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冷空气南下过程中的结构及其变化

时间:2015-09-01 20:21 来源:地理教师网 作者:云中雪 责任编辑:地理教师
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6.4.2 冷空气南下过程中的结构及其变化

    1.南下冷空气降温强度的垂直分布

    受南下冷空气的影响,地面和低空都会出现降温。而且是冷空气愈强,降温越大,冷空气越厚,降温层次越高。因为冷空气总是有一定的厚度,所以,每次冷空气活动都有一个最大的降温高度。最大降温高度既不在高空,也不在地面,平均在900~800hPa的高度。在这个高度上,锋区强,冷平流最强,当然,降温也最大。

    最大降温高度随地区不同而差异。据实际资料统计分析,最大降温高度北方高于南方,平原高于高原(如图6.15)。平均每向北增加一个纬度,最大降温高度升高40m,其原因是冷空气离开源地南下,厚度将变薄。源地冷空气厚度可达5000m以上(500hPa),到中高纬约3000m(700hPa),再往南就变得更薄了,自然降温最大的高度也就降低。高原上由于空气的厚度小于平原地区,所以就出现上述情况。

    各高度上的降温强度,平均来说也随纬度向南减小,而且是高层减小快低层减小慢,在最大降温高度上,平均每向南一个纬度约减小0.3℃。

    2.南下冷空气过程中的厚度变化及三维路径

    上述冷空气南下的厚度变薄,其原因可以在三维路径中看出。根据位涡守恒原理:

    (6.1)

    其中ζ是相对涡度,f是牵连涡度,ΔP是气柱的厚度。上式表示气柱的厚度与气柱本身所具有的绝对涡度成正比。在冷空气南下过程中,f是减小的。如果气柱相对涡度加大,流线呈气旋式弯曲,则气柱厚度变化不大,若流线呈反气旋式弯曲,则气柱厚度强烈收缩。因而,冷空气南下时的厚度就取决于冷空气运动的轨迹。冷锋后除靠近气旋区外的冷空气,在向南突出的冷高脊区大多数呈反气旋式运动,冷空气必然会扩散变薄。

    如图6.16一次典型寒潮爆发过程中冷空气的三维路径,数字分别是12、24、36小时后的高度。由图可见,冷空气多半是反气旋式弯曲,因而气柱垂直收缩,伴有相应的下沉运动。如图中部的气块,36小时中,从640hPa下降到900hPa左右。只有在东北部有些路径呈气旋性弯曲,才基本上保持了其厚度,垂直运动不明显。

    3.空中槽在冷空气南下中的作用

    冷空气南下过程中不仅有厚度的变化,而且还有温度的变化。一方面由于冷空气与下垫面接触,非绝热加热使空气增暖,同时,还受到由垂直运动引起的绝热加热的影响,而且这项的作用还相当大。

    例如(图6.17),位于60°N的冷空气,其厚度为500hPa,下界在地面,开始时相对涡度ζ=0,取三条路径(A、B、C)到达30°N,其相对涡度分别为:A路径为-ωsin30°,B路径为0,C路径为2ωsin30°。根据(6.1)式有:

    

    取地面为1000hPa,则此时冷空气顶高从500hPa降至850hPa。如果取500hPa高度为5800m,850hPa高度为1500m,则冷空气的厚度减少了5800-1500=4300m,即冷空气下沉了4300m。由绝热递减率:γd=1℃/100m,此时冷空气南下,下沉增温为43℃,同样可以算出B路径和C路径。结果如下

    这说明极地冷空气取反气旋路径到达低纬时,变薄且增温较大;而冷空气取气旋式路径南下时,既能保持冷空气的厚度,又不会使冷空气迅速变暖,甚至当路径的气旋式曲率很大时,还可能出现增厚降温。


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