面形成 初始不平衡场位于山顶附近或背风坡时，地形有利于锋面形成 初始不平衡场位于背风坡山脚处时，由于下沉增温的影响，地形不利于锋面的形成 地形使得平衡状态时的锋面不再具有上下对称的特点

边界层锋面结构与动力学 地面锋附近的大气边界层的结构特征？ 大气边界层是如何影响地面锋结构和发展的？ 地形与边界层相互作用对地面锋面的影响作用？ 边界层与锋面系统相互作用动力学？

二层边界层－锋面模型 the top of the boundary layer Warm air Cold air 地面冷锋二层模式结构，h为锋面高度，H为模式上边界高度，长矢量符表示暖区地转风。粗黑线表示锋面，虚线表示边界层顶。

 

V Vg=25m/s Ug=6m/s C=6m/s u-c>0 u-c<0 u-c>0

Brwoning 1996 C-Ug<0 下滑锋 过渡 C-Ug=0 上滑锋 C-Ug>0 三种冷锋的概念模型Browning 1996

地形边界层对低层锋面的影响作用 物理思路： 地形 锋面结构与环流 边界层 锋面结构与环流 地形+边界层 锋面结构与环流

地形、边界层与冷锋 暖空气 冷空气

静止冷锋在地形不同位置的结构和流场

移动性冷锋在地形不同位置的结构和流场

移动性冷锋在地形不同位置的垂直运动分布

不同地形高度对静止冷锋结构、流场、垂直运动分布影响作用

地形、边界层与暖锋

静止暖锋在地形不同位置的结构和流场

静止性暖锋在地形不同位置的垂直运动分布

移动性暖锋在地形不同位置的结构和流场

不同地形高度对静止暖锋结构、流场、垂直运动分布影响作用

地形边界层对低层锋面的影响作用 边界层摩擦是地面锋中最关键物理因子之一，它对定常地面锋的低层结构起了决定性作用 边界层摩擦导致了锋面低层陡的坡度，地面锋附近的强水平辐合、强垂直运动、强垂直涡度 锋面结构可以显著地改变边界层结构 理论结果可以为地面锋的数值模拟、观测分析提供了理论基础和动力学解释

非绝热过程对锋生的影响 湿物理过程与非绝热锋生的反馈 梅雨锋中尺度双雨雨带的形成机制

梅雨锋湿舌、冷舌以及高低空流场 (视角为东北方向) 灰白色区域为湿舌（用扰动水汽混合比的1.0g/kg等值面表示）， 棕色区域为冷舌（用扰动为位温的-3.0 K等值面表示），流线表示1.5km 高度的流场，箭头矢量为10.5km 高度上的风场，分红色粗箭头表示湿舌附近的代表性风（西南风急流），而兰色粗箭头表示冷舌附近的代表性风（东北风）

模式初始场 Moist / warm Air Dry/cold Air Warmsurge Cold surge

云带和锋前降水的形成(4th hour的模拟结果) Total cloud water,and air flow Perturbation potential temperature 暖 冷 锋区宽度定义为扰动位温在-1.0K ~ -4.0K的区域

锋面重力流的出现和局地锋生(12th hour的模拟结果) Total cloud water,and air flow Perturbation potential temperature W C

成熟的锋生现象和成熟的雨带(20th hour的模拟结果) Total cloud water,and air flow Perturbation potential temperature W C

双云带的出现(36th hour的模拟结果) Total cloud water,and air flow Perturbation potential temperature W W C

湿物理过程与非绝热锋生反馈概念模型 。 。 。 锋前沿的上升气流在暖区激发出对流云团 a Cold air mass Warm air mass b L Cold air mass 。 Warm air mass c Cold air mass d Warm air mass L 。 Cold air mass Warm air mass 。 L 锋前沿的上升气流在暖区激发出对流云团 锋面云（雨）带发展，降水潜热释放产生冷堆，低层锋面前移并隆起，引起低层局地非绝热锋生 低层局地非绝热锋生，加强了锋前的上升运动，产生锋前雨带，形成锋面双雨带结构 双雨带合并以后，主冷锋逐渐锋消

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梅雨锋中尺度雨带结构概念模型 南 北 南 北 Step 1 Moist tongue Front zone Step 2

（a）冬季地形－降水共振锁相关系;（b）夏季地形－降水移位锁相关系。 地形－降水锁相关系图 （a）冬季地形－降水共振锁相关系;（b）夏季地形－降水移位锁相关系。

（a）皖东南雨日和地形空间分布；（b）皖东南雨日谱分析。 皖东南地区中尺度地形扰动触发暴雨分析图 （a）皖东南雨日和地形空间分布；（b）皖东南雨日谱分析。

GWD湍流动量通量及“GWD抽吸”机制

大气适应过程中的若干问题 大气初始不平衡扰动是否可以通过地转适应过程达到地转平衡状态，取决于初始不平衡流的位涡分布 初始非平衡非均匀位涡流，不可能达到完全的地转平衡状态，要采用新平衡关系而不是简单的热成风关系

初始密度具有如下分布形式时，终态地转风在（ ）空间中的分布。

取不同值时，终态风速的近似解 ( )。