卫星气象学课件5liya.ppt
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1、第五章 水汽图象的基本类型和分析 5.1 概述 5.2 水汽边界的型式 5.3 高空槽前的边界,水汽:由于地心引力的作用,地面附近空气比较稠密,越往高处,空气越稀薄。大部分空气聚集在从地面往上大约十公里大气里,而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。雨、露、霜、雪是由大气中的水汽形成的,因此主要产生于大气层下部。,5.1 概述,水的气、液、固态易转化,太阳辐射和重力作用,内因,外因,自然影响因素:气象条件(大气环流、风向、风速、温度、湿度等);地理条件(地形、地质、土壤、植被等)。,水汽图:卫星观测在5.5m至7.5m红外波段内,存在着强水汽吸收带。卫星在这一吸收带上测得的辐射强度主要是大气
2、中水汽吸收后的再辐射。这种向上的辐射强度测值可转换成温度值表示,这种方式测得的温度称为“亮温”,“亮温”也可用色调来表示。这一波段观测的辐射图象称为水汽图象,一般在水汽图上,白色调表示能量很低的辐射或冷亮温,黑色表示高能辐射或暖亮温。,到达卫星的水汽辐射来自有一定厚度的各层次中。水汽在普通的浓度下对辐射是半透明的,因此卫星测得的亮温是若干水汽层的“总”温度,而不是某一个特定面或层的温度。气层水汽浓度越大,辐射能穿过的气层越薄,这就好比一个人在雾中望远,可见距离随雾密度的增加而减小。我们可以认为卫星以同样的方式,向下“看”水汽,但它测到的或“看到”的是水汽所发射的能量,以亮温代表而不是可以看得见
3、的光。因此,6.7m波段,不能提供大气整层水汽含量的信息,而只能获得在气层中、上层水汽分布情况。6.7m水汽图对大气层中上层水汽反映敏感,对大气低层的水汽与云反映不敏感,而水汽主要分布在大气中、低层次。,卫星水汽图主要分析动力气象。到达卫星的辐射受许多变量影响。对6.7m波长来说,主要有大气中水汽含量,水汽垂直位置以及水汽的温度等三个因素。为了便于使用,初步归纳为以下几条:第一:高云区在水汽图象上与在红外云图上一样,都表现为灰白色。只是水汽图象上在高云的范围以外还有水汽可以被观测到,所以高云边界模糊。因此,在水汽图上白亮区的边界往往不是云的边界,水汽图上云区以外较亮(暗)的地区表示湿层的顶部较
4、高(低)。特别暗的地区一般对流层中上部有明显下沉运动。,第二:中、低云在水汽图上不清楚,因为这个波长的辐射在其路径上受水汽的再辐射而使对流层中低层的信息几乎不存在。第三:6.7m波段的辐射一般不能穿过整个大气层,因此,除了非常干燥的冬季,在水汽图上很少看到地表特征。第四:由于6.5-7.0m的水汽通道对水汽十分灵敏,当对流层上部200hPa附近有逆温层时,图象亮度不再代表湿层顶部的亮温,其解释会变得非常复杂,但这种情况并不常见。将水汽图像应用于天气尺度分析的基础:干区(深灰色)、湿区(亮白色)以及它们的边界,它们经常和重要的高空气流特征有很大的相关性(比如:槽、对流层顶动力异常和急流等)。,分
5、析水汽图中最重要的特征是不同水汽区之间的边界,了解边界与整个水汽分布是分析的关键。,根据图象上不同特点和表现可识别出常见的边界类型。水汽图中清晰的边界或灰度差异通常代表高空亮(冷)灰度一侧的湿空气和暗(暖)灰度一侧的干空气之间的差异。它们的形成原因有:湿空气在某一地区上升,而周围环境状况无重大变化;湿空气在被高空干空气侵占的区域下沉,即在无变化的湿 环境附近,形成新的高空干空气环境;水汽边界可能是前面两种过程共同作用的结果,上升的湿 空气区域邻近的湿空气可以下沉;在相同尺度上没有明显垂直运动的水平变形过程可使最初 渐变的或反差小的水汽梯度变得清晰且反差大。,水汽图中观察到的最有意义的边界涉及到
6、水平变形过程和一个或多个垂直运动过程的结合。在水汽图中选用“边界”表示具有不同灰度的相邻区域之间的突变界面,由于各种应用的要求不同,图象产生的过程亦不一样,为了描绘这些差异及其随时间的变化。用下列专用术语来描述:,清晰度,边界条件,陡峭度,灰度梯度的大小 和形状的规则性,对比度,边界两侧灰度差的大小,带或缝:这种或黑或浅灰的长形区域宽度有限,在其两侧各有一条边界。“带”这个词既可以用于表示亮,又可以表示暗的特征;而“缝”这个词只用于表示暗区。边缘:当灰度差出现在一较长距离内或形状不规则时,我们有时用“边缘”一词来表示不清晰的界面。水汽图中最常见和最重要的类型被归纳为七种基本类型:天气尺度系统的
7、“头边界”平行急流边界“斜压叶”边界干涌边界底涌边界内边界回流边界,水汽图中观察到的一种最常见的边界型式的形成与垂直上升运动区高空水汽的扩散有关。在高层水汽扩散方向与周围高空风场方向相反的一侧,往往会形成“阻塞”。一般来说,清晰的边界形成于垂直上升运动产生湿区的上游一侧,我们称这种特定类型的阻塞过程为“头阻塞”。由这种过程形成的边界,可以多种尺度出现在大气中各个层次中。但这种现象出现在对流层低层时,在6.7m水汽图上通常观测不到。,5.2 水汽边界的型式,5.2.1 天气尺度系统的“头边界”“头阻塞”可发生于各种尺度上,所以我们亦将“头边界”这个概念用于天气尺度的系统。边界的图象特征 头边界由
8、一个相当清晰的界面组成,它的一侧是高云和冷的高空湿区,另一侧是各种各样的干环境。云和水汽趋向于在高层积累并从垂直上升运动区向外扩散。清晰的头边界形成于正在扩散的高层湿区的上游,水汽向周围扩散或阻塞周围的高空风。垂直下沉运动区常沿头边界形成。虽然这种向下的垂直运动区或下沉带可沿边界扩展很长距离,但它在与边界正交的方向和垂直深度上影响范围都很小。局地性下沉运动是由周围上游气流和湿侧“阻塞”气流之间的高层辐合产生的。局地上升运动区亦可能沿着边界在最大辐合层以上出现。因此,在解释水汽图时,与暗区有关的是下沉区域。狭窄干带在厚度上是有差别的,通常限于对流层上部,一般在500hPa以上。,特征:水汽图上的
9、头边界表现为边界整齐光滑,向上游一侧凸起,它的一侧为冷的湿区和高云区,另一侧为一狭窄的干黑带。头边界一般出现在两种情形中:一种是逗点云的头部西界,另一种是雷暴云的西南边界。,水汽区,流线,急流,头边界,头边界,图5.1 a天气尺度的头边界 1988.4.7 GOES 6.7m水汽图,5.2.2 头边界的高空分析个例,A处代表头边界的位置,这个例子所示的天气系统是一个冬季风暴,头边界和高层风场的基本关系与前述特征大致相同。头边界位于300hPa风场的鞍形伸展轴一带,在鞍形场以南、以北近于与风向平行。在这个例子中,一急流分支出现在沿头边界向极地一端。,塞”效应形成。一部分水汽以反气旋方向回绕“后伸
10、”脊,另一部分向南回绕高空气旋。在上游西风区中较干空气接近时也出现了类似的气流分裂,这些流型在300hPa流线图上形成了一个鞍形场。且是不对称的,鞍两侧的“分裂”没排成一线。这种情况是很普遍的,不对称流场中系统的变化与系统的发展有关,需要注意的是,头边界的位置沿着鞍形场的扩张轴,称这条扩张轴为变形带。鞍形场中沿边界的高空风在边界的高度上很小。在鞍形场以北和以南风速增加,方向相反,流线和其头边界近于平行。,图5.1b 天气尺度的头边界水汽图与300hPa分析图叠加。图中实线是流线,虚线是等风速线(海里/小时),箭头是300hPa最大风速轴。,下图中,头边界“A”东侧是巨大高空冷湿区,该湿区的一部
11、分与300hPa气旋性弯曲气流有关,另一部分则与反气旋弯曲气流有关。当高空气旋闭合时,高空脊“后伸”到低压北侧附近。水汽通过垂直上升运动在高层积累,在脊和气旋之间的高层东风中向西移动。在水汽遇到上游方向相反的西风带的地方,“阻,A,5.3 高空槽前的边界 位于高空槽前的边界对于天气状况及其随时间变化的预报工作很重要,所以归纳为一种专门的类型,分为三种:“平行急流型”、“干涌型”和“斜压叶状边界”等。高空槽前的边界通常以组合的方式出现,或发生在两种不同类型边界之间的过渡期间。高空槽前水汽边界的共同特征是边界清晰,原因有:第一,沿边界湿侧常常有高云,由于云能够阻止低层热源的辐射,这就使得卫星图象上
12、边界湿侧的灰度很浅;第二,深厚的干空气区或“缝”常沿边界上游较干侧分布,这些干区一般要比那些与头边界相联系的干区深厚一些,通常也比与头边界相邻的干区要宽一些。边界后部的阴影总是很暗,而且在边界两侧会形成很强的灰度对比。,5.3.1 平行急流边界 高空槽前的边界常常以复合或单独的类型出现。单独出现最常见的是平行急流型。其特征是:第一是急流的最 大风速轴常常与水汽边界近于重合。第二是最大风速轴平行于水汽边界,在干区一侧。有时,主要是在冬季风暴演变的“分裂”初期,存在同急流结构有关的两个分开的最大风层,这时,高层的最大风速轴可出现在边界的湿侧,而低层的风速轴则很可能在“干缝”之内,且平行于边界。,急
13、流轴平直,水汽边界与其平行,高空急流轴环绕闭合低压呈气旋性弯曲,水汽边界朝槽一侧凹状弯曲,图5.2平行急流边界 a.1982.2.18.0015Z西GOES 6.7m图;b.1982.2.18.0045Z 112m红外图;c.1982.2.17.2345Z可见光图与250hPa分析图,图中黑线是流线,白箭头是250hPa最大风速轴;d同时刻可见光图与地面等压线和锋面位置。,位于太平洋东北部的天气系统是一深厚的高空槽前冷锋云带,该锋面云带由多层云系组成。,水汽边界在高空槽前,与红外和可见光云图上卷云边缘吻合,西南端沿锋区上游侧的云位于中、低层。,最大风速轴在BC处平行于水汽与云边界,但风向则不同
14、。在沿边界的西南端AB处,流线以较大的角度穿过边界。在边界BC段,边界和流线间角度减小,C处流线近平行边界和最大风速轴。,暗区沿着平行于急流边界的后部分布。,图5.2中可见光图象在东部的图象范围要比水汽图和红外图大一些。位于太平洋东北部的天气系统是一深厚的高空槽前冷锋云带,该锋面云带由多层云系组成。主要的水汽边界在高空槽前,在水汽图上用A、B、C标明,与红外云图和可见光云图上卷云边缘吻合,西南端沿锋区上游侧的云位于中、低层。250hPa的最大风速轴用白色箭头标出,接近平行于 BC处的水汽边界,在边界的AB段,最大风速轴并不平行于边界,从一个角度由西逼近,直到B处才和边界平行。最大风速轴在BC处
15、平行于水汽与云边界,但风向则不同。在沿边界的西南端AB处,250hPa流线以较大的角度穿过边界。在边界BC段,边界和流线之间的角度减小,到了C处,流线近平行于边界和最大风速轴。在水汽图上通常有一个很长的暗区,它沿着平行于急流边界的后部分布。图5.2a中BC段边界后部的是暗带,暗带位于东北段的部分是一个典型的“干缝”,“干缝”类暗区一般在垂直方向上很深厚,并有干空气向下延伸到近地面。在红外云图上,大面积的对流云区标注着“T”,在急流左侧高空槽区的海洋上空。在DE段之间形成干带的后部边界,这是暗带沿高空槽前侧变化的一种方式。,5.3.2“斜压叶”边界 在水汽图上,“斜压叶”表示高空槽前出现的一种特
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