高等天气学讲座--对流系统课件.ppt

1、第十讲第十讲 对流系统对流系统高等天气学讲座高等天气学讲座(2017年春季）年春季）单元四：对流和降水天气系统单元四：对流和降水天气系统对流系统的分类对流系统的分类一、对流单体一、对流单体 一般单体一般单体 多单体多单体 超级单体超级单体二、中尺度对流系统二、中尺度对流系统(MCS)(MCS)飑线飑线 中尺度对流复合体中尺度对流复合体三、地形引起的对流系统三、地形引起的对流系统一个典型的普通单体雷暴生命史的一个典型的普通单体雷暴生命史的3 3个阶段示意图个阶段示意图：（a a）发展期，（）发展期，（b b）成熟期，（成熟期，（c c）消散期。）消散期。(原图引自原图引自 Byers and B

2、raham Byers and Braham 19491949，DoswellDoswell19851985，Markowski and RichardsonMarkowski and Richardson20102010)1 1、一般单体对流（、一般单体对流（single-cell convection)single-cell convection)生命史：生命史：30-6030-60分钟分钟 环境垂直风切变很弱环境垂直风切变很弱(a)(a)发展期发展期(b)(b)成熟期成熟期(c)(c)消散期消散期(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

3、)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、多单体雷暴(multicellular convection)大气中常出现的一种强风暴叫大气中常出现的一种强风暴叫“多单体多单体雷暴雷暴”，它们是一种大而强的雷暴体，它们是一种大而强的雷暴体，其中包含有多个单体，新的单体沿着其中包含有多个单体，新的单体沿着阵阵风锋风锋重复发展。虽然每个单体的生命期重复发展。虽然每个单体的生命期仅仅仅仅30-6030-60分钟，但是，单体的连续更替分钟，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，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

4、和可能产生灾害性的强降水、直线大风和冰雹。冰雹。新生和发展阶段的单体有活跃的上升气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。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。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单体雷暴的移动是各个单体的移动和传播相叠加的结果。播相叠加的结果。多单体对流演变模型多单体对流演变模型 左图：左图：19991999年年5 5月月2020日在德克萨斯观测到的多单体对流系统日在德克萨斯观测到的多

5、单体对流系统右图：对流系统以东约右图：对流系统以东约100km100km处风廓线仪观测的速矢端迹图处风廓线仪观测的速矢端迹图0 0-6km-6km速度差为速度差为16ms16ms-1-1。单体移动、单体传播、整个系统运动分别用紫。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，色、黄色、绿色矢量标出。可见，单体朝着西南方向传播单体朝着西南方向传播，与朝东的，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，或者结果，比如，对流单体与干线的相互作用，或者CIN

6、CIN的变化。的变化。3、超级单体（、超级单体（supercellular convection）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。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。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。在单体内有一支在单体内有一支深厚的扭转的上升气流深厚的扭转的上升气流，上升气流中包含一个直径约几公，上升气流中包含一个直径约几公里的深厚的里的深厚的中气旋中气旋，单体内也有，单体内也有下沉气流下沉气流。超级单体。超级单体一般维持一般维持1-4

7、1-4小时，小时，可以达到可以达到8 8小时。小时。有时会产生龙卷。有时会产生龙卷。（引自Markowski and Richardson2010）雷达低层扫描观测到超级单体的最主要特征是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）反射率资料中的钩状回波和无回波窟窿（弱回波区）径向速度资料中的径向速度资料中的 inbound-outbound couplet inbound-outbound couplet19981998年年6 6月月1414日日0124UTC0124UTC俄克拉荷马市雷达观测的俄克拉荷马市雷达观测的(a)(a)反射率和反射率和(b

8、)(b)径向速度径向速度（Markowski and RichardsonMarkowski and Richardson20102010）WER（上）超级单体反射率结构概念图（上）超级单体反射率结构概念图。绿色和黄色阴影表示弱、。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）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）（下）VORTEXVORTEX试验期间试验期间19951995年年5 5月月1616日日2306 UTC2306 UTC机载雷达观测的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超级单体雷暴的雷达反射率因子的准垂直剖面

9、（引自（引自Markowski and RichardsonMarkowski and Richardson20102010）钩状回波，无回波穹窿（弱回波区）钩状回波，无回波穹窿（弱回波区）被悬垂回波包围的被悬垂回波包围的弱回波区称为弱回波区称为“有有界弱回波区界弱回波区”，这，这是特别强烈的风暴是特别强烈的风暴的一种特征。在这的一种特征。在这种下悬的悬垂体中种下悬的悬垂体中有大量供冰雹增长有大量供冰雹增长的胚胎，所以又称的胚胎，所以又称冰雹幡。冰雹幡。一般情况下，风暴一般情况下，风暴出现出现“无界弱回波无界弱回波区区”，即未被悬垂，即未被悬垂体所包围，四周无体所包围，四周无回波存在，只有在回

10、波存在，只有在弱回波区上方有回弱回波区上方有回波。波。水水平平垂垂直直加拿大草原上超级单体风暴的雷达图像合成图加拿大草原上超级单体风暴的雷达图像合成图。左边是水平左边是水平剖面，右边是垂直剖面。反射率单位为剖面，右边是垂直剖面。反射率单位为dBzdBz，是对降水强度的对数度量。，是对降水强度的对数度量。BWERBWER表示边界弱回波区域，代表上升气流。表示边界弱回波区域，代表上升气流。Z Ze emaxmax表示最强的回波。表示最强的回波。在在4km4km和和7km7km层上的有界弱回波区（层上的有界弱回波区（BWERBWER）或无回波穹窿对应了上升气流，）或无回波穹窿对应了上升气流，它与旋转

11、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。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，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，也的大小，因而充

12、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。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带刺丝的曲线表示单体后侧的阵风锋(即出流边界）即出流边界）（引自（引自Markowski Markowski and Richardsonand Richardson20102010；原图引自；原图引自Chisholm and Renick1972Chisholm and Renick1972）（左）（左）超级单体风暴的概念图。超级单体风暴的概念图。（Lemon and Doswell 1979Lemon and Dos

13、well 1979）绿色阴影代表雷达反射率因子）绿色阴影代表雷达反射率因子30 30 dBZdBZ的降水区域。粉色阴影代表主要的上升区域（的降水区域。粉色阴影代表主要的上升区域（U U）。）。T T表示龙卷发生的位置。带刺丝的曲线表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。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）（右）一个产生龙卷的超级单体的照片。一个产生龙卷的超级单体的照片。（Erik RasmussenErik Rasmussen提供）提供）（引自（引自Markowsk

14、i and RichardsonMarkowski and Richardson20102010）超级单体内的下沉气流区域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“前侧下沉气流前侧下沉气流”（FFDFFD）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热力强迫和动

15、力强迫共同作用下形成“后侧下沉气流后侧下沉气流”（RFDRFD）龙卷一般产生在龙卷一般产生在RFDRFD前方的上升气流附近前方的上升气流附近相对于风暴的气流在图相对于风暴的气流在图上用带箭头的曲线表示。上用带箭头的曲线表示。粗线包围区是雷达回波粗线包围区是雷达回波（即雨区）。冷锋的符（即雨区）。冷锋的符号代表流入暖空气与流号代表流入暖空气与流出冷空气的边界，并且出冷空气的边界，并且画出了锢囚性阵风锋。画出了锢囚性阵风锋。细点阴影区代表上升气细点阴影区代表上升气流的低层位置。流的低层位置。FFDFFD与与RFDRFD由粗点阴影区表示。由粗点阴影区表示。T T是龙卷位置。（是龙卷位置。（Lemon

16、 Lemon and Doswell1979and Doswell1979）龙卷雷暴近地面气流平面分布图龙卷雷暴近地面气流平面分布图前侧下沉气流和后侧前侧下沉气流和后侧下沉气流共同产生强下沉气流共同产生强烈的地面阵风锋，从烈的地面阵风锋，从运动学角度来说，与运动学角度来说，与中纬度副热带气旋的中纬度副热带气旋的锋面结构类似。锋面结构类似。强风暴雷达回波三层平面分布示意图强风暴雷达回波三层平面分布示意图（LemonLemon与与DoswellDoswell，19791979）注意：箭头并不等同于实际的流线或轨迹注意：箭头并不等同于实际的流线或轨迹Markowski and RichardsonM

17、arkowski and Richardson20102010，原图引自，原图引自Lemon and Doswell1979Lemon and Doswell1979超级单体气流三维结构超级单体气流三维结构早期成熟阶段中层旋转的形成中层旋转的形成超级单体里面超级单体里面中层中层旋转的形成原因已经被认识得比较清楚了，旋转的形成原因已经被认识得比较清楚了，而而近地面近地面旋转的产生还涉及到其他一些因素，主要是下沉气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。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

18、方程开始，忽略科氏力和斜压项，并且来理解。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，得到场）和扰动量，得到相对于上升气流移动的扰动垂直涡度相对于上升气流移动的扰动垂直涡度的的局地变化：局地变化：其中其中 S S代表平均垂直风切变，代表平均垂直风切变，C C是上升气流的水平移动速度是上升气流的水平移动速度（假设为常数）。（假设为常数）。右边第一项代表（相对上升气流的）水平右边第一项代表（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平流造成的扰动垂直涡

19、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。致扰动垂直涡度的变化。“水平平流项水平平流项”是把垂直涡度场在上升气流里面水平移动，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；只有它只有在已经产生垂直涡度之后才会发生作用；只有“倾斜倾斜项项”能够产生垂直涡度。能够产生垂直涡度。另外，在上式中忽略了非线性影响的另外，在上式中忽略了非线性影响的“拉伸项拉伸项”，随，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着上升运动的增强，已经倾斜到垂直方向

20、的涡度还会被拉伸项大大加强。项大大加强。中层旋转的形成中层旋转的形成倾斜项和水平平流项的不同作用倾斜项和水平平流项的不同作用中层旋转的形成中层旋转的形成倾斜项的作用倾斜项的作用倾斜项在中层产生正负倾斜项在中层产生正负涡度对，顺着平均垂直涡度对，顺着平均垂直风切变（风切变（S S）的方向看，）的方向看，正涡度位于最大上升运正涡度位于最大上升运动的右侧，负涡度位于动的右侧，负涡度位于其左侧。其左侧。扰动垂直涡度、平均垂直风扰动垂直涡度、平均垂直风切变（切变（S S）与垂直运动水平梯）与垂直运动水平梯度的关系示意图度的关系示意图红色代表上升运动区域红色代表上升运动区域中层旋转的形成中层旋转的形成水平

21、平流项的作用水平平流项的作用垂直涡度的梯度指向垂直涡度的梯度指向S S的右的右侧侧9090度，与环境水平涡度度，与环境水平涡度（）的方向相反。）的方向相反。当当 与相对上升运动的风（与相对上升运动的风（）垂直的时候，被称为垂直的时候，被称为“crosswisecrosswise”涡度，当涡度，当 与与 指向相同方向的时候，指向相同方向的时候，被称为被称为“streamwisestreamwise”涡度涡度。第一种情况下，平流项在最第一种情况下，平流项在最大上升运动的位置为零，所大上升运动的位置为零，所以，它不改变正负涡度对相以，它不改变正负涡度对相对于上升运动中心的位置，对于上升运动中心的位置

22、，平流项使得气旋性平流项使得气旋性-反气旋反气旋性涡旋对分别沿着性涡旋对分别沿着S S方向移方向移动。动。中层旋转的形成中层旋转的形成水平平流项的作用水平平流项的作用第二种情况（第二种情况（streamwisestreamwise涡涡度）下，度）下，平流项使得正涡度平流项使得正涡度朝着最大上升运动的位置移朝着最大上升运动的位置移动，动，负涡度朝着上升运动区负涡度朝着上升运动区域以外移动。域以外移动。因为因为 在正负涡度对的中在正负涡度对的中间位置比较大，涡度对朝着间位置比较大，涡度对朝着垂直垂直S S方向的移动比顺着方向的移动比顺着S S方方向的移动更加显著；并且，向的移动更加显著；并且，由于

23、正的拉伸作用，在由于正的拉伸作用，在streamwisestreamwise涡度情况下，中涡度情况下，中层的气旋性涡度大于反气旋层的气旋性涡度大于反气旋性涡度，类似的，性涡度，类似的，streamwisestreamwise涡度情况下中层涡度情况下中层气旋性涡度也比气旋性涡度也比crosswisecrosswise涡涡度情况下更加强。度情况下更加强。中层中气旋的形成中层中气旋的形成小结小结总之，雷暴上升气流里面中层旋总之，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，一对气旋性和

24、反气旋性的涡旋，平流项随之发生作用，平流项随之发生作用，沿着环沿着环境水平涡度方向的部分发挥的作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用比较强，它使得气旋性旋转与上升气流的位置逐渐重合。上升气流的位置逐渐重合。可见，强的环境风垂直切变（环可见，强的环境风垂直切变（环境水平涡度）对于超级单体内形境水平涡度）对于超级单体内形成中气旋非常重要。成中气旋非常重要。一个超级单体上升气流的图一个超级单体上升气流的图片，叠加了示意性的涡线。片，叠加了示意性的涡线。低层水平涡度的产生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，冷出流会形成成熟阶段的超级单体必然产生近地面出流，冷出

25、流会形成水平浮力梯度，进而产生水平浮力梯度，进而产生近地面的近地面的水平涡度。尤其是和前水平涡度。尤其是和前测下沉气流测下沉气流FFDFFD有关的出流，因为低层入流的很大一部分是有关的出流，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。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低层环境涡度的方向与斜压产生涡度的方向会影

26、响中层中气旋的强度和维持时间。气旋的强度和维持时间。（主要受深层切变和（主要受深层切变和 控制的）降水的分布会影响负浮控制的）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低层中气旋的特征。中气旋的特征。下沉气流和龙卷下沉气流和龙卷低层中气旋的存在并低层中气旋的存在并不是不是生成龙卷的充分条件，低层中气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旋的强度更强或者维持时间更长也不意味着不意味着生成龙卷的可生成龙卷的可能性更大。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产生龙卷（即地面产生

27、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。上升气流的下沉气流可以把正涡度带到地面。与与FFDFFD有关的垂直速度梯度通常比位于上升气流和有关的垂直速度梯度通常比位于上升气流和RFDRFD之间之间的垂直速度梯度小一个量级，所以，的垂直速度梯度小一个量级，所以，对于龙卷的生成，对于龙卷的生成，RFDRFD可能比可能比FFDFFD有着更直接的重要性。有着更直接的重要性。FFD

28、FFD的重要性是通过的重要性是通过FFDFFD出出流中的水平浮力梯度（斜压性）产生水平涡度。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。转，即气旋性旋转）的上升气流。直到直到2020世纪世纪8080年代人们还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，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。用很

29、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度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度场中，场中，顺时针方向转的速矢端迹盛行顺时针方向转的速矢端迹盛行，顺转扰动了对流上升，顺转扰动了对流上升气流内部及附近的气压场，加强了右移风暴，抑制了左移风气流内部及附近的气压场，加强了右移风暴，抑制了左移风暴。暴。美国中部美国中部6262个龙卷性超级单体雷暴附近探空的速矢端迹合成个龙卷性超级单体雷暴附近探空的速矢端迹合成图图。数字代表气压层（单位：数字代表气压层（单位：hPahPa）。从起点到）。从起点到O O点的箭头表示风暴的平点的箭头表示风暴的平均运动，均运动，风暴平均朝着东风暴平

30、均朝着东东北方向移动，在垂直平均引导气流的右边。东北方向移动，在垂直平均引导气流的右边。风速随高度迅速增加，特别是在对流层低层，风向从近地面的南风速随高度迅速增加，特别是在对流层低层，风向从近地面的南东南东南顺时针方向转顺时针方向转到对流层高层的西到对流层高层的西西南，风向改变了约西南，风向改变了约9090。虚箭头代。虚箭头代表在随风暴移动的坐标系中各个层次的风。表在随风暴移动的坐标系中各个层次的风。（大气科学，（大气科学，2008）超级单体风暴分裂示意图（直超级单体风暴分裂示意图（直线型速矢端迹情况）线型速矢端迹情况）(a)(a)在涡旋对左右两侧产生向上的在涡旋对左右两侧产生向上的垂直气压梯

31、度力垂直气压梯度力（蓝色实心箭头），（蓝色实心箭头），使得在风暴形成的使得在风暴形成的30-6030-60分钟内上升分钟内上升运动分裂成两部分；运动分裂成两部分；(b)(b)降水和下沉气流降水和下沉气流（涡线朝下倾（涡线朝下倾斜）加强上升运动分裂，原本以上斜）加强上升运动分裂，原本以上升气流为中心的正负涡度对变成了升气流为中心的正负涡度对变成了两组气旋反气旋涡旋对，形成右两组气旋反气旋涡旋对，形成右移风暴和左移风暴。移风暴和左移风暴。“右右”和和“左左”指的是相对于深层切变矢量。指的是相对于深层切变矢量。透明的蓝色箭头表示相对风暴的轨透明的蓝色箭头表示相对风暴的轨迹。（迹。（b b）中虚线的透

32、明蓝色箭头表）中虚线的透明蓝色箭头表示风暴分裂以后的相对风暴轨迹。示风暴分裂以后的相对风暴轨迹。Markowski and RichardsonMarkowski and Richardson20102010，原图引自，原图引自KlempKlemp19871987超级单体的分裂超级单体的分裂上升气流与两种不同的环境风切上升气流与两种不同的环境风切变相互作用下的气压扰动分布变相互作用下的气压扰动分布(a)(a)直线型速矢端迹直线型速矢端迹(b)(b)顺转型速矢端迹顺转型速矢端迹在顺转型速矢端线在顺转型速矢端线(b)(b)的情况下，的情况下，向上（下）的向上（下）的垂直气压梯度力垂直气压梯度力存存

33、在于上升气流的右（左）侧，有在于上升气流的右（左）侧，有利于气旋式右移雷暴加强，而抑利于气旋式右移雷暴加强，而抑制反气旋的左移雷暴。制反气旋的左移雷暴。深蓝色实心箭头表示垂直气压梯度力。深蓝色实心箭头表示垂直气压梯度力。与切变矢量平行的水平气压梯度用绿色与切变矢量平行的水平气压梯度用绿色的箭头表示。的箭头表示。（Markowski and RichardsonMarkowski and Richardson20102010，原图引自原图引自Klemp1987Klemp1987）超级单体的选择性加强超级单体的选择性加强理论分析理论分析一个云模式两次模拟产生的低一个云模式两次模拟产生的低层雨水的水

34、平分布。两次模拟层雨水的水平分布。两次模拟分别采用分别采用直线型速矢端迹直线型速矢端迹（2.5km2.5km以下为灰色线，以下为灰色线，2.5-7km2.5-7km为蓝色为蓝色线；沿着矢端线的数字代表高度（线；沿着矢端线的数字代表高度（kmkm）和和低层顺时针方向转的速矢端低层顺时针方向转的速矢端迹迹（蓝色线）（蓝色线）。直线型速矢端迹产生对称的两直线型速矢端迹产生对称的两个风暴，而曲线型速矢端迹加个风暴，而曲线型速矢端迹加强了右移风暴。强了右移风暴。左移和右移风暴的运动在速矢端图左移和右移风暴的运动在速矢端图上用粉色剪头表示，并标注了上用粉色剪头表示，并标注了“LMLM”和和“RMRM”。黑

35、色虚线包围的为中层。黑色虚线包围的为中层强上升运动区域，其中的数字表示强上升运动区域，其中的数字表示最大垂直速度（最大垂直速度（msms-1-1）的位置和大小。）的位置和大小。阵风锋也在图中给出了。灰色虚线阵风锋也在图中给出了。灰色虚线表示风暴运动的路径。表示风暴运动的路径。（Markowski and RichardsonMarkowski and Richardson20102010）超级单体的分裂及选择性加强超级单体的分裂及选择性加强云模式模拟云模式模拟（Markowski and RichardsonMarkowski and Richardson20102010）20042004年年

36、4 4月月1919日美国一部雷达日美国一部雷达观测的反射率图像，显示一观测的反射率图像，显示一个发展中的超级单体分裂成个发展中的超级单体分裂成为一个右移和一个左移的单为一个右移和一个左移的单体。体。速矢端迹相当平直，因此，速矢端迹相当平直，因此，分裂过程中发展起来的两个分裂过程中发展起来的两个风暴的强度大致相当。风暴的强度大致相当。平直速矢端迹情平直速矢端迹情况下观测到超级况下观测到超级单体分裂的个例单体分裂的个例（Markowski and RichardsonMarkowski and Richardson20102010）20082008年年6 6月月1 1日美国一部雷达日美国一部雷达观

37、测的反射率图像，显示一观测的反射率图像，显示一个超级单体分裂成为一个右个超级单体分裂成为一个右移风暴和一个左移风暴。移风暴和一个左移风暴。曲线型速矢端迹，因此，右曲线型速矢端迹，因此，右移风暴发展，左移风暴减弱。移风暴发展，左移风暴减弱。“RMRM”和和“LMLM”分别表示右分别表示右移风暴和左移风暴的运动矢移风暴和左移风暴的运动矢量。量。曲线速矢端迹情曲线速矢端迹情况下观测到超级况下观测到超级单体分裂的个例单体分裂的个例M M表示的中尺度气旋以及用冷锋符号表示的中尺度气旋以及用冷锋符号描述的阵风锋类似一个温带气旋的缩描述的阵风锋类似一个温带气旋的缩影。大部分流入旋转上升气流的低层影。大部分流

38、入旋转上升气流的低层气流位于沿着中尺度气旋以东的阵风气流位于沿着中尺度气旋以东的阵风锋的静止部分。相对于移动的风暴，锋的静止部分。相对于移动的风暴，入流气流向西，且与锋平行。沿着剖入流气流向西，且与锋平行。沿着剖面面AAAA，暖湿的边界层空气在阵风锋上，暖湿的边界层空气在阵风锋上向北流动，而蒸发冷却的下沉气流保向北流动，而蒸发冷却的下沉气流保留在原地，某些情况下甚至向南移动。留在原地，某些情况下甚至向南移动。因此，与未受扰动的环境相比，因此，与未受扰动的环境相比，由于由于阵风锋的存在，通过阵风锋的存在，通过AAAA流入到上升气流入到上升气流中的垂直切变加强了，由边界层空流中的垂直切变加强了，由

39、边界层空气倾斜进入上升气流所产生的涡度也气倾斜进入上升气流所产生的涡度也相应增加。相应增加。这表明，在有利的环境条这表明，在有利的环境条件下，右移风暴的旋转可以自我增强。件下，右移风暴的旋转可以自我增强。流入风暴的环境气流的垂直切变流入风暴的环境气流的垂直切变加强了上升气流的旋转及与其相关的加强了上升气流的旋转及与其相关的中尺度气旋中尺度气旋 中尺度气旋的存在，反过来又增中尺度气旋的存在，反过来又增强了上升气流和阵风锋。强了上升气流和阵风锋。右移超级单体风暴的右移超级单体风暴的理想化结构理想化结构4、对流单体中的气流、对流单体中的气流前面已经说明了强风暴的一些主要天气学模式。前面已经说明了强风

40、暴的一些主要天气学模式。可以看到它们共同的特征是有可以看到它们共同的特征是有上升气流上升气流、下沉气下沉气流流以及从下沉气流区向外扩展的以及从下沉气流区向外扩展的低层流出气流低层流出气流（阵风锋）和从云砧流出的高空流出气流。这些（阵风锋）和从云砧流出的高空流出气流。这些气流对风暴的维持和传播有非常重要的影响，以气流对风暴的维持和传播有非常重要的影响，以下分别讨论它们的主要特征。下分别讨论它们的主要特征。上升气流上升气流对流系统中的上升气流很强，一般达到几米每秒或十几米对流系统中的上升气流很强，一般达到几米每秒或十几米每秒。根据我国和国外雷暴或冰雹云中垂直速度的观测和每秒。根据我国和国外雷暴或冰

41、雹云中垂直速度的观测和计算，上升气流的最大速度多达计算，上升气流的最大速度多达5-20ms5-20ms-1-1。一般小中等。一般小中等强度雷暴的上升气流弱一些，多在强度雷暴的上升气流弱一些，多在5-15ms5-15ms-1-1，但是至少大，但是至少大于于2 ms2 ms-1-1。强烈的雷暴或超级单体中的上升气流要强得多，。强烈的雷暴或超级单体中的上升气流要强得多，最大垂直速度可达几十米每秒，持续上升速度也可达最大垂直速度可达几十米每秒，持续上升速度也可达10-10-30ms30ms-1-1。上升气流最大值一般位于对流层中层约。上升气流最大值一般位于对流层中层约4-7km4-7km高度，高度，再

42、往上上升气流的速度一般会减弱。再往上上升气流的速度一般会减弱。上升气流有一定的持续时间，至少在上升气流有一定的持续时间，至少在1515分钟。在超级单体分钟。在超级单体中整个上升气流特别稳定，生命期可达几小时。在这个时中整个上升气流特别稳定，生命期可达几小时。在这个时期内由于在其邻近不再有其它明显的上升气流区，因而主期内由于在其邻近不再有其它明显的上升气流区，因而主要表现为这个单一的稳定上升气流不断传播。要表现为这个单一的稳定上升气流不断传播。上升气流的特征与上升气流的特征与环境风环境风有密切的关系，例如，其倾斜方向主要决定于有密切的关系，例如，其倾斜方向主要决定于环境风垂直切变的分布。一般常有

43、两种上升气流出现。环境风垂直切变的分布。一般常有两种上升气流出现。下图下图(a)(a)是在一般的垂直风切变条件下（相对雷暴运动的风在是在一般的垂直风切变条件下（相对雷暴运动的风在低层是东风低层是东风，高层是西风高层是西风）上升气流的分布特征。上升气流先向云体的后方倾斜（相）上升气流的分布特征。上升气流先向云体的后方倾斜（相对水平气流方向），到达上部以后，再随高层风向前流出，云砧形成在对水平气流方向），到达上部以后，再随高层风向前流出，云砧形成在雷暴之前。雷暴之前。(a)(a)(b)(b)上升气流与环境风垂直切变的关系上升气流与环境风垂直切变的关系（a a）一般风垂直切变条件）一般风垂直切变条件

44、 （b b）高层有强东风的情况）高层有强东风的情况上升气流与环境风垂直切变上升气流与环境风垂直切变下图下图(b)(b)是是高层存在强东风高层存在强东风，这时空气从风暴前方进入上升气流区，这时空气从风暴前方进入上升气流区，然后在云体后部作为云砧流出风暴。在较低纬度的一些风暴常常是然后在云体后部作为云砧流出风暴。在较低纬度的一些风暴常常是这种情况。因为上升气流一般是向后倾斜的，在上升气流中增长的这种情况。因为上升气流一般是向后倾斜的，在上升气流中增长的小冰雹直接落入下面的下沉气流中去，而不能再进入到上升气流中。小冰雹直接落入下面的下沉气流中去，而不能再进入到上升气流中。因而除少数一些质点通过乱流运

45、动可以又被带入到上升气流以外，因而除少数一些质点通过乱流运动可以又被带入到上升气流以外，大部分质点没有第二次上升或再循环的机会，不能继续增长到较大大部分质点没有第二次上升或再循环的机会，不能继续增长到较大的雹块，这是与图的雹块，这是与图(a)(a)不同的地方。因而这种环境条件下形成的天气不同的地方。因而这种环境条件下形成的天气的强度不如第一种情况强。的强度不如第一种情况强。(a)(a)(b)(b)上升气流与环境风垂直切变的关系上升气流与环境风垂直切变的关系（a a）一般风垂直切变条件）一般风垂直切变条件 （b b）高层有强东风的情况）高层有强东风的情况冷空气堆、环境风垂直切变影响上升气流冷空气

46、堆、环境风垂直切变影响上升气流(a)(a)没有切变和冷空气堆，热力产生的上升运动轴和对称的涡度没有切变和冷空气堆，热力产生的上升运动轴和对称的涡度分布都是垂直的分布都是垂直的(b)(b)无切变，冷空气堆产生负的水平涡度使上升气流朝冷空气堆无切变，冷空气堆产生负的水平涡度使上升气流朝冷空气堆上方倾斜上方倾斜(c)(c)无冷空气堆，低层切变产生正的水平涡度使上升气流朝顺切无冷空气堆，低层切变产生正的水平涡度使上升气流朝顺切变方向倾斜变方向倾斜(d)(d)切变和冷空气堆的作用相互抵消，上升气流垂直切变和冷空气堆的作用相互抵消，上升气流垂直低层垂直切变较强低层垂直切变较强的的环境下，对流系统生环境下，

47、对流系统生命史的初始、强盛、命史的初始、强盛、衰减阶段的上升气流衰减阶段的上升气流和水平涡度分布分别和水平涡度分布分别具有类似具有类似(c),(d)(c),(d)，(b)(b)的特征的特征浮力上升气流受到风切变和冷池影响的示意图浮力上升气流受到风切变和冷池影响的示意图Rotunno et al.(1988)Rotunno et al.(1988)下沉气流下沉气流 下沉气流是强雷暴气流场中的一个重要特征。在一般积云或下沉气流是强雷暴气流场中的一个重要特征。在一般积云或小雷暴中，下沉气流的产生常标志着从强盛期演变成衰亡期，小雷暴中，下沉气流的产生常标志着从强盛期演变成衰亡期，而在而在强风暴中下沉气

48、流是维持风暴的稳态结构或延长其生命强风暴中下沉气流是维持风暴的稳态结构或延长其生命期不可缺少的一个因素期不可缺少的一个因素。下沉气流能形成近地面的冷空气堆和强烈的向外流出的辐散下沉气流能形成近地面的冷空气堆和强烈的向外流出的辐散气流，可抬升雷暴前方低层暖空气上升，并且，在风切变环气流，可抬升雷暴前方低层暖空气上升，并且，在风切变环境下，下沉空气又把高空较大的水平动量带到地面，在低层境下，下沉空气又把高空较大的水平动量带到地面，在低层加强了与暖空气的辐合作用，这能更强烈地把暖空气上抬，加强了与暖空气的辐合作用，这能更强烈地把暖空气上抬，因而常可观测到新的对流单体在下沉气流前方形成。因而常可观测到

49、新的对流单体在下沉气流前方形成。如果这如果这样造成的上升气流得到充分发展，它在强切变环境条件下通样造成的上升气流得到充分发展，它在强切变环境条件下通过降水过程又可使下沉气流再生和加强，从而能不断的形成过降水过程又可使下沉气流再生和加强，从而能不断的形成上升气流以释放和组织不稳定能量，维持强对流系统。上升气流以释放和组织不稳定能量，维持强对流系统。强雷暴内下沉气流中的空气有两个来源：强雷暴内下沉气流中的空气有两个来源：一部分空气起源于风暴周围对流层中层相当位温达最一部分空气起源于风暴周围对流层中层相当位温达最小的高度（大约小的高度（大约6km6km）。它一般从云体右后方进入风暴，。它一般从云体右

50、后方进入风暴，并和云中空气混合，然后下沉到地面。并和云中空气混合，然后下沉到地面。另一部分空气可能由原先上升的气流转化而成。另一部分空气可能由原先上升的气流转化而成。这种这种上升气流中的一些空气是从低层上升来的，一些是从中上升气流中的一些空气是从低层上升来的，一些是从中层环境空气吸入到上升气流中来的。层环境空气吸入到上升气流中来的。在雷暴下沉气流中感热和潜热观测表明，大部分下沉气在雷暴下沉气流中感热和潜热观测表明，大部分下沉气流是从对流层中部直接吸入的。流是从对流层中部直接吸入的。与雷暴内产生下沉气流有关的过程：与雷暴内产生下沉气流有关的过程：液态水或固态水的蒸发冷却。当云体从周围大气吸入未饱