高等天气学对流

多单体对流演变模型
左图：1999年5月20日在德克萨斯观测到的多单体对流系统 右图：对流系统以东约100km处风廓线仪观测的速矢端迹图 0-6km速度差为16ms-1。单体移动、单体传播、整个系统运动分别用紫 色、黄色、绿色矢量标出。可见，单体朝着西南方向传播，与朝东的 低层切变不一致。观测到的对流单体的传播似乎是环境场不均匀性的 结果，比如，对流单体与干线的相互作用，或者CIN的变化。
一个超级单体上升气流的图 片，叠加了示意性的涡线。
低层水平涡度的产生
成熟阶段的超级单体必然产生近地面出流，冷出流会形成 水平浮力梯度，进而产生近地面的水平涡度。尤其是和前 测下沉气流FFD有关的出流，因为低层入流的很大一部分是 从这个地区进入上升气流的。这样在超级单体内部产生的 水平涡度与环境水平涡度的大小相当，甚至比环境水平涡 度还大，它大大增加了可以被倾斜的总的水平涡度。 低层环境涡度的方向与斜压产生涡度的方向会影响中层中 气旋的强度和维持时间。 （主要受深层切变和 控制的）降水的分布会影响负浮 力的分布和斜压涡度的生成，因此，降水的分布显著影响 低层中气旋的特征。
美国中部62个龙卷性超级单体雷暴附近探空的速矢端迹合成 图。数字代表气压层（单位：hPa）。从起点到O点的箭头表示风暴的平
均运动，风暴平均朝着东—东北方向移动，在垂直平均引导气流的右边。 风速随高度迅速增加，特别是在对流层低层，风向从近地面的南—东南 顺时针方向转到对流层高层的西—西南，风向改变了约90°。虚箭头代 表在随风暴移动的坐标系中各个层次的风。
3、超级单体（supercellular convection）
超级单体是一种最强烈的局地风暴，虽然发生频次较低，但是产生的灾害 严重。它表现为单一的强大的环流系统，常具有不对称的外形和天气分布。 在单体内有一支深厚的扭转的上升气流，上升气流中包含一个直径约几公 里的深厚的中气旋，单体内也有下沉气流。超级单体一般维持1-4小时， 可以达到8小时。有时会产生龙卷。
超级单体的移动
北半球几乎所有的强超级单体风暴都具有右移（且反时针 旋转，即气旋性旋转）的上升气流。直到20世纪80年代人们 还普遍认为这是科里奥利力影响的结果。但是通过数值试验， 人们现在已明确行星涡度对超级单体风暴上升气流的旋转作 用很小。 右移的风暴盛行是由于在有利于超级单体风暴形成的大尺度 场中，顺时针方向转的速矢端迹盛行，顺转扰动了对流上升 气流内部及附近的气压场，加强了右移风暴，抑制了左移风 暴。
生命史：30-60分钟 (a)发展期
(a) •上升气流超 过10ms-1 •卷入过程 •云底之下无 降水 (b) •近地面冷池 和中尺度高 压 •卷出过程
Hale Waihona Puke Baidu
环境垂直风切变很弱 (b)成熟期 (c)消散期
(c) •下沉运动为 主 •冷空气向外 延伸较远，切 断高能的入流 空气与上升运 动之间的联系
一个典型的普通单体雷暴生命史的3个阶段示意图： （a）发展期，（b） 成熟期，（c）消散期。(原图引自 Byers and Braham ［1949］， Doswell［1985］，Markowski and Richardson［2010］)
前侧下沉气流和后侧 下沉气流共同产生强 烈的地面阵风锋，从 运动学角度来说，与 中纬度副热带气旋的 锋面结构类似。
强风暴雷达回波三层平面分布示意图
（Lemon与Doswell，1979）
超级单体气流三维结构
早期
成熟 阶段
注意：箭头并不等同于实际的流线或轨迹 Markowski and Richardson［2010］，原图引自Lemon and Doswell[1979]
加拿大草原上超级单体风暴的雷达图像合成图。左边是水
平剖面，右边是垂直剖面。反射率单位为dBz，是对降水强度的对数度量。 BWER表示边界弱回波区域，代表上升气流。Zemax表示最强的回波。 在4km和7km层上的有界弱回波区（BWER）或无回波穹窿对应了上升气流， 它与旋转轴一致。最强的雨和冰雹往往出现在围绕着气旋性旋转轴的西北 侧的下沉气流中。
中层旋转的形成
超级单体里面中层旋转的形成原因已经被认识得比较清楚了， 而近地面旋转的产生还涉及到其他一些因素，主要是下沉气 流的发展。 上升气流里面中层气旋的形成可以用线性化的垂直涡度方程 来理解。从垂直涡度方程开始，忽略科氏力和斜压项，并且 把速度和垂直涡度分别分解为只随高度变化的平均量（环境 场）和扰动量，得到相对于上升气流移动的扰动垂直涡度的 局地变化：
钩状回波，无回波穹窿（弱回波区）
水 平
被悬垂回波包围的 弱回波区称为“有 界弱回波区”，这 是特别强烈的风暴 的一种特征。在这 种下悬的悬垂体中 有大量供冰雹增长 的胚胎，所以又称 冰雹幡。 一般情况下，风暴 出现“无界弱回波 区”，即未被悬垂 体所包围，四周无 回波存在，只有在 弱回波区上方有回 波。
中层旋转的形成——水平平流项的作用
第二种情况（streamwise涡 度）下，平流项使得正涡度 朝着最大上升运动的位置移 动，负涡度朝着上升运动区 域以外移动。 因为 在正负涡度对的中 间位置比较大，涡度对朝着 垂直S方向的移动比顺着S方 向的移动更加显著；并且， 由于正的拉伸作用，在 streamwise涡度情况下，中 层的气旋性涡度大于反气旋 性涡度，类似的， streamwise涡度情况下中层 气旋性涡度也比crosswise涡 度情况下更加强。
高等天气学讲座(2016年春季）
单元四：对流和降水天气系统
第十讲 对流系统
丁一汇 国家气候中心
罗亚丽 中国气象科学研究院
对流系统的分类
一、对流单体
一般单体 多单体 超级单体
二、中尺度对流系统(MCS)
飑线 中尺度对流复合体
三、地形引起的对流系统
1、一般单体对流（single-cell convection)
带刺丝的曲线表示单体后侧的阵风锋(即出流边界）（引自Markowski
and Richardson［2010］；原图引自Chisholm and Renick[1972]）
超级单体内的下沉气流区域
• 超级单体前侧区域，雨滴蒸发、冰粒子融解和升华产生负浮力，导致 “前侧下沉气流”（FFD） • 超级单体后侧的悬垂回波区域，中高层的干空气碰到上升气流导致蒸 发冷却和负浮力，并且向下的垂直气压梯度力也产生向下的加速度，在 热力强迫和动力强迫共同作用下形成“后侧下沉气流”（RFD） • 龙卷一般产生在RFD前方的上升气流附近
中层旋转的形成——倾斜项的作用
倾斜项在中层产生正负 涡度对，顺着平均垂直 风切变（S）的方向看， 正涡度位于最大上升运 动的右侧，负涡度位于 其左侧。
扰动垂直涡度、平均垂直风 切变（S）与垂直运动水平梯 度的关系示意图 红色代表上升运动区域
中层旋转的形成——水平平流项的作用
垂直涡度的梯度指向S的右 侧90度，与环境水平涡度 （ ）的方向相反。当 与相对上升运动的风（ ） 垂直的时候，被称为 “crosswise”涡度，当 与 指向相同方向的时候， 被称为“streamwise”涡度。 第一种情况下，平流项在最 大上升运动的位置为零，所 以，它不改变正负涡度对相 对于上升运动中心的位置， 平流项使得气旋性-反气旋 性涡旋对分别沿着S方向移 动。
龙卷雷暴近地面气流平面分布图
相对于风暴的气流在图 上用带箭头的曲线表示。 粗线包围区是雷达回波 （即雨区）。冷锋的符 号代表流入暖空气与流 出冷空气的边界，并且 画出了锢囚性阵风锋。 细点阴影区代表上升气 流的低层位置。FFD与 RFD由粗点阴影区表示。 T是龙卷位置。（Lemon and Doswell[1979]）
在低层进入风暴的上升气流主要在弱回波区（或无回波区）中上升，至 少在风暴的早期或成熟阶段是如此。在雷达回波上形成这种结构是由于 上升气流太强了，使得液态云滴没有足够的时间增长到雷达所能够观测 的大小，因而充满由小水滴组成的云；即使降水粒子在高空形成了，也 由于风的切变很大，使它不能落入低层的上升气流中。
2、多单体雷暴
(multicellular convection)
大气中常出现的一种强风暴叫“多单体 雷暴”，它们是一种大而强的雷暴体， 其中包含有多个单体，新的单体沿着阵 风锋重复发展。虽然每个单体的生命期 仅仅30-60分钟，但是，单体的连续更替 过程使得多单体雷暴可以维持几个小时， 可能产生灾害性的强降水、直线大风和 冰雹。 新生和发展阶段的单体有活跃的上升气 流，在衰减阶段以下沉运动为主。 风暴内的上升气流起源于风暴前边界层 中，以后斜升到中高层。 各个单体以平均风的速度移动，整个多 单体雷暴的移动是各个单体的移动和传 播相叠加的结果。
中层中气旋的形成——小结
总之，雷暴上升气流里面中层旋 转的形成和发展，最初是由于环 境水平涡度的倾斜在中层形成了 一对气旋性和反气旋性的涡旋， 平流项随之发生作用， 沿着环 境水平涡度方向的部分发挥的作 用比较强，它使得气旋性旋转与 上升气流的位置逐渐重合。 可见，强的环境风垂直切变（环 境水平涡度）对于超级单体内形 成中气旋非常重要。
垂 直
（上）超级单体反射率结构概念图。绿色和黄色阴影表示弱、 中等、强雷达反射率（左为低层的水平结构，右图为垂直剖面） （下）VORTEX试验期间1995年5月16日2306 UTC机载雷达观测的 超级单体雷暴的雷达反射率因子的准垂直剖面 （引自Markowski and Richardson ［2010］）
（大气科学，2008）
超级单体的分裂
超级单体风暴分裂示意图（直 线型速矢端迹情况）
(a) 在涡旋对左右两侧产生向上的 垂直气压梯度力（蓝色实心箭头）， 使得在风暴形成的30-60分钟内上升 运动分裂成两部分； (b) 降水和下沉气流（涡线朝下倾 斜）加强上升运动分裂，原本以上 升气流为中心的正负涡度对变成了 两组气旋－反气旋涡旋对，形成右 移风暴和左移风暴。“右”和“左” 指的是相对于深层切变矢量。 透明的蓝色箭头表示相对风暴的轨 迹。（b）中虚线的透明蓝色箭头表 示风暴分裂以后的相对风暴轨迹。
（左）超级单体风暴的概念图。（Lemon and Doswell 1979 ）绿色阴影代表雷达反射率因子>30 dBZ的降水区域。粉色阴影代表主要的上升区域（ U）。T表示龙卷发生的位置。带刺丝的曲线表 示出流边界。带箭头的曲线表示相对风暴移动的流线。红色星星表示右图照片拍摄者的位置。 （右）一个产生龙卷的超级单体的照片。（Erik Rasmussen提供） （引自Markowski and Richardson［2010］）
下沉气流和龙卷
低层中气旋的存在并不是生成龙卷的充分条件，低层中气 旋的强度更强或者维持时间更长也不意味着生成龙卷的可 能性更大。 产生龙卷（即地面产生垂直涡度）需要有下沉气流参与到 倾斜过程中来，至少如果地面没有预先存在的显著的垂直 涡度的时候是如此。当倾斜产生正垂直涡度的时候，靠近 上升气流的下沉气流可以把正涡度带到地面。 与FFD有关的垂直速度梯度通常比位于上升气流和RFD之间 的垂直速度梯度小一个量级，所以，对于龙卷的生成，RFD 可能比FFD有着更直接的重要性。FFD的重要性是通过FFD出 流中的水平浮力梯度（斜压性）产生水平涡度。
其中 S代表平均垂直风切变，C是上升气流的水平移动速度 （假设为常数）。右边第一项代表（相对上升气流的）水平 平流造成的扰动垂直涡度的变化，右边第二项代表垂直速度 梯度造成（与平均垂直风切变有关的）水平涡度的倾斜而导 致扰动垂直涡度的变化。
中层旋转的形成 ——倾斜项和水平平流项的不同作用
“水平平流项”是把垂直涡度场在上升气流里面水平移动， 它只有在已经产生垂直涡度之后才会发生作用；只有“倾斜 项”能够产生垂直涡度。 另外，在上式中忽略了非线性影响的“拉伸项” ，随 着上升运动的增强，已经倾斜到垂直方向的涡度还会被拉伸 项大大加强。
（引自Markowski and Richardson［2010］）
雷达低层扫描观测到超级单体的最主要特征是 • 反射率资料中的钩状回波和无回波窟窿（弱回波区） • 径向速度资料中的 inbound-outbound couplet
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1998年6月14日0124UTC俄克拉荷马市雷达观测的 (a)反射率和(b)径向速度（Markowski and Richardson［2010］）