高等天气学对流PPT课件下载推荐.pptx

高等天气学对流PPT课件下载推荐.pptx

《高等天气学对流PPT课件下载推荐.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高等天气学对流PPT课件下载推荐.pptx（80页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

（a）发展期，（b）成熟期，（c）消散期。

（原图引自ByersandBraham1949，Doswell1985，MarkowskiandRichardson2010）,1、一般单体对流（single-cellconvection）,生命史：

30-60分钟环境垂直风切变很弱（a）发展期（b）成熟期（c）消散期,（a）上升气流超过10ms-1卷入过程云底之下无降水,（b）近地面冷池和中尺度高压卷出过程,（c）下沉运动为主冷空气向外延伸较远，切断高能的入流空气与上升运动之间的联系,2、多单体雷暴,（multicellularconvection）大气中常出现的一种强风暴叫“多单体雷暴”，它们是一种大而强的雷暴体，其中包含有多个单体，新的单体沿着阵风锋重复发展。

虽然每个单体的生命期仅仅30-60分钟，但是，单体的连续更替过程使得多单体雷暴可以维持几个小时，可能产生灾害性的强降水、直线大风和冰雹。

新生和发展阶段的单体有活跃的上升气流，在衰减阶段以下沉运动为主。

风暴内的上升气流起源于风暴前边界层中，以后斜升到中高层。

各个单体以平均风的速度移动，整个多单体雷暴的移动是各个单体的移动和传播相叠加的结果。

多单体对流演变模型,左图：

1999年5月20日在德克萨斯观测到的多单体对流系统右图：

对流系统以东约100km处风廓线仪观测的速矢端迹图0-6km速度差为16ms-1。

单体移动、单体传播、整个系统运动分别用紫色、黄色、绿色矢量标出。

可见，单体朝着西南方向传播，与朝东的低层切变不一致。

观测到的对流单体的传播似乎是环境场不均匀性的结果，比如，对流单体与干线的相互作用，或者CIN的变化。

3、超级单体（supercellularconvection）,超级单体是一种最强烈的局地风暴，虽然发生频次较低，但是产生的灾害严重。

它表现为单一的强大的环流系统，常具有不对称的外形和天气分布。

在单体内有一支深厚的扭转的上升气流，上升气流中包含一个直径约几公里的深厚的中气旋，单体内也有下沉气流。

超级单体一般维持1-4小时，可以达到8小时。

有时会产生龙卷。

（引自MarkowskiandRichardson2010）,雷达低层扫描观测到超级单体的最主要特征是,反射率资料中的钩状回波和无回波窟窿（弱回波区）径向速度资料中的inbound-outboundcouplet,1998年6月14日0124UTC俄克拉荷马市雷达观测的（a）反射率和（b）径向速度（MarkowskiandRichardson2010）,WER,弱回波区称为“有界弱回波区”，这是特别强烈的风暴的一种特征。

一般情况下，风暴出现无界回波区，即前方未被悬垂体所包围，因而四周无回波存在，只有在弱回波区上有回波。

在这种下悬的悬垂体中有大量供冰雹增长的胚胎，所以又称冰雹幡。

（上）超级单体反射率结构概念图。

绿色和黄色阴影表示弱、中等、强雷达反射率（左为低层的水平结构，右图为垂直剖面）（下）VORTEX试验期间1995年5月16日2306UTC机载雷达观测的超级单体雷暴的雷达反射率因子的准垂直剖面（引自MarkowskiandRichardson2010）,钩状回波，无回波穹窿（弱回波区）,被悬垂回波包围的弱回波区称为“有界弱回波区”，这是特别强烈的风暴的一种特征。

在这种下悬的悬垂体中有大量供冰雹增长的胚胎，所以又称冰雹幡。

一般情况下，风暴出现“无界弱回波区”，即未被悬垂体所包围，四周无回波存在，只有在弱回波区上方有回波。

水平,垂直,加拿大草原上超级单体风暴的雷达图像合成图。

左边是水平剖面，右边是垂直剖面。

反射率单位为dBz，是对降水强度的对数度量。

BWER表示边界弱回波区域，代表上升气流。

Zemax表示最强的回波。

在4km和7km层上的有界弱回波区（BWER）或无回波穹窿对应了上升气流，它与旋转轴一致。

最强的雨和冰雹往往出现在围绕着气旋性旋转轴的西北侧的下沉气流中。

在低层进入风暴的上升气流主要在弱回波区（或无回波区）中上升，至少在风暴的早期或成熟阶段是如此。

在雷达回波上形成这种结构是由于上升气流太强了，使得液态云滴没有足够的时间增长到雷达所能够观测的大小，因而充满由小水滴组成的云；

即使降水粒子在高空形成了，也由于风的切变很大，使它不能落入低层的上升气流中。

带刺丝的曲线表示单体后侧的阵风锋（即出流边界）（引自MarkowskiandRichardson2010；

原图引自ChisholmandRenick1972）,（左）超级单体风暴的概念图。

（LemonandDoswell1979）绿色阴影代表雷达反射率因子30dBZ的降水区域。

粉色阴影代表主要的上升区域（U）。

T表示龙卷发生的位置。

带刺丝的曲线表示出流边界。

带箭头的曲线表示相对风暴移动的流线。

红色星星表示右图照片拍摄者的位置。

（右）一个产生龙卷的超级单体的照片。

（ErikRasmussen提供）（引自MarkowskiandRichardson2010）,超级单体内的下沉气流区域,超级单体前侧区域，雨滴蒸发、冰粒子融解和升华产生负浮力，导致“前侧下沉气流”（FFD）超级单体后侧的悬垂回波区域，中高层的干空气碰到上升气流导致蒸发冷却和负浮力，并且向下的垂直气压梯度力也产生向下的加速度，在热力强迫和动力强迫共同作用下形成“后侧下沉气流”（RFD）龙卷一般产生在RFD前方的上升气流附近,龙卷雷暴近地面气流平面分布图,相对于风暴的气流在图上用带箭头的曲线表示。

粗线包围区是雷达回波（即雨区）。

冷锋的符号代表流入暖空气与流出冷空气的边界，并且画出了锢囚性阵风锋。

细点阴影区代表上升气流的低层位置。

FFD与RFD由粗点阴影区表示。

T是龙卷位置。

（LemonandDoswell1979）前侧下沉气流和后侧下沉气流共同产生强烈的地面阵风锋，从运动学角度来说，与中纬度副热带气旋的锋面结构类似。

强风暴雷达回波三层平面分布示意图,（Lemon与Doswell，1979）,注意：

箭头并不等同于实际的流线或轨迹MarkowskiandRichardson2010，原图引自LemonandDoswell1979,超级单体气流三维结构,早期,成熟阶段,中层旋转的形成,超级单体里面中层旋转的形成原因已经被认识得比较清楚了，而近地面旋转的产生还涉及到其他一些因素，主要是下沉气流的发展。

上升气流里面中层气旋的形成可以用线性化的垂直涡度方程来理解。

从垂直涡度方程开始，忽略科氏力和斜压项，并且把速度和垂直涡度分别分解为只随高度变化的平均量（环境场）和扰动量，得到相对于上升气流移动的扰动垂直涡度的局地变化：

其中S代表平均垂直风切变，C是上升气流的水平移动速度（假设为常数）。

右边第一项代表（相对上升气流的）水平平流造成的扰动垂直涡度的变化，右边第二项代表垂直速度梯度造成（与平均垂直风切变有关的）水平涡度的倾斜而导致扰动垂直涡度的变化。

，,“水平平流项”是把垂直涡度场在上升气流里面水平移动，它只有在已经产生垂直涡度之后才会发生作用；

只有“倾斜项”能够产生垂直涡度。

另外，在上式中忽略了非线性影响的“拉伸项”随着上升运动的增强，已经倾斜到垂直方向的涡度还会被拉伸项大大加强。

中层旋转的形成倾斜项和水平平流项的不同作用,中层旋转的形成倾斜项的作用,倾斜项在中层产生正负涡度对，顺着平均垂直风切变（S）的方向看，正涡度位于最大上升运动的右侧，负涡度位于其左侧。

扰动垂直涡度、平均垂直风切变（S）与垂直运动水平梯度的关系示意图红色代表上升运动区域,中层旋转的形成水平平流项的作用,垂直涡度的梯度指向S的右侧90度，与环境水平涡度（）的方向相反。

当与相对上升运动的风（垂）直的时候，被称为“crosswise”涡度，当与指向相同方向的时被候称，为“streamwise”涡度。

第一种情况下，平流项在最大上升运动的位置为零，所以，它不改变正负涡度对相对于上升运动中心的位置，平流项使得气旋性-反气旋性涡旋对分别沿着S方向移动。

中层旋转的形成水平平流项的作用,第二种情况（streamwise涡度）下，平流项使得正涡度朝着最大上升运动的位置移动，负涡度朝着上升运动区域以外移动。

因为在正负涡度对的中间位置比较大，涡度对朝着垂直S方向的移动比顺着S方向的移动更加显著；

并且，由于正的拉伸作用，在streamwise涡度情况下，中层的气旋性涡度大于反气旋性涡度，类似的，streamwise涡度情况下中层气旋性涡度也比crosswise涡度情况下更加强。

中层中气旋的形成小结,沿,总之，雷暴上升气流里面中层旋转的形成和发展，最初是由于环境水平涡度的倾斜在中层形成了一对气旋性和反气旋性的涡旋，平流项随之发生作用，着环境水平涡度方向的部分发挥的作用比较强，它使得气旋性旋转与上升气流的位置逐渐重合。

可见，强的环境风垂直切变（环境水平涡度）对于超级单体内形成中气旋非常重要。

一个超级单体上升气流的图片，叠加了示意性的涡线。

低层水平涡度的产生,成熟阶段的超级单体必然产生近地面出流，冷出流会形成水平浮力梯度，进而产生近地面的水平涡度。

尤其是和前测下沉气流FFD有关的出流，因为低层入流的很大一部分是从这个地区进入上升气流的。

这样在超级单体内部产生的水平涡度与环境水平涡度的大小相当，甚至比环境水平涡度还大，它大大增加了可以被倾斜的总的水平涡度。

低层环境涡度的方向与斜压产生涡度的方向会影响中层中气旋的强度和维持时间。

（主要受深层切变和控制的）降水的分布会影响负浮力的分布和斜压涡度的生成，因此，降水的分布显著影响低层中气旋的特征。

下沉气流和龙卷,低层中气旋的存在并不是生成龙卷的充分条件，低层中气旋的强度更强或者维持时间更长也不意味着生成龙卷的可能性更大。

产生龙卷（即地面产生垂直涡度）需要有下沉气流参与到倾斜过程中来，至少如果地面没有预先存在的显著的垂直涡度的时候是如此。

当倾斜产生正垂直涡度的时候，靠近上升气流的下沉气流可以把正涡度带到地面。

与FFD有关的垂直速度梯度通常比位于上升气流和RFD之间的垂直速度梯度小一个量级，所以，对于龙卷的生成，RFD可能比FFD有着更直接的重要性。

FFD的重要性是通过FFD出流中的水平浮力梯度（斜压性）产生水平涡度。

超级单体的移动,北半球几乎所有的强超级单体风暴都具有右移（且反时针旋转，即气旋性旋转）的上升气流。

直到20世纪80年代人们还普遍认为这是科里奥利力影响的结果。

但是通过数值试验，人们现在已明确行星涡度对超级单体风暴上升气流的旋转作用很小。

右移的风暴盛行是由于在有利于超级单体风暴形成的大尺