第六章对流风暴的结构

第六章对流性风暴的结构、演变及其雷达回波特征本章目的：1.明确对风暴组织影响最大的两个大气参数。2.在给定风暴承载层上风暴的运动和环境平均风场特征的前提条件下，确定有利于新的上升气流发展的风暴区域。3.定义顺流线方向的涡度，阐明它对风暴种类和演变的重要性。4.明确风暴相对螺旋度的确切表述及其对风暴种类和演变的重要性。5.给出风暴的运动和速度矢图，要能绘出风暴相对风矢量及风暴相对螺旋度区。6.给出速度矢图和各种风暴运动矢量，要能明确哪种风暴运动对超级单体发展产生最大的潜在作用。7.明确弱超级单体风暴回波区的三维雷达反射率因子的特征。8.明确超级单体风暴回波区的三维雷达反射率因子的特征。9.明确中气旋的定义。10.能够描述中气旋核生命史中三阶段的风暴相对速度的三维特征。11.明确强（或剧烈）龙卷的中气旋的特征。12.明确龙卷涡旋特征的定义。13.明确产生强冰雹、大风和龙卷的潜在大气特征。14.明确强冰雹、大风和龙卷的雷达回波结构（包括径向速度和反射率因子）。15.明确弓形回波雷达反射率因子和径向速度的特征。6.1风暴的特征和分类6.1.1目的明确影响风暴组织最明显的两个大气参数。在给定风暴承载层上风暴的运动和环境平均风场特征的条件下，明确有利于新生上升气流发展的风暴区域。6.1.2引言对于优秀雷达操作员而言，明确对流性风暴的特征极其关键，优秀雷达操作员必须能够预报风暴，而不是仅仅对天气报告的简单反应。因此，必须具备各种有关对流性风暴环境、结构和演变的扎实背景知识，只有这样才能最有效地为公众提供风暴的警报服务。6.1.3风暴单体的结构和演变风暴通常由一个或多个对流单体组成，风暴单体具有强烈的垂直运动并足以激发深对流的产生。对流天气中的对流单体，其尺度可从1～2km的积云塔，到几十km甚至几百km的积雨云系。对流单体发展的强弱及其移向移速和周围环境热力和动力的关系较密切。根据积云中盛行的垂直速度的大小和方向，风暴单体通常包括三个阶段：塔状积云阶段、成熟阶段和消亡阶段，下面分别加以说明：6.1.3.1塔状积云阶段10图6-1短生命史对流单体的塔状积云阶段示意图塔状积云阶段由上升气流所控制，上升速度一般随高度增加，这种上升气流主要由局地暖空气的正浮力或者由低层辐合引起的，上升速度一般为5～10m/s，个别达到25m/s。风暴单体的生长与湿空气上升时的降水微粒形成有关。初始回波的水平尺度为1km左右，垂直尺度略大于水平尺度，初始回波顶通常在-40C～-160C之间的高度上，回波底在00C高度附近。初始回波形成后，随着水滴和雪花等水成物不断生成和增长，回波向上向下同时增长，但是，回波不及地，此时回波强度最强一般在云体的中上部。在塔状积云的后期，降水能够激发下沉气流。6.1.3.2成熟阶段风暴成熟阶段实际上是上升气流和下沉气流共存的阶段，成熟阶段开始于雨最初从云底降落之时。此阶段的降水通常降落到地面，所以，可认为雷达回波及地是对流单体成熟阶段的开始。此时，云中上升气流达到最大，随着降水过程的开始，由于降水粒子所产生的拖曳作用，形成了下沉气流。然后，这种下沉气流在垂直和水平方向上扩展，如图6.2所示。这种冷性下沉气流作为一股冷空气，在近地面的低层出向外扩散，与单体运动前方的低层暖湿空气交汇而形成飑锋，又称阵风锋。成熟阶段的对流单体的中上部，仍为上升气流和过冷水滴及冰晶等水成物。当云顶伸张到对流层顶附近时，不再向上发展，而向该处的环境风下风方向扩展，出现水平伸展的云砧。云砧内的水成物仍能产生足够强的雷达回波，在雷达距离高度显示器（RHI）上，云砧回波可达到几十公里至上百公里，而实际水平尺度可达100～200km。10图6-2短生命史对流单体的成熟阶段示意图6.1.3.2消亡阶段风暴单体的消亡阶段为下沉气流所控制，此时降水发展到整个对流云体。实际上，当下沉气流扩展到整个单体，暖湿空气源被扩展的冷池切断时，风暴单体出现消亡。从雷达回波上看，回波强中心由较高高度迅速下降到地面附近，回波垂直高度迅速降低，回波强度减弱，并且分裂消失。总之，一个典型的对流单体的三个阶段约各经历15～20分钟，其整个生命史约为45分钟～1小时。事实上，自然界往往不是孤立的对流单体。有时，一个单体达到成熟阶段，而另一个单体还处于新生发展阶段。所以，从宏观看，整个积雨云系包含了几个单体，其生命史可维持数小时之久。11图6-3对流单体消亡阶段示意图6.1.4影响风暴结构和种类的环境因子观测和数值模式研究均表明，风暴动力结构（风暴种类）及风暴潜在的影响力很大程度上取决于热力不稳定（浮力）、风的垂直切变和水汽的垂直分布三个因子。由于浮力决定了垂直方向上空气的加速程度，因此它与风暴强度有关。垂直风切变有利于风暴发展、加强和维持，从而决定了风暴类型的演变和发展（即对流是否能够发展成为超级单体风暴）。另外，风暴和环境的相互作用也会影响风暴的强度和组织，例如，一个相当弱的风暴在与边界(密度不连续面如锋面等)相互作用时会出现爆发性发展。因而，系统之间的相互作用很大程度上能够改变风暴以及与之相互作用的环境。6.1.4.1热力（浮力）不稳定气块不稳定是影响风暴强度和类型的三个主要因子之一，因为它正比于抬升空气的有效能量。对流有效位能（CAPE）对流有效位能（CAPE），即气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分，是风暴潜在强度的一个重要指标。在温度热力斜交（斜T-logP）图上，CAPE正比于气块上升曲线和环境温度曲线从自由对流高度（LFC）至平衡高度（EL）所围成的区域的面积。CAPE指数在浮力的估计方面，CAPE的积分较其它指数更加可靠，因为其它指数只取决于一定层次的资料（例如：K指数仅使用850、700和500hPa的资料），从而使得其它指数资料常产生计算上的严重失真，甚至把抬升指数也误认为是大气有效能量。因此，应当极力推荐使用CAPE而不是其它指数去估计浮力，并且对探空探测进行全面的核查。11图6-4斜T-logP图上正、负能量区和CAPE区的示意图6.1.4.2上升气流强度CAPE数值的增大表示上升气流强度的加强及对流的发展，然而，CAPE并非唯一影响对流风暴中上升运动的因子。在强风切变的环境中，动力效应实质上加强了上升气流的强度，强烈上升运动也能够在较小至中等强度的CAPE中得以发展。最大垂直速度气块在特定环境中绝热上升的最大垂直速度（Wmax）理论上取决于CAPE向动能的转换程度，并且由此可以求出Wmax。大多数无组织风暴中上升气流的垂直速度通常是Wmax的1/2左右，这是因为风暴中水负载和混合作用的限制。结构完整风暴（尤其是超级单体风暴）中上升气流核的垂直速度接近于Wmax。其中发展完善风暴中上升气流核大多数不受环境大气的挟卷影响。此时风暴相对气流（storm-relativeflow）携带着降水,远离发展完善风暴的上升气流顶，此时减少了大量水负载。并且独立于浮力的动力过程（抬升力）能够使得发展完善风暴中的上升气流得以加强。上升气流较强的风暴通常能产生严重的天气灾害，强风暴上升速度通常超过30m/s（60kts），而非强风暴中的上升速度通常只有10m/s（20kts）左右。CAPE和Wmax的关系表达式如下：ELLFCeepTTTgBCAPEWmax＝(2CAPE)1/26.1.4.3垂直风切变垂直风切变是指水平风速（包括大小和方向）随高度的变化。统计分析表明，环境水平风向风速的垂直切变的大小往往和形成风暴的强弱密切相关。在给定湿度、不稳定性及抬升的深厚湿对流中，垂直风切变对对流性风暴组织和特征的影响最大。一般来说，在一定的热力不稳定条件下，垂直风切变的增强将导致风暴进一步加强和发展，其真正原因在于：(1)垂直风切变能够激发风暴相对气流（storm-relativeflow）的产生，而风暴相对气流很大程度上确定了风暴的结构。(2)上升气流和垂直风切变环境之间的相互作用能够产生附加的抬升作用，使得风暴进一步加强和维持。12图6-5垂直风廓线及其对对流的作用弱垂直风切变环境如果风切变较弱，风暴相对气流就不可能增强到足以携带降水远离风暴的上升气流区。在这种情况下，降水就通过上升气流降落，并进入风暴低层的入流区，从而导致上升气流中水负载的明显增加，最终使得风暴核消失。弱的垂直风切变通常表示弱的环境气流，并且常常引起风暴缓慢移动。沿风暴阵风锋的辐合能够继续激发新的单体，但是，阵风锋在切断上升气流后，其移动超前于风暴。在弱的垂直风切变环境中风暴很难有组织地增长,在某一程度上是由于风暴内上升气流和下沉气流不能长时间共存。因此，风暴无法持续足够长而发展成为强风暴。如果风暴不能发展，它就无法产生灾害性天气。但是，即便在弱的垂直风切变环境中，某些外部特征，如边界效应等，也对风暴的组织起重要影响。另外，某些在弱的垂直风切变环境中发展的风暴所产生的运动也将产生明显的风暴相对气流。可以说，能够产生风暴相对气流的任何情形均有利于强的有组织的对流的发展。强垂直风切变环境强垂直风切变有利于风暴相对气流的发展，此时，气块携带着降水远离风暴的入流区或上升区。强的垂直风切变能够产生与阵风锋相匹配的风暴运动，从而使得暖湿气流源源不断地输送到发展中的上升气流中去。垂直风切变的增强导致对流产生，有利于上升气流和下沉气流在相当长的时间内共存，新单体将在前期单体的有利一侧有规则地形成。如果足够强的垂直风切变伸展到风暴的中层，则产生于上升气流和垂直风切变环境相互作用的动力过程能强烈影响风暴的产生和发展。这一部分内容将在超级单体风暴动力学中作全面的阐述。总之，产生普通单体风暴的风向随高度的分布杂乱无章，基本上是一种无序分布，而且风速随高度的变化也较小；而多单体风暴和超级单体风暴的风向风速随高度变化分布是有序的，风向随高度朝一致方向偏转，而且风速随高度的变化值也比普通单体风暴的大。6.1.4.4水汽条件风暴云内部含有大量水份，其水份是由上升气流从大气低层向上输送的。因此风暴的发展要求低层有足够的水汽供应。所以，风暴常形成于低层有湿舌或强水汽辐合的地区。据统计，超级单体和多单体风暴的形成要求比普通单体风暴有更大的低层水汽含量。但是，如果低层的水汽含量过大，在对流云发展早期，云内就会有大量的水汽凝聚，形成雨滴而降落，阻碍上升气流的进一步发展。这可能是热带海洋地区多雷阵雨和对流性暴雨，而很少降雹的原因。综上所述，热力不稳定（浮力）和垂直风切变是影响风暴组织和种类的最重要因子。浮力最好由CAPE来估计，CAPE与风暴中最强上升气流速度相关。强垂直风切变的作用可以归纳为：能够产生强的风暴相对气流（storm-relativeflow）；能够决定上升气流（加强辐合）附近阵风锋的位置；能够延长上升气流和下沉气流共存的时间；能够产生影响风暴的组织和发展的动力效应。另外，风暴及其环境（地形、边界等）之间的相互作用对风暴的组织和种类也有重要影响。6.1.5风暴种类及特征根据对流云强度回波的结构特征，可将风暴分为单单体风暴、多单体风暴和超级单体风暴三类。然而，基于高分辨率雷达观测和数值模式的研究表明了这三类风暴之间存在着本质的差异，最根本的差异表现于超级单体风暴和其它风暴之间：超级单体风暴存在强烈的旋转上升气流（中气旋或中反气旋），而非超级单体风暴中不存在。风暴种类划分方案是基于动力学考虑的，因为超级单体风暴相对非超级单体风暴通常具有更大的威胁，因此，这种划分又考虑了业务上的需要。6.1.5.1非超级单体对流弱垂直风切变环境中的强风暴（脉动风暴）最基本的深厚湿对流的形式是单一上升气流脉动（singleupdraftpulse），它的演变包括塔状积云（Tcu）生成、成熟和消亡阶段，然而，真正的单单体风暴却很少见，甚至连最弱的风暴也常拥有多单体的特点。所谓单单体风暴，是指在其生命史中，只是一个孤立的单体，由于它主要发生在单一气团内部，所以也称为气团风暴。应该指出的是，真正的单单体风暴是很少见的。由于弱的垂直风切变环境限制了对流尺度有组织的发展，在这种环境下风暴的发展是短生命史的，其生命史通常为20～40分钟，并且常常