强对流过程的形成与维持-孙继松

怎么理解强对流过程的形成与维持?孙继松概要•强对流的基本条件与探空理解•干冷空气的表现方式与作用•垂直切变的意义•垂直运动与抬升作用•前倾槽结构的天气学意义1、强对流的基本要件与探空理解层结不稳定、垂直切变、水汽、抬升运动•层结不稳定可以用K指数、SI指数、中低层温差（如T850-T500），中低层假相当位温差（如θse850-θse500），CAPE等等来表示,尽管它们之间存在明显相关（正或负），但是，每一个指数物理意义不同(大多是经验指标），对对流现象的指示意义不同---对T-lnP图的理解远远比这些数值更有价值。对应的K指数分别为41℃、40℃(数值很接近)，后者CAPE值是前者的两倍以上，而前者SI指数所表现出的不稳定更强,但对应的强对流现象完全不同。前者主要以强降水（2010年5月6日夜间广州对流性暴雨）为主，而后者对应雷暴大风和冰雹（2010年5月5日重庆的风雹灾害---对应的对流活动更剧烈）;2、干冷空气的作用与表现方式在强对流过程中之所以强调干冷空是由于:(1)能够形成如图所示的层结;(2)干冷平流过程使得环境大气不稳定能量得以维持;(3)对流过程中干冷空气被卷入对流风暴中形成冷却蒸发是雷暴大风的能量源;(4)造成0℃,-20℃高度下降，利于冰雹的形成.--因此,对流暴雨不一定需要强烈的干冷空气作用干冷空气的表现方式•对流层中层(500hPa)冷槽、干线（中分析要件）•水汽卫星云图中对应的暗区3、垂直切变的意义强烈的垂直切变是对流能否发展和维持的关键因素•强的垂直风切变破坏了雷暴的自毁机制，使对流得以较长时间的维持和发展，因此，龙卷、大雹、强烈的雷暴大风一般在低空强烈的垂直切变环境中发展•边界层内水汽和中层干空气不断流入对流风暴---维持风暴发展•中低层强垂直切变是对流倾斜风暴和悬垂结构的动力因子---强垂直切变是龙卷、大雹、雷暴大风产生的必要条件强回波悬垂冰雹过程中雷达强度、径向速度图干冷空气卷入暖湿空气入流•但是，低空垂直切变的强度不是对流性暴雨的必要条件A、具有强烈低空垂直切变的对流性暴雨（广州，2010-5-7-00）,伴有雷暴大风C、北京一次对流性暴雨（2008-8-10）回波悬垂B、弱垂直切变对流性暴雨回波剖面（2009-7-6日，天津）D、弱垂直切变对流性暴雨回波剖面（2008-8-14日，北京）回波悬垂•关于探空分析中需要提示的几点：（1）在大冰雹、龙卷和强烈的雷暴大风过程中，低空垂直切变（700hPa以下）更具有指示意义；（2）风向的垂直切变（如对头风）比同向风（风速）的垂直切变（仅仅表现为风速的垂直变化）更重要---它是形成悬垂结构的核心动力因子；（3)在垂直切变中，需要密切注意边界层内（如925~1000hPa)风矢量大小：它既是悬垂结构强迫因子，也是雷暴入流性质的核心---决定水汽供应和热力不稳定维持（低空暖湿属性）---为什么在我国发生的龙卷大多发生在强降水过程中？可能与局地强降水激发的中尺度边界层急流造成的强烈垂直切变有关（4）形成强下击暴流（地面表现为雷暴大风）的边界层（如925hPa以下）内的温度廓线常常表现为近似于干绝热结构---这是由于对应DCAPE大值4、垂直运动与抬升作用（1）从大尺度资料或再分析资料中诊断出的上升速度不代表中尺度强对流系统中的上升运动，它的量级要比水平运动（cm/s)大2-3个量级，它比实际对流过程中的上升运动或下沉运动要弱得多---在对流过程中起到抬升作用（2）中尺度对流系统中的垂直运动主要是浮力产生的(CAPE)，在强对流过程中，它的量级与水平运动量级相当(100-101)---即是抬升运动速度的近百倍（3）雷暴大风、冰雹、龙卷等强对流过程发生环境与暴雨的一般区别往往表现在：雷暴大风、冰雹、龙卷的环境上升运动中心（最大抬升运动中心）一般在对流层底（850hPa以下)---起到对不稳定气块的抬升作用;暴雨往往对应于深厚的上升运动（4）对于大范围的强对流过程（如飑线系统），多数情况下，在对流启动前，我们可以在常规天气图上发现启动因子（抬升触发条件）---特别是对流层低层，如925（平原）或850~700hPa（高原）上的风切变、地面辐合线、露点锋（干线）、传统锋面或副冷锋等等（这些可以通过中分析得到基本判断）（5）对于局地强对流过程，中尺度抬升触发机制，需要特别注意的是：对于有地形、海岸线、大湖面的区域，地形辐合线、海风锋和湖风锋（午后由水面吹向陆地）的触发作用---总之，对于强对流的启动来说，边界层内的系统是预报的核心因素：没有低层暖湿气块的强迫抬升是不可能发生灾害性强对流天气的！！！R=(ωq)●E●△t，降水量的大小取决于：云底的垂直水汽通量（ωq）~强对流的云底高度与CCL对应、凝结效率（E）和降水时间(△t）•凝结效率（E）取决于水平温度梯度（斜压性）和垂直温度梯度（层结稳定度）•ω云中对流～（2CAPE）1/2×2/3（或1/2）•在同等比湿条件下（q），强对流降水的降水效率比层云降水效率（由大尺度上升运动提供上升运动）高几十至百倍；•尽管大多数数值预报模式中考虑了对流降水过程，但是真实的强对流降水至少是模式预报降水效率的3~5倍（取决于对流强度）怎么理解（估算）强对流降水强度？5、前倾槽的天气学意义•一般前倾槽空间配置结构的天气系统，存在满足上述强对流发生的热、动力学特征和启动机制：（1）热力不稳定加强与水汽供应机制：在对流层中，温度槽一般是落后气压槽的，意味着500hPa槽后显然存在较强烈的干冷平流，而对流层低层仍然处于暖湿区或暖湿平流控制下，形成所谓“上干冷、下暖湿”的层结，这种结构非常有利于热力不稳定层结加强；（2）垂直切变维持机制：在大多数情况下，西风槽后一般是西北气流，槽前是西南气流，因此“前倾槽”结构有利于对流层中低层垂直切变的维持；（3）低层抬升机制：低空槽或水平风切变、锋面本身就提供了较强的抬升条件，而对流层上层往往对应高空辐散场，对流不稳定很容易被触发；（4）对流层中上层的冷平流有利于0℃，-20℃等特性层的降低，为雹胚的生长提供了良好的形成环境。