用對(duì)流-輻射平衡理論理解對(duì)流云的外觀表現(xiàn)*

許健民

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081

提 要： 文章展示衛(wèi)星云圖和飛機(jī)航拍照片上的云，試圖把云的外觀表現(xiàn)與大氣的三維空間結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)，以及可能存在的內(nèi)在物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行分析，用對(duì)流-輻射平衡理論理解和解釋對(duì)流云的外觀表現(xiàn)。在未受擾動(dòng)的情況下，層狀云在云圖上表現(xiàn)松散。動(dòng)畫顯示，不同高度上的云，隨其所在層面上的風(fēng)水平飄蕩，走向各不相同。當(dāng)深對(duì)流發(fā)生時(shí)，云劇烈地翻滾，不同高度上的氣流，被對(duì)流活動(dòng)聯(lián)系在一起。有組織的深對(duì)流雖然只在很少的地方發(fā)生，卻是維持對(duì)流層大氣熱量平衡必須存在的。對(duì)流活動(dòng)把太陽(yáng)照射在地面上多余的熱量散布到對(duì)流層大氣的內(nèi)部，抵消了對(duì)流層里長(zhǎng)波輻射的冷卻效應(yīng)，保持了對(duì)流層大氣內(nèi)部的熱量平衡。

引 言

本文展示衛(wèi)星云圖和飛機(jī)航拍照片上的云，試圖把云的外觀表現(xiàn)與大氣的三度空間結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)，以及可能存在的內(nèi)在物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行分析，用對(duì)流-輻射平衡理論理解和解釋對(duì)流云的外觀表現(xiàn)。

大氣平均溫度和濕度廓線，在對(duì)流層中部存在一個(gè)濕靜力能量的極小值區(qū)。Riehl and Malkus(1958)首先從大氣能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)識(shí)大氣中存在深對(duì)流的必然性和其在能量垂直輸送中的作用。對(duì)流層中部存在濕靜力能量極小值區(qū)，最根本的原因是由于輻射平衡：輻射平衡的熱量損失使對(duì)流層中部越來(lái)越冷；深對(duì)流把濕靜力能量從云下向上輸送，進(jìn)入對(duì)流層內(nèi)部，補(bǔ)償了那里由于輻射平衡造成的能量損失，這樣才保持了對(duì)流層內(nèi)部的能量平衡。這個(gè)理論，被命名為對(duì)流-輻射平衡理論，是積云對(duì)流在大氣能量平衡作用中的經(jīng)典理論。之后，許多研究人員在這方面繼續(xù)做工作，補(bǔ)充和完善了這個(gè)理論。

Manabe and Wetherald(1967)在大氣中不同水汽分布的條件下，用對(duì)流-輻射模式估計(jì)了大氣溫度的垂直遞減率。如果大氣中沒(méi)有對(duì)流，只依靠輻射平衡來(lái)調(diào)整其溫度垂直分布，那么雖然在平流層里和對(duì)流層頂部，溫度和濕度垂直廓線可以被正確地模擬出來(lái)，但是在對(duì)流層下部，模擬出的大氣層結(jié)卻總是不穩(wěn)定，后者與實(shí)際觀測(cè)不符合。如果大氣中存在濕對(duì)流，那么對(duì)流層下部不合理的不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)就被對(duì)流過(guò)程消除了。這說(shuō)明，與積云對(duì)流相伴的能量垂直輸送，是維持大氣溫度垂直遞減率不可或缺的物理因素之一。

那么深對(duì)流是如何突破干燥的對(duì)流層中部而發(fā)展起來(lái)的呢？Lilly(1968)對(duì)從邊界層到低云頂部的物理量的垂直輸送過(guò)程進(jìn)行了定量分析。從個(gè)別積云的視點(diǎn)來(lái)看，由于其上升過(guò)程中遇到了對(duì)流層中部因輻射冷卻和下沉運(yùn)動(dòng)造成的濕靜力能量極小值區(qū)，因此大多數(shù)積云是發(fā)展不起來(lái)的。但是個(gè)別積云與環(huán)境干空氣混合而消散以后，其中的液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，停留在?duì)流層中部，使那里的空氣被濕化。只要不斷有水汽從海面進(jìn)入大氣，使得對(duì)流層下部的濕靜力能量足夠大，大到與對(duì)流層上部相當(dāng)，那么對(duì)流層中部的濕靜力能量極小值區(qū)，遲早會(huì)被后來(lái)的積云突破。

Arakawa and Schubert(1974)利用積云模式分析了對(duì)流活動(dòng)對(duì)環(huán)境的作用，以及環(huán)境對(duì)對(duì)流活動(dòng)的制約。在他們的模式里，積云復(fù)合體由大尺度環(huán)流、輻射平衡和從地面向上的湍流輸送驅(qū)動(dòng)。來(lái)自云下的熱量和水汽，通過(guò)云中的垂直運(yùn)動(dòng)、云內(nèi)外氣流的夾卷，逐漸調(diào)制了云周邊的環(huán)境，使之緩慢的濕化。在相反的方向，用不同的大尺度環(huán)境參數(shù)，可以模擬出對(duì)流云不同的統(tǒng)計(jì)特征。這說(shuō)明，積云對(duì)流和環(huán)境參數(shù)兩者是相互影響、雙向調(diào)制的。

本文作者長(zhǎng)期從事氣象衛(wèi)星云圖的數(shù)據(jù)處理工作。風(fēng)云氣象衛(wèi)星的云圖就是由國(guó)家衛(wèi)星氣象中心制作的。在乘坐飛機(jī)時(shí)，作者經(jīng)常拍攝飛行過(guò)程中的云，回來(lái)后將它們與衛(wèi)星云圖做對(duì)比。通過(guò)觀察積累，作者領(lǐng)悟到：無(wú)論是衛(wèi)星云圖，還是航空拍攝照片，都通過(guò)云系的外觀表現(xiàn)，向我們展示著當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)卮髿獾娜S空間結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相關(guān)的物理過(guò)程。Riehl and Malkus(1958)通過(guò)理論和數(shù)值模式揭示的對(duì)流-輻射平衡物理過(guò)程，在云的外觀表現(xiàn)中可以看得見(jiàn)。所以作者把自己所見(jiàn)云的外觀表現(xiàn)展示給預(yù)報(bào)員，并試圖用對(duì)流-輻射平衡理論，解釋對(duì)流云的外觀表現(xiàn)及它們存在的機(jī)理。有關(guān)知識(shí)可以查閱動(dòng)力氣象和天氣學(xué)教科書(約翰·M.華萊士和彼得·V.霍布斯，2008；Randall,2015;Houze,2014)。

本文第一節(jié)展示了動(dòng)畫上云的運(yùn)動(dòng)。在大氣未受擾動(dòng)的地區(qū)，云大體上呈水平運(yùn)動(dòng)，而在深對(duì)流區(qū)，云劇烈地垂直翻滾。第二節(jié)解釋了大氣中的云系有這樣的外觀表現(xiàn)，與輻射平衡、水汽的相變、云與周邊環(huán)境之間的夾卷有關(guān)系。用飛機(jī)航拍照片為實(shí)例，解釋了這樣的物理過(guò)程。第三節(jié)簡(jiǎn)述文中提到的物理過(guò)程。本文把資料的外觀表現(xiàn)與內(nèi)在的物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，有助于預(yù)報(bào)員從每天所看到的大量資料中抓住要點(diǎn)、提綱挈領(lǐng)，建立分析和預(yù)報(bào)思路。從本文的分析中可以看到，對(duì)流層中下部潮濕的環(huán)境，是深對(duì)流突然發(fā)生的重要條件之一。

1 動(dòng)畫上云的運(yùn)動(dòng)

從高時(shí)間、空間分辨率的衛(wèi)星云圖動(dòng)畫上可以觀察到，在大氣沒(méi)有受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)時(shí)，層狀云大體上呈水平運(yùn)動(dòng)。在這樣的情況下，云系往往比較稀疏、松散，不同高度層面上的云，隨風(fēng)飄蕩，走向各不相同。而在大氣中有劇烈對(duì)流活動(dòng)的情況下，動(dòng)畫上的云劇烈地翻滾。不同層面上大氣的運(yùn)動(dòng)，被對(duì)流活動(dòng)聯(lián)系在一起，相互關(guān)聯(lián)。

1.1 在大氣未受擾動(dòng)的地區(qū)，云的水平運(yùn)動(dòng)

圖1是2015年4月27日16時(shí)(北京時(shí)，下同)FY-2C衛(wèi)星可見(jiàn)光動(dòng)畫(動(dòng)畫展示于電子版，http:∥qxqk.nmc.cn/html/2021/1/20210101.html;下同)。圖1顯示了大氣中盛行水平運(yùn)動(dòng)時(shí)的云系。在這幅云圖上，在哈薩克斯坦和塔里木盆地，絲縷狀的卷云隨高空西偏南氣流向東偏北方向流動(dòng)，柴達(dá)木盆地有一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦旋。而在地面附近，有沙塵從天山北麓向東擴(kuò)散，還有小股沙塵通過(guò)天山的缺口溢向山脈南側(cè)?？偟膩?lái)講，云系不是非常濃密，不同高度上的云，隨風(fēng)水平飄蕩，走向各不相同。

Houze(2014)分析了對(duì)流層下部、中部和上部厚度大約在1 km以下淺薄層狀云的動(dòng)力學(xué)特征，指出：形成淺薄層狀云的物理過(guò)程，主要是輻射和湍流，而不是大尺度垂直運(yùn)動(dòng)。在淺薄的層狀云里，平均垂直運(yùn)動(dòng)只有1～10 cm·s-1，它們并不產(chǎn)生重要的降水，而只能下點(diǎn)毛毛雨。所以預(yù)報(bào)員看云圖，首先要把淺薄的層狀云和具有重要垂直運(yùn)動(dòng)的雨層云或積雨云區(qū)分開(kāi)來(lái)。如圖1和圖2這樣高時(shí)間分辨率的云圖動(dòng)畫，提供了區(qū)分云區(qū)中是否存在重要垂直運(yùn)動(dòng)的判據(jù)。

1.2 深對(duì)流云中劇烈的垂直運(yùn)動(dòng)

對(duì)流劇烈發(fā)展形成的高聳云塔，在垂直方向上可以貫穿大部分對(duì)流層，是許多氣象災(zāi)害的源頭。圖2是2012年8月10日06:30 FY-2C衛(wèi)星的可見(jiàn)光圖像動(dòng)畫。動(dòng)畫展示了蘇北、皖北、黃海東部強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)，云劇烈翻滾的情景。在高聳對(duì)流云的西南方向背光一側(cè)，云在地面或低云上投下了影子，這印證了對(duì)流云宏偉的垂直伸展。

圖1 2015年4月27日16時(shí)FY-2C可見(jiàn)光圖像(動(dòng)畫見(jiàn)http:∥qxqk.nmc.cn/html/2021/1/20210101.html)

圖2 2012年8月10日06：30 FY-2C可見(jiàn)光圖像(動(dòng)畫見(jiàn)http:∥qxqk.nmc.cn/html/2021/1/20210101.html)

2 對(duì)流活動(dòng)在維持對(duì)流層內(nèi)部熱量平衡中的作用

2.1 地氣系統(tǒng)的輻射平衡

大氣中的云除有上述外貌表現(xiàn)外，和地氣系統(tǒng)的輻射平衡也有關(guān)系。圖3引自Kiehl and Trenberth(1997)，是輻射在地球大氣中傳遞過(guò)程的示意圖。表1是根據(jù)圖3列出的地氣系統(tǒng)各部分的輻射能量收支。從圖3和表1可以看到：整個(gè)地氣系統(tǒng)是輻射平衡的。但是如果分別考察地面和大氣兩個(gè)分系統(tǒng)輻射平衡的狀況，結(jié)果就不一樣了。由于輻射平衡，地面盈余為98 W·m-2，大氣失去等量的輻射能。地面多余的能量，只能依靠非輻射的其他方式向上傳遞給大氣。Riehl and Malkus(1958)首先指出這一理論，其主要是依靠對(duì)流和降水方式。

2.2 平流層和對(duì)流層輻射收支的差別

圖4展示的是理想的70 km以下大氣的溫度、壓力、密度、臭氧混合比隨高度的分布(Randall,2015)。圖4關(guān)注大氣中臭氧和溫度隨高度的分布。臭氧是輻射活躍氣體，主要分布在11 km以上的平流層里，在35 km高度處達(dá)到密度的極值。由于臭氧對(duì)太陽(yáng)短波輻射的直接吸收，圖4中從對(duì)流層頂以上到50 km的高空存在強(qiáng)烈的逆溫。

對(duì)流層頂附近的逆溫像天花板一樣阻擋了從對(duì)流層里沖上來(lái)的上升氣流，使得對(duì)流受到抑制。空氣塊上升時(shí)，因?yàn)橹車鷫毫档?，氣塊膨脹，溫度會(huì)降低。如果上升氣塊遇到了逆溫，那么氣塊的溫度會(huì)低于其周圍環(huán)境大氣的溫度。上升氣塊比其周圍的環(huán)境大氣更重了，于是掉下來(lái)，垂直運(yùn)動(dòng)不能維持，高云在這個(gè)高度上展開(kāi)，向四周溢散出去。圖5是2017年8月23日00時(shí)臺(tái)風(fēng)天鴿登陸前FY-4可見(jiàn)光圖像。由圖可見(jiàn)臺(tái)風(fēng)中的上升運(yùn)動(dòng)在遇到對(duì)流層頂而外溢，并產(chǎn)生由中心向外傳播的波動(dòng)。

從圖4中可以看到在11 km以下的對(duì)流層里，臭氧濃度極低，大氣不直接吸收太陽(yáng)入射輻射。對(duì)流層大氣不僅不直接吸收太陽(yáng)入射輻射，而且其中的大氣組成成分還向外太空發(fā)射長(zhǎng)波輻射。圖6是根據(jù)典型的熱帶探空資料計(jì)算的晴空紅外輻射冷卻率(Randall，2015)。圖6中對(duì)流層內(nèi)部以每天2～3℃的速率降溫。一方面對(duì)流層大氣通過(guò)長(zhǎng)波輻射降溫。另一方面，卻并沒(méi)有觀測(cè)到對(duì)流層大氣的溫度在降低。那么對(duì)流層大氣靠什么機(jī)制保持它的溫度呢？Riehl and Malkus(1958)第一個(gè)指出，這是靠大氣中的深對(duì)流。

圖3 輻射在地球大氣中傳遞過(guò)程的示意圖(單位：W·m-2)(引自Kiehl and Trenberth，1997)

表1 地氣系統(tǒng)各部分的輻射能量收支(單位：W·m-2)

2.3 對(duì)流活動(dòng)把地面盈余的輻射能量送入大氣

從圖3和表1中可以看到，由于輻射平衡，地面存在98 W·m-2的能量盈余，大氣存在等量的能量虧損。Riehl and Malkus(1958)指出，地面盈余的能量靠對(duì)流和降水進(jìn)入大氣。在海洋上，海表盈余的能量主要用來(lái)使海水蒸發(fā)。每克水被蒸發(fā)，須要吸收598 cal(1 cal=4.2 J)熱量。進(jìn)入大氣的水汽攜帶著潛熱，受大氣環(huán)流驅(qū)動(dòng)到地球上各個(gè)地方，在合適的地方成云致雨，最后回歸海洋。水汽的旅行不是在做無(wú)用功，它通過(guò)相變過(guò)程使大氣中的熱量在不同的地點(diǎn)之間重新分配，從而深刻地影響大氣環(huán)流的行為。通過(guò)被輻射、云和水汽相變共同驅(qū)動(dòng)的垂直環(huán)流，對(duì)流層大氣受到加熱。

圖7是對(duì)流活動(dòng)在維持對(duì)流層里熱量平衡作用的示意圖(Randall，2015)。凝結(jié)潛熱直接加熱了受對(duì)流擾動(dòng)地區(qū)的大氣，與此同時(shí)，上升的云團(tuán)還驅(qū)動(dòng)了一個(gè)垂直環(huán)流圈。為了維持質(zhì)量平衡，在未受擾動(dòng)的晴空大氣中，存在普遍但是相對(duì)緩慢的下沉運(yùn)動(dòng)，這樣的下沉運(yùn)動(dòng)既保持了質(zhì)量平衡，又通過(guò)壓縮增溫，抵消了對(duì)流層里長(zhǎng)波輻射的冷卻效應(yīng)，間接加熱了對(duì)流層大氣。通過(guò)這樣的機(jī)制，太陽(yáng)照射在地面上多余的熱量，被散布到對(duì)流層大氣中的各個(gè)地方。雖然有組織的深對(duì)流只在很少的地方發(fā)生，卻是維持對(duì)流層大氣熱量平衡必須存在的。大氣中一定要有一些地方存在對(duì)流，它起到了把地面盈余的熱量送入對(duì)流層內(nèi)部，從而保持地氣系統(tǒng)能量平衡的作用。這就是Riehl and Malkus(1958)的對(duì)流-輻射平衡理論。

圖4 理想的70 km以下大氣的溫度、壓力、密度、臭氧混合比隨高度的分布[引自Randall(2015)，圖中溫度、壓力、密度垂直廓線根據(jù)NOAA(1976)繪制，臭氧含量廓線根據(jù)Krueger and Minzner(1976)繪制]

圖5 2017年8月23日00時(shí)臺(tái)風(fēng)天鴿登陸前FY-4可見(jiàn)光圖像

圖6 根據(jù)典型的熱帶探空資料計(jì)算的晴空紅外輻射冷卻率(Randall，2015)

圖7 對(duì)流活動(dòng)維持對(duì)流層里熱量平衡作用示意圖[Randall(2015),根據(jù)Schubert et al(1995)修改繪制]

2.4 對(duì)流層中部干空氣的卷入，使對(duì)流活動(dòng)受到抑制

深對(duì)流是如何突破干燥的對(duì)流層中部而發(fā)展起來(lái)的呢？下文通過(guò)飛機(jī)航拍照片直觀地進(jìn)行解釋。太陽(yáng)輻射加熱了海洋，同時(shí)把海水從海洋中蒸發(fā)出來(lái)。水汽進(jìn)入大氣后，隨風(fēng)飄蕩，某些氣塊上升、膨脹、降溫、飽和、凝結(jié)成云。圖8是2011年11月6日16時(shí)作者從瓦努阿圖去悉尼途中拍攝的海上積云。這些積云從對(duì)流層下部上升。

積云在上升過(guò)程中，遇到了對(duì)流層中部由于被長(zhǎng)波輻射冷卻而下沉所形成的干燥大氣。云在上升的過(guò)程中，一定會(huì)卷入周圍的環(huán)境空氣。圖9和圖10為分別于2018年8月9日18時(shí)從上海到北京途中以及2018年7月28日16時(shí)從北京到上海途中拍攝。觀察這兩幅照片中的云，可以注意到：云上升時(shí)，周圍環(huán)境中的干空氣受上升氣流的夾卷，從云的下部進(jìn)入云體。

比較圖片上云周邊天空的顏色。圖9云周邊的天空蔚藍(lán)清爽，這說(shuō)明云周邊的環(huán)境大氣干燥。而圖10周邊的天空中有白茫茫的霧氣，這說(shuō)明云周邊的環(huán)境大氣潮濕。查閱圖片所在日期飛機(jī)經(jīng)過(guò)黃淮地區(qū)時(shí)的天氣圖(圖略)，圖9拍攝當(dāng)天，受一個(gè)很強(qiáng)的副熱帶高壓控制，各個(gè)層面都干，700 hPa比濕只有0～5 g·kg-1；而圖10拍攝當(dāng)天，有低層切變線，對(duì)流層中、下部各個(gè)層面都濕，700 hPa比濕普遍達(dá)10 g·kg-1。這證實(shí)：圖9中受夾卷進(jìn)入云的環(huán)境空氣，比圖10更加干燥。比較這兩幅航空拍攝照片里上升中的云，它們的表現(xiàn)是這樣：圖9中的云，卷入了蔚藍(lán)天空中更加干燥的環(huán)境空氣，其下部幾乎被掏空了；而圖10中的云，卷入了白茫茫天空中更加潮濕的環(huán)境空氣，雖然可以看見(jiàn)夾卷入云的干空氣，但云的下部依然存在。這兩幅航空拍攝照片的比較說(shuō)明，如果對(duì)流層中部的環(huán)境大氣干燥，受到周圍環(huán)境夾卷進(jìn)來(lái)干空氣的稀釋作用，對(duì)流云是不容易發(fā)展起來(lái)的。

2.5 持續(xù)的對(duì)流活動(dòng)使對(duì)流層中部環(huán)境濕化，深對(duì)流突然發(fā)生

那么大氣中低層的積云會(huì)不會(huì)就此罷休，不再向上竄了呢？不會(huì)的。因?yàn)楸惶?yáng)輻射加熱的海洋，正在把海洋里的水汽，源源不斷地蒸發(fā)出來(lái)。來(lái)自海洋的水汽補(bǔ)充，使大氣中的低云有旺盛的生命力。就個(gè)體而言，深對(duì)流云是不容易發(fā)展起來(lái)的。但是從總體而言，雖然先前的云消散了，云中的液態(tài)水被稀釋蒸發(fā)，但是水汽仍然保留在大氣中，加濕了周邊的環(huán)境。在大量對(duì)流云的侵蝕下，某些地方對(duì)流層中部的環(huán)境大氣越來(lái)越濕，終于飽和了。當(dāng)周邊環(huán)境飽和時(shí)，夾卷過(guò)程的效率降低。在對(duì)流層中部大氣飽和地方，被夾卷過(guò)程卷入云體的是飽和濕空氣，于是云體不再被稀釋，可以一直向上沖到對(duì)流層頂，深對(duì)流突然發(fā)生了。

圖8 海洋上的積云[拍攝于2011年11月6日16時(shí)(LST)瓦努阿圖至悉尼途中]

圖9 強(qiáng)烈的夾卷把環(huán)境干空氣卷入云體，云體的下部被蒸發(fā)(拍攝于2018年8月9日18時(shí)北京至上海途中)

圖10 略濕一些的干空氣從積云下部卷入積云，云體的下部被部分保留(拍攝于2018年7月28日16時(shí)上海至北京途中)

圖11展示了呈柱狀穿越對(duì)流層中部上升的云體，在飛機(jī)非常接近云時(shí)所拍攝。比較圖11、圖10和圖9，可以注意到這三幅照片上環(huán)境空氣卷入云體程度的差別。圖11中的云，雖然有環(huán)境空氣侵入，但因?yàn)榄h(huán)境空氣非常潮濕，云柱依然挺立，云體呈柱狀；圖10中的云，環(huán)境空氣卷入云下部的程度比圖11 更深一些，云的下部比圖11更窄，云體呈蘑菇狀；而圖9中的云，其下部幾乎被掏空了，云體呈雨傘狀。

圖12為在飛機(jī)離對(duì)流云很遠(yuǎn)的條件下所拍攝。照片中有幾個(gè)云柱，最右側(cè)的三個(gè)云柱，從右向左，越來(lái)越高，展示了云柱向上竄的過(guò)程。圖片的中間部位另外還有一個(gè)云柱，己經(jīng)在水平方向大大擴(kuò)張了，并且在云頂附近初步顯示出上大下小的砧狀結(jié)構(gòu)。

圖11 環(huán)境濕空氣卷入對(duì)流云，對(duì)流云呈柱狀穿越對(duì)流層中部上升(拍攝于2018年7月28日16時(shí)上海至北京途中)

從飛機(jī)航拍照片上看，對(duì)流云突破對(duì)流層中部上升時(shí)的形態(tài)呈柱狀是一個(gè)重要特征。呈柱狀的對(duì)流云形態(tài)，說(shuō)明被卷入的環(huán)境空氣濕。對(duì)流層中部一旦飽和，云就可以像煙囪那樣，向上一直竄到對(duì)流層頂，形成高聳的云塔。對(duì)流天氣難預(yù)報(bào)，就難在這里：云塔形成的時(shí)間和地點(diǎn)難以掌握。所以未來(lái)氣象衛(wèi)星需要掌握時(shí)空分辨率更高的觀測(cè)手段，觀測(cè)對(duì)流層中部被加濕的細(xì)節(jié)過(guò)程。

2.6 發(fā)展起來(lái)積雨云的直立啞鈴狀結(jié)構(gòu)

發(fā)展起來(lái)的巨大云塔，呈直立的啞鈴狀：上、下大，中間小。圖13為2016年7月23日17時(shí)上海至北京的航班經(jīng)過(guò)山東與河北交界處時(shí)拍攝，顯示了一個(gè)孤立積雨云的側(cè)視外觀。圖14是同時(shí)刻FY-2G的可見(jiàn)光圖像，顯示了位于山東和河北交界處吳橋、德州境內(nèi)，這個(gè)孤立積雨云的俯視外觀。從衛(wèi)星云圖(圖14)上看，積雨云呈圓形，直徑約為8～9個(gè)可見(jiàn)光像元，根據(jù)這個(gè)地理位置上云圖的水平分辨率估計(jì)，這個(gè)孤立積雨云的直徑大概為30～40 km。圖13a是航空拍攝的積雨云側(cè)視全景圖，圖13b是在飛機(jī)非常接近積雨云中心部位時(shí)拍攝的側(cè)視局部圖。圖13b所示的積雨云中心部位的深厚云體，比圖13a上云的頂部，以及衛(wèi)星云圖(圖14)上的云砧小得多。所以如果在衛(wèi)星云圖上看見(jiàn)了一塊積雨云，我們可能只看見(jiàn)了云的頂部被水平鋪開(kāi)的地方。其中只有很少的地方存在如圖13b所示的穿透整個(gè)對(duì)流層的對(duì)流核。

圖12 呈柱狀穿越對(duì)流層中部上升的云體(拍攝于2018年5月24日13時(shí)杭州至北京途中)

圖13 孤立積雨云的側(cè)面外觀全景圖(a)和中心部位側(cè)面外觀局部圖(b)(拍攝于2016年7月23日17時(shí)上海至北京的航班經(jīng)過(guò)河北、山東交界處的吳橋、德州途中)

圖14 2016年7月23日17時(shí)FY-2G華北地區(qū)可見(jiàn)光圖像(橢圓為河北與山東交界處位于吳橋、德州的孤立積雨云，即圖13所示的云)

2.7 云圖動(dòng)畫上積雨云頂部的上沖云頂和波狀外流

圖15a是2016年5月27日14時(shí)高分四號(hào)衛(wèi)星可見(jiàn)光通道圖像動(dòng)畫。高分四號(hào)衛(wèi)星水平分辨率為50 m，觀測(cè)時(shí)相為每20 s一幅圖。其獲取的云圖是目前數(shù)據(jù)公開(kāi)的靜止氣象衛(wèi)星中，空間分辨率最高的。在云圖的南側(cè)，南海西北部有一個(gè)熱帶氣旋。從圖15a高分四號(hào)衛(wèi)星的動(dòng)畫上可以看見(jiàn)強(qiáng)烈的上升氣流沖入平流層底部，受逆溫層的阻擋掉下來(lái)，形成若干個(gè)上沖云頂。在上沖云頂?shù)乃闹?，氣流向外擴(kuò)散鋪展，形成伴有波紋狀紋理的巨大云砧。如果在氣象衛(wèi)星動(dòng)畫上觀測(cè)到有上沖云頂和劇烈向外擴(kuò)張的波狀外流云系，可以判斷這個(gè)地方對(duì)流層內(nèi)部有劇烈的上升運(yùn)動(dòng)，以及與其相伴的重要天氣發(fā)生。在云圖(圖15a)的北側(cè)，廣東省有許多發(fā)展中的濃積云。它們處于不同的發(fā)展階段。矮小的云居多數(shù)。有若干個(gè)發(fā)展得比較高大一些。其中位于云圖東北側(cè)的那個(gè)濃積云，剛剛升到對(duì)流層上部，己經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)云砧。通過(guò)高分四號(hào)衛(wèi)星的動(dòng)畫淋漓盡致地展示了大氣中的對(duì)流活動(dòng)。

圖15 2016年5月27日14時(shí)高分四號(hào)衛(wèi)星可見(jiàn)光通道圖像(a)和FY-2G可見(jiàn)光圖像(b)(圓圈所示為上沖云頂和波狀流云系，動(dòng)畫見(jiàn)http:∥qxqk.nmc.cn/html/2021/1/20210101.html)

作為對(duì)比，這里列舉圖15b。圖15b是與圖15a同時(shí)間、同地點(diǎn)的FY-2G可見(jiàn)光圖像。FY-2G的時(shí)間、空間分辨率，對(duì)大氣中對(duì)流活動(dòng)觀察的細(xì)致程度，遠(yuǎn)不及高分四號(hào)衛(wèi)星。在圖上，雖然也可以看見(jiàn)南海西北部熱帶氣旋云團(tuán)的云砧頂部，有起伏的紋理，但是它遠(yuǎn)不如圖15a動(dòng)畫上表示出來(lái)的上沖云頂和波狀外流那么直觀、醒目。廣州西北方的濃積云，在圖15b上也不如圖15a表現(xiàn)得清楚。預(yù)報(bào)員看了圖15b，對(duì)于當(dāng)時(shí)對(duì)流活動(dòng)的強(qiáng)度可能會(huì)估計(jì)不足，但是看了圖15a一定會(huì)警覺(jué)。所以衛(wèi)星遙感觀測(cè)的時(shí)間、空間、光譜分辨率，必須高于觀測(cè)目標(biāo)物的時(shí)間、空間、光譜可變性。否則，遙感觀測(cè)就很難監(jiān)測(cè)到自然界里正在發(fā)生事件它們的外觀、行為和性質(zhì)。如果只觀測(cè)天氣尺度的天氣系統(tǒng)，那么千米級(jí)的空間分辨率和0.5 h級(jí)的時(shí)間分辨率，大致可以滿足要求；如果要觀測(cè)中小尺度天氣系統(tǒng)和對(duì)流，那么圖15a表明，如高分四號(hào)衛(wèi)星那樣50 m空間分辨率和20 s頻率的云圖動(dòng)畫是更有用的觀測(cè)手段。

2.8 深對(duì)流在大氣中存在的必然性

如圖7所示，太陽(yáng)首先加熱了地面，然后再把熱量分配到大氣中每一個(gè)角落。在熱量重新分配過(guò)程中，輻射平衡、水的相變、云的夾卷、大氣環(huán)流四種物理過(guò)程缺一不可，其中大氣環(huán)流起著十分關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，是不可或缺的因子。根據(jù)Riehl and Malkus(1958)計(jì)算，大氣中一定會(huì)有，而且也只會(huì)有大約千分之一的地方存在深對(duì)流。在受到擾動(dòng)的深對(duì)流區(qū)，大氣被深對(duì)流中水汽的凝結(jié)直接加熱。同時(shí)，這樣的深對(duì)流激發(fā)了一個(gè)質(zhì)量垂直環(huán)流圈。在這個(gè)質(zhì)量垂直環(huán)流圈的補(bǔ)償下沉區(qū)，大氣被下沉壓縮增溫間接加熱，直接加熱和間接加熱共同起作用，補(bǔ)償了由于對(duì)流層內(nèi)部輻射平衡的冷卻。有深對(duì)流存在才能實(shí)現(xiàn)對(duì)流層里的熱量平衡。

3 結(jié) 論

(1)大氣是環(huán)繞地球非常薄的氣層。天氣現(xiàn)象主要發(fā)生的對(duì)流層，對(duì)流層的垂直厚度平均只有約11 km，因此大氣中普遍盛行水平運(yùn)動(dòng)。但是大氣中一定要有一些地方，存在深對(duì)流。

(2)云的外觀表現(xiàn)，與太陽(yáng)輻射對(duì)大氣的加熱過(guò)程、大氣的運(yùn)動(dòng)，以及深入?yún)⑴c大氣環(huán)流中的水汽的相變過(guò)程有關(guān)系。在平流層里，大氣通過(guò)臭氧直接吸收太陽(yáng)輻射能。從而在對(duì)流層頂形成一個(gè)逆溫。這個(gè)逆溫像天花板那樣，擋住了所有上升中的云，使它們向周邊擴(kuò)散出去。于是對(duì)流活動(dòng)被限制在對(duì)流層的內(nèi)部。

(3)平流層里的臭氧可以直接吸收太陽(yáng)入射的紫外波段的輻射。而到達(dá)對(duì)流層里的太陽(yáng)紫外輻射已所剩無(wú)幾，對(duì)流層大氣基本上不直接吸收太陽(yáng)的入射輻射。對(duì)流層大氣不僅不直接吸收太陽(yáng)入射輻射，而且其中氣體成分，還以每天降溫2～3℃的速率，向外空發(fā)射長(zhǎng)波輻射。一方面對(duì)流層大氣通過(guò)長(zhǎng)波輻射降溫；另一方面，我們卻并沒(méi)有觀測(cè)到對(duì)流層大氣的溫度在降低。那么對(duì)流層大氣靠什么機(jī)制保持其溫度呢？通過(guò)對(duì)流活動(dòng)，其中水汽的相變深入地參與到對(duì)流過(guò)程之中。

(4)到達(dá)地球的太陽(yáng)入射輻射，首先加熱位于大氣層下面的陸地和海洋，然后再通過(guò)被輻射、云和水汽相變共同驅(qū)動(dòng)的垂直環(huán)流，加熱對(duì)流層大氣。太陽(yáng)輻射在加熱海洋的同時(shí)，把海水從海洋中蒸發(fā)出來(lái)。水汽進(jìn)入大氣后，隨風(fēng)飄蕩，某些氣塊上升、膨脹、降溫、飽和、凝結(jié)成云。

(5)積云在上升的過(guò)程中，遇到了對(duì)流層中部被長(zhǎng)波輻射冷卻而下沉所形成的干燥大氣。受上升氣流的夾卷，環(huán)境中周圍的干空氣從云泡的下部進(jìn)入云體，云中的液態(tài)水被稀釋蒸發(fā)。所以，對(duì)流層下部的低云是不容易發(fā)展起來(lái)的。

(6)來(lái)自海洋水汽的補(bǔ)充，使大氣中的云有旺盛的生命力。雖然先前云泡中的云中液態(tài)水被稀釋蒸發(fā)，云泡消散了，但是水汽仍然保留在大氣中，加濕了周邊的環(huán)境。在大量對(duì)流云泡的侵蝕下，某些地方的對(duì)流層中部大氣終于飽和了。在對(duì)流層中部大氣飽和地方，在夾卷過(guò)程中被卷入云體的，是飽和濕空氣，于是云泡不再被稀釋，可以一直向上沖到對(duì)流層頂，形成直展云。

(7)由于對(duì)流層中部干燥大氣的普遍存在，這樣的深對(duì)流活動(dòng)是不容易發(fā)展起來(lái)的。它們只在非常少的地方發(fā)生，卻是維持對(duì)流層內(nèi)部熱量平衡而必須存在的。在深對(duì)流活動(dòng)發(fā)生的地點(diǎn)，凝結(jié)潛熱釋放出來(lái)，加熱了受擾動(dòng)地區(qū)的對(duì)流層大氣，同時(shí)驅(qū)動(dòng)了一個(gè)垂直環(huán)流。在大氣中其余未受擾動(dòng)的地區(qū)，通過(guò)補(bǔ)償?shù)南鲁吝\(yùn)動(dòng)壓縮增溫，加熱未受擾動(dòng)地區(qū)的大氣，維持了對(duì)流層內(nèi)部熱量的平衡。

(8)把資料的外觀表現(xiàn)與內(nèi)在的物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，有助于預(yù)報(bào)員從每天所看到的大量資料中，抓住要點(diǎn)，提綱挈領(lǐng)，建立分析和預(yù)報(bào)思路。從本文的分析中可以看到，對(duì)流層中下部潮濕的環(huán)境，是深對(duì)流突然發(fā)生的重要條件之一。

(9)為了改善未來(lái)的天氣預(yù)報(bào)，未來(lái)氣象衛(wèi)星的一個(gè)使命，就是要通過(guò)提高時(shí)空分辨率以觀測(cè)大氣的垂直結(jié)構(gòu)，特別是濕度的垂直結(jié)構(gòu)。

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