高等天氣學(xué)對流

1、第十講 對流系統(tǒng)國家氣候中心高等天氣學(xué)講座(2016單元四：對流和降水天氣系統(tǒng)中國氣象科學(xué)研究院1對流系統(tǒng)的分類一、對流單體 一般單體 多單體 超級單體二、中尺度對流系統(tǒng)(MCS) 颮線 中尺度對流復(fù)合體三、地形引起的對流系統(tǒng)2一個典型的普通單體雷暴生命史的3個階段示意圖： （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10ms-1卷入過程云底之下無降水(b)近地面冷池和中尺度高壓卷出過程(c)下沉運動為主冷空氣向外延伸較遠，切斷高能的入流空氣與上升運動之間的聯(lián)系32、多單體雷暴(multicellular convection)大氣中常出現(xiàn)的一種強風(fēng)暴叫“多單體雷暴”，它們是一種大而強的雷暴體，其中包含有多個單體，新的單體沿著陣風(fēng)鋒重復(fù)發(fā)展。雖然每個單體的生命期僅僅30-60分鐘，但是，單體的連續(xù)更替過程使得多單體雷暴可以維持幾個小時，可能產(chǎn)生災(zāi)害性的強降水、直線大風(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動為主。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、。各個單體以平均風(fēng)的速度移動，整個多單體雷暴的移動是各個單體的移動和傳播相疊加的結(jié)果。多單體對流演變模型 4左圖：1999年5月20日在德克薩斯觀測到的多單體對流系統(tǒng)右圖：對流系統(tǒng)以東約100km處風(fēng)廓線儀觀測的速矢端跡圖0-6km速度差為16ms-1。單體移動、單體傳播、整個系統(tǒng)運動分別用紫色、黃色、綠色矢量標出?？梢?，單體朝著西南方向傳播，與朝東的低層切變不一致。觀測到的對流單體的傳播似乎是環(huán)境場不均勻性的結(jié)果，比如，對流單體與干線的相互作用，或者CIN的變化。53、超級單體（supercellular convection）超級單體是一種最強烈的局地風(fēng)暴，雖然發(fā)生頻次較低，但是產(chǎn)生的災(zāi)害

4、嚴重。它表現(xiàn)為單一的強大的環(huán)流系統(tǒng)，常具有不對稱的外形和天氣分布。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。超級單體一般維持1-4小時，可以達到8小時。有時會產(chǎn)生龍卷。（引自Markowski and Richardson2010）6雷達低層掃描觀測到超級單體的最主要特征是 反射率資料中的鉤狀回波和無回波窟窿（弱回波區(qū)） 徑向速度資料中的 inbound-outbound couplet1998年6月14日0124UTC俄克拉荷馬市雷達觀測的(a)反射率和(b)徑向速度（Markowski and Richardson2010）WER

5、7（上）超級單體反射率結(jié)構(gòu)概念圖。綠色和黃色陰影表示弱、中等、強雷達反射率（左為低層的水平結(jié)構(gòu)，右圖為垂直剖面）（下）VORTEX試驗期間1995年5月16日2306 UTC機載雷達觀測的超級單體雷暴的雷達反射率因子的準垂直剖面（引自Markowski and Richardson2010）鉤狀回波，無回波穹窿（弱回波區(qū)）被懸垂回波包圍的弱回波區(qū)稱為“有界弱回波區(qū)”，這是特別強烈的風(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的胚胎，所以又稱冰雹幡。一般情況下，風(fēng)暴出現(xiàn)“無界弱回波區(qū)”，即未被懸垂體所包圍，四周無回波存在，只有在弱回波區(qū)上方有回波。水平垂直8加拿大草原上超級單體風(fēng)暴的雷達

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，是對降水強度的對數(shù)度量。BWER表示邊界弱回波區(qū)域，代表上升氣流。Zemax表示最強的回波。在4km和7km層上的有界弱回波區(qū)（BWER）或無回波穹窿對應(yīng)了上升氣流，它與旋轉(zhuǎn)軸一致。最強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在低層進入風(fēng)暴的上升氣流主要在弱回波區(qū)（或無回波區(qū)）中上升，至少在風(fēng)暴的早期或成熟階段是如此。在雷達回波上形成這種結(jié)構(gòu)是由于上升氣流太強了，使得液態(tài)云滴沒有足夠的時間增長到雷達所能夠觀測的大小，因而充滿由小水滴組成的云；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）超級單體風(fēng)暴的概念圖。（Lemon and Doswell 1979）綠色陰影代表雷達反射率因子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。帶刺絲的曲線表示出流邊界。帶箭頭的曲線表示相對風(fēng)暴移動的流線。紅色星星表示右圖照片拍攝者的位置。（右）一個產(chǎn)生龍卷的超級單體的照片。（Erik Rasmussen提供）（引自Markowski and Richardson2010）超級單體

8、內(nèi)的下沉氣流區(qū)域 超級單體前側(cè)區(qū)域，雨滴蒸發(fā)、冰粒子融解和升華產(chǎn)生負浮力，導(dǎo)致“前側(cè)下沉氣流”（FFD） 超級單體后側(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，在熱力強迫和動力強迫共同作用下形成“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相對于風(fēng)暴的氣流在圖上用帶箭頭的曲線表示。粗線包圍區(qū)是雷達回波（即雨區(qū)）。冷鋒的符號代表流入暖空氣與流出冷空氣的邊界，并且畫出了錮囚性陣風(fēng)鋒。細點陰影區(qū)代表上升氣流的低層位置。FFD與RFD由粗點陰影區(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)生強烈的地面陣風(fēng)鋒，從運動學(xué)角度來說，與中緯度副熱帶氣旋的鋒面結(jié)構(gòu)類似。12強風(fēng)暴雷達回波三層平面分布示意圖（Lemon與Doswell，1979）13注意：箭頭并不等同于實際的流線或軌跡Markowski and Richardson2010，原圖引自Lemon and Doswell1979超級單體氣流三維結(jié)構(gòu)早期成熟階段14中層旋轉(zhuǎn)的形成超級單體里面中層旋轉(zhuǎn)的形成原因已經(jīng)被認識得比較清楚了，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性化的垂直渦度方程來理解。從垂直渦度方程開始，

10、忽略科氏力和斜壓項，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）和擾動量，得到相對于上升氣流移動的擾動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速度（假設(shè)為常數(shù)）。右邊第一項代表（相對上升氣流的）水平平流造成的擾動垂直渦度的變化，右邊第二項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)致擾動垂直渦度的變化。15“水平平流項”是把垂直渦度場在上升氣流里面水平移動，它只有在已經(jīng)產(chǎn)生垂直渦度之后才會發(fā)生作用；只有“傾斜項”能夠產(chǎn)生垂直渦度。另外，在上式中忽略了非線性影響的“拉伸項” ，隨著上升運動的增強，已經(jīng)傾斜到垂直方向的渦度還會被拉伸

11、項大大加強。中層旋轉(zhuǎn)的形成傾斜項和水平平流項的不同作用16中層旋轉(zhuǎn)的形成傾斜項的作用傾斜項在中層產(chǎn)生正負渦度對，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動的右側(cè)，負渦度位于其左側(cè)。擾動垂直渦度、平均垂直風(fēng)切變（S）與垂直運動水平梯度的關(guān)系示意圖紅色代表上升運動區(qū)域17中層旋轉(zhuǎn)的形成水平平流項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) 與相對上升運動的風(fēng)（ ）垂直的時候，被稱為“crosswise”渦度，當(dāng) 與 指向相同方向的時候，被稱為“streamwise”渦度。第一種情況下，平流項在最大上升運動的位置為零，所以，它不改變正負渦度對相對于上升運動

12、中心的位置，平流項使得氣旋性-反氣旋性渦旋對分別沿著S方向移動。18中層旋轉(zhuǎn)的形成水平平流項的作用第二種情況（streamwise渦度）下，平流項使得正渦度朝著最大上升運動的位置移動，負渦度朝著上升運動區(qū)域以外移動。因為 在正負渦度對的中間位置比較大，渦度對朝著垂直S方向的移動比順著S方向的移動更加顯著；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。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、對氣旋性和反氣旋性的渦旋，平流項隨之發(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，它使得氣旋性旋轉(zhuǎn)與上升氣流的位置逐漸重合。可見，強的環(huán)境風(fēng)垂直切變（環(huán)境水平渦度）對于超級單體內(nèi)形成中氣旋非常重要。一個超級單體上升氣流的圖片，疊加了示意性的渦線。20低層水平渦度的產(chǎn)生成熟階段的超級單體必然產(chǎn)生近地面出流，冷出流會形成水平浮力梯度，進而產(chǎn)生近地面的水平渦度。尤其是和前測下沉氣流FFD有關(guān)的出流，因為低層入流的很大一部分是從這個地區(qū)進入上升氣流的。這樣在超級單體內(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)生渦度的方向會影響中層中氣旋的強度和維持時間。（主要受深層切變和 控制的）降水的分布會影響負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，低層中氣旋的強度更強或者維持時間更長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程中來，至少如果地面沒有預(yù)先存在的顯著的垂直渦度的時候是如此。當(dāng)傾斜產(chǎn)生正垂直渦度的時候，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量級，所以，對于龍卷的生成，RFD可能比

15、FFD有著更直接的重要性。FFD的重要性是通過FFD出流中的水平浮力梯度（斜壓性）產(chǎn)生水平渦度。22超級單體的移動 北半球幾乎所有的強超級單體風(fēng)暴都具有右移（且反時針旋轉(zhuǎn)，即氣旋性旋轉(zhuǎn)）的上升氣流。直到20世紀80年代人們還普遍認為這是科里奧利力影響的結(jié)果。但是通過數(shù)值試驗，人們現(xiàn)在已明確行星渦度對超級單體風(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單體風(fēng)暴形成的大尺度場中，順時針方向轉(zhuǎn)的速矢端跡盛行，順轉(zhuǎn)擾動了對流上升氣流內(nèi)部及附近的氣壓場，加強了右移風(fēng)暴，抑制了左移風(fēng)暴。23美國中部62個龍卷性超級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）。從起點到O

16、點的箭頭表示風(fēng)暴的平均運動，風(fēng)暴平均朝著東東北方向移動，在垂直平均引導(dǎo)氣流的右邊。風(fēng)速隨高度迅速增加，特別是在對流層低層，風(fēng)向從近地面的南東南順時針方向轉(zhuǎn)到對流層高層的西西南，風(fēng)向改變了約90。虛箭頭代表在隨風(fēng)暴移動的坐標系中各個層次的風(fēng)。（大氣科學(xué)，2008）24超級單體風(fēng)暴分裂示意圖（直線型速矢端跡情況）(a) 在渦旋對左右兩側(cè)產(chǎn)生向上的垂直氣壓梯度力（藍色實心箭頭），使得在風(fēng)暴形成的30-60分鐘內(nèi)上升運動分裂成兩部分；(b) 降水和下沉氣流（渦線朝下傾斜）加強上升運動分裂，原本以上升氣流為中心的正負渦度對變成了兩組氣旋反氣旋渦旋對，形成右移風(fēng)暴和左移風(fēng)暴?！坝摇焙汀白蟆敝傅氖窍鄬τ谏顚?/p>

17、切變矢量。透明的藍色箭頭表示相對風(fēng)暴的軌跡。（b）中虛線的透明藍色箭頭表示風(fēng)暴分裂以后的相對風(fēng)暴軌跡。Markowski and Richardson2010，原圖引自Klemp1987超級單體的分裂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分布(a)直線型速矢端跡(b)順轉(zhuǎn)型速矢端跡在順轉(zhuǎn)型速矢端線(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，而抑制反氣旋的左移雷暴。深藍色實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、）超級單體的選擇性加強理論分析26一個云模式兩次模擬產(chǎn)生的低層雨水的水平分布。兩次模擬分別采用直線型速矢端跡（2.5km以下為灰色線，2.5-7km為藍色線；沿著矢端線的數(shù)字代表高度（km）和低層順時針方向轉(zhuǎn)的速矢端跡（藍色線）。直線型速矢端跡產(chǎn)生對稱的兩個風(fēng)暴，而曲線型速矢端跡加強了右移風(fēng)暴。左移和右移風(fēng)暴的運動在速矢端圖上用粉色剪頭表示，并標注了“LM”和“RM”。黑色虛線包圍的為中層強上升運動區(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。灰色虛線表示風(fēng)暴運動的路徑。（Markowski and Richardson2010）超級單體的分裂及選擇性加強云模

19、式模擬27（Markowski and Richardson2010）2004年4月19日美國一部雷達觀測的反射率圖像，顯示一個發(fā)展中的超級單體分裂成為一個右移和一個左移的單體。速矢端跡相當(dāng)平直，因此，分裂過程中發(fā)展起來的兩個風(fēng)暴的強度大致相當(dāng)。平直速矢端跡情況下觀測到超級單體分裂的個例28（Markowski and Richardson2010）2008年6月1日美國一部雷達觀測的反射率圖像，顯示一個超級單體分裂成為一個右移風(fēng)暴和一個左移風(fēng)暴。曲線型速矢端跡，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)暴的運動矢量。曲線速矢端跡情況下觀測到超級單體分裂的個例

20、29M表示的中尺度氣旋以及用冷鋒符號描述的陣風(fēng)鋒類似一個溫帶氣旋的縮影。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。相對于移動的風(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，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。因此，與未受擾動的環(huán)境相比，由于陣風(fēng)鋒的存在，通過AA流入到上升氣流中的垂直切變加強了，由邊界層空氣傾斜進入上升氣流所產(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。 流入風(fēng)暴的環(huán)境氣流的垂直切變加強了上升氣流的旋轉(zhuǎn)及與其相關(guān)的中尺度氣旋 中尺度氣旋的存在，反過來又增強了上

21、升氣流和陣風(fēng)鋒。右移超級單體風(fēng)暴的理想化結(jié)構(gòu)304、對流單體中的氣流前面已經(jīng)說明了強風(fēng)暴的一些主要天氣學(xué)模式。可以看到它們共同的特征是有上升氣流、下沉氣流以及從下沉氣流區(qū)向外擴展的低層流出氣流（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上升氣流對流系統(tǒng)中的上升氣流很強，一般達到幾米每秒或十幾米每秒。根據(jù)我國和國外雷暴或冰雹云中垂直速度的觀測和計算，上升氣流的最大速度多達5-20ms-1。一般小中等強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。強烈的雷暴或超級單體中的上升氣流要強得多，最大垂直速度可

22、達幾十米每秒，持續(xù)上升速度也可達10-30ms-1。上升氣流最大值一般位于對流層中層約4-7km高度，再往上上升氣流的速度一般會減弱。上升氣流有一定的持續(xù)時間，至少在15分鐘。在超級單體中整個上升氣流特別穩(wěn)定，生命期可達幾小時。在這個時期內(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（相對雷暴運動的風(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（相對水平氣流方向），到達上部以

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)是高層存在強東風(fēng)，這時空氣從風(fēng)暴前方進入上升氣流區(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。因為上升氣流一般是向后傾斜的，在上升氣流中增長的小冰雹直接落入下面的下沉氣流中去，而不能再進入到上升氣流中。因而除少數(shù)一些質(zhì)點通過亂流運動可以又被帶入到上升氣流以外，大部分質(zhì)點沒有第二次上升或再循環(huán)的機會，不能繼續(xù)增長到較大的雹塊，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度不如第一種情況

24、強。 (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)沒有切變和冷空氣堆，熱力產(chǎn)生的上升運動軸和對稱的渦度分布都是垂直的(b)無切變，冷空氣堆產(chǎn)生負的水平渦度使上升氣流朝冷空氣堆上方傾斜(c)無冷空氣堆，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的環(huán)境下，對流系統(tǒng)生命史的初始、強盛、衰減階段的上升氣流和水平渦度分布分別具有類似(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 下沉氣流是強雷暴氣流場中的一個重要特征。在一般積云或小雷暴中，下沉氣流的產(chǎn)生常標志著從強盛期演變成衰亡期，而在強風(fēng)暴中下沉氣流是維持風(fēng)暴的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)或延長其生命期不可缺少的一個因素。下沉氣流能形成近地面的冷空氣堆和強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量帶到地面，在低層加強了與暖空氣的輻合作用，這能更強烈地把暖空氣上抬，因而?？捎^測到新的對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，它在強切變環(huán)境條件下通過降水過程又可使下沉氣流再生和加強，從而能不斷的形成上升氣流以釋放和組織不穩(wěn)定能量，維持強對流

26、系統(tǒng)。36強雷暴內(nèi)下沉氣流中的空氣有兩個來源： 一部分空氣起源于風(fēng)暴周圍對流層中層相當(dāng)位溫達最小的高度（大約6km）。它一般從云體右后方進入風(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的，一些是從中層環(huán)境空氣吸入到上升氣流中來的。在雷暴下沉氣流中感熱和潛熱觀測表明，大部分下沉氣流是從對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)的過程：液態(tài)水或固態(tài)水的蒸發(fā)冷卻。當(dāng)云體從周圍大氣吸入未飽和空氣時，云中的液態(tài)水或固態(tài)凝結(jié)物便會蒸發(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)點融解造成的冷卻。冰相質(zhì)點包括雪

27、晶、冰雹或軟雹等。雪晶在強雷暴上升氣流中不可能下落，因為它的末速度小，故只需要考慮冰雹或軟雹的融解作用。水滴的拖帶作用。因為下降的水滴其降落速度達到平衡時的末速度所需的時間是很短的，因而每一水滴可以認為是以其末速度下降的。末速度的大小與水滴大小有關(guān)。這時空氣要受到一個向下的拖帶力，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動。 38近地面流出氣流 對流雷暴中災(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導(dǎo)致近地面強風(fēng)；后一種情況，通常多個雷暴出流匯合造成出流增厚和地面氣壓上升，強水平氣壓梯度力作用下產(chǎn)生近地面強風(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量（比如中尺度對流系統(tǒng)內(nèi)部后方入流急流下沉到地面），也可以對近地面強風(fēng)的生成有貢獻。另外，英文文獻中“Derecho”指的是：與長生命史的深厚濕對流有關(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制產(chǎn)生的。39一個成熟的雷暴常常可以造成幾個冷空氣流出涌的現(xiàn)象（下圖）。這是由雷暴脈動或從云底處來自不同來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。可看到強流出涌；點區(qū)是下落和懸浮降水區(qū)；虛線是留在風(fēng)暴尾的流出氣流之上界。40雷達觀測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）。由于其密度比周圍空氣的略大，一般認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“一團密度高的流體沿著水平地面流動，并代替周圍密度較小流體的穩(wěn)定平行流動現(xiàn)象”。這種流體的流動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、強度和強迫機制上這些現(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，水平范圍更寬廣。已經(jīng)有大量的工作，利用實驗室和數(shù)值模式試驗研究密度流現(xiàn)象。在實驗室，有時在自然界，較重和較輕流體的分界面可由懸浮粒子分辨出來。 42對流雷暴產(chǎn)生的流出的前緣邊界在雷達反射率圖像和衛(wèi)星云圖上可以清楚地被識別出來。雷達反射率圖像，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)星可見光圖像，等值線代表等相當(dāng)位溫線。帶刺絲的曲線表示橢圓形的出流邊界。帶貝殼狀符號

31、的曲線表示干線。（Markowski and Richardson2010）43流出前緣部分常常被稱為“陣風(fēng)鋒”。它具有球根狀的頭部，由于地面風(fēng)速超過了鋒本身的前進速度，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，水平尺度可以達幾千米。根據(jù)水平運動方程，當(dāng)鋒逼近時風(fēng)速迅速增加（朝右邊），鋒過境時風(fēng)速達到最大值，然后風(fēng)速逐漸減小。有時可以看到與陣風(fēng)鋒一起移動的一薄片弧狀云，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)鋒的深對流云分離時，它被稱為滾軸云。通過陣風(fēng)鋒的剖面圖，坐標系與鋒一起移動流出前緣的陣風(fēng)鋒 44 流出前緣概略圖。 “十，一”分別指直接和間接

32、環(huán)流；點線指示分界層頂。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，冷空氣流出的動力學(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)量的水平輸送對于重力流型的流出是很重要的，但對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。下圖舉例說明了重力流型流出的特征。有關(guān)重力波的介紹請見附錄。冷空氣流出的動力學(xué)性質(zhì)46（a）1978年6月17日下午流出發(fā)生時的地面觀測結(jié)果。氣球符號代表探空觀測時間。 （b）颮線過境前后的探空。探空是颮鋒過境后施放的

33、。過境前的情況是估計的。 觀測到重力流的例子1）氣壓上升，地面溫度和露點溫度突然下降，風(fēng)向銳變、風(fēng)速增大；2）冷卻層厚度大約1-2km，與雷達測量顯示流出層的厚度相一致。47流出邊界向南移動2013年5月10日廣東陽江特大暴雨過程中觀測到的重力流流出邊界經(jīng)過四個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很強，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失事。這樣一種強下沉氣流（包括下沉氣流和流出氣流兩者）被稱為“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)破壞狀況估計下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)速可以超過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，這一點與龍卷產(chǎn)生的輻合型災(zāi)害截然不同。Fujita最先識別和區(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觀測到一個下?lián)舯┝鳌?.5度仰角掃描的(a)雷達反射率和(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進入到下?lián)舯┝髦械娘w機的理想化描述。從2到4，飛機不再逆風(fēng)而開始順風(fēng)，從而抬升作用減弱并且飛機高度突然降低。（大氣科學(xué)，2008）下?lián)舯┝鲗︼w機有危險。危險并不在于下沉氣流本身引起飛機的高度降低，而在于當(dāng)飛機穿過下沉氣流時，在20s內(nèi)相對于飛機的風(fēng)速可能減小10ms-1或更多，水平風(fēng)速的迅速改變使飛機突然失去抬升作用。51對流系統(tǒng)的分類一、對流單體二、中尺度對流系統(tǒng)(MCS) 颮線 中尺度對流復(fù)合體三、地形引起的對流系統(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. 一個中尺度對流系統(tǒng)具有深厚的濕對流，它與一個中尺度垂直環(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流驅(qū)動的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. 一個中尺度對流系統(tǒng)是一個有組織的雷暴群，它至少持續(xù)幾個小時，并產(chǎn)生一個相連的降水區(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).一個中尺度對流系統(tǒng)MCS的形狀可能是線狀的或者圓形的，常常被用于指不滿足中尺度對流復(fù)合體MCC定義的一個雷暴群。MCS的定義Lin, Yuh-Lang (2007): Mesoscale Dynamics. Cambridge Universit

39、y Press.54中尺度對流系統(tǒng)的尺度大于單個雷暴的尺度，同時小于羅斯貝變形半徑（LR）。LR = NLz/f, Lz是運動的垂直尺度。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，動量方程中科氏力加速度至少與其他項相當(dāng)。MCS的生命期一般為3小時或者更長，其層狀云可能維持幾天時間。MCS不僅僅影響中尺度天氣，還通過與加熱有關(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流翻轉(zhuǎn)，此中尺度垂直環(huán)流至少部分受到對流過程的驅(qū)動。并且，這些MCS常常產(chǎn)生并維持層狀云，層狀云也可能產(chǎn)生強降水（Houze et al. 1989）。MCS的動力學(xué)相當(dāng)復(fù)雜，因為除了單個、孤立的雷暴的動力學(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（squall line）中尺度對流復(fù)合體（MCC）熱帶的MCS熱帶氣旋云clusterMCS的分類Lin (2007)Markowski and Richardson (2010)中緯度MCS分類示意圖。圓圈和橢圓的大小并不代表各種MCS

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

43、-1地面瞬時大風(fēng)（黑箭頭），1mmh-1地面降水.(b)每個0.3oX0.2o區(qū)域內(nèi)正地閃和負地閃頻次的比值（彩色陰影）59颮線的三種概念模型 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。密度流對高e低層氣流的抬升幫助低層氣塊或氣層上升，實現(xiàn)條件（或潛在）不穩(wěn)定的釋放。60深厚切變的颮線模型這種模型是中緯度颮

44、線的最早的概念模型。這類颮線具有以下動力學(xué)特征：上升氣流向后傾斜，在冷池上方對流系統(tǒng)中層產(chǎn)生氣壓極小值，使得空氣從后面加速進入對流系統(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解釋，在c U（冷池作用強于切變作用）的情況下上升氣流向反切變方向傾斜 。這被稱為“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動出現(xiàn)在流出邊界。61淺薄切變的颮線模型環(huán)境切變集中在與冷池厚度相當(dāng)?shù)妮^淺薄的低層。這一類颮線也有從前向后的在密

45、度流之上的上升氣流，這一點與深厚切變的颮線模型類似；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小（具有正浮力），形成中層低壓，因此，低壓和后方入流的強度隨（與環(huán)境CAPE密切相關(guān)的）浮力的增加而增強。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急流型切變的颮線模型這一類颮線具有類似急流的切變，但是沒有“引導(dǎo)層”。也就是說，颮線移動如此之快（10-15ms-1），在移動的參照系里面不存在引導(dǎo)層。此類颮線在成熟階段的時候，所有層都有從前向后的氣流。這種類型的熱帶和中緯度的颮線具有相似的氣流結(jié)構(gòu)，比如都有多單

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

47、個PS MCS（Parker and Johnson 2000）65一條理想化颮線成熟階段的剖面圖陰影表示中等和強的雷達反射率。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）觀測和模擬表明，對流線的氣流結(jié)構(gòu)和降水特征受到冷池強度和環(huán)境切變的控制。并且，中緯度颮線具有一些顯著的地面特征，包括颮前中尺度低壓（L2），對流線下方的中尺度高壓（H1），與層狀降水區(qū)域有關(guān)的尾部低壓（L1）。66颮線一般會在地面氣壓場上產(chǎn)生一個中高壓和一個尾流低壓。藤田早年把颮線的生命期分為5個階段，他指出，在初期階段已經(jīng)形成了一個強的中高

48、壓，在發(fā)展階段中高壓的強度和尺度都有增強。到成熟階段，陣雨達到最大強度，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，但是尾流低壓達到最大強度。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STORM計劃得到的較稠密的觀測資料，基本肯定了藤田發(fā)現(xiàn)的颮線內(nèi)的地面中高壓和尾流低壓結(jié)構(gòu)（下圖）,并進一步揭示了颮線內(nèi)的前沿對流線和尾部層狀云結(jié)構(gòu)。颮線模型由前沿對流線，過渡區(qū)（回波最小值區(qū)）與大范圍的層狀降水區(qū)組成。 颮線的地面特征67 成熟颮線的地面特征概略圖（Johnson與Hamilton，1985）粗實線是地面氣壓線，向量代表地面風(fēng)，陰影區(qū)是強降雨區(qū)。 中高壓的中心位于前

49、沿對流線后幾十公里，這意味著這個位置是積云下沉氣流區(qū)。在許多颮線的分析中，還發(fā)現(xiàn)一個颮前槽和颮前低壓存在。這是由對流在颮前激起的對流層中上層下沉增溫造成。尾流低壓中心位于層狀云區(qū)尾部邊緣強雷達反射率梯度區(qū)。它是由對流線后部下沉運動造成的。由降水蒸發(fā)部分驅(qū)動的中尺度下沉氣流可引起絕熱增溫，它超過了降水的蒸發(fā)冷卻，所以造成地面氣壓下壓。68后來的研究進一步揭示了颮線由對稱結(jié)構(gòu)到非對稱結(jié)構(gòu)的演變(下圖).由(b)可見，雖然颮線仍包含有颮前低壓、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。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，對中高壓與對流線也有著重要影響。對稱（左）與不對稱的颮線系統(tǒng)。