对流有效位能在强对流预报中的应用研究

利用2003年3-10月清远探空站逐日资料,得到不同气块抬升高度的对流有效位能(CAPE),利用相关统计方法,对CAPE与强降水、雷雨大风的关系进行统计分析,结果表明：不同气块起始高度得到的对流有效位能相差很大,其中最佳对流有效位能始终是最大的；CAPE850与强降水呈显著正相关；CAPE850、MUCAPE、CAPEINV与雷雨大风呈显著正相关；CAPE850、MUCAPE、CAPEINV三者中,CAPE850与强对流的相关系数最高,但计算MUCAPE,了解大气的极端不稳定状况可以减少漏报的几率；CAPE变化趋势与强对流日的对应关系在前后汛期有不同的表现,前汛期对应关系较好。

对流有效位能（CAPE）计算的新方法

对流有效位能（CAPE）是强对流天气分析预报的重要参数。通过理论推导，提出了载水气块和非载水气块两种情况下对流有效位能的两个新的计算公式，便于业务应用；并讨论了对流有效位能的局地变化因子和预报思路。

黄土高原低值对流有效位能区中β尺度大暴雨综合分析

为了提高对黄土高原中β尺度暴雨的预报和预警能力,利用中国气象局气象资料综合处理MICAPS系统提供的资料及多普勒雷达资料,对2007年8月28日黄土高原在低值对流有效位能区发生的一次中β尺度暴雨天气过程进行了大尺度环境场和物理量的诊断分析以及三维流场结构分析。结果表明:这次黄土高原中β尺度大暴雨主要是由3次中β尺度强对流单体活动造成的;地面风速脉动、地面能量比高值舌配合上下游能量比大梯度区的生成,是中β尺度暴雨触发机制之一;对流层低层倾斜涡度的发展、纬向双次级环流圈的形成,为暴雨的发生、发展和维持提供了动力机制;列车效应是形成降水时间长、累积雨量大的重要因素;在多普勒雷达径向速度场上看到,暴雨区上游从对流层中层到对流层高层气旋性环流的发展和暴雨区对流层中高层西南急流的发展和稳定,也是形成暴雨的动力机制之一。

对流有效位能预报能力的统计分析

利用每天4 次的NCEP 再分析资料和天津地区地面实测温度和露点资料,计算2001-2010 年5-9 月经过虚温订正的对流有效位能（CAPE）,考察天津-般雷雨及雷雨大风发生前0～6 h 内的CAPE变化及其与雷雨和雷雨大风发生的关系.对4 000 多个样本的统计表明：-般雷雨发生前CAPE的平均值达1 455.2 J·kg^-1,比无雷雨的平均值大-倍以上;雷雨大风前CAPE 平均值高达2 500 J·kg^-1.显著性检验表明,CAPE 均值对于区分无雷雨、-般雷雨、雷雨大风的信度达99%.和沙氏指数的比较表明：对流有效位能在判别有无雷雨的能力上与沙氏指数相当,区分普通雷雨和雷雨大风天气的能力上超过沙氏指数.

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。

埃玛图微机制作及对流有效位能的计算

该文阐述了微机制作简化埃玛图的思路和方法，介绍了与对流密切相关的大气能量参数ＣＩＮ、ＣＡＰＥ的计算方法，分析了两个实例，并对文中设计的大气能量计算方案的应用前景进行了讨论。

华东地区雷暴天气对流有效位能统计分析

利用华东地区16个测站1986 ～2006年的逐3h地面观测资料和08：00、20：00探空资料,对该地区雷暴发生的时间分布特征及对流有效位能（CAPE）进行统计分析.结果表明,华东地区雷暴发生频数从北向南呈递增趋势;夏季最多,春季次之,秋冬季最少;春夏季午后至傍晚是雷暴的频发时段,午夜至上午是北部地区雷暴的另一个高发期;夏季雷暴发生时CAPE值较大,春季雷暴发生时CAPE较小;无雷暴发生时CAPE值远小于雷暴发生时CAPE值;干型雷暴发生时CAPE值大于湿型雷暴.

对流有效位能的本质和一种新的计算方法

详细阐释了对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)的本质;提出了CAPE新的计算公式;简要介绍了与CAPE计算有关的物理过程和一些新的物理量。结合实例,用新的公式和目前通用的公式,对CAPE和对流抑制能量(convective inhibition,CIN)分三种情形进行对比计算:1)可逆湿绝热过程;2)假绝热过程;3)等假相当位温过程。计算结果表明,假绝热过程比可逆湿绝热过程CAPE新算法明显偏高、CIN明显偏低;MICAPS默认方法与等假相当位温过程计算结果大体相近。

对流有效位能计算的新方案

对流有效位能是强对流天气分析预报的重要参数。本文通过理论推导,提出了载水气块和非载水气块两种情况下,对流有效位能的两个新的计算方案,分别记作CAPEw和CAPE。该方案与以往的方案有很大的不同和根本的区别,更加合理和符合实际。编制了相应的计算程序,可以计算两种情况下的对流抑制能量CINw、CIN,对流有效位能CAPEw、CAPE,抬升凝结高度LCL(二者相同),自由对流高度LFCw、LFC,对流凝结高度CCL(二者相同)以及平衡高度ELw、EL;可以预报对流温度Tg(二者相同);可以分析地面和高空温度、湿度、等压面高度发生变化时,CINw、CIN和CAPEw、CAPE等的数值变化情况,便于业务应用和理论研究。还讨论了影响对流有效位能局地变化的因子和预报思路。

对流有效位能垂直分布作用的评价

对流有效位能 (CAPE)与评价大气对流潜力的标准的不稳定指数 ,例如抬升指数 (LI) ,只有中等程度的相关。这是由于 LI仅反映单层的浮力 ,而 CAPE反映了积分厚度和浮力。将 CAPE值除以积分厚度 ,使其正规化 ,得到一个指数 (NCAPE) ,它与厚度无关 ,是一种方便的求气块平均浮力的方法。正规化有效地区别了 CAPE类似而其浮力不同 ,积分厚度不同的环境。而且由于 CAPE的垂直分布对对流上升气流的强度可能有很大影响 ,因而把 CAPE和 NCAPE分成若干层是有利的。NCAPE对于自由对流厚度浅、总 CAPE小的环境 ,可提供更有用的指标。并指出 ,结合 CAPE计算NCAPE来估计对流潜力。

全球不同纬度带平均有效位能的季节急变

利用１９８０～１９８８年ＥＣＭＷＦ的资料，计算了对流层５００ｈＰａ、３００ｈＰａ和平流层１００ｈＰａ逐日和月平均的纬向平均有效位能（ＰＺ），分析其季节过渡，比较不同纬度带的季节性急变．结果表明，在４月和１０月附近，各纬度带上均可出现ＰＺ的急变．而且用逐日资料还可分析出６月急变．在北半球对流层高层（１００ｈＰａ）ＰＺ的季节性急变不如低层（５００ｈＰａ）明显，而在南半球ＰＺ的季节性急变与北半球相反。

中国长三角地区盛夏副热带高压触发局地对流天气分布及气象因子分析

应用红外云图亮温阈值法判断对流云团,统计分析2015—2019年中国长三角地区盛夏副热带高压(副高)控制下的局地对流天气时空分布。结果表明:副高触发的对流天气频次日变化为午后单峰型,对流天气的高频区位于大城市附近、江南丘陵地区以及水陆交界处,而江河湖面、峡谷和盆地较少。副高偏南型的对流天气高频区位于山区和沿海地区,其低层处于有利于下垫面加热的偏西风场;副高偏北型高频区位于内陆,其低层的东风降低了沿海地区的下垫面温度,对流触发频率较小。不同对流参数的统计表明,对流有效位能对局地对流天气的触发有较明显参考。沿海地区的副高偏南型对流有效位能略高于副高偏北型,内陆地区相反。副高偏南型各站的抬升指数和抬升凝结高度均较低,表明该类型天气的不稳定性较强。

贵州地区地面辐合线触发强对流天气机理研究初探

利用贵州省常规观测和区域加密自动观测站资料、葵花8及天气雷达观测资料,通过水汽、能量、抬升三个方面研究贵州区域地面辐合线对强对流天气的触发机制。首先对造成贵州区域强对流天气的地面辐合线进行分型:按照动态分为移动型、静止型、碰撞型三种,按照形态分为成东北–西南型、准横向型、西北–东南型、南北型,其中东北–西南型和南北型多移动,准横向型和西北–东南型多静止。然后通过分析地面辐合线与强对流天气落区的位置关系,发现绝大多数强对流天气落区位于辐合线后部及上部,且距离辐合线水平距离均在20 km以内。最后通过分析强对流天气发生前地面辐合线附近温、湿度情况,发现三种地面辐合线两侧的温差大部分为2℃~4℃,露点差为1.5℃~3.5℃,并发现三种不同辐合线触发强对流天气时的对流有效位能(CAPE)均需达到1000 J/kg以上,强天气威胁指数(SWEAT)需达到230以上,且抬升凝结高度和自由对流高度均需低于700 hPa高度。

1971-2020年陕西渭北地区冰雹气候特征及成因分析

基于1971—2020年陕西渭北地区32个国家气象站的降雹数据和NCEP再分析资料的动力、温度、湿度、风速等月平均数据,分析了陕西渭北冰雹变化特征和关键影响因素。结果表明:渭北地区冰雹呈现北多南少,夏季多,冬春少,冰雹主要出现在5—8月,降雹频次6月最多;渭北地区年、月降雹频次呈减少趋势,6月降雹频次减少趋势最为明显;渭北地区对流有效位能和垂直速度减小,0℃层的高度升高,高空风速减小,是渭北地区降雹频次减小的主要原因;渭北地区广泛开展的地面防雹作业,也是降雹频次减小的因素之一。

一次春季暴雨不稳定条件和对流触发机制的数值模拟研究

2003年4月中旬发生在山东一带的中尺度对流系统引发了一次罕见的春季大暴雨。在不稳定的大尺度环境中,触发条件决定了对流系统在何时、何地发生。触发条件通常位于近地面层中,水平尺度也很小,常规资料无法揭示出来。为此,采用数值模拟和数值模拟敏感性试验并结合客观分析对它的发生机理进行了诊断。结果表明,此次暴雨是由MCS(中尺度对流系统)的两次发展造成的。第1次是比较典型的华北MCC(中尺度对流复合体)过程,它是由地形强迫抬升触发了初始对流。第2次初始对流是由午后的边界层辐合线触发的,从华北平原南下的浅薄冷空气也起了重要作用。另外,最大对流有效位能(MCAPE)对初始对流的发生位置有很好的指示意义。

天津地区080625强对流天气过程的分析

强对流降水是天津地区重要的灾害性天气,为了研究该类天气发生发展的动力学、热力学机制,利用NCEP/NCAR再分析资料和FY-2C卫星逐时TBB资料对2008年6月25日天津的强对流降水过程进行研究,然后利用WRF(weather research and forecasting)中尺度数值模式对该次强对流降水过程进行数值模拟和诊断分析。结果表明:中尺度露点锋是该次强对流降水的重要机制,其对应的低层气流辐合所形成的强烈上升运动及相对应的强烈发展的对流云团,是此次天津强对流降水的直接影响系统;对流有效位能等参数的变化非常好地反映出此次强降水天气的发生和发展特征;较大的相对螺旋度与此次强对流天气的发生对应也较好。由此认为,中尺度露点锋锋生的动力学、热力学过程是此次强对流降水天气发生发展的重要机制。

关于虚温订正CAPE求算方法的讨论

对流有效位能(CAPE)是强对流天气分析和预报中的重要参数,准确的CAPE计算应该采用虚温订正。目前MICAPS和GRADS两种常用软件计算经过虚温订正的CAPE时,积分起点采用的都是订正前的自由对流高度(LFC),即LFC是气块温度与环境温度之差由负值转为正值的转折点的高度。本文理论分析表明,虚温订正后环境的层结曲线和气块的状态曲线都将发生变化。作为求算虚温订正CAPE时的积分起点、环境虚温和气块虚温曲线的交点——LFC也有相应变化,且虚温订正后LFC通常是降低的。虚温订正后的LFC若仍采用订正前的高度,显然与LFC的定义相悖。实际分析示例表明,LFC变化对CAPE数值大小的贡献或许是不明显的,但是它在图形上的表示更加合理,物理意义更加清晰。

不稳定能量参数在一次强对流天气数值模拟中的应用

采用常规观测资料和1°×1°NCEP/NCAP再分析资料,运用MM5V3.7高分辨率中尺度数值模式,对2004年7月12日17时30分前后发生在江苏南通的一次强中尺度对流系统(龙卷)进行模拟分析。结果表明:南通上空处在上干冷、下暖湿的大气不稳定层结中。干冷空气侵入与边界层暖湿气流强烈辐合,大量能量释放造成了本次龙卷的发生。运用数值模拟结果,计算了最佳对流有效位能IBCAPE、对流抑制能量ICIN、归一化对流有效位能INCAPE、能量—螺旋度指数IEHI和强对流天气威胁指数ISWEAT等不稳定能量参数。通过分析上述参数的空间分布和在南通上空的时间分布,发现它们对强对流天气的发生有一定反映。

江苏近海岸夏季两类海风锋特征及其对强对流的激发

利用观测资料、ECMWF Era-interim资料、江苏风塔资料、降水融合资料等,对江苏沿海区域夏季海风锋进行统计与诊断分析,并对海风锋激发强对流过程进行数值模拟。结果显示,海风锋主要显现在较稳定的高压系统边缘地带,可分为两类:Ⅰ类为海上西伸副高控制下的海风锋;Ⅱ类为大陆高压入海环流下的海风锋,Ⅱ类海风锋环流具有更多局地系统,常有强对流天气伴随。海风锋垂直剖面要素结构显示,来自海上的低层偏东风u分量构成海风锋前缘,影响锋面垂直抬升运动位置及强度。锋面附近二级环流,影响海风锋系统的环境不稳定性。海风锋在近海岸地区相遇内陆对流系统时,沿岸风塔资料在风的时序上出现突然的风向转变和迅速的风速增大。同时区域对流有效位能CAPE(convective available potential energy)的高值区显著增强。配合水汽通量辐合中心,构成有利于强对流系统激发及加强的环境条件。数值模拟显示,CAPE的水平分布指示了内陆强对流系统与海风锋的相对移动,CAPE的垂直分布显示海风锋激发强对流时能量增强与释放,强中心在2 h内迅速减弱。

CAPE等环境参数在华北罕见秋季大暴雨中的应用

采用中尺度数值模式MM5(V3)对2003年10月10～12日发生在华北地区的一次大暴雨过程进行模拟,利用模拟结果计算分析了对流有效位能(CAPE)、风暴相对螺旋度(SRH)、能量螺旋度指数(EHI),结果表明,以上3个参数对这次大暴雨的发生发展有较好的指示作用:在大暴雨发生前能量得到充分积累,大气处于强不稳定状态,强对流天气爆发后,不稳定能量逐渐释放减弱;大暴雨中心位于低层局地螺旋度大值中心南部等值线密集区。低层局地螺旋度大值中心轴线与切变线和地面倒槽辐合线走向一致,高层局地螺旋度与高空急流相对应;大暴雨过程主要发生在高风暴相对螺旋度结合低对流有效位能的环境中(SRH>200m2·s-2,CAPE<1500J·kg-1)。