高等天氣學(xué)對(duì)流

1、第十講 對(duì)流系統(tǒng)國(guó)家氣候中心高等天氣學(xué)講座(2016單元四：對(duì)流和降水天氣系統(tǒng)中國(guó)氣象科學(xué)研究院1對(duì)流系統(tǒng)的分類(lèi)一、對(duì)流單體 一般單體 多單體 超級(jí)單體二、中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS) 颮線(xiàn) 中尺度對(duì)流復(fù)合體三、地形引起的對(duì)流系統(tǒng)2一個(gè)典型的普通單體雷暴生命史的3個(gè)階段示意圖： （a）發(fā)展期，（b）成熟期，（c）消散期。(原圖引自 Byers and Braham 1949，Doswell1985，Markowski and Richardson2010)1、一般單體對(duì)流（single-cell convection)生命史：30-60分鐘 環(huán)境垂直風(fēng)切變很弱(a)發(fā)展期(b)成熟期(c)消散期(

2、a)上升氣流超過(guò)10ms-1卷入過(guò)程云底之下無(wú)降水(b)近地面冷池和中尺度高壓卷出過(guò)程(c)下沉運(yùn)動(dòng)為主冷空氣向外延伸較遠(yuǎn)，切斷高能的入流空氣與上升運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系32、多單體雷暴(multicellular convection)大氣中常出現(xiàn)的一種強(qiáng)風(fēng)暴叫“多單體雷暴”，它們是一種大而強(qiáng)的雷暴體，其中包含有多個(gè)單體，新的單體沿著陣風(fēng)鋒重復(fù)發(fā)展。雖然每個(gè)單體的生命期僅僅30-60分鐘，但是，單體的連續(xù)更替過(guò)程使得多單體雷暴可以維持幾個(gè)小時(shí)，可能產(chǎn)生災(zāi)害性的強(qiáng)降水、直線(xiàn)大風(fēng)和冰雹。新生和發(fā)展階段的單體有活躍的上升氣流，在衰減階段以下沉運(yùn)動(dòng)為主。風(fēng)暴內(nèi)的上升氣流起源于風(fēng)暴前邊界層中，以后斜升到中高層

3、。各個(gè)單體以平均風(fēng)的速度移動(dòng)，整個(gè)多單體雷暴的移動(dòng)是各個(gè)單體的移動(dòng)和傳播相疊加的結(jié)果。多單體對(duì)流演變模型 4左圖：1999年5月20日在德克薩斯觀測(cè)到的多單體對(duì)流系統(tǒng)右圖：對(duì)流系統(tǒng)以東約100km處風(fēng)廓線(xiàn)儀觀測(cè)的速矢端跡圖0-6km速度差為16ms-1。單體移動(dòng)、單體傳播、整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分別用紫色、黃色、綠色矢量標(biāo)出?？梢?jiàn)，單體朝著西南方向傳播，與朝東的低層切變不一致。觀測(cè)到的對(duì)流單體的傳播似乎是環(huán)境場(chǎng)不均勻性的結(jié)果，比如，對(duì)流單體與干線(xiàn)的相互作用，或者CIN的變化。53、超級(jí)單體（supercellular convection）超級(jí)單體是一種最強(qiáng)烈的局地風(fēng)暴，雖然發(fā)生頻次較低，但是產(chǎn)生的災(zāi)害

4、嚴(yán)重。它表現(xiàn)為單一的強(qiáng)大的環(huán)流系統(tǒng)，常具有不對(duì)稱(chēng)的外形和天氣分布。在單體內(nèi)有一支深厚的扭轉(zhuǎn)的上升氣流，上升氣流中包含一個(gè)直徑約幾公里的深厚的中氣旋，單體內(nèi)也有下沉氣流。超級(jí)單體一般維持1-4小時(shí)，可以達(dá)到8小時(shí)。有時(shí)會(huì)產(chǎn)生龍卷。（引自Markowski and Richardson2010）6雷達(dá)低層掃描觀測(cè)到超級(jí)單體的最主要特征是 反射率資料中的鉤狀回波和無(wú)回波窟窿（弱回波區(qū)） 徑向速度資料中的 inbound-outbound couplet1998年6月14日0124UTC俄克拉荷馬市雷達(dá)觀測(cè)的(a)反射率和(b)徑向速度（Markowski and Richardson2010）WER

5、7（上）超級(jí)單體反射率結(jié)構(gòu)概念圖。綠色和黃色陰影表示弱、中等、強(qiáng)雷達(dá)反射率（左為低層的水平結(jié)構(gòu)，右圖為垂直剖面）（下）VORTEX試驗(yàn)期間1995年5月16日2306 UTC機(jī)載雷達(dá)觀測(cè)的超級(jí)單體雷暴的雷達(dá)反射率因子的準(zhǔn)垂直剖面（引自Markowski and Richardson2010）鉤狀回波，無(wú)回波穹窿（弱回波區(qū)）被懸垂回波包圍的弱回波區(qū)稱(chēng)為“有界弱回波區(qū)”，這是特別強(qiáng)烈的風(fēng)暴的一種特征。在這種下懸的懸垂體中有大量供冰雹增長(zhǎng)的胚胎，所以又稱(chēng)冰雹幡。一般情況下，風(fēng)暴出現(xiàn)“無(wú)界弱回波區(qū)”，即未被懸垂體所包圍，四周無(wú)回波存在，只有在弱回波區(qū)上方有回波。水平垂直8加拿大草原上超級(jí)單體風(fēng)暴的雷達(dá)

6、圖像合成圖。左邊是水平剖面，右邊是垂直剖面。反射率單位為dBz，是對(duì)降水強(qiáng)度的對(duì)數(shù)度量。BWER表示邊界弱回波區(qū)域，代表上升氣流。Zemax表示最強(qiáng)的回波。在4km和7km層上的有界弱回波區(qū)（BWER）或無(wú)回波穹窿對(duì)應(yīng)了上升氣流，它與旋轉(zhuǎn)軸一致。最強(qiáng)的雨和冰雹往往出現(xiàn)在圍繞著氣旋性旋轉(zhuǎn)軸的西北側(cè)的下沉氣流中。9在低層進(jìn)入風(fēng)暴的上升氣流主要在弱回波區(qū)（或無(wú)回波區(qū)）中上升，至少在風(fēng)暴的早期或成熟階段是如此。在雷達(dá)回波上形成這種結(jié)構(gòu)是由于上升氣流太強(qiáng)了，使得液態(tài)云滴沒(méi)有足夠的時(shí)間增長(zhǎng)到雷達(dá)所能夠觀測(cè)的大小，因而充滿(mǎn)由小水滴組成的云；即使降水粒子在高空形成了，也由于風(fēng)的切變很大，使它不能落入低層的上升

7、氣流中。帶刺絲的曲線(xiàn)表示單體后側(cè)的陣風(fēng)鋒(即出流邊界）（引自Markowski and Richardson2010；原圖引自Chisholm and Renick1972）10（左）超級(jí)單體風(fēng)暴的概念圖。（Lemon and Doswell 1979）綠色陰影代表雷達(dá)反射率因子30 dBZ的降水區(qū)域。粉色陰影代表主要的上升區(qū)域（U）。T表示龍卷發(fā)生的位置。帶刺絲的曲線(xiàn)表示出流邊界。帶箭頭的曲線(xiàn)表示相對(duì)風(fēng)暴移動(dòng)的流線(xiàn)。紅色星星表示右圖照片拍攝者的位置。（右）一個(gè)產(chǎn)生龍卷的超級(jí)單體的照片。（Erik Rasmussen提供）（引自Markowski and Richardson2010）超級(jí)單體

8、內(nèi)的下沉氣流區(qū)域 超級(jí)單體前側(cè)區(qū)域，雨滴蒸發(fā)、冰粒子融解和升華產(chǎn)生負(fù)浮力，導(dǎo)致“前側(cè)下沉氣流”（FFD） 超級(jí)單體后側(cè)的懸垂回波區(qū)域，中高層的干空氣碰到上升氣流導(dǎo)致蒸發(fā)冷卻和負(fù)浮力，并且向下的垂直氣壓梯度力也產(chǎn)生向下的加速度，在熱力強(qiáng)迫和動(dòng)力強(qiáng)迫共同作用下形成“后側(cè)下沉氣流”（RFD） 龍卷一般產(chǎn)生在RFD前方的上升氣流附近11相對(duì)于風(fēng)暴的氣流在圖上用帶箭頭的曲線(xiàn)表示。粗線(xiàn)包圍區(qū)是雷達(dá)回波（即雨區(qū)）。冷鋒的符號(hào)代表流入暖空氣與流出冷空氣的邊界，并且畫(huà)出了錮囚性陣風(fēng)鋒。細(xì)點(diǎn)陰影區(qū)代表上升氣流的低層位置。FFD與RFD由粗點(diǎn)陰影區(qū)表示。T是龍卷位置。（Lemon and Doswell1979）龍

9、卷雷暴近地面氣流平面分布圖前側(cè)下沉氣流和后側(cè)下沉氣流共同產(chǎn)生強(qiáng)烈的地面陣風(fēng)鋒，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，與中緯度副熱帶氣旋的鋒面結(jié)構(gòu)類(lèi)似。12強(qiáng)風(fēng)暴雷達(dá)回波三層平面分布示意圖（Lemon與Doswell，1979）13注意：箭頭并不等同于實(shí)際的流線(xiàn)或軌跡Markowski and Richardson2010，原圖引自Lemon and Doswell1979超級(jí)單體氣流三維結(jié)構(gòu)早期成熟階段14中層旋轉(zhuǎn)的形成超級(jí)單體里面中層旋轉(zhuǎn)的形成原因已經(jīng)被認(rèn)識(shí)得比較清楚了，而近地面旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生還涉及到其他一些因素，主要是下沉氣流的發(fā)展。上升氣流里面中層氣旋的形成可以用線(xiàn)性化的垂直渦度方程來(lái)理解。從垂直渦度方程開(kāi)始，

10、忽略科氏力和斜壓項(xiàng)，并且把速度和垂直渦度分別分解為只隨高度變化的平均量（環(huán)境場(chǎng)）和擾動(dòng)量，得到相對(duì)于上升氣流移動(dòng)的擾動(dòng)垂直渦度的局地變化：其中 S代表平均垂直風(fēng)切變，C是上升氣流的水平移動(dòng)速度（假設(shè)為常數(shù)）。右邊第一項(xiàng)代表（相對(duì)上升氣流的）水平平流造成的擾動(dòng)垂直渦度的變化，右邊第二項(xiàng)代表垂直速度梯度造成（與平均垂直風(fēng)切變有關(guān)的）水平渦度的傾斜而導(dǎo)致擾動(dòng)垂直渦度的變化。15“水平平流項(xiàng)”是把垂直渦度場(chǎng)在上升氣流里面水平移動(dòng)，它只有在已經(jīng)產(chǎn)生垂直渦度之后才會(huì)發(fā)生作用；只有“傾斜項(xiàng)”能夠產(chǎn)生垂直渦度。另外，在上式中忽略了非線(xiàn)性影響的“拉伸項(xiàng)” ，隨著上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，已經(jīng)傾斜到垂直方向的渦度還會(huì)被拉伸

11、項(xiàng)大大加強(qiáng)。中層旋轉(zhuǎn)的形成傾斜項(xiàng)和水平平流項(xiàng)的不同作用16中層旋轉(zhuǎn)的形成傾斜項(xiàng)的作用傾斜項(xiàng)在中層產(chǎn)生正負(fù)渦度對(duì)，順著平均垂直風(fēng)切變（S）的方向看，正渦度位于最大上升運(yùn)動(dòng)的右側(cè)，負(fù)渦度位于其左側(cè)。擾動(dòng)垂直渦度、平均垂直風(fēng)切變（S）與垂直運(yùn)動(dòng)水平梯度的關(guān)系示意圖紅色代表上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域17中層旋轉(zhuǎn)的形成水平平流項(xiàng)的作用垂直渦度的梯度指向S的右側(cè)90度，與環(huán)境水平渦度（ ）的方向相反。當(dāng) 與相對(duì)上升運(yùn)動(dòng)的風(fēng)（ ）垂直的時(shí)候，被稱(chēng)為“crosswise”渦度，當(dāng) 與 指向相同方向的時(shí)候，被稱(chēng)為“streamwise”渦度。第一種情況下，平流項(xiàng)在最大上升運(yùn)動(dòng)的位置為零，所以，它不改變正負(fù)渦度對(duì)相對(duì)于上升運(yùn)動(dòng)

12、中心的位置，平流項(xiàng)使得氣旋性-反氣旋性渦旋對(duì)分別沿著S方向移動(dòng)。18中層旋轉(zhuǎn)的形成水平平流項(xiàng)的作用第二種情況（streamwise渦度）下，平流項(xiàng)使得正渦度朝著最大上升運(yùn)動(dòng)的位置移動(dòng)，負(fù)渦度朝著上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域以外移動(dòng)。因?yàn)?在正負(fù)渦度對(duì)的中間位置比較大，渦度對(duì)朝著垂直S方向的移動(dòng)比順著S方向的移動(dòng)更加顯著；并且，由于正的拉伸作用，在streamwise渦度情況下，中層的氣旋性渦度大于反氣旋性渦度，類(lèi)似的，streamwise渦度情況下中層氣旋性渦度也比crosswise渦度情況下更加強(qiáng)。19中層中氣旋的形成小結(jié)總之，雷暴上升氣流里面中層旋轉(zhuǎn)的形成和發(fā)展，最初是由于環(huán)境水平渦度的傾斜在中層形成了一

13、對(duì)氣旋性和反氣旋性的渦旋，平流項(xiàng)隨之發(fā)生作用， 沿著環(huán)境水平渦度方向的部分發(fā)揮的作用比較強(qiáng)，它使得氣旋性旋轉(zhuǎn)與上升氣流的位置逐漸重合。可見(jiàn)，強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)垂直切變（環(huán)境水平渦度）對(duì)于超級(jí)單體內(nèi)形成中氣旋非常重要。一個(gè)超級(jí)單體上升氣流的圖片，疊加了示意性的渦線(xiàn)。20低層水平渦度的產(chǎn)生成熟階段的超級(jí)單體必然產(chǎn)生近地面出流，冷出流會(huì)形成水平浮力梯度，進(jìn)而產(chǎn)生近地面的水平渦度。尤其是和前測(cè)下沉氣流FFD有關(guān)的出流，因?yàn)榈蛯尤肓鞯暮艽笠徊糠质菑倪@個(gè)地區(qū)進(jìn)入上升氣流的。這樣在超級(jí)單體內(nèi)部產(chǎn)生的水平渦度與環(huán)境水平渦度的大小相當(dāng)，甚至比環(huán)境水平渦度還大，它大大增加了可以被傾斜的總的水平渦度。低層環(huán)境渦度的方向與斜

14、壓產(chǎn)生渦度的方向會(huì)影響中層中氣旋的強(qiáng)度和維持時(shí)間。（主要受深層切變和 控制的）降水的分布會(huì)影響負(fù)浮力的分布和斜壓渦度的生成，因此，降水的分布顯著影響低層中氣旋的特征。21下沉氣流和龍卷低層中氣旋的存在并不是生成龍卷的充分條件，低層中氣旋的強(qiáng)度更強(qiáng)或者維持時(shí)間更長(zhǎng)也不意味著生成龍卷的可能性更大。產(chǎn)生龍卷（即地面產(chǎn)生垂直渦度）需要有下沉氣流參與到傾斜過(guò)程中來(lái)，至少如果地面沒(méi)有預(yù)先存在的顯著的垂直渦度的時(shí)候是如此。當(dāng)傾斜產(chǎn)生正垂直渦度的時(shí)候，靠近上升氣流的下沉氣流可以把正渦度帶到地面。與FFD有關(guān)的垂直速度梯度通常比位于上升氣流和RFD之間的垂直速度梯度小一個(gè)量級(jí)，所以，對(duì)于龍卷的生成，RFD可能比

15、FFD有著更直接的重要性。FFD的重要性是通過(guò)FFD出流中的水平浮力梯度（斜壓性）產(chǎn)生水平渦度。22超級(jí)單體的移動(dòng) 北半球幾乎所有的強(qiáng)超級(jí)單體風(fēng)暴都具有右移（且反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即氣旋性旋轉(zhuǎn)）的上升氣流。直到20世紀(jì)80年代人們還普遍認(rèn)為這是科里奧利力影響的結(jié)果。但是通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)，人們現(xiàn)在已明確行星渦度對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴上升氣流的旋轉(zhuǎn)作用很小。右移的風(fēng)暴盛行是由于在有利于超級(jí)單體風(fēng)暴形成的大尺度場(chǎng)中，順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)的速矢端跡盛行，順轉(zhuǎn)擾動(dòng)了對(duì)流上升氣流內(nèi)部及附近的氣壓場(chǎng)，加強(qiáng)了右移風(fēng)暴，抑制了左移風(fēng)暴。23美國(guó)中部62個(gè)龍卷性超級(jí)單體雷暴附近探空的速矢端跡合成圖。數(shù)字代表氣壓層（單位：hPa）。從起點(diǎn)到O

16、點(diǎn)的箭頭表示風(fēng)暴的平均運(yùn)動(dòng)，風(fēng)暴平均朝著東東北方向移動(dòng)，在垂直平均引導(dǎo)氣流的右邊。風(fēng)速隨高度迅速增加，特別是在對(duì)流層低層，風(fēng)向從近地面的南東南順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)到對(duì)流層高層的西西南，風(fēng)向改變了約90。虛箭頭代表在隨風(fēng)暴移動(dòng)的坐標(biāo)系中各個(gè)層次的風(fēng)。（大氣科學(xué)，2008）24超級(jí)單體風(fēng)暴分裂示意圖（直線(xiàn)型速矢端跡情況）(a) 在渦旋對(duì)左右兩側(cè)產(chǎn)生向上的垂直氣壓梯度力（藍(lán)色實(shí)心箭頭），使得在風(fēng)暴形成的30-60分鐘內(nèi)上升運(yùn)動(dòng)分裂成兩部分；(b) 降水和下沉氣流（渦線(xiàn)朝下傾斜）加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)分裂，原本以上升氣流為中心的正負(fù)渦度對(duì)變成了兩組氣旋反氣旋渦旋對(duì)，形成右移風(fēng)暴和左移風(fēng)暴。“右”和“左”指的是相對(duì)于深層

17、切變矢量。透明的藍(lán)色箭頭表示相對(duì)風(fēng)暴的軌跡。（b）中虛線(xiàn)的透明藍(lán)色箭頭表示風(fēng)暴分裂以后的相對(duì)風(fēng)暴軌跡。Markowski and Richardson2010，原圖引自Klemp1987超級(jí)單體的分裂25上升氣流與兩種不同的環(huán)境風(fēng)切變相互作用下的氣壓擾動(dòng)分布(a)直線(xiàn)型速矢端跡(b)順轉(zhuǎn)型速矢端跡在順轉(zhuǎn)型速矢端線(xiàn)(b)的情況下，向上（下）的垂直氣壓梯度力存在于上升氣流的右（左）側(cè)，有利于氣旋式右移雷暴加強(qiáng)，而抑制反氣旋的左移雷暴。深藍(lán)色實(shí)心箭頭表示垂直氣壓梯度力。與切變矢量平行的水平氣壓梯度用綠色的箭頭表示。（Markowski and Richardson2010，原圖引自Klemp1987

18、）超級(jí)單體的選擇性加強(qiáng)理論分析26一個(gè)云模式兩次模擬產(chǎn)生的低層雨水的水平分布。兩次模擬分別采用直線(xiàn)型速矢端跡（2.5km以下為灰色線(xiàn)，2.5-7km為藍(lán)色線(xiàn)；沿著矢端線(xiàn)的數(shù)字代表高度（km）和低層順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)的速矢端跡（藍(lán)色線(xiàn)）。直線(xiàn)型速矢端跡產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)風(fēng)暴，而曲線(xiàn)型速矢端跡加強(qiáng)了右移風(fēng)暴。左移和右移風(fēng)暴的運(yùn)動(dòng)在速矢端圖上用粉色剪頭表示，并標(biāo)注了“LM”和“RM”。黑色虛線(xiàn)包圍的為中層強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域，其中的數(shù)字表示最大垂直速度（ms-1）的位置和大小。陣風(fēng)鋒也在圖中給出了。灰色虛線(xiàn)表示風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)的路徑。（Markowski and Richardson2010）超級(jí)單體的分裂及選擇性加強(qiáng)云模

19、式模擬27（Markowski and Richardson2010）2004年4月19日美國(guó)一部雷達(dá)觀測(cè)的反射率圖像，顯示一個(gè)發(fā)展中的超級(jí)單體分裂成為一個(gè)右移和一個(gè)左移的單體。速矢端跡相當(dāng)平直，因此，分裂過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的兩個(gè)風(fēng)暴的強(qiáng)度大致相當(dāng)。平直速矢端跡情況下觀測(cè)到超級(jí)單體分裂的個(gè)例28（Markowski and Richardson2010）2008年6月1日美國(guó)一部雷達(dá)觀測(cè)的反射率圖像，顯示一個(gè)超級(jí)單體分裂成為一個(gè)右移風(fēng)暴和一個(gè)左移風(fēng)暴。曲線(xiàn)型速矢端跡，因此，右移風(fēng)暴發(fā)展，左移風(fēng)暴減弱?！癛M”和“LM”分別表示右移風(fēng)暴和左移風(fēng)暴的運(yùn)動(dòng)矢量。曲線(xiàn)速矢端跡情況下觀測(cè)到超級(jí)單體分裂的個(gè)例

20、29M表示的中尺度氣旋以及用冷鋒符號(hào)描述的陣風(fēng)鋒類(lèi)似一個(gè)溫帶氣旋的縮影。大部分流入旋轉(zhuǎn)上升氣流的低層氣流位于沿著中尺度氣旋以東的陣風(fēng)鋒的靜止部分。相對(duì)于移動(dòng)的風(fēng)暴，入流氣流向西，且與鋒平行。沿著剖面AA，暖濕的邊界層空氣在陣風(fēng)鋒上向北流動(dòng)，而蒸發(fā)冷卻的下沉氣流保留在原地，某些情況下甚至向南移動(dòng)。因此，與未受擾動(dòng)的環(huán)境相比，由于陣風(fēng)鋒的存在，通過(guò)AA流入到上升氣流中的垂直切變加強(qiáng)了，由邊界層空氣傾斜進(jìn)入上升氣流所產(chǎn)生的渦度也相應(yīng)增加。這表明，在有利的環(huán)境條件下，右移風(fēng)暴的旋轉(zhuǎn)可以自我增強(qiáng)。 流入風(fēng)暴的環(huán)境氣流的垂直切變加強(qiáng)了上升氣流的旋轉(zhuǎn)及與其相關(guān)的中尺度氣旋 中尺度氣旋的存在，反過(guò)來(lái)又增強(qiáng)了上

21、升氣流和陣風(fēng)鋒。右移超級(jí)單體風(fēng)暴的理想化結(jié)構(gòu)304、對(duì)流單體中的氣流前面已經(jīng)說(shuō)明了強(qiáng)風(fēng)暴的一些主要天氣學(xué)模式?？梢钥吹剿鼈児餐奶卣魇怯猩仙龤饬?、下沉氣流以及從下沉氣流區(qū)向外擴(kuò)展的低層流出氣流（陣風(fēng)鋒）和從云砧流出的高空流出氣流。這些氣流對(duì)風(fēng)暴的維持和傳播有非常重要的影響，以下分別討論它們的主要特征。31上升氣流對(duì)流系統(tǒng)中的上升氣流很強(qiáng)，一般達(dá)到幾米每秒或十幾米每秒。根據(jù)我國(guó)和國(guó)外雷暴或冰雹云中垂直速度的觀測(cè)和計(jì)算，上升氣流的最大速度多達(dá)5-20ms-1。一般小中等強(qiáng)度雷暴的上升氣流弱一些，多在5-15ms-1，但是至少大于2 ms-1。強(qiáng)烈的雷暴或超級(jí)單體中的上升氣流要強(qiáng)得多，最大垂直速度可

22、達(dá)幾十米每秒，持續(xù)上升速度也可達(dá)10-30ms-1。上升氣流最大值一般位于對(duì)流層中層約4-7km高度，再往上上升氣流的速度一般會(huì)減弱。上升氣流有一定的持續(xù)時(shí)間，至少在15分鐘。在超級(jí)單體中整個(gè)上升氣流特別穩(wěn)定，生命期可達(dá)幾小時(shí)。在這個(gè)時(shí)期內(nèi)由于在其鄰近不再有其它明顯的上升氣流區(qū)，因而主要表現(xiàn)為這個(gè)單一的穩(wěn)定上升氣流不斷傳播。 32上升氣流的特征與環(huán)境風(fēng)有密切的關(guān)系，例如，其傾斜方向主要決定于環(huán)境風(fēng)垂直切變的分布。一般常有兩種上升氣流出現(xiàn)。下圖(a)是在一般的垂直風(fēng)切變條件下（相對(duì)雷暴運(yùn)動(dòng)的風(fēng)在低層是東風(fēng)，高層是西風(fēng)）上升氣流的分布特征。上升氣流先向云體的后方傾斜（相對(duì)水平氣流方向），到達(dá)上部以

23、后，再隨高層風(fēng)向前流出，云砧形成在雷暴之前。(a)(b)上升氣流與環(huán)境風(fēng)垂直切變的關(guān)系（a）一般風(fēng)垂直切變條件 （b）高層有強(qiáng)東風(fēng)的情況上升氣流與環(huán)境風(fēng)垂直切變33下圖(b)是高層存在強(qiáng)東風(fēng)，這時(shí)空氣從風(fēng)暴前方進(jìn)入上升氣流區(qū)，然后在云體后部作為云砧流出風(fēng)暴。在較低緯度的一些風(fēng)暴常常是這種情況。因?yàn)樯仙龤饬饕话闶窍蚝髢A斜的，在上升氣流中增長(zhǎng)的小冰雹直接落入下面的下沉氣流中去，而不能再進(jìn)入到上升氣流中。因而除少數(shù)一些質(zhì)點(diǎn)通過(guò)亂流運(yùn)動(dòng)可以又被帶入到上升氣流以外，大部分質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有第二次上升或再循環(huán)的機(jī)會(huì)，不能繼續(xù)增長(zhǎng)到較大的雹塊，這是與圖(a)不同的地方。因而這種環(huán)境條件下形成的天氣的強(qiáng)度不如第一種情況

24、強(qiáng)。 (a)(b)上升氣流與環(huán)境風(fēng)垂直切變的關(guān)系（a）一般風(fēng)垂直切變條件 （b）高層有強(qiáng)東風(fēng)的情況34冷空氣堆、環(huán)境風(fēng)垂直切變影響上升氣流(a)沒(méi)有切變和冷空氣堆，熱力產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)軸和對(duì)稱(chēng)的渦度分布都是垂直的(b)無(wú)切變，冷空氣堆產(chǎn)生負(fù)的水平渦度使上升氣流朝冷空氣堆上方傾斜(c)無(wú)冷空氣堆，低層切變產(chǎn)生正的水平渦度使上升氣流朝順切變方向傾斜(d)切變和冷空氣堆的作用相互抵消，上升氣流垂直低層垂直切變較強(qiáng)的環(huán)境下，對(duì)流系統(tǒng)生命史的初始、強(qiáng)盛、衰減階段的上升氣流和水平渦度分布分別具有類(lèi)似(c),(d)，(b)的特征浮力上升氣流受到風(fēng)切變和冷池影響的示意圖Rotunno et al. (1988)

25、35下沉氣流 下沉氣流是強(qiáng)雷暴氣流場(chǎng)中的一個(gè)重要特征。在一般積云或小雷暴中，下沉氣流的產(chǎn)生常標(biāo)志著從強(qiáng)盛期演變成衰亡期，而在強(qiáng)風(fēng)暴中下沉氣流是維持風(fēng)暴的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)或延長(zhǎng)其生命期不可缺少的一個(gè)因素。下沉氣流能形成近地面的冷空氣堆和強(qiáng)烈的向外流出的輻散氣流，可抬升雷暴前方低層暖空氣上升，并且，在風(fēng)切變環(huán)境下，下沉空氣又把高空較大的水平動(dòng)量帶到地面，在低層加強(qiáng)了與暖空氣的輻合作用，這能更強(qiáng)烈地把暖空氣上抬，因而?？捎^測(cè)到新的對(duì)流單體在下沉氣流前方形成。如果這樣造成的上升氣流得到充分發(fā)展，它在強(qiáng)切變環(huán)境條件下通過(guò)降水過(guò)程又可使下沉氣流再生和加強(qiáng)，從而能不斷的形成上升氣流以釋放和組織不穩(wěn)定能量，維持強(qiáng)對(duì)流

26、系統(tǒng)。36強(qiáng)雷暴內(nèi)下沉氣流中的空氣有兩個(gè)來(lái)源： 一部分空氣起源于風(fēng)暴周?chē)鷮?duì)流層中層相當(dāng)位溫達(dá)最小的高度（大約6km）。它一般從云體右后方進(jìn)入風(fēng)暴，并和云中空氣混合，然后下沉到地面。 另一部分空氣可能由原先上升的氣流轉(zhuǎn)化而成。這種上升氣流中的一些空氣是從低層上升來(lái)的，一些是從中層環(huán)境空氣吸入到上升氣流中來(lái)的。在雷暴下沉氣流中感熱和潛熱觀測(cè)表明，大部分下沉氣流是從對(duì)流層中部直接吸入的。37與雷暴內(nèi)產(chǎn)生下沉氣流有關(guān)的過(guò)程：液態(tài)水或固態(tài)水的蒸發(fā)冷卻。當(dāng)云體從周?chē)髿馕胛达柡涂諝鈺r(shí)，云中的液態(tài)水或固態(tài)凝結(jié)物便會(huì)蒸發(fā)或升華，從而使云中空氣變得比環(huán)境冷，形成下沉氣流。冰相質(zhì)點(diǎn)融解造成的冷卻。冰相質(zhì)點(diǎn)包括雪

27、晶、冰雹或軟雹等。雪晶在強(qiáng)雷暴上升氣流中不可能下落，因?yàn)樗哪┧俣刃?，故只需要考慮冰雹或軟雹的融解作用。水滴的拖帶作用。因?yàn)橄陆档乃纹浣德渌俣冗_(dá)到平衡時(shí)的末速度所需的時(shí)間是很短的，因而每一水滴可以認(rèn)為是以其末速度下降的。末速度的大小與水滴大小有關(guān)。這時(shí)空氣要受到一個(gè)向下的拖帶力，力的大小等于空氣中水滴的總重量。因而由水滴的拖帶力可造成下沉運(yùn)動(dòng)。 38近地面流出氣流 對(duì)流雷暴中災(zāi)害性大風(fēng)幾乎都與近地面流出氣流有關(guān)。流出氣流通常是由中尺度的下沉氣流（downbursts）產(chǎn)生，或者由中尺度的冷池及其相關(guān)的強(qiáng)水平氣壓梯度產(chǎn)生。兩種情況都與降水（蒸發(fā)、融解、升華）冷卻密切相關(guān)。由于出流比其周邊空氣的

28、密度更大，通常會(huì)產(chǎn)生地面中尺度高壓。前一種情況（downbursts），一般是下沉氣流很強(qiáng)導(dǎo)致近地面強(qiáng)風(fēng)；后一種情況，通常多個(gè)雷暴出流匯合造成出流增厚和地面氣壓上升，強(qiáng)水平氣壓梯度力作用下產(chǎn)生近地面強(qiáng)風(fēng)。前面兩種情況下，還可能下沉的空氣從更高處攜帶了大的水平動(dòng)量（比如中尺度對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部后方入流急流下沉到地面），也可以對(duì)近地面強(qiáng)風(fēng)的生成有貢獻(xiàn)。另外，英文文獻(xiàn)中“Derecho”指的是：與長(zhǎng)生命史的深厚濕對(duì)流有關(guān)的大范圍災(zāi)害性大風(fēng)事件。其大風(fēng)可以是上述任何一種機(jī)制產(chǎn)生的。39一個(gè)成熟的雷暴常?？梢栽斐蓭讉€(gè)冷空氣流出涌的現(xiàn)象（下圖）。這是由雷暴脈動(dòng)或從云底處來(lái)自不同來(lái)源的流出空氣相互作用的結(jié)果。在多

29、單體風(fēng)暴中，這種現(xiàn)象更明顯。 與冷空氣流出有關(guān)的雷暴環(huán)流?？煽吹綇?qiáng)流出涌；點(diǎn)區(qū)是下落和懸浮降水區(qū)；虛線(xiàn)是留在風(fēng)暴尾的流出氣流之上界。40雷達(dá)觀測(cè)到具有密度流特征的近地面流出氣流流出氣流是一淺薄的冷空氣堆（通常約1km厚）。由于其密度比周?chē)諝獾穆源螅话阏J(rèn)為是一種密度流或重力流(density currents or gravity currents)。（Markowski and Richardson2010）41在流體力學(xué)中，密度流是指“一團(tuán)密度高的流體沿著水平地面流動(dòng)，并代替周?chē)芏容^小流體的穩(wěn)定平行流動(dòng)現(xiàn)象”。這種流體的流動(dòng)是由作用于兩種流體側(cè)邊界上的水平氣壓梯度力造成。除了雷暴流出前

30、緣具有類(lèi)似密度流的性質(zhì)以外，冷鋒、海風(fēng)鋒等也是密度流。但是在尺度、生命史、強(qiáng)度和強(qiáng)迫機(jī)制上這些現(xiàn)象有重要的差別。例如冷鋒一般比雷暴的冷空氣流更深厚，生命期更長(zhǎng)，水平范圍更寬廣。已經(jīng)有大量的工作，利用實(shí)驗(yàn)室和數(shù)值模式試驗(yàn)研究密度流現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)室，有時(shí)在自然界，較重和較輕流體的分界面可由懸浮粒子分辨出來(lái)。 42對(duì)流雷暴產(chǎn)生的流出的前緣邊界在雷達(dá)反射率圖像和衛(wèi)星云圖上可以清楚地被識(shí)別出來(lái)。雷達(dá)反射率圖像，可以看到位于丹佛東邊的雷暴，及其產(chǎn)生的近乎圓形的流出邊界。流出的前緣邊界 1995年5月31日2000 UTC 衛(wèi)星可見(jiàn)光圖像，等值線(xiàn)代表等相當(dāng)位溫線(xiàn)。帶刺絲的曲線(xiàn)表示橢圓形的出流邊界。帶貝殼狀符號(hào)

31、的曲線(xiàn)表示干線(xiàn)。（Markowski and Richardson2010）43流出前緣部分常常被稱(chēng)為“陣風(fēng)鋒”。它具有球根狀的頭部，由于地面風(fēng)速超過(guò)了鋒本身的前進(jìn)速度，所以環(huán)流是翻轉(zhuǎn)的。在頭部前沿地面氣壓最大，其振幅大約是1hPa，水平尺度可以達(dá)幾千米。根據(jù)水平運(yùn)動(dòng)方程，當(dāng)鋒逼近時(shí)風(fēng)速迅速增加（朝右邊），鋒過(guò)境時(shí)風(fēng)速達(dá)到最大值，然后風(fēng)速逐漸減小。有時(shí)可以看到與陣風(fēng)鋒一起移動(dòng)的一薄片弧狀云，它反映暖濕的環(huán)境空氣被抬升到陣風(fēng)鋒的頭部以上。當(dāng)弧狀云與產(chǎn)生陣風(fēng)鋒的深對(duì)流云分離時(shí)，它被稱(chēng)為滾軸云。通過(guò)陣風(fēng)鋒的剖面圖，坐標(biāo)系與鋒一起移動(dòng)流出前緣的陣風(fēng)鋒 44 流出前緣概略圖。 “十，一”分別指直接和間接

32、環(huán)流；點(diǎn)線(xiàn)指示分界層頂。云是否出現(xiàn)取決于環(huán)境暖空氣的抬升凝結(jié)層（LCL）的高度。45根據(jù)關(guān)于雷暴流出的數(shù)值試驗(yàn)，冷空氣流出的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)可以是不同的。一種流出是前面所述的重力流，另一種流出是一種重力波,第三種流出包括重力流和重力波。質(zhì)量的水平輸送對(duì)于重力流型的流出是很重要的，但對(duì)重力波型流出并不重要。雷暴流出的重力波分量除了由重力流與穩(wěn)定層的相互作用產(chǎn)生外，也可由低層冷卻直接產(chǎn)生。下圖舉例說(shuō)明了重力流型流出的特征。有關(guān)重力波的介紹請(qǐng)見(jiàn)附錄。冷空氣流出的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)46（a）1978年6月17日下午流出發(fā)生時(shí)的地面觀測(cè)結(jié)果。氣球符號(hào)代表探空觀測(cè)時(shí)間。 （b）颮線(xiàn)過(guò)境前后的探空。探空是颮鋒過(guò)境后施放的

33、。過(guò)境前的情況是估計(jì)的。 觀測(cè)到重力流的例子1）氣壓上升，地面溫度和露點(diǎn)溫度突然下降，風(fēng)向銳變、風(fēng)速增大；2）冷卻層厚度大約1-2km，與雷達(dá)測(cè)量顯示流出層的厚度相一致。47流出邊界向南移動(dòng)2013年5月10日廣東陽(yáng)江特大暴雨過(guò)程中觀測(cè)到的重力流流出邊界經(jīng)過(guò)四個(gè)站前后的地面溫度和風(fēng)（Wang, Luo, Jou 2014,JGR)48下?lián)舯┝骼妆┲械南鲁翚饬骱偷孛媪鞒鰵饬饔袝r(shí)很強(qiáng)，在地面和地面附近引起破壞性大風(fēng)，摧毀建筑物和造成飛機(jī)失事。這樣一種強(qiáng)下沉氣流（包括下沉氣流和流出氣流兩者）被稱(chēng)為“下?lián)舯┝鳌?downburst)。其水平尺度一般小于10km，其中小于4km的下?lián)舯┝饔纸小拔⑾聯(lián)舯┝?/p>

34、”(microburst)。有人根據(jù)破壞狀況估計(jì)下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)速可以超過(guò)50 ms-1。 下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的地面氣流和災(zāi)害是輻散型分布的，這一點(diǎn)與龍卷產(chǎn)生的輻合型災(zāi)害截然不同。Fujita最先識(shí)別和區(qū)分出這兩者的差異。右圖：2005年6月2日科羅拉多東北部雷達(dá)觀測(cè)到一個(gè)下?lián)舯┝鳌?.5度仰角掃描的(a)雷達(dá)反射率和(b)徑向速度。徑向速度圖上輻散特征明顯。（Markowski and Richardson2010）49微下?lián)舯┝鞲拍钅Ｐ停∕arkowski and Richar2010，原圖引自Fujita1985）微下?lián)舯┝鞯钠拭妫∕arkowski and Richar2010，原圖引自Fuji

35、ta1978）50進(jìn)入到下?lián)舯┝髦械娘w機(jī)的理想化描述。從2到4，飛機(jī)不再逆風(fēng)而開(kāi)始順風(fēng)，從而抬升作用減弱并且飛機(jī)高度突然降低。（大氣科學(xué)，2008）下?lián)舯┝鲗?duì)飛機(jī)有危險(xiǎn)。危險(xiǎn)并不在于下沉氣流本身引起飛機(jī)的高度降低，而在于當(dāng)飛機(jī)穿過(guò)下沉氣流時(shí)，在20s內(nèi)相對(duì)于飛機(jī)的風(fēng)速可能減小10ms-1或更多，水平風(fēng)速的迅速改變使飛機(jī)突然失去抬升作用。51對(duì)流系統(tǒng)的分類(lèi)一、對(duì)流單體二、中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS) 颮線(xiàn) 中尺度對(duì)流復(fù)合體三、地形引起的對(duì)流系統(tǒng)52A cloud system that occurs in connection with an ensemble of thunderstorms an

36、d produces a contiguous precipitation area on the order of 100 km or more in horizontal scale in at least one direction.由多個(gè)雷暴組成的，產(chǎn)生相連的降水區(qū)域的水平尺度大于等于100 km的一個(gè)云系統(tǒng)An MCS exhibits deep, moist convective overturning contiguous with or embedded within a mesoscale vertical circulation that is at least parti

37、ally driven by the convective overturning. 一個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)具有深厚的濕對(duì)流，它與一個(gè)中尺度垂直環(huán)流相連或者鑲嵌在環(huán)流內(nèi)部，該垂直環(huán)流至少部分是由濕對(duì)流驅(qū)動(dòng)的MCS的定義AMS Glossary53A MCS is an organized cluster of thunderstorms, which persists at least for several hours and produces a contiguous precipitation area. 一個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)是一個(gè)有組織的雷暴群，它至少持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，并產(chǎn)生一個(gè)相連的降水區(qū)域。

38、An MCS may be linear or circular in shape, and is often used to refer to a cluster of thunderstorms that does not satisfy the definition of a mesoscale convective complex (MCC).一個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS的形狀可能是線(xiàn)狀的或者圓形的，常常被用于指不滿(mǎn)足中尺度對(duì)流復(fù)合體MCC定義的一個(gè)雷暴群。MCS的定義Lin, Yuh-Lang (2007): Mesoscale Dynamics. Cambridge Universit

39、y Press.54中尺度對(duì)流系統(tǒng)的尺度大于單個(gè)雷暴的尺度，同時(shí)小于羅斯貝變形半徑（LR）。LR = NLz/f, Lz是運(yùn)動(dòng)的垂直尺度。在中緯度，假設(shè)N0.01s-1，Lz10km，f=10-4s-1，LR大約1000km。這些條件要求MCS的水平尺度大約100km。在這樣的水平尺度下，動(dòng)量方程中科氏力加速度至少與其他項(xiàng)相當(dāng)。MCS的生命期一般為3小時(shí)或者更長(zhǎng)，其層狀云可能維持幾天時(shí)間。MCS不僅僅影響中尺度天氣，還通過(guò)與加熱有關(guān)的（在與LR相當(dāng)?shù)某叨壬希┠芰總鬏敹绊懘蟪叨拳h(huán)流。MCS的一般特點(diǎn)Lin, Yuh-Lang (2007): Mesoscale Dynamics. Cambri

40、dge University Press.55MCS通常由普通的多單體和（或）超級(jí)單體雷暴組成，它一般具有與中尺度垂直環(huán)流相鄰的或鑲嵌在中尺度垂直環(huán)流里面的深厚的濕對(duì)流翻轉(zhuǎn)，此中尺度垂直環(huán)流至少部分受到對(duì)流過(guò)程的驅(qū)動(dòng)。并且，這些MCS常常產(chǎn)生并維持層狀云，層狀云也可能產(chǎn)生強(qiáng)降水（Houze et al. 1989）。MCS的動(dòng)力學(xué)相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)槌藛蝹€(gè)、孤立的雷暴的動(dòng)力學(xué)之外，還必須考慮這些雷暴之間的相互作用，以及層狀云和層狀降水的產(chǎn)生和維持。MCS的一般特點(diǎn)Houze, R. A., and Coauthors (1989): Interpretation of Doppler weathe

41、r-radar displays in midlatitude mesoscale convective systems. Bull. Amer. Meteor. Soc., 70, 608-619.Lin, Yuh-Lang (2007): Mesoscale Dynamics. Cambridge University Press.56中緯度的MCS颮線(xiàn)（squall line）中尺度對(duì)流復(fù)合體（MCC）熱帶的MCS熱帶氣旋云clusterMCS的分類(lèi)Lin (2007)Markowski and Richardson (2010)中緯度MCS分類(lèi)示意圖。圓圈和橢圓的大小并不代表各種MCS

42、的相對(duì)頻次。有一小部分颮線(xiàn)和弓狀回波的水平長(zhǎng)度不足100km，所以沒(méi)有被劃分為MCS。57弓狀回波的例子注意弓狀回波的尺度不同。(b)顯示一條回波線(xiàn)里面有多個(gè)弓狀回波，形成波狀的回波線(xiàn)。（Markowski and Richardson 2010)581、颮線(xiàn) 颮線(xiàn)是一種傳播性線(xiàn)狀的激烈對(duì)流系統(tǒng)，其水平尺度在150300km，時(shí)間尺度在410h。颮線(xiàn)可以產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、強(qiáng)閃電等強(qiáng)對(duì)流天氣。右圖顯示2009年6月3日23時(shí)4日00時(shí)安徽、山東、江蘇三省交界地區(qū)一個(gè)成熟颮線(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象水平分布（H：雷暴高壓中心位置）(a)2009年6月4日00時(shí)雷達(dá)組合反射率（彩色陰影），10ms

43、-1地面瞬時(shí)大風(fēng)（黑箭頭），1mmh-1地面降水.(b)每個(gè)0.3oX0.2o區(qū)域內(nèi)正地閃和負(fù)地閃頻次的比值（彩色陰影）59颮線(xiàn)的三種概念模型 根據(jù)天氣尺度環(huán)境（風(fēng)切變）和氣流結(jié)構(gòu)，提出了三種不同的颮線(xiàn)概念模型：(a)深厚切變模型(Ludlam 1963; Newton 1963);(b)淺薄切變模型(Carbone 1982);(c)急流型切變模型(Zipser 1977)。高 e和 低e區(qū)域分別用淺陰影和深陰影表示。低層氣流攜帶著暖濕的高e空氣從密度流低e空氣上方上升。密度流對(duì)高e低層氣流的抬升幫助低層氣塊或氣層上升，實(shí)現(xiàn)條件（或潛在）不穩(wěn)定的釋放。60深厚切變的颮線(xiàn)模型這種模型是中緯度颮

44、線(xiàn)的最早的概念模型。這類(lèi)颮線(xiàn)具有以下動(dòng)力學(xué)特征：上升氣流向后傾斜，在冷池上方對(duì)流系統(tǒng)中層產(chǎn)生氣壓極小值，使得空氣從后面加速進(jìn)入對(duì)流系統(tǒng)，從而建立起從后向前的入流急流。上升氣流的反切變傾斜可以用切變導(dǎo)致的環(huán)流與冷出流導(dǎo)致的環(huán)流之間的相互作用來(lái)解釋?zhuān)赾 U（冷池作用強(qiáng)于切變作用）的情況下上升氣流向反切變方向傾斜 。這被稱(chēng)為“RKW 理論”（Rotunno, Klemp, 和 Weisman 1988）.高 e 和 低e 區(qū)域分別用淺陰影和深陰影表示。冷池和切變產(chǎn)生的水平渦度有利于上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在流出邊界。61淺薄切變的颮線(xiàn)模型環(huán)境切變集中在與冷池厚度相當(dāng)?shù)妮^淺薄的低層。這一類(lèi)颮線(xiàn)也有從前向后的在密

45、度流之上的上升氣流，這一點(diǎn)與深厚切變的颮線(xiàn)模型類(lèi)似；主要的差別是大部分云砧被朝著后方平流。中層后方入流的形成主要是由于傾斜上升氣流中的空氣密度?。ň哂姓×Γ?，形成中層低壓，因此，低壓和后方入流的強(qiáng)度隨（與環(huán)境CAPE密切相關(guān)的）浮力的增加而增強(qiáng)。傾斜的上升氣流導(dǎo)致中層后方入流的示意圖左圖和右圖分別代表環(huán)境CAPE較高和較低的情況62急流型切變的颮線(xiàn)模型這一類(lèi)颮線(xiàn)具有類(lèi)似急流的切變，但是沒(méi)有“引導(dǎo)層”。也就是說(shuō)，颮線(xiàn)移動(dòng)如此之快（10-15ms-1），在移動(dòng)的參照系里面不存在引導(dǎo)層。此類(lèi)颮線(xiàn)在成熟階段的時(shí)候，所有層都有從前向后的氣流。這種類(lèi)型的熱帶和中緯度的颮線(xiàn)具有相似的氣流結(jié)構(gòu)，比如都有多單

46、體或超級(jí)單體組成的一條“對(duì)流線(xiàn)”，都有從颮線(xiàn)陣風(fēng)鋒處開(kāi)始上升的從前向后的強(qiáng)大氣流。高 e 和 低e 區(qū)域分別用淺陰影和深陰影表示。63三種中尺度對(duì)流線(xiàn)的雷達(dá)反射率型態(tài)(a)層狀降水位于對(duì)流線(xiàn)后方；(b)層狀降水位于對(duì)流線(xiàn)前方；(c)層狀降水與對(duì)流線(xiàn)平行。不同層次的陰影表示20、40、50dBZ回波反射率。（Parker and Johnson 2000）中尺度對(duì)流線(xiàn)包括線(xiàn)狀MCS和颮線(xiàn)。Parker and Johnson (2000)分析發(fā)生在美國(guó)中部的88個(gè)線(xiàn)狀MCS，將之分成三種。在世界上其他地方也觀察到了類(lèi)似結(jié)構(gòu)的MCS。60%20%20%64組合雷達(dá)反射率圖像顯示一個(gè)LS MCS和一

47、個(gè)PS MCS（Parker and Johnson 2000）65一條理想化颮線(xiàn)成熟階段的剖面圖陰影表示中等和強(qiáng)的雷達(dá)反射率。星星表示落入從前向后的氣流中的冰粒子。中尺度低壓和中尺度高壓分別用L和H表示。粗的水平剪頭代表環(huán)境氣流。（Houze等1989）觀測(cè)和模擬表明，對(duì)流線(xiàn)的氣流結(jié)構(gòu)和降水特征受到冷池強(qiáng)度和環(huán)境切變的控制。并且，中緯度颮線(xiàn)具有一些顯著的地面特征，包括颮前中尺度低壓（L2），對(duì)流線(xiàn)下方的中尺度高壓（H1），與層狀降水區(qū)域有關(guān)的尾部低壓（L1）。66颮線(xiàn)一般會(huì)在地面氣壓場(chǎng)上產(chǎn)生一個(gè)中高壓和一個(gè)尾流低壓。藤田早年把颮線(xiàn)的生命期分為5個(gè)階段，他指出，在初期階段已經(jīng)形成了一個(gè)強(qiáng)的中高

48、壓，在發(fā)展階段中高壓的強(qiáng)度和尺度都有增強(qiáng)。到成熟階段，陣雨達(dá)到最大強(qiáng)度，并在中高壓之后形成尾流低壓。在減弱階段，降水與中高壓皆減弱，但是尾流低壓達(dá)到最大強(qiáng)度。最后在殘余階段，尾流低壓填塞消失。約三十年之后，利用美國(guó)STORM計(jì)劃得到的較稠密的觀測(cè)資料，基本肯定了藤田發(fā)現(xiàn)的颮線(xiàn)內(nèi)的地面中高壓和尾流低壓結(jié)構(gòu)（下圖）,并進(jìn)一步揭示了颮線(xiàn)內(nèi)的前沿對(duì)流線(xiàn)和尾部層狀云結(jié)構(gòu)。颮線(xiàn)模型由前沿對(duì)流線(xiàn)，過(guò)渡區(qū)（回波最小值區(qū)）與大范圍的層狀降水區(qū)組成。 颮線(xiàn)的地面特征67 成熟颮線(xiàn)的地面特征概略圖（Johnson與Hamilton，1985）粗實(shí)線(xiàn)是地面氣壓線(xiàn)，向量代表地面風(fēng)，陰影區(qū)是強(qiáng)降雨區(qū)。 中高壓的中心位于前

49、沿對(duì)流線(xiàn)后幾十公里，這意味著這個(gè)位置是積云下沉氣流區(qū)。在許多颮線(xiàn)的分析中，還發(fā)現(xiàn)一個(gè)颮前槽和颮前低壓存在。這是由對(duì)流在颮前激起的對(duì)流層中上層下沉增溫造成。尾流低壓中心位于層狀云區(qū)尾部邊緣強(qiáng)雷達(dá)反射率梯度區(qū)。它是由對(duì)流線(xiàn)后部下沉運(yùn)動(dòng)造成的。由降水蒸發(fā)部分驅(qū)動(dòng)的中尺度下沉氣流可引起絕熱增溫，它超過(guò)了降水的蒸發(fā)冷卻，所以造成地面氣壓下壓。68后來(lái)的研究進(jìn)一步揭示了颮線(xiàn)由對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)到非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的演變(下圖).由(b)可見(jiàn)，雖然颮線(xiàn)仍包含有颮前低壓、中高壓、尾流低壓，但尾流低壓和中高壓更連同層狀云區(qū)向北移動(dòng)。這種北移表明，層狀云區(qū)在尾流低壓的形成中起著關(guān)鍵作用，對(duì)中高壓與對(duì)流線(xiàn)也有著重要影響。對(duì)稱(chēng)（左）與不對(duì)稱(chēng)的颮線(xiàn)系統(tǒng)。