斜壓波

斜壓波（barocline wave）是一系列天氣系統中的一種波動，它因為大尺度流場的不穩定而自發生成並存在於不穩定流場中。

中文名稱	斜壓波
英文名稱	baroclinic wave
定　　義	斜壓大氣基本氣流的垂直切變引起的大氣波動。
套用學科	大氣科學（一級學科），動力氣象學（二級學科）

基本介紹

• 中文名：斜壓波
• 外文名：barocline wave
• 原因：大尺度流場的不穩定而自發生成
• 性質：一系列天氣系統中的一種波動
• 特徵：具有不穩定性
• 類型：正斜壓波

斜壓波與鋒面系統

斜壓波及其鋒面系統是中緯度的最重要天氣系統, 其演變與發展動力學過程一直是大氣動力學重要研究問題，特別是斜壓波發展導致的鋒面系統的動力學研究更是受到關注, 成為一個熱點問題。中緯度鋒面系統的結構及其動力學特徵依賴於斜壓波的演變特徵。位於大氣低層的鋒面一般稱為地面鋒或低層鋒, 與位於對流層中上層的鋒面系統相比較, 地面鋒具有明顯不同的動力學特徵。地面鋒除了受到高空大尺度過程強迫的影響作用外, 還要受到與地面有關的過程如邊界層摩擦、非絕熱加熱、湍流動量與熱量通量、地形等的影響作用。

到目前為止關於地面鋒的研究已取得了不少進展, 揭示出許多與經典鋒面結構理論明顯不同的觀測事實, 如發現鋒面有重力流特徵, 鋒面的多尺度特徵等。20世紀70年代由Hoskins 及其合作者提出的半地轉鋒生模式能較好地描述非地轉作用對於大氣鋒生的影響作用。

斜壓波的發展

乾大氣無地表拖曳

乾大氣無地表拖曳情形下，斜壓波發展及其地面鋒鋒生過程的特徵：

（1）至 24 h, 由於斜壓波的發展, 出現了一個典型的寬廣斜壓區, 隨著時間增加, 該斜壓區不斷加深並向東移動；

（2）至 48 h已形成明顯的冷、暖鋒區, 同時冷、暖鋒相互正交, 構成“T-bone”結構；

（3）地面暖鋒在 24~48 h的一天中鋒區很快變窄, 並圍繞低壓中心氣旋性地彎曲伸長, 逐漸形成“bent-back”結構；

（4）暖空氣沿著暖鋒向低壓中心方向推移, 逐漸收縮為一條伸向低壓中心的暖舌, 至60 h暖舌在低壓中心附近斷裂, 出現了一個孤立的暖心；

（5）地面冷鋒在 48~60h期間迅速加強, 鋒生的速度比暖鋒快, 並逐漸向東南方移動。

乾大氣有地表拖曳

乾大氣有地表拖曳(DryD)情況下斜壓波的演變與發展及其地面鋒形成過程.由於存在地表拖曳過程, 相應其斜壓波發展、演變及其地面鋒形成與無地表拖曳情況下相比有較大的差異.

（1）在此過程中暖鋒出現時間比冷鋒早, 在48 h已形成明顯的鋒區, 隨後鋒區圍繞低壓中心伸展, 在 84 h前後形成了“bent-back”結構.

（2）冷鋒區在60 h 逐漸形成，與暖鋒相正交形成“T-bone”結構. 隨著系統發展, 暖鋒逐漸向東北方向移動, 冷鋒向東南方向移動.

（3）與無地表拖曳的DryNoD情況相比， 冷鋒在DryD中位移較小, 以至於 96 h 時冷暖鋒相交組成的“T-bone” 結構在 DryNoD 中已經消失, 但 DryD 中仍然維持.

（4）在 48 h 暖區開始收縮形成一條沿暖鋒向低壓中心附近伸展的暖舌, 60 h 暖舌在低壓中心附近出現氣旋性彎曲, 但此後暖舌不再伸長, 至96 h仍未出現與 DryNoD 中類似的暖心。

加入地表摩擦拖曳後, 整個斜壓波系統發展變得緩慢, 同時鋒生速度減慢, 從而造成暖鋒無法阻擋西北方向入侵的冷空氣, 阻礙了低壓中心附近孤立暖心的形成, 同時暖舌也被分隔為兩個頂端。乾大氣中地表拖曳對地面冷鋒結構及鋒生速度具有較大影響。

非地轉風場結構在有、無地表拖曳力情形下完全不同. 當無地表拖曳力存在時, 非地轉風由低壓區向高壓區運動, 其緯向分量與地轉風緯向分量風向相同, 且冷鋒鋒前風速小於鋒後風速, 這有助於冷鋒區等位溫線密集, 相應增強了冷鋒強度. 而在加入邊界層地表拖曳力後, 非地轉風的流向轉為由高壓區流向低壓區, 且冷鋒鋒前的非地轉風為偏北風,而鋒後為偏南風, 不利於等位溫線密集及冷鋒鋒生。

地表拖曳力減緩斜壓波系統的發展, 從而導致地面鋒鋒生速度減慢, 且不利於暖鋒的“bent-back”結構形成, 減弱了暖鋒對西北方向入侵的冷空氣的阻擋作用, 不利於氣旋低壓中心附近的孤立暖心形成, 同時暖舌也被分隔為兩個頂端, 形成了兩條平行冷鋒, 從此意義而言, 地表拖曳具有鋒消效應. 另一方面, 從鋒生函式特徵來看, 地表拖曳力可以導致非常強的非地轉流, 從而能夠延長冷鋒鋒生過程維持時間, 有利於冷鋒強度增大. 這表明地表拖曳對冷鋒鋒生的作用是雙向的. 同時, 邊界層地表拖曳也能夠改變鋒區的垂直結構, 造成邊界層內鋒面垂直於地面, 自由大氣中的鋒區斜率增大。

在此基礎上, 進一步考慮濕物理過程作用後的地表拖曳對鋒面結構與鋒生影響作用. 濕大氣中產生的非絕熱加熱過程可加速地面鋒的鋒生過程, 尤其利於暖鋒鋒生速度的加強. 地面雨帶分布在地面鋒區周圍, 無論有無地表拖曳力的影響, 降水最大中心都出現在上升區西側. 雨帶的分布受到地表拖曳過程的影響, 地表拖曳力能夠減緩對流上升運動導致的地表能量的迅速耗散, 當大氣低層濕度場很強並伴隨著上升帶出現時, 對流發展旺盛, 此時地表拖曳對低層水汽與能量的束縛作用相對較弱, 表現為雨帶水平分布在有無地表拖曳力時類似. 當低層濕度場減弱, 則地表拖曳力的作用逐漸體現, 表現為減緩了地表水汽與能量的迅速耗散, 並且在鋒後邊界層中產生摩擦輻合上升區, 這些小的上升區逐漸東移到冷鋒前, 補償了鋒前上升帶的強度, 有利於冷鋒降水的維持。

模擬斜壓波

在非線性平衡條件背景下, 利用一個理想的二維斜壓基本流疊加上一個三維平衡擾動場構成模式初始場, 這種理想的初始場, 可以模擬出斜壓波快速發展.。具體處理思路為,首先給定一個二維平均位渦與三維擾動位渦分布,然後利用位渦反演方法反演出其二維平衡的斜壓緯向流場、位溫場以及三維平衡的擾動風場與位溫場,將兩個平衡場累加作為模式的初始場, 這種初始場非常有利於中緯度斜壓波的快速發展.。

近年來利用原始方程模式模擬斜壓波的結果表明, 無論是否考慮地表拖曳力，也無論基本態選取何種形式，都存在一種溫、壓場的基本特徵：低壓區深厚但範圍狹窄, 高壓區淺薄但範圍寬廣; 暖鋒形成於低壓中心附近且不同程度地沿著低壓中心呈氣旋性捲曲, 而冷鋒在低壓系統與高壓系統之間形成, 隨著時間發展向西南方橫向伸展並逐漸向南彎成拱形。

斜壓波的不穩定性

斜壓波的穩定性問題是研究天氣系統發展的重要理論方法之一。斜壓波的穩定性理論常用的有地轉風線性隨高度增加且下邊界條件取垂直速度為零的Eady模式。

（1）摩擦和地形對Eady波影響的同時考慮

風線性隨高度增加的Eady模式，前人考慮邊界層摩擦引起的垂直速度的影響時是將邊界層頂垂直速度在下邊界處引人, 顯然此下邊界應是邊界層頂,只是為處理方便將此高度取為零。我們亦如此處理,但改變Eady問題中取下邊界處U=0的做法。既然下邊界處垂直速度是邊界層頂的w, 則下邊界處U就不能為零。

在不穩定帶增 寬的部分,其y值（波增長率）均很小, 且隨離y高值中心的距離的增加衰減很快, 除接近 原來R（摩擦力）=0時的不穩定帶的邊緣部分以外, 大部分區域其y值均可忽略不計。

（2）一般化Eady問題中摩擦和地形的影響

地轉風對高度不是線性增加的一般化Eady問題。一般化Eady波中考慮地形和摩擦時，其結果中保持了地形和摩擦各自作用的影響，摩擦影響的特徵同Eady波，但地形影響與Eady波有差別。

在實 際大氣中風的鉛直增長到對流層上部逐漸變慢,若把整層大氣一起考慮，近似地說，主要是相應於∈<0的情況，有的研究指出對阿爾卑斯背風氣旋的發展來講,與山南側斜壓波動的發展密切有關。

實際大氣中擾動的發展有各種原因，邊界層影響只是一種，不一定是主要的。例如暖下墊面的加熱作用可能是某些氣旋發展的重要原 因，但這時較大的邊界層摩擦可能抵消了一部分加熱的影響。另一方面，全球氣旋的高發生頻率區有不少是在大洋上，洋面上z_o小，容易造成不穩定增長亦可能是原因之一。

（3）斜壓不穩定的科學意義

①從理論上證明了最常見的天氣尺度擾動是斜壓不穩定引起的；

②給出了斜壓不穩定的波長，數千公里 ；

③斜壓不穩定的波一定是後傾的，即溫度波的位相落後於流場的波；

④解決了波的發展機理問題（長波理論只解決波的移動問題，沒解決波的發展問題）。

正斜壓波

正斜壓波是中緯度最為典型的一種天氣擾動,其發展演變對中緯度高空槽、地面低壓等系統有著非常重要的影響作用,而同樣不同尺度地形擾動對於天氣系統有著重要影響作用。