動力和能量參數(shù)在強(qiáng)對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用研究

■文/向志仕

動力和能量參數(shù)在強(qiáng)對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用研究

■文/向志仕

摘要強(qiáng)對流的發(fā)展需要依靠一定的基礎(chǔ)條件的支持，如熱力的不穩(wěn)定、相應(yīng)的動力環(huán)境等。一般情況下，容易造成災(zāi)害的是一種深厚對流，而且對流的有效位能也能夠體現(xiàn)對流層大氣總體垂直熱力結(jié)構(gòu)。本文主要對熱力不穩(wěn)定與能量在對流下沉運(yùn)動潛勢中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并論述了螺旋度等動力參數(shù)在強(qiáng)對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞動力能量參數(shù)強(qiáng)對流天氣預(yù)報

在特定大氣環(huán)境下，中尺度對流活動的發(fā)展會產(chǎn)生一種強(qiáng)大的對流系統(tǒng)，即強(qiáng)風(fēng)暴。在這種環(huán)境下，對流的發(fā)展會形成積雨云體，從而導(dǎo)致天氣災(zāi)害的發(fā)生。在對流活動中，相應(yīng)的動力作用和熱力的不穩(wěn)定性會對對流的發(fā)展強(qiáng)度造成一定的影響。在強(qiáng)對流天氣預(yù)報中，常常會使用到一些對流參數(shù)，如能量、動力及熱力等，而且這些能量參數(shù)和動力也逐漸被應(yīng)用于強(qiáng)對流天氣預(yù)報中。

一、熱力不穩(wěn)定與能量在對流下沉運(yùn)動潛勢中的應(yīng)用

強(qiáng)對流屬于一種深對流，與其它對流的伸展高度相比，這種對流的伸展高度往往會比均質(zhì)大氣的高度大。一般情況下，深厚對流會導(dǎo)致一些災(zāi)害天氣的產(chǎn)生，比如強(qiáng)雷暴、龍卷等。強(qiáng)對流天氣預(yù)報要想得到實現(xiàn)，則必須要依靠一定的基礎(chǔ)條件，即深對流預(yù)報。在強(qiáng)對流天氣中，強(qiáng)雷暴天氣是較常出現(xiàn)的一種天氣情況，而導(dǎo)致強(qiáng)雷暴天氣出現(xiàn)的主要原因是因為熱力的不穩(wěn)定以及一定的動力作用。根據(jù)研究結(jié)果顯示，強(qiáng)風(fēng)暴天氣的出現(xiàn)與深對流有著直接的關(guān)系，這主要表現(xiàn)在下述三個方面：一是對流層低層的水汽供應(yīng)比較充足；二是溫度的降低率造成了熱力的不穩(wěn)定能量；三是相應(yīng)的抬升力能夠提高自由對流高度。根據(jù)這些因素，有些學(xué)者研究出了深對流指數(shù)（DCI）的表達(dá)公式，即SDCI=（T850+Td850）-LI。其中，T850和Td850所代表的是850hPa層的溫度及露點，LI則代表地面抬升指數(shù)。

在深對流指數(shù)中，對850hPa層的溫度和地面直至500hPa的浮力特性進(jìn)行了一定的結(jié)合。一般情況下，當(dāng)深對流指數(shù)變大的時候，預(yù)示條件也會變得更加不穩(wěn)定。因此，當(dāng)抬升氣塊觸發(fā)條件變得充足時，強(qiáng)對流天氣就會產(chǎn)生。此外，深對流指數(shù)不僅體現(xiàn)了對流層中低層的穩(wěn)定度，也是對不穩(wěn)定對流潛勢的體現(xiàn)。當(dāng)深對流的發(fā)展具備相應(yīng)的基礎(chǔ)條件的時候，其他能量參數(shù)也會對風(fēng)暴強(qiáng)度及類型的預(yù)報造成一定的影響。在這些能量參數(shù)中，對流有效位能（CAPE）是一種代表性的參數(shù)。從理論上分析，對流有效位能也是對因上升運(yùn)動環(huán)境而達(dá)成的垂直運(yùn)動強(qiáng)度的體現(xiàn)。而且，對流有效位能與傳統(tǒng)不穩(wěn)定指數(shù)也有一定的區(qū)別，即對流有效位能在一定程度上也能夠反映大氣的整體結(jié)構(gòu)特征，這也是對流有效位能較常被用于天氣預(yù)報的主要原因之一。

深對流指數(shù)與對流有效位能是對對流穩(wěn)定度及上升對流能量的最好體現(xiàn)。強(qiáng)風(fēng)暴具備的下沉氣流這一特征是為了與強(qiáng)烈上升運(yùn)動相呼應(yīng)。強(qiáng)風(fēng)暴內(nèi)之所以會出現(xiàn)下沉氣流，主要是因中層干空氣與水云體的混合、蒸發(fā)和冷卻而產(chǎn)生的。一般情況下，風(fēng)暴形態(tài)與結(jié)構(gòu)往往會因所受中層空氣的干燥程度以及侵入風(fēng)暴強(qiáng)度的影響而發(fā)生改變。

二、螺旋度等動力參數(shù)在強(qiáng)對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用

對流得以發(fā)展的基礎(chǔ)條件是熱力不穩(wěn)定及能量的所起到的作用，而對流的觸發(fā)與維持和環(huán)境場動力因子之間有著極為緊密的聯(lián)系。在強(qiáng)風(fēng)暴的形成過程中，強(qiáng)風(fēng)暴的類型與風(fēng)的垂直切變這一能量參數(shù)有著一定的關(guān)系，該能量參數(shù)在強(qiáng)風(fēng)暴的發(fā)展中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。螺旋度與風(fēng)暴相對螺旋度是在風(fēng)切變這一能量的基礎(chǔ)上所得到的與強(qiáng)風(fēng)暴預(yù)報有關(guān)的動力參數(shù)。一般情況下，強(qiáng)對流系統(tǒng)都具備旋轉(zhuǎn)性與上升運(yùn)動這兩種特征，螺旋度則是這兩種特征的結(jié)合所得出的一種新的動力參數(shù)。從本質(zhì)上而言，螺旋度是指流體旋轉(zhuǎn)和沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動的物理量，較常被用于流體力學(xué)的研究中。強(qiáng)風(fēng)暴所具備的顯著特征是指螺旋度特征，這也代表著在螺旋度高的地方往往最容易出現(xiàn)強(qiáng)對流風(fēng)暴。究其原因，主要是因為高螺旋度對能量的串級造成了干擾，且在超級單體風(fēng)暴的形成過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，同時單體風(fēng)暴的傳播也會使螺旋度所起到的作用得到充分發(fā)揮。

在暴雨及強(qiáng)對流天氣的預(yù)報中，螺旋度得到了廣泛的使用。比如吳寶俊等利用地轉(zhuǎn)螺旋度對三峽大暴雨的形成和維持進(jìn)行了研究，并準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了暴雨的形成與螺旋度垂直分布結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性；李耀輝等依據(jù)螺旋度理論對暴雨的演變和對流層中尺度低渦得以發(fā)展的原因進(jìn)行了分析，并得出了一些研究結(jié)果，即正旋轉(zhuǎn)風(fēng)螺旋度的演變過程也是風(fēng)暴中心和風(fēng)暴中尺度渦旋的位置發(fā)生變化的過程，而較大的螺旋度際暴雨中尺度低渦及地面氣旋系統(tǒng)得以發(fā)展的基礎(chǔ)條件。在強(qiáng)風(fēng)暴的發(fā)展過程中，風(fēng)暴螺旋性的計算必須要結(jié)合相應(yīng)的三維觀測數(shù)據(jù)來完成。根據(jù)研究結(jié)果可知，在強(qiáng)風(fēng)暴形成前，螺旋度特征表現(xiàn)的不是很明顯，這也代表著將螺旋度應(yīng)用到風(fēng)暴特性的分析過程中，并不能使螺旋度的作用得到真正發(fā)揮，對強(qiáng)風(fēng)暴強(qiáng)度和類型的預(yù)報結(jié)果也會出現(xiàn)偏差。從預(yù)報角度分析，在強(qiáng)對流天氣形成前，大環(huán)境場渦度的垂直分量往往會比風(fēng)切變小一個量級。

三、結(jié)束語

綜上所述，強(qiáng)對流天氣是指能量的積累、轉(zhuǎn)化和釋放的過程。強(qiáng)對流天氣的形成與熱力不穩(wěn)定等動力因子和能量參數(shù)的變化有著一定的關(guān)系，因此在強(qiáng)對流天氣預(yù)報中，要想保證預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性，則必須要對這些動力因子和能量參數(shù)的變化情況進(jìn)行分析，將熱力不穩(wěn)定、螺旋度等動力和能量參數(shù)應(yīng)用到強(qiáng)對流天氣預(yù)報中去，從而保證強(qiáng)對流天氣的預(yù)報能夠更加準(zhǔn)確。

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（作者單位：湖北省來鳳縣氣象局）