第14章 对流有效能量

1第三篇有效能量第14章对流有效位能(CAPE)§14.1对流有效位能(CAPE)的定义§14.1.1热力学图解上的正面积PA1.定义式Smith(1997)指出，若把在自由对流高度(LFC)到平衡高度(EL)(图14.1.1)间的层结曲线与状态曲线所围成的面积称为正面积(PA)，且忽略摩擦效应和冻结过程等造成的潜热释放，则上述PA与LFC到EL间正浮力产生的动能大小成正比。确切地说，如果气块上升到LFC位置时速度为LFCw，则气块在EL处的速度可由下式决定：PAwwLFCEL2(14.1.1)其中LFCELppvevpdLFCELpdTTRwwPAln)(212122(14.1.2)2.正面积的名称关于热力学图解上正面积的名称，叫法不甚统一。Moncrieff与Miller(1976)称其为对流有效位能CAPE；Desautels与Verret(1996)称其为浮力能BE。Blanchard(1998)认为，其名称尽管很多，但对流有效位能(CAPE)一词是较为标准的专门术语。可能正是这个原因，该叫法目前最为流行。图14.1.1T-lnp图上的浮力能、平衡高度与等面积高度（该图取自朱乾根等(1992)）2§14.1.2对流有效位能(CAPE)的定义式1.常见的定义式对于热力学图解上的正面积，目前大多数气象学家沿用Moncrieff与Miller(1976)的叫法，称曰对流有效位能CAPE，采用如下定义式：CAPE＝gdzTTTELLFCZZvevevp)((14.1.3)或LFCELppvevpdpdTTRCAPEln)((14.1.4)其中，Tv－虚温；下标e，p分别表示与环境以及气块有关的物理量；ZLFC－自由对流高度，是(Tvp－Tve)由负值转正值的高度；ZEL－平衡高度，是(Tvp－Tve)由正值转负值的高度；余为惯用符号。2.CAPE的单位由式(14.1.4)可知：)(CAPEU~)]([vevpdTTRU~111degdegkgJkgJ(14.1.5)3.几何意义从几何意义上说，对流有效位能CAPE正比于热力学图解(如T-lnp图)上的正面积。4.CAPE与“不不稳定能量”的差别与上述定义不同，有的文献中把气块从初始位置抬升至使其达到平衡高度EL时气块增加的净能量值称为对流有效位能CAPE，亦即CAPE为正区与负区的差值。从目前的大多数文献看，CAPE的前一种定义(即式(14.1.3)或(14.1.4)定义的)较为流行。这可能是因为：(a)式(14.1.3)或(14.1.4)表示在自由对流高度上，气块可从正浮力作功而获得的能量。因为这部分能量对大气有着积极的作用，并有可能转化成气块的动能，称其为对流有效位能符合“有效位能”(或“用*”)的原义。(b)后一种定义，很难从很多有关“动力气象学”、“天气学”、“大气热力学”教科书中已有的“不稳定能量”概念中区分出来。(c)正面积PA表示气块达到LFC后，其将受正浮力作用而上升；而负面积PA表示抑制气块被抬升到LFC的能量。两者虽都具有能量单位，但其含义截然不同。两者合起来表示什么意义，是一个较难解释清楚的问题。3§14.2与CAPE计算有关的几个问题§14.2.1CAPE与起始抬升高度的关系(见第2章§2.3)§14.2.2抬升气块起始时的温度和湿度(i)选用当时实测的温度和湿度在过去的教科书与文献中，多采用这种方法绘制气块的状态曲线。(ii)起始抬升高度处温度和湿度改用预测值Turcotte与Vigneux(1987,TV87)在“利用标准探空资料导出的参数制作强雷暴和强降雹预报”一文中计算浮力能Eh(相当于这里的CAPE)的步骤是：(a)选择出代表气团(雷暴在其中发展)的探空；(b)对其底层进行修正，亦即将底层T与Td用对流即将爆发时低层的T与Td代之。从预报角度考虑，TV87上述做法的动机是可以理解的。(iii)选用模式输出资料TV87的上述做法，对于事后诊断分析而言，较易做到，但将其用于日常预报业务则较困难。这里所说的困难，是指模式预报不甚发达和不甚普及的昨天；在模式输出探空进入日常业务的今天，其难度已大大减小。例如,Cook与Shirey(1998,下称CS98)曾经指出,在目前这个现代化时代,在网格化的数值模式输出产品中即包括最大CAPE预报。Johns和Hirt(1987)的文章明确提出了对这些模式预报产品的精确度要求。按这一要求，在他们的所有Derechos(得莱卓)研究个例(对流普遍产生了风暴)中84%出现了强局地风暴指数满足阈值的情况。在本小节最后想指出的一个问题是：CAPE的计算值对于抬升气块的温度、湿度之轻微变化很敏感。例如，Bluestein和Jain(1998)指出，在一次典型的飑线探测中(混合层的混合比至少是111kgg),混合比每增加11kgg或温度升高1℃，都会使CAPE增加500~6001kgJ,即约增大20%。类似的例子，还可见Mapes和Houze(1992)的论文。§14.2.3采用哪种绝热过程？在湿大气深厚对流中，上升气块或下沉气块遵循的真实物理过程极其复杂。可能正是这个缘故，在某些讨论深厚湿对流的文献中，作者们总是首先声明他们采用的是假绝热过程或者可逆湿绝热过程或其他别的过程进行计算。我们倾向性的意见是：采用假绝热过程。4§14.2.4冻结作用在讨论深厚湿对流，或者在计算CAPE时，另一个需要考虑的物理过程是冻结作用。我们倾向于对此作用暂不考虑。§14.2.5用T代替式(14.1.2)中Tv的情况正如Smith(1997)所指，若假定上升过程是可逆饱和湿绝热过程，则可用密度温度T取代式(14.1.2)的虚温VT计算对流有效位能CAPE。由密度温度T的含义可知，若用T代替式(14.1.2)中VT，在考虑浮力及对流有效能量时，计入了液、固态水的影响。考虑到目前使用密度温度T计算CAPE的文献尚不多，这里暂仅限于对式(14.1.2)，即用VT计算CAPE的情况进行讨论。§14.2.6虚温订正对CAPE计算的影响由于CAPE涉及上升气块和周围环境的密度差异，并且由于密度的准确计算需要虚温，显然,对于计算CAPE时可否忽略虚温订正进行详细讨论是必要的。Doswell与Rasmussen(1994,下称DR94)曾经专门研究过该问题。DR94对于在CAPE计算中忽略虚温订正所产生的影响进行了简单的理论分析后提出：当忽略虚温订正时，对于大的CAPE不会导致较大误差，但对于小的CAPE值产生的相对误差就较大。对这一理论分析的经验检验是通过找出1992年具有正值的（当进行虚温订正时）CAPE的所有探测，忽略其虚温订正对CAPE产生的误差来进行的。这一经验性的检验结果证实：忽略虚温订正的相对误差随着CAPE值的减少而增大。在分析相关论点后，DR94认为，在大多数场合，CAPE的计算应该包括虚温订正，特别是在做CAPE值对比的时候。§14.2.7小结从目前的大多数文献看，由式(14.1.2)定义的CAPE(对流有效位能)较为流行。按照第一篇第2章§3.1所述的起始抬升高度选取方法，最后计算出的CAPE，就是CS98与Desautels与Verret(1996,下称DV96)所说的bCAPE(最佳对流有效位能)。在深厚湿对流中，上升气块或下沉气块遵循的真实物理过程极其复杂。在目前的日常业务中，一般把对流上升与下沉运动视作为假绝热过程。5从DR94看出，在进行CAPE计算时，以考虑虚温订正为好。§14.3CAPE编程中要考虑的几个问题在编制对流有效位能(CAPE)的计算程序时,至少必须解决以下几个问题:1.气块从何处抬升(或起始抬升高度iZ)；2.用什么公式计算比湿q(水汽压e)；3.用什么公式计算抬升凝结高度(LCL)，如何确定LCL处的气压与气温；4.用什么办法绘制状态曲线(或说气块上升遵循什么物理过程)；5.怎样确定自由对流高度(LFC)；6.怎样确定平衡高度(EL)；7.是否要考虑虚温(VT)；8.是否要考虑密度温度(T)；9.用什么办法确定气块中的液、固态水含量；10.用什么办法确定正面积的面积有多大；11.怎样制作面化图(即CAPE平面分布图)；12.用什么办法论证(或阐明)计算结果是可信的；13.如何与国内以及国外已有的程序对比以及取长补短。