中尺度对流不稳定理论与有组织对流对预报的影响道

中尺度对流不稳定理论与有组织对流对预报的影响道 高等天气学系列讲座第三讲 中尺度对流不稳定理论 与有组织对流对预报的影响 丁一汇 国家气候中心3.1大气的稳定性与中尺度不稳定类型 设想全球大气有两种初始状态，其间的差别甚小。如果在它们在演变中这两种状态的差别变大，则可认为大气是不稳定的，例如不同年份的同一天的大气状态可能就是如此。从这个意义上讲，大气总是被认为是不稳定的。 稳定性与大气的可预报性是密切有关的。例如对于周期性的稳定流动，是不难预报其演变的，但对于一不稳定流相对来说则是不可预报的，因为初始状态不完全清楚。前面已经指出，大气是明显不稳定的，故也应看作最终是不可预报的。尽管如此，在一般不稳定流场中某些方面或某些地区可以是局地稳定的，因而是可预报的(如潮汐，局地海陆风等)。 在具有风的垂直梯度和/或浮力的水平均匀流中有三种不稳定性能够增长。第一是浮力不稳定，二是惯性浮力型不稳定，又称对称不稳定，三是切变型不稳定，又称开尔文-赫姆霍兹不稳定波。第一和第三种不稳定的尺度为几十到几千米，产生的主要是对流层中观测到的小尺度乱流、积云单体以及小涡旋等。第二种不稳定的尺度为几十到几百公里，一般认为这种不稳定是产生许多雨带与雪带的直接原因。这种雨带和雪带通常出现在暖锋和锢囚锋区，是一种中尺度系统。因而对称不稳定问受到明显的重视。 3.2 位势不稳定与对流活动的发生 雷暴或强风暴系统是一种热对流现象，而对流运动的主要作用是浮力。浮力越强产生的上升运动越强，雷暴的垂直发展越高。空气上升的浮力主要产生在位势不稳定的层结中。因而要形成雷暴或强风暴系统必须有明显的位势不稳定层结。目前在强风暴的研究中一个很重要的问题是位势不稳定层结如何形成的( se 0 )和如何通过抬升过程而释放出来。 zPalem与Newton(1969年)指出，位势不稳定是指对流不稳定( z 0 或 w 0)和条件不稳定( m se ) z的结合。这时考虑的是一深厚气层。在这样一种层结中，只要通过抬升或降水的蒸发使其达到饱和，建立的温度递减率超过湿绝热递减率，就会出现位势不稳定。其条件是 w 或 se 或静力能量 c pTv gz Lq随高度减小及 m 。位势不稳定常常是由相对湿度随高度的减小造成，主要又决定于低层相对湿度的大小。当低层接近饱和时或为饱和层，位势不稳定明显。这实际上相当于气层的条件不稳定不变或少变(温度随高度的递减率不变)而使气层的对流不稳定变化，从而使位势不稳定发生变化。从这个定义上讲，位势不稳定等于对流不稳定。 有人曾根据温度的递减率是否是条件不稳定而把位势不稳定分成两类。这样区分是必要的。因这反映了使位势不稳定所需要的外界抬升强度不同。在条件不稳定大气中，一旦在此层的任一处达到饱和，将开始发生对流。而在不具备条件不稳定大气中，则需要另外有强抬升(造成低层潜热加热或高层冷却)才能使探空变成真正的不稳定层结。这种情况实际上也相当于对流不稳定的情况。显然只根据 w和 的垂直剖面是不可能区分这两种层结的。条件不稳定适用于气块而不是气层，对流不稳定是对气层而不是气块。 逆温层把低层湿层和上部干层分开，可建立强位 势不稳定层图3.1 1974年6月17日08时南京探空曲线(B)和徐 州探空曲线(A)实线:温度，虚线:露点 (取自杨国祥等，1977年) 位势不稳定层结的建立主要取决于高低层水汽和热量平流的差异。即高层冷平流，或干空气平流，低层是暖平流或湿空气平流，或中低层比上层增暖更明显。要造成明显的平流差异应具备两个条件，即要有明显的垂直切变和明显的水汽和温度差异(即 sc 差异大)。 在有些情况下平流不是造成位势不稳定的主要原因，而是以地面加热为主，这常出现在夏季长期由热带海洋气团控制的地区或雨后比较湿润 的地区。 低层湿度的增加是非常重要的。由下图可见它可影响对流温度，对流凝结高度(CCL)和抬升凝结高度(LCL)。图3.2 比湿增加对对流温度(T1，T2)，LCL，CCL的影响(取自Bluestein 1993)图3.4 对流有效位能(CAPE)的确定 (Bluestein 1993图3.5 Showalter指数(SI)与抬升指数(LI)的 计算(Bluestein1993) 3.3 对称不稳定与中尺度对流雨带 对称不稳定是说明中尺度雨带与雨团形成的主要不稳定机制。这种雨带多发生在锋面附近和锋前暖区中。它们一般是发生在斜升的上升气流中，而不是垂直上升的气流中。中纬度斜升对流或非对流系统降水是中国主要降水(包括降雪)的一种形式。 当大气处于弱的层结稳定状态时，虽然在垂直方向上不能有上升气流的强烈发展，但在一定条件下可以发展斜升气流，这种机制称为对称不稳定。它可以用来解释与锋面相平行的中尺度雨带的形成和发展。 所谓对称稳定实际上是大气中垂直方向上的静力稳定度和水平方向上的惯性稳定度相结合而产生的一种大气在倾斜方向运动的稳定度判据。湿润大气静力稳定度(对流不稳定)。判据前面已说明，即 p 0 (不稳定)或 se p 0 (稳 se定与中性)。对称不稳定的关键是惯性稳定度。所谓惯性稳定度是指在一个平衡的(如地转平衡)风与气压场中，如果气块受外力作用，偏离了它原来的平衡位置，如果气块能在扰动之后再回到原来的平衡位置，则此大气是惯性稳定的，否则是不稳定的。 说明位势不稳定的示意图 实线: 线 虚线: 线 M图3.6 对称不稳定条件下位温和绝对角动量的y-z剖面示意图。沿着或平行于点1和点2间连线运动的气块是对称不稳定的。