从不稳定能量角度对条件不稳定相关问题的讨论

大多数深厚的局地对流是在条件不稳定的层结中发生的,这就有必要考虑较厚气层对由底部上升气块所可能产生的总影响。从能量角度讨论了条件不稳定问题中的不稳定能量和对流有效位能,并利用观测资料、结合实例分析了单站地面湿静力能与条件不稳定中不稳定能量的关系。主要结论如下:(1)从能量观点,对对流有效位能的两种定义进行了讨论,认为对流有效位能定义为正、负不稳定能量之差时,其与动能相联系的表达式中包含了低层抬升速度,可以更全面地用于强对流天气预报,尤其是中国南方暖季的强对流预报。(2)气块从底层上升时,无论经历的是干绝热还是湿绝热过程,湿静力能守恒,所以总能量的变化就是动能的变化,等于外界合力对气块做功的大小,不存在湿静力能向动能的转换。(3)从本质上来说,单站低层湿静力能的时序变化用于对流预报的意义在于预示着正、负不稳定能量的改变,从而影响不稳定能量的值。这可以弥补由于高空探测时间分辨率较粗,不能计算逐时正、负不稳定能量的不足。

对流风暴大气不稳定机制研究的若干问题

大气不稳定是强对流天气发生的必要条件之一,具有复杂性。首先简要回顾了气块假设,给出了该假设的应用局限性,比如气块在对流风暴中的强上升运动必然会导致环境大气气压和涡度的变化等;然后梳理了大气的静力不稳定、对称不稳定以及其他多种类型不稳定的概念,重点总结了条件不稳定、湿绝对不稳定和条件对称不稳定的判据及其与对流风暴发生发展的关系,同时澄清了一些错误认识。判别条件不稳定最有效的方法是对气块作有限虚拟位移、使用对流有效位能(CAPE)来判别。CAPE和对流抑制能量的计算对抬升气块的温湿状况较为敏感,并需要进行虚温订正;最优CAPE值较地表CAPE具有更好的代表性。在强垂直风切变、低CAPE环境中,由于旋转导致的动力扰动气压梯度的加速作用对强对流风暴的发展至关重要;对流不稳定不一定对应于条件不稳定。条件对称不稳定的方便判别方法是使用饱和湿地转位势涡度,文中进一步总结了该不稳定所致的中尺度雨带特征。

两类不稳定条件下的西南涡发展及其暴雨触发机制

利用地面自动站观测数据、欧洲中心ERA5再分析数据和FY-2G卫星相当黑体温度数据,对四川盆地的两次不同不稳定条件下西南涡发展以及暴雨触发机制进行湿位涡(Moist Potential Vorticity,MPV)诊断分析。结果表明:两次暴雨过程均与长生命史的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)维持有密切关系。过程一是典型“东高西低”环流形势,有冷空气影响,MCS属于锋面云团,对流系统在冷暖空气交汇区维持加强;干冷空气沿等熵面向下入侵,?θse/?p<0,MPV<0,大气满足条件性对称不稳定,产生倾斜对流,是降水强度增大的重要原因;MPV1正异常值的出现和MPV2负异常值的增长共同反映出条件性对称不稳定增强,|MPV1|<|MPV2|说明MPV2在条件性对称不稳定层结下对西南涡和暴雨发展和维持的贡献较大。过程二是副高控制的暖区暴雨,斜压性弱,MCS为暖性云团,对流系统在中低层增暖增湿的环境下发展;?θse/?p>0,MPV<0,大气被对流不稳定机制主导,斜压性弱,MPV1“下正上负”的偶极子垂直结构有利于涡度增加,深厚的垂直上升运动与低空急流共同造成水平风垂直切变增强是西南涡和暴雨发展的重要原因。两次暴雨过程中MPV2负值增加与低涡发展和降水强度增大均有良好对应关系,MPV1对降水的指示性较差,但较好地反映了大气不稳定性。

一次春季暴雪天气不稳定机制及相态成因分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR 0.25°×0.25°再分析资料和FY-2G TBB资料,对2020年4月19—21日内蒙古一次降雪天气过程的不稳定机制及相态成因进行分析。结果表明:(1)本次天气过程降雪量大、降水相态复杂,多站降雪刷新了4月降水量历史极值;(2)500hPa高空冷涡及地面气旋是本次天气过程主要影响系统;(3)850hPa至地面的东北气流为本次降水提供冷垫,使得上层暖湿气流沿着冷垫爬升,属于一次冷季高架对流过程,条件性对称不稳定导致的倾斜对流造成了极端降雪的发生;(4)地面温度≤0℃、925 hPa气温≤0℃,850 hPa的气温≤-3℃可以作为本地极端降雪相态发生转变的预报指标值;(5)降水相态分界线与700 hPa暖式切变线位置密切相关,随切变线的南压而南压;(6)冷空气自北向南入侵,0℃层下降是此次天气过程降水相态发生变化的原因之一。

一次冷涡背景下强对流不稳定条件的成因分析

利用常规观测资料及NCEP再分析资料,在分析环流背景、探空资料的基础上,通过选取不同的高度和温度,对比研究四种CAPE以及CAPE场与地面要素场的关系,对发生在辽宁沈阳的一次冷涡背景下的强对流天气进行不稳定条件成因分析。结果表明,水汽潜热是不稳定能量的主要组成部分,冷涡背景下低层暖湿平流、高层冷干平流有利于不稳定能量的累积,从而导致强对流天气的发生;对流温度CAPE可以反映午后发生强对流所必需的不稳定能量,对强对流天气预报具有一定指示意义。

一次冬季暴雨过程中的锋生和条件对称不稳定分析

基于观测资料和NCEP再分析资料,并结合中尺度数值模拟,对2012年1月14—15日我国江南和华南冬季暴雨过程中的锋生与条件对称不稳定(conditional symmetric instablility,CSI)进行诊断分析。结果表明,南支锋区上短波槽东移配合低层冷空气活动,在江南南部到华南地区形成了明显的锋生过程,构成了有利于暴雨过程的天气尺度环流背景;来自孟加拉湾异常充沛的水汽输送形成了冷季暴雨所必须的水汽条件,异常强盛的高空急流人口区右侧的强辐散区也有利于暴雨的形成。在降水过程中锋面附近有多条中尺度雨带活动,锋生函数分析表明,14日夜间广西境内锋生明显增强,在潜热释放的影响下CSI开始发展,相应的锋生次级环流也有所发展,锋前暖区中的上升运动随之增强,导致广西北部形成较强的中尺度降雨带。分析表明,锋生次级环流和CSI实质是锋面次级环流方程(Sawyer-Elissen方程)在不同稳定性条件下的解,锋生强迫环流的性质可由湿位涡作为等价判据进行分析。

“5.10”岷县短时暴雨斜压锋生特征和不稳定条件分析

利用常规气象观测资料、加密自动站雨量和NCEP l°×l°再分析资料,对2012年5月10日甘肃岷县一次短时暴雨并引发山洪的强对流天气成因进行综合分析。结果表明:此次致灾严重的局地性短时暴雨的影响系统斜压性显著,500 h Pa高空槽后较强冷平流和槽前暖湿平流强烈交汇,地面到500 h Pa锋生作用明显。从天气系统基本配置类型看,500 h Pa斜压槽、700 h Pa低涡切变及暖湿气流、地面冷锋是这次强对流过程的影响系统。物理量诊断表明,中低层冷暖平流较强,锋生函数在10日午后明显增强,锋生函数正值区前侧出现强中尺度雨团,雨团朝锋生函数梯度方向移动。此次强对流过程中,大气为条件不稳定,700—300 h Pa温差达-49℃。斜压锋生作用的逐渐增强导致不稳定条件增强,进而导致上升运动发展,是产生本次短时暴雨天气的根本原因。

关中北部一次暴雨水汽条件及不稳定分析

2019年9月13-14日关中北部出现暴雨天气,这次暴雨开始时关中北部地区位于冷锋后地面冷高压中和700 hPa横切变线的北侧,探空图上中低层是锋面逆温稳定层结,中低层以下是深厚的冷垫,地面能量较低,没有对流不稳定,低层水汽不足,短期时效内暴雨漏报。为了研究此次过程中的水汽条件和不稳定机制,为今后此类暴雨预报提供有价值的预报思路,利用常规地面高空观测、欧洲中心细网格模式预报等资料对其水汽条件和不稳定进行诊断分析,结果表明:较强降水期间关中北部水汽的大值区集中在700 hPa,700 hPa随时间而增强的偏南风为其提供了充沛的水汽,700 hPa比湿大值区、切变线随着增强的偏南风北移至关中北部,这为关中北部暴雨提供了较强的水汽辐合条件,因此,为关中北部提供充沛水汽的偏南风能否随时间而增强是其暴雨能否发生的关键。而偏南风增强与高低空急流的耦合和凝结潜热释放有关,暴雨区高低空急流耦合形成的次级环流上升支有利于暴雨区中低层减压,西太平洋副热带高压和暴雨区之间的气压梯度加大,这将使西南低空急流加强并向东北方向移动,移动后的低空急流在其前方辐合上升造成新的暴雨区,这将形成低空急流和暴雨的正反馈,西南低空急流随着时间向东北方向移动,造成关中南部地区出现低空急流和关中北部偏南风增强;暴雨区凝结潜热释放有利于上升运动,使得中低层减压,这同样造成关中南部形成偏南风急流、关中北部偏南风增强。可见,高低空急流耦合和凝结潜热释放通过影响偏南风而间接影响关中北部暴雨区水汽条件。关中北部暴雨的不稳定机制是条件性对称不稳定。700~600 hPa关中北部暴雨区有着较强的垂直地转风切变和向北的水平地转风切变使得等地转绝对动量倾角较小,偏南暖湿气流输送水汽和能量使得等饱和相当位温面倾角较大,这一区域存在条件性对称不稳定即等饱和相当位温面的坡度大于等地转绝对动量坡度的区域。当冷锋上空偏南气流沿着锋面爬升至关中北部暴雨区辐合上升至700~600 hPa条件性对称不稳定区域,产生倾斜对流,使得降水强度增大,这也是造成关中北部暴雨天气的原因之一。在西太平洋副热带高压南撤东退及地面冷高压的形势下,暴雨预报需考虑西太平洋副热带高压的走向,高低空急流耦合、凝结潜热释放对低空急流及偏南风的影响,有可能出现的条件性对称不稳定机制,结合数值模式,综合考虑暴雨的可能性。

关于业务上应用条件对称不稳定相关问题的讨论

条件对称不稳定(CSI)理论常常被用来作为倾斜对流的发展机制之一,在业务上常用来解释与锋面相联系的一条或多条中尺度雨带、雷达图像上观测到的带状雨带的成因等。条件对称不稳定的诊断包括CSI斜率判据、斜升对流有效位能(SCAPE)、湿对称不稳定(MSI)、相当位涡(EPV)等判据。业务预报人员存疑较多的问题是这些方法是否具有一致性并在业务上如何使用。针对上述问题,首先通过与业务预报人员较熟悉的条件不稳定类型作类比,来说明条件对称不稳定两种判据与条件不稳定两种判据的相似性。但在业务使用上,判别条件对称不稳定时多使用CSI斜率判据,即等动量面的坡度大于等位温面坡度而小于等湿球位温面坡度。由于条件对称不稳定通常出现在大气处于几乎饱和的情况下,此时的CSI斜率判据则演变为湿对称不稳定判据,即等动量面坡度小于等湿球位温面坡度。为判别相当位涡与湿对称不稳定判据是否具有一致性,文中的推导和实例分析均表明,二维相当位涡实际上是湿对称不稳定判据的另一种表现形式,但是湿对称不稳定判据需主观去比较等相当位温面与等动量面斜率大小,而二维相当位涡则可通过其是否小于0进行客观判断。需注意的是,在与推导条件对称不稳定斜率判据相同的二维坐标下,相当位涡与湿对称不稳定判据才具有一致性,将相当位涡扩展到常规坐标下使用三维相当位涡作为湿对称不稳定判据是不可取的。

二维非静力平衡深厚湿倾斜对流数值模式设计与条件性对称不稳定数值试验

设计了一个宜于研究深厚湿倾斜对流运动的二维非弹性非静力平衡数值模式。模式采用非静力平衡条件、非常值湍流扩散系数，并具有最优协调分辨率，弥补了以往条件性对称不稳定数值研究中的诸多缺陷。数值试验表明：模式运行稳定可信且对深厚湿倾斜对流运动有较强的描述能力、在条件性对称不稳定条件下，扰动发展呈现为强倾斜环流特征，垂 直速度场有狭窄的强倾斜上升运动，与倾斜上升运动相伴有倾斜云带发展。诊断分析表明： 在扰动发展演化过程中，条件性对称不稳定演化为一种混合不稳定的形式存在。

中国东部夏季风雨带向北推进与条件对称不稳定的关系研究

利用1981~2010年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料和中国741站日降水资料,分析了中国东部夏季风雨季期间,条件对称不稳定(CSI)与季风雨带季节性向北推进的关系。结果表明,逐月强降水距平场显示了雨带强降水中心自华南(4~6月)先北跳到江淮(5~7月),再到华北(7~8月)的季节性进程,特别是7~8月强降水距平场具有'北多南少'分布特征,与对应的平均雨量场相比,其表征雨带季节性北跳现象更显著。与雨带强降水中心季节性变化一致,大气负湿位涡通量中心亦先在华南停滞(4~6月)、然后移到江淮(5~7月),最后到达华北(7~8月)。在垂直方向上,CSI区4、5及9月主要在925~600 hPa,而6~8月抬升到700~600 hPa,CSI区也很好地表征了夏季风北进加强、南撤减弱以及所伴随的雨带变化趋势。在春末夏初,夏季风建立初期的华南、江淮雨季集中期,热成风(垂直风切变)作用对倾斜对流有效位能(SCAPE)的贡献占绝对优势,盛夏的华北雨季集中期则相反,浮力作用项(CAPE)占主要作用;同时,热成风作用项的季节分布与强降水中心季节变化一致,但浮力作用项却没有这种变化关系。条件性湿位涡通量指数(CMF index)可指示雨带强降水异常区。

长江流域一次暴雨过程中的不稳定条件分析

文中分析了 1998年 7月 2 0～ 2 3日发生于长江流域的持续性降水和暴雨过程 ,在分析大尺度降水和中小尺度暴雨相对应的环流场和天气实况的基础上 ,主要分析相应大气层结的对流不稳定和条件性对称不稳定条件 ,并对切变线上涡层不稳定做了重点介绍和分析 ,计算了条件性对称不稳定判据和涡层不稳定判据。结果表明 :降水期间大气低层有对流不稳定和对称不稳定能量的积聚 ,在这两类不稳定条件都基本满足的情况下 ,涡层不稳定的维持对此次降水过程中暴雨的发生提供了有利的不稳定环境场 ,具体的计算分析还表明环境场的配置制约着切变线上低涡扰动的发展 ,是造成降水的重要原因之一。

新疆和田“2010.3.12”区域性黑风能量及不稳定条件分析

利用地面自动站观测、MICAPS预报产品以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2010年3月12日发生在新疆和田地区的一次区域性黑风天气过程进行能量和不稳定条件诊断分析。结果表明:(1)纬向转经向环流的调整和中、低空不断加强的西北锋区结合地面强冷锋的配置结构为黑风天气的暴发提供了强大的动力背景;(2)黑风天气暴发在高能且极不稳定的大气环境条件下;(3)代表能量和不稳定条件的螺旋度、有效位能、对流抑制指数、粗理查森数和假相当位温在时间、落区、强度上与黑风天气的演变极为吻合,具有很好的预报指示意义。

潜在不稳定条件下实现双共轭匹配的晶体管放大器特性分析

对潜在不稳定条件下的晶体管放大器实现双共轭匹配特性进行了探讨 ,求出晶体管稳定后的参数 ,为进一步判断实现双共轭匹配后电路的稳定性和求最大增益提供了便利 。

暴雨发生的不稳定条件的试验

本文根据Ｈｏｓｋｉｎｓ所提出的惯性重力波不稳定判据：Ｒｉ＜ｆ／ζａ，结合湿斜压大气的特点，对１９９６年６月２９日０２时发生在我国东部的一次降水过程进行了分析，得出了下列特征：西南低空急流是降水得以产生所需水汽的载体；对流层下部深厚不稳定层结是对流性降水所必须的热力层结条件；该地区对流层下部满足Ｒｉｓｅ＜ｆ／ζａ，６ｈ后该地区惯性重力波不稳定增长。在充足水汽条件下，该地区发生暴雨。

基于气块法的对称不稳定探究

采用“气块法”,分析斜压大气中对称不稳定判据,结果表明:在斜压大气中,斜升气流的不稳定,不同于经典的惯性不稳定、静力不稳定。对称不稳定的必要条件是等熵面的倾斜度大于等绝对动量面的倾斜度,其判据不仅与环境大气的等熵面、等绝对动量面之间的倾斜差异分布有关,还与斜升气块的路径斜率有关;斜升气流的倾斜度小于等绝对动量面或大于等熵面的倾斜度,仍有可能发生对称不稳定。在饱和湿斜压大气中,存在关于条件对称不稳定的类似结论,但判据比对称不稳定的复杂得多。

2003-06-29暴雨过程条件性对称不稳定分析

利用中尺度模式MM5的部分产品 ,采用二元法 ,对 2 0 0 3年 6月 2 9～ 30日淮河流域上游暴雨天气过程中的条件性对称不稳定 (CSI)进行了诊断分析 ,结果表明 :此次过程中CSI区出现在对流层中上层 ,CSI区与对流稳定性大气层结条件下的强降水天气有很好的对应关系 ;利用MM 5输出产品对物理量进行诊断分析 ,能够较好地解释局地强降水出现的物理机制。

一次暴雨的湿位涡及条件性对称不稳定分析

[目的]分析广西一次前汛期暴雨的湿位涡及条件性对称不稳定。[方法]利用常规观测资料、自动站降水资料和NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,对广西一次前汛期暴雨过程进行了湿位涡(MPV)及条件性对称不稳定(CSI)分析,探讨当地暴雨发生前后MPV各分量的特征及CSI对暴雨的作用。[结果]925 hPa MPV1正值区(MPV2负值区)东南侧等值线密集带、剖面图倾斜MPV1正值柱(MPV2负值柱)下方以及θe等值线密集带下方与强降雨落区有较好对应关系;在系统发展旺盛后,MPV1、MPV2梯度和强度的增强预示着暴雨增幅。强降雨暴发初期,850～650 hPa对流不稳定与CSI共存,对流不稳定和垂直运动起主要作用;在强降雨中后期,高空弱冷空气的进一步往南入侵,触发不稳定能量释放,迫使原来倾斜的θe密集带变得陡峭,有利于倾斜涡度发展,大气逐渐转为对流中性状态,CSI和斜升运动起主要作用,从而使暴雨得以持续。[结论]该研究为MPV和CSI理论应用到当地日常业务提供理论依据。

一次暴雪过程的高架雷暴环境条件及雷达特征

2021年2月24—25日河南出现一次伴高架雷暴的暴雪天气过程,各级气象台站业务预报对该过程中雷暴均漏报,对降雪量级预报也偏小。利用常规气象观测资料、双偏振雷达产品和NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,重点分析了这次暴雪过程中高架雷暴的环境条件及双偏振雷达参量特征。结果表明:(1)东移加深的中纬度高空槽、700 hP a发展北上的西南急流与地面扩散南下的冷空气等天气尺度系统相互作用触发对流,造成暴雪过程出现高架雷暴。(2)该过程最强水汽输送位于700 hPa,水汽通量大值带位于河南沿黄(河)一带,河南上空水汽充足,为中层不稳定层结建立和对流触发提供了有利的热力条件。(3)低槽前部两个次级环流圈上升支叠加为雷暴发生和降雪增强维持提供了强的上升运动;0—6 km较强垂直风切变有利于对称不稳定发展;700 hPa西南风急流辐合作用配合高空槽大尺度强迫使得中高层不稳定能量释放,从而触发对流。(4)高架雷暴发生时,雷达回波强度≥45 dBz、顶高超过-20℃层,“牛眼”结构和辐合上升区长时间维持有利于产生雷暴;雷达双偏振参量相关系数(CC)较小(0.7~0.9)、差分相移率(KDP)较大(0.5°~0.7°·km^(-1))和差分反射率(ZDR)>2 dB是高架雷暴发生时的主要特征,回波强度>55 dBz并伴有较大KDP(0.5°~0.7°·km^(-1))与雷电频发和强降雪时段相对应。