对流有效位能垂直分布作用的评价.pdf

对流有效位能垂直分布作用的评价Ξ⁄?? ??? ? ?? ?? ? ???? ? ? ?强风暴实验室?博尔德?科罗拉多州?摘要 对流有效位能?≤? °∞?与评价大气对流潜力的标准的不稳定指数?例如抬升指数?? ???只有中等程度的相关∀这是由于? ?仅反映单层的浮力?而≤? °∞反映了积分厚度和浮力∀将≤ ? °∞值除以积分厚度?使其正规化?得到一个指数??≤? °∞??它与厚度无关?是一种方便的求气块平均浮力的方法∀正规化有效地区别了≤? °∞类似而其浮力不同?积分厚度不同的环境∀而且由于≤? °∞的垂直分布对对流上升气流的强度可能有很大影响?因而把≤? °∞和?≤? °∞分成若干层是有利的∀?≤? °∞对于自由对流厚度浅!总≤? °∞小的环境?可提供更有用的指标∀并指出?结合≤? °∞计算?≤? °∞来估计对流潜力∀引言用单一的指数评价大气的状态由来已久?并不断有新的指数引入∀特别是设计了许多指数?将对流中!低层温湿特性和风切变结合?估计大气产生对流和强天气的可能性?这些指数包括≥??? ? ? ? ? ?指数?≥??!抬升指数?? ??!总体指数?总能量指数!强天气威胁指 数!对流有效位能?≤? °∞?!粗里查逊数!能量2螺旋度指数!涡度产生潜势等∀ °? ??? ? ???????很好地描述了许多大气指数∀ 各种指数都有其长处和弱点?但没有一个指数被认为能全面刻划大气的状态∀事实上?这些指数可能平滑掉或失去了递减率结构的重要细节∀例如?≥?的定义为??? ?°?环境温度与气块从??? ?°?干绝热抬升到其凝结高度?然后?湿绝热抬升到??? ?°?高度时的温度之差∀如果水汽不能从地面伸展到??? ?°??或如果地表高度高到不能很好地代 表边界层?此指数则没有代表性∀若地面气压小于??? ?°??则≥?无定义∀另外?≥?是基于探测时间的温度和露点的/状态指数0?未考虑午后可能发生的加热变化∀除了抬升气块气压!温度!和露点的确定外?? ?的计算方法类似于≥? ∀设定气块的混合比为最低的???? ?的平均混合比?通常一般取最低??? ???? ?°?或??? ?°?的变化??位温是根据预报的午后最高气温气块干绝热的位温∀由此可见?? ?是一/预报指数0?因为它使用了预计的情况∀和≥?一样?如果??? ?°?温度不能代表其上下环境空气温度? 例如?如果对流层中层存在逆温层或稳定层?稳定度值没有代表性?而? ?易受其影响?亦没有代表性∀ ≥?现在很少有人使用?而? ?在业务和研究工作中则经常使用∀近些年?≤? °∞成为最常用的计算大气是否发生对流的方法∀与单层稳定度指数相反?≤? °∞是一个垂直积分指数从自由对流高度?? ƒ≤ ?气块温度超过其环境温度?气块相对于其环境是不稳定的高度?到平衡高度?∞? ?环境温度超过气块的温度?气块相对其 周围环境是稳定的高度?测量自由对流层?ƒ≤? ?的累积浮力能∀可由下式定义???对流有效位能垂直分布作用的评价) )⁄?? ??? ? ?? ?? ? ?Ξ本文得到/内蒙古防雹减灾新技术研究和冰雹专项预报0课题资助ΧΑΠΕ ? γΘΖ∞?Ζ? ƒ≤Τςπ? ΤςεΤςε? ζ???式中Τςπ是气块的虚温?Τςε是环境空气虚温?Ζ∞?是平衡高度?Ζ? ƒ≤是自由对流高度? γ 是重力加速度∀此定义采用的是美国空军气象局?? • ≥??????的方法?最近⁄?? ? ? ? ?等??????用虚温代替温度∀计算的≤? °∞值可 随所选的气块变化很大∀ ⁄?? ? ? ? ?讨论了用于确定初始气块的各种方法∀随着业务和科研环境积累的经验的增多?≤? °∞某些变化特征已很清楚?需要充分了解此指数的优势∀1 ΧΑΠΕ的解释多年来?关于探空图解上正面积的度量 法有不少的名称∀美国空军气象局?? • ≥??????年 更 名 为× ?? ? ? ?ƒ?? ? ? • ? ? ? ?? ?? ?? ?? ??简单地称其为正面积∀ ? ??? ? ? ? ? ?等??????首先使用对流有效位能一词∀ ƒ? ? ? ? ? ? 等??????称其为位势浮力能?°?∞?∀这个变化包含正浮力能和净浮力能∀尽管名称很多?但事实上≤? °∞是标准的专门术语∀ ? • ≥定义积分式???用虚温?? ??? ? ? ? ? ?等?????? 和ƒ? ? ? ? ?等用温度∀应当指出?≤? °∞至少不是与? ?和≥?同样意义上的不稳定度的度量∀ ? ?和≥?是计算某一高度上气块温度高出环境温度的大 小?其单位是度?而≤? °∞是气块浮力能的垂直积分量?其单位为? # ??? ?∀ƒ? ? ? ? ? ?也提到?正面积是浮力能?在气块从? ƒ≤到∞?抬升中会增大∀然而?许多年来?≤? °∞替代? ?代表稳定度?因此?需要根据上下文判断 其用意∀1?1 正面积的纵横比 若观察一个/实际0热力图解?即其面积与能量成比例??例如斜Τ 2? ??π图或温熵图?可看出?正面积?即式???的积分?环境温度与湿绝热抬升气块温度廓线间面积?由下列两个参数决定?≠ ? ƒ≤到∞?间ƒ≤?的厚度??浮力的平均大小?用抬升气块高出环境空气的虚温∃Τϖ?下称虚温超量?表示∀若≤? °∞?即正面积?是一定的?ƒ≤?的厚度增 大?减小??则整个ƒ≤?层内的平均浮力必然减小?增大?∀因此?在推断≤? °∞值时?应考虑正面积的纵横比?即≤? °∞是/细高0?还是/短粗0?∀最近?? ∏ ? ? ?等?????????提出了≤? °∞同样大小的洋面对流比陆面对流垂直速度小的问题∀他们注意到?洋面上空探空得到的正面积通常是/极瘦0的?不稳定度小?但在对流层的大部分都存在∀在陆地上空?正面积是/胖0的?不稳定度大?但较浅薄∀他们推断?在 考虑载水量对上升气流的作用时?陆地环境可能有较大的虚温超量∀ ?? ?? ? ?等??????在分析海洋对流时提到类似的发现?并声称?≤? °∞可能是度量对流稳定度的简单方法∀ 关于正面积与稳定度的关系?? • ≥??????提出了相似的结果∀显然?≤? °∞相同而纵横比不同的探空?其稳定度?如用较简单的? ?指数计算?可出现很大的不同∀因此?很明显?≤? °∞的浮力能积分与? ?温度超量及其他类似的指数?不是一对一的关系∀1?2 浮力和垂直速度 最近?• ? ? ?? ?等??????对/微型超单体0??? ??? ? ?等??????⁄? √? ? ? ??????试验的模 拟工作提出了有关低层≤? °∞作用的有趣的结果∀微型超单体的定义为?顶部低?通常为?∗ ? ?? ?!水平尺度小的对流风暴?风暴或中尺度气旋?∀他们选用≤? °∞为???!????和???? ? # ??? ?的?次探空资料∀?次探空的温湿廓线在??? ?°?以下是 相同的?因此?在??? ?°?以下?正浮力垂直廓线相同∀结果表明?低层切变与低层≤? °∞?即≤? °∞限于或仅在最底层的几公里范围 内?结合?对风暴内旋转特征的发展?比≤? °∞在较厚的ƒ≤?达到较大值看来更重 要∀例如• ? ? ?? ?等??????的时间平均垂直速度廓线显示?对?个环境?向上直到? ??速度类似?表明低层≤? °∞的估计适合于确定??气象科技????年第?期低层加速度和垂直速度∀? ? ≤? ∏ ?等??????的另一项模拟工作对≤? °∞的分布是非常重要的这种看法给予支 持∀他们利用了≤? °∞相同???? ? # ??? ??的垂直廓线?修正温度廓线?使最大浮力发生在不同的高度∀他们发现?对零风模拟?浮力极大值在???? ??高度时?瞬时上升气流峰值约为?? ? # ?? ??几乎是浮力极大值在??????高度时的?倍??? ?# ?? ??∀? ????等??????及? ?? ? ? ?等??????也提 到?大部分超级单体?其≤? °∞小于????? # ??? ?∀许多超级单体可能是发生在总≤? °∞小?但低层≤? °∞相对较大的环境∀ 这些模拟研究和观测研究有力地说明?≤? °∞的垂直分布?尤其是低层的≤? °∞在 对流风暴的发展演变中起着重要的作用?可能需要把总≤? °∞分成多层讨论∀2 计算技术方法本节给出一些与≤? °∞和对流抑制?≤? ??≤?? ????????有关的估算浮力的大小 和垂直分布的简单的信息性方法∀2?1 归一化ΧΑΠΕ和ΧΙΝ 在推断≤? °∞值时?应当考察探空曲线上≤? °∞或正面积的纵横比∀现给出确定纵横 比 的 一 种 简 单 方 法∀归 一 化≤? °∞??≤? °∞?定义为总≤? °∞除以ƒ≤?厚度? 即Ν ΧΑΠΕ ? ΧΑΠΕ ?ΦΧΛ??? 式中ƒ≤??Ζ∞?? Ζ? ƒ≤??≤? °∞单位为? #??? ?# ?? ??可简化为? # ?? ??即加速度单位?∀由于≤? °∞已被ƒ≤?厚度除?所以它代表了ƒ≤?层的平均浮力或加速度∀由于?≤? °∞是ƒ≤?层的加速度?这就清楚地表 明为什么总≤? °∞的纵横比是评价对流云增长潜力的重要特征?如?? ?? ? ? ?????和? ? ? ???等????所提出的?∀≤? °∞还可以除以用?°?表示的ƒ≤? 厚度?即?ƒ≤?? Π? ƒ≤? Π∞???则其单位为? # ??? ?#?°?? ?∀虽然用气压表示ƒ≤?厚度的?≤? °∞不能简单地表达为加速度?但因为其单位为熟悉的归一化的≤? °∞单位?所以是可取的∀经验表明?用气压表示ƒ≤?厚度的?≤? °∞取值范围一般在?∗ ? ?#??? ?# ?°?? ?∀≤? ?是探空曲线上/负面积0的度量?是 气块通过比其暖的气层达到自由对流高度?? ƒ≤ ?所需作的功Ξ∀这块负面积通常称为/盖0∀ ≤? ?的计算类似于≤? °∞?定义为?ΧΙΝ ?γΘΖ? ƒ≤Ζ≥ƒ≤Τςπ? ΤςεΤςε? ζ???式中Ζ≥ƒ≤是地表高度?Ζ? ƒ≤是? ƒ≤的高度∀可 通过除以负面积的厚度?计算出≤? ?的纵横比指数?即Ν ΧΙΝ ?ΧΙΝ ? ?Ζ≥ƒ≤? Ζ? ƒ≤? ???式中?≤? ?为归一化≤? ?∀和≤? °∞一样?≤? ?可有不同的纵横比∀一个给定的≤? ?值 可分布在一深厚的气层内?因此?对流稳定度∃Τϖ的量?或去盖?在任一特定层都小?而在同样的≤? ?值情况下?其垂直厚度可以很浅?则∃Τϖ在某一层可以较大∀2?2 ΧΑΠΕ的分层计算 可把总≤? °∞分成几层计算∀最近的模拟结果?• ? ? ?? ?等?????? ? ? ? ∏ ?等?????指出?低层≤? °∞?相对?大?与其有关的强加速度刚好位于云底上?对低层气压扰动和低层中尺度气旋发展起关键作用∀快速!简便的描述总≤? °∞的垂直分布和低层≤? °∞对业务工作很重要∀计算从? ƒ≤到某一高度?比如从? ƒ≤到? ??高度?? ƒ≤???的≤? °∞很简单?可以很快得到云底以上这一区域有多??对流有效位能垂直分布作用的评价) )⁄?? ??? ? ?? ?? ? ?Ξ? • ≥人工确定两类负面积∀对地面气块加热来说?负面积是从地面向上到对流凝结高度的面积∀这是必须通过地面加热克服的负面积∀此面积是在热力图解上位于环境温度曲线暖的一侧?与相应的对流温度的干绝热线包围的面积∀对抬升气块来说?负面积位于抬升凝结高度与? ƒ≤之间∀这是当某些过程?如地形!锋面或辐合过程?发生抬升?而对流温度还没达到时?必须克服的负面积∀负面积为在热力图解上位于环境温度曲线的冷侧?与上升气块湿绝热线所包围的面积∀少浮力能∀可简单地通过修改积分上下限来完成?即ΧΑΠΕ? ƒ≤??γΘΖ? ƒ≤?Ζ? ƒ≤Τςπ? ΤςεΤςε? ζ ???Ν ΧΑΠΕ? ƒ≤?? ΧΑΠΕ? ?Ζ? ƒ≤?? Ζ? ƒ≤???? 应当注意?? ??层是任意选的?可以选其他 层?甚至更多层∀3 实例现给出几个≤? °∞! ? ?和?≤? °∞实 例?以帮助理解前几节讨论的特征∀将与≤? °∞类似!与?≤? °∞不同的探空资料进 行比较?说明ƒ≤?厚度的变化可以改变≤? °∞∀ 选择的无线电探空。