對(duì)流初生機(jī)理的研究進(jìn)展*

崔新艷 陳明軒 秦 睿 韓 雷

1 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，青島 266100 2 北京城市氣象研究院，北京 100089 3 中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266100

提 要： 對(duì)流初生(CI)是強(qiáng)對(duì)流天氣開(kāi)始活動(dòng)的標(biāo)志，CI機(jī)理研究是中尺度氣象界研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是提高局地突發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣演變的科學(xué)認(rèn)知和短時(shí)臨近預(yù)報(bào)水平的關(guān)鍵所在。文章綜述了國(guó)內(nèi)外地基CI機(jī)理和高架CI機(jī)理的研究成果。地基CI一般由邊界層輻合線觸發(fā)，溫濕度擾動(dòng)及不穩(wěn)定性、微氣旋、垂直切變和地形等因素都對(duì)CI的產(chǎn)生和時(shí)空位置有一定影響。大氣不穩(wěn)定性對(duì)局地溫度尤其是濕度的變化很敏感，對(duì)CI的影響很大。環(huán)境垂直風(fēng)切變與邊界熱動(dòng)力場(chǎng)的相互配合，微氣旋的垂直速度與渦度之間的反饋，地形導(dǎo)致的熱動(dòng)力效應(yīng)，都會(huì)影響地基CI的產(chǎn)生。高架CI與低空急流、涌和重力波等有關(guān)。低空急流輸送水汽，降低了環(huán)境的穩(wěn)定度，其切變也可以產(chǎn)生上升氣流，對(duì)夜間高架CI很重要。對(duì)流可以產(chǎn)生重力波和涌，兩者通過(guò)抬升低層大氣，減小穩(wěn)定度，有利于高架CI的產(chǎn)生。高架輻合和持續(xù)的弱中尺度上升也有助于增加高架對(duì)流的潛勢(shì)。綜述內(nèi)容對(duì)與CI有關(guān)的研究以及局地突發(fā)強(qiáng)對(duì)流的預(yù)報(bào)預(yù)警具有一定借鑒意義。

引 言

強(qiáng)對(duì)流天氣是一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，常常會(huì)產(chǎn)生暴雨、冰雹、破壞性大風(fēng)和龍卷等，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，近年來(lái)更是頻發(fā)，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展以及人民生活造成很大影響(Lock and Houston，2014；Houze et al，2015；Reif and Bluestein，2017；2018；Wilson et al，2018；覃丹宇和方宗義，2014；卜茂賓等，2018)。因此，需要準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)和預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣，從而減少由其帶來(lái)的氣象和次生災(zāi)害。近幾十年來(lái)，雖然天氣預(yù)報(bào)技術(shù)取得很大進(jìn)展，但對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警依然面臨很大挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于對(duì)流初生(convective initiation，CI)的預(yù)報(bào)。也就是在未來(lái)的幾到十幾小時(shí)內(nèi)，如何確定什么時(shí)間在什么地點(diǎn)發(fā)生什么樣的強(qiáng)對(duì)流天氣，依然是天氣預(yù)報(bào)方面的一大挑戰(zhàn)。之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)CI具有多尺度和強(qiáng)非線性的物理過(guò)程，這樣的復(fù)雜性使得對(duì)CI的概念性理解和精確模擬具有很大的挑戰(zhàn)性，理解CI的機(jī)理，是提高強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)水平的關(guān)鍵所在，也是中尺度氣象界研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)(Weckwerth et al，2004；2019；Weckwerth and Parsons，2006；Wilson and Roberts，2006；Browning et al，2007；Lock and Houston，2014；Sun et al，2014；Geerts et al，2017；Yano et al，2018；李五生等，2014；覃丹宇和方宗義，2014；黃亦鵬等，2019)。

CI是強(qiáng)對(duì)流天氣開(kāi)始活動(dòng)的標(biāo)志，準(zhǔn)確識(shí)別CI對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)有很大幫助。國(guó)內(nèi)外很多研究都用雷達(dá)反射率因子≥35 dBz作為CI的判斷標(biāo)準(zhǔn)(Roberts and Rutledge，2003；Roberts et al，2012；Walker et al，2012)。Mecikalski and Bedka(2006)則基于地球靜止軌道環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星(Geostationary Operational Environmental Satellite，GOES)資料提出了CI的8個(gè)預(yù)報(bào)指標(biāo)(表1)，包括紅外云頂亮溫、紅外云頂亮溫的時(shí)間變化趨勢(shì)，紅外云頂亮溫差等，之后進(jìn)一步進(jìn)行了拓展研究(Mecikalski et al，2008)，經(jīng)修訂后這些預(yù)報(bào)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)也得到了應(yīng)用(劉京華等，2012；李五生等，2014；郭巍等，2018；周鑫等，2019)。

表1 當(dāng)前美國(guó)GOES業(yè)務(wù)CI采用的判據(jù) (引自Mecikalski and Bedka，2006；Mecikalski et al，2008)Table 1 The operational criteria of CI used by the current US GOES (from Mecikalski and Bedka, 2006; Mecikalski et al, 2008)

國(guó)外在CI機(jī)理研究方面開(kāi)展了大量的觀測(cè)和數(shù)值模擬工作，很多基于科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和針對(duì)性，獲得了對(duì)CI機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，為對(duì)流尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式的改進(jìn)提供了豐富的科學(xué)依據(jù)(Weckwerth and Parsons，2006；Browning et al，2007)。國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了很多關(guān)于CI機(jī)理的研究工作，證實(shí)了一些重要的CI機(jī)制也適用于中國(guó)地區(qū)(鄭媛媛等，2011；孫繼松和陶祖鈺，2012；鄭永光等，2017)，但國(guó)內(nèi)主要還是以個(gè)例分析為主，缺少系統(tǒng)性工作。

CI研究是強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警的難點(diǎn)問(wèn)題，近年來(lái)雖然通過(guò)精細(xì)的觀測(cè)分析和對(duì)流尺度數(shù)值模擬，已經(jīng)形成了幾個(gè)觸發(fā)CI的概念模型，并建立了若干個(gè)觸發(fā)CI的熱動(dòng)力關(guān)鍵指標(biāo)，但是CI的機(jī)理非常復(fù)雜，下墊面、地形、氣候特征不同的區(qū)域的CI機(jī)制差異很大，還需要更多更細(xì)致的研究(Reif and Bluestein，2018；Weckwerth et al，2019；鄭永光等，2017)。因此，有必要對(duì)之前的CI研究進(jìn)行一定的總結(jié)，幫助預(yù)報(bào)員更容易識(shí)別CI可能發(fā)生的環(huán)境，從而改進(jìn)強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警水平，并為之后的CI機(jī)理研究提供一定的借鑒。

已有的研究表明，CI分成兩種：基于地面觸發(fā)的CI(簡(jiǎn)稱“地基CI”)和基于地面以上高度觸發(fā)的CI(簡(jiǎn)稱“高架CI”)。地基CI一般在下午和晚上發(fā)生，由地面輻合線觸發(fā)。與地面輻合無(wú)關(guān)的高架CI大多在夜間發(fā)生，其觸發(fā)經(jīng)常與高架輻合區(qū)域有關(guān)(Wilson and Roberts，2006)。本文將近年來(lái)國(guó)內(nèi)外CI機(jī)理研究的若干成果進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，第一部分介紹各種地基CI機(jī)理，第二部分介紹高架CI機(jī)理，以期為將來(lái)的強(qiáng)對(duì)流短時(shí)臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警研究提供參考。

1 地基CI的機(jī)理

國(guó)外在這方面開(kāi)展了大量研究。2002年美國(guó)開(kāi)展了著名的國(guó)際水科學(xué)研究項(xiàng)目(International H2O Project，IHOP)，其科學(xué)目標(biāo)之一是研究邊界層輻合線導(dǎo)致的CI的機(jī)理(Weckwerth and Parsons，2006；Wilson and Roberts，2006)。2005年夏季在英國(guó)南部開(kāi)展的對(duì)流風(fēng)暴初生研究計(jì)劃(Convective Storms Initiation Project，CSIP)(Browning et al，2007)和2007年夏季在歐洲中部地區(qū)開(kāi)展的對(duì)流及地形降水研究計(jì)劃(Convective and Orographically-induced Precipitation Study，COPS)(Wulfmeyer et al，2011)的主要目標(biāo)之一也是研究CI的形成機(jī)理，其間的研究表明，出流邊界形成的動(dòng)力不穩(wěn)定和低層輻合上升對(duì)對(duì)流的形成和加強(qiáng)起到重要作用(Marsham and Parker，2006；Morcrette et al，2006；Wulfmeyer et al，2011；Khodayar et al，2013)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也開(kāi)展了觸發(fā)CI的觀測(cè)分析和數(shù)值模擬研究，表明在我國(guó)不同地區(qū)出流邊界和復(fù)雜地形是觸發(fā)CI的重要機(jī)制(漆梁波等，2006；陶嵐等，2009；陳明軒等，2010；2013；2017；王彥等，2011；俞小鼎等，2012；趙金霞等，2012)。

1.1 邊界層輻合線

CI的影響因素很多，有時(shí)會(huì)受多個(gè)因子共同作用，有時(shí)在對(duì)流形成的不同階段的主要影響因子不同。其中，沿著邊界層輻合線的CI已經(jīng)是一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域，之前很多的研究已經(jīng)表明邊界層輻合線可以觸發(fā)新對(duì)流或加強(qiáng)已經(jīng)存在的對(duì)流(Shapiro et al，1985；Wilson and Schreiber，1986；Wilson et al，1992；2010；Wilson and Mueller，1993；Weckwerth and Parsons，2006；Wilson and Roberts，2006；Wakimoto and Murphey，2010；Alexander et al，2018；陳明軒等，2010；王彥等，2011；趙金霞等，2012)。實(shí)際上，邊界層輻合線是邊界層內(nèi)大氣(風(fēng)、溫度或者水汽)的不連續(xù)分界線，可以看成是邊界層內(nèi)的不穩(wěn)定觸發(fā)因子，在邊界層輻合線附近存在顯著的輻合和上升，能夠減小對(duì)流抑制、通過(guò)氣塊增濕增加熱力不穩(wěn)定性，從而有利于CI的出現(xiàn)(Doswell Ⅲ，1987；Johnson and Mapes，2001)。

Wilson and Schreiber(1986)將邊界層輻合區(qū)域(經(jīng)常被稱為“邊界”)定義為“一條加強(qiáng)的雷達(dá)反射率因子細(xì)線和/或多普勒徑向速度上明顯的輻合線，寬度為1～3 km，長(zhǎng)度大于10 km，持續(xù)至少15 min”，包括陣風(fēng)鋒(Weckwerth et al，2008；陳明軒等，2013；2017)、干線(Xue and Martin，2006a；Hill et al，2016)、天氣尺度鋒面(Shapiro et al，1985)、海風(fēng)鋒(Pielke，1974；Laird et al，1995)、湖風(fēng)鋒(Wang et al，2019)、地形導(dǎo)致的環(huán)流(Banta and Schaaf，1987；Bennett et al，2006；Langhans et al，2011；Houze，2012；Weckwerth et al，2014)等。很早之前已經(jīng)有研究記錄了邊界層輻合線在對(duì)流初生中的重要作用(Byers and Rodebush，1948)，并發(fā)現(xiàn)地面輻合區(qū)域與30分鐘之后的對(duì)流初生有關(guān)。之后很多研究也注意到輻合線與海陸風(fēng)相互作用，對(duì)沿著佛羅里達(dá)半島深厚對(duì)流初生很重要(Burpee，1979；Cooper et al，1982；Watson and Blanchard，1984)。Wilson and Schreiber(1986)發(fā)現(xiàn)科羅拉多州79%的對(duì)流(≥30 dBz)初生發(fā)生在邊界層輻合線附近，強(qiáng)對(duì)流(≥60 dBz)則增加到95%，而碰撞的輻合線觸發(fā)了71%的新對(duì)流或加強(qiáng)已經(jīng)存在的對(duì)流。Reif and Bluestein(2017)表明美國(guó)大平原中部和南部大約76%的CI發(fā)生在近地面邊界附近。Iwai et al(2018)的研究發(fā)現(xiàn)日本關(guān)東平原南部的一個(gè)海風(fēng)鋒從東京灣移動(dòng)到內(nèi)陸后觸發(fā)了一個(gè)新對(duì)流單體。Huang et al(2019)對(duì)具有顯著植被差異的華北河套地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，44%受植被差異引發(fā)的熱力環(huán)流形成的輻合線可以觸發(fā)CI。Abulikemu et al(2019)發(fā)現(xiàn)很多連續(xù)發(fā)生在華北渤海灣區(qū)域的CI與陣風(fēng)鋒有關(guān)。

很多研究表明，不同邊界相互作用區(qū)域的近地面動(dòng)力不穩(wěn)定明顯增強(qiáng)，CI經(jīng)常發(fā)生在兩個(gè)或更多的邊界相互作用處(Droegemeier and Wilhelmson，1985a；1985b；Lee et al，1991；Nicholls et al，1991a；Kingsmill，1995；Weiss and Bluestein，2002；Wilson and Roberts，2006；Browning et al，2007；Reif and Bluestein，2017；Bai et al，2019；Cui et al，2019；陳明軒等，2010)。這也可能與邊界碰撞面兩邊低層水平渦度的平衡有關(guān)，這個(gè)平衡導(dǎo)致了更垂直的深厚上升流(Mahoney Ⅲ，1988；Rotunno et al，1988)。Klüpfel et al(2012)研究了西非土壤濕度不均勻?qū)е碌臒崃?qiáng)迫輻合區(qū)域，該輻合區(qū)域單獨(dú)沒(méi)有觸發(fā)深厚對(duì)流，其與陣風(fēng)鋒相互作用，加之輸送到該區(qū)域的季風(fēng)氣團(tuán)才觸發(fā)了新對(duì)流。Abulikemu et al(2015)發(fā)現(xiàn)華北的一個(gè)對(duì)流前的陣風(fēng)鋒和一個(gè)海風(fēng)鋒相向移動(dòng)時(shí)，它們之間的暖空氣被擠壓，觸發(fā)了局地對(duì)流。在這些單體的發(fā)展過(guò)程中，低空輻合和兩個(gè)鋒面之間明顯加強(qiáng)的條件不穩(wěn)定性都有助于CI。Qin and Chen(2017)發(fā)現(xiàn)北京西南部的一個(gè)冷鋒和一個(gè)干線共同作用產(chǎn)生了CI。陳明軒等(2017)研究了京津冀復(fù)雜地形條件下導(dǎo)致對(duì)流風(fēng)暴局地新生和發(fā)展的熱動(dòng)力機(jī)制，發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)鋒相互作用區(qū)域不斷有對(duì)流單體新生和增強(qiáng)。Bai et al(2019)也發(fā)現(xiàn)中國(guó)中東部陣風(fēng)鋒和近地面輻合線的相互作用導(dǎo)致了CI。

圖1展示了邊界附近CI可能出現(xiàn)的區(qū)域，靜止邊界兩邊都有可能出現(xiàn)CI，而CI一般出現(xiàn)在移動(dòng)邊界的后側(cè)，兩個(gè)或多個(gè)邊界的相互作用區(qū)域是最有可能出現(xiàn)CI的位置。但是有時(shí)候，對(duì)流也會(huì)在邊界碰撞之前突然出現(xiàn)。例如，Nicholls et al(1991a)提到當(dāng)東西海岸的海風(fēng)鋒靠近時(shí)，深厚對(duì)流可以在它們之間出現(xiàn)。Fankhauser et al(1995)發(fā)現(xiàn)在陣風(fēng)鋒和海風(fēng)鋒碰撞之前的幾分鐘，新對(duì)流就已經(jīng)出現(xiàn)在兩者之間。他們認(rèn)為這是因?yàn)橄挛珉S著地面加熱的減少，在中間的氣團(tuán)中有一個(gè)輻合線形成。Abulikemu et al(2016)研究華北的一個(gè)海風(fēng)鋒和一個(gè)陣風(fēng)鋒融合，發(fā)現(xiàn)盡管它們相距還有25～30 km，幾個(gè)對(duì)流單體就在兩個(gè)鋒面之間產(chǎn)生。

圖1 與邊界有關(guān)的對(duì)流初生示意圖 (a)靜止的邊界，(b)移動(dòng)的邊界，(c)碰撞的邊界 (實(shí)線表示邊界，虛線表示邊界移動(dòng)后的位置，陰影表示可能出現(xiàn)CI的區(qū)域；引自Wilson and Mueller，1993)Fig.1 Diagram of CI associated with boundary (a) stationary boundary, (b) moving boundary, (c) colliding boundaries (Solid line indicates boundary, dashed line indicates the position of boundary after moving, shaded indicates the regions where CI may occur； from Wilson and Mueller, 1993)

盡管邊界對(duì)決定新對(duì)流形成的大體位置是重要的，但是不能決定對(duì)流出現(xiàn)的準(zhǔn)確時(shí)間和地點(diǎn)，不是出現(xiàn)CI的充分條件(Wilson and Mueller，1993)。例如，在有些個(gè)例中，因?yàn)椴焕膶?duì)流層中層環(huán)境，在一些邊界碰撞處并沒(méi)有出現(xiàn)CI(Wilson and Schreiber，1986；Stensrud and Maddox，1988)。此外，在移動(dòng)的邊界之前有云存在，也可能是產(chǎn)生CI的一個(gè)關(guān)鍵因素(Wilson and Mueller，1993；May，1999；Hane et al，2002)。小尺度空間(幾千米)和時(shí)間(幾十分鐘)的溫度、濕度和風(fēng)的變化對(duì)新對(duì)流出現(xiàn)的時(shí)間和位置有重要作用(Mueller et al，1993；Crook，1996；Weckwerth et al，1996；Murphey et al，2006)。

邊界經(jīng)常被考慮成二維的，但是沿著邊界可能有明顯的局地變化，這可能在CI的產(chǎn)生中起重要作用。大量的研究者已經(jīng)關(guān)注了沿著邊界的變化，并且表明沿著這些邊界的確有易于出現(xiàn)CI的位置(圖2)。這些非均勻分布可以歸因于熱動(dòng)力穩(wěn)定性的局地變化，這已經(jīng)在大量的研究中觀測(cè)到(Mueller et al，1993；Weckwerth et al，1996)。一個(gè)邊界層輻合線附近強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展需要足夠的不穩(wěn)定性，而邊界層局地的濕度和溫度可以代表那里的大氣不穩(wěn)定性(Mueller et al，1993；Weckwerth et al，1996)。已經(jīng)有一些研究強(qiáng)調(diào)了精確估計(jì)水汽和溫度在對(duì)流初生和發(fā)展預(yù)報(bào)中的重要性。Woodcock(1960)第一個(gè)提出環(huán)境濕度的變化在CI中的重要作用，他觀測(cè)到當(dāng)?shù)蛯託鈭F(tuán)抬升時(shí)，濕氣團(tuán)首先到達(dá)抬升凝結(jié)高度(lifting condensation level，LCL)，因此將會(huì)首先通過(guò)潛熱釋放而增加浮力，加快氣團(tuán)抬升，從而形成新對(duì)流。Droegemeier and Wilhelmson(1985a)的模擬研究顯示，增加的低層濕度使得對(duì)流增長(zhǎng)更快，變得更強(qiáng)。Mueller et al(1993)發(fā)現(xiàn)在一個(gè)近中性的環(huán)境中，地面溫度或露點(diǎn)溫度擾動(dòng)2～4℃ 可能對(duì)對(duì)流的初生是很重要的，而這個(gè)量級(jí)的小尺度擾動(dòng)是很常見(jiàn)的。Lee et al(1991)和Crook(1996)進(jìn)行的數(shù)值模擬表明，水汽混合比改變1 g·kg-1會(huì)對(duì)對(duì)流發(fā)展有重要影響。而在邊界層內(nèi)經(jīng)常觀測(cè)到，幾千米距離內(nèi)水汽混合比就可變化1.5～2.5 g·kg-1(Weckwerth，2000)。Couvreux et al(2012)研究了西非半干旱環(huán)境中的CI，指出感熱通量、中低層的濕度、低層溫度直減率和一個(gè)中尺度上升流對(duì)半干旱條件中深厚對(duì)流的初生有重要作用。Kato(2018)研究東亞低層水汽的代表性高度，發(fā)現(xiàn)500 m以下的低層濕空氣對(duì)深厚濕對(duì)流的初生非常重要。

圖2 彎曲邊界附近濕度的水平分布 和上升流可能觸發(fā)CI (引自Murphey et al，2006)Fig.2 The relationship between horizontal distribution of moisture and updrafts near the curved boundary that may lead to CI (from Murphey et al, 2006)

沿著邊界的動(dòng)力變化也是CI的一個(gè)重要影響因子。例如，海岸線的形狀可以影響沿著海風(fēng)鋒的對(duì)流云分布(Purdom, 1976)。Pielke(1974)發(fā)現(xiàn)沿著海風(fēng)鋒，在海岸線的突出部位，因?yàn)楹ｊ懠訜岵煌鴮?dǎo)致了輻合和垂直速度極大值。也有觀測(cè)顯示與邊界有關(guān)的波模態(tài)或切變不穩(wěn)定性能產(chǎn)生沿著邊界的變化。Carbone et al(1990)觀測(cè)到沿著一個(gè)陣風(fēng)鋒的波模態(tài)頂點(diǎn)處(雷達(dá)觀測(cè)到一系列的80～150 km的弓狀回波)，有局地的輻合極大值，是對(duì)流初生和發(fā)展的有利區(qū)域。Weckwerth and Wakimoto(1992)發(fā)現(xiàn)在K-H波(Kelvin-Helmholtz；在地面之上1～2 km，有3～5 km的間隔，大約與邊界正交)逆切變一邊(上升運(yùn)動(dòng)一側(cè))有陣風(fēng)鋒上升流的極大值。Kingsmill(1995)假設(shè)，沿著出流邊界的來(lái)自于Helmholtz切變不穩(wěn)定的微氣旋(環(huán)流的半徑小于4 km；Fujita, 1981)，可以決定哪里會(huì)觸發(fā)深厚對(duì)流，Lee and Wilhelmson(1997a)的數(shù)值模擬也進(jìn)一步證明了這個(gè)假設(shè)。

對(duì)流的初生對(duì)大氣不穩(wěn)定性的微小變化很敏感(Mueller et al，1993；Crook，1996)。一般將不穩(wěn)性分成熱力不穩(wěn)定性和切變不穩(wěn)定性。局地位溫隨高度減小的區(qū)域存在熱力不穩(wěn)定性，例如，當(dāng)密度流向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于地面摩擦的影響，高層的氣流運(yùn)動(dòng)得較快，高層的密度流伸入前方密度較小的空氣中，形成密度流“鼻子”，低層空氣密度較小，高層空氣密度較大，導(dǎo)致不穩(wěn)定(Lee and Wilhelmson，1997a)。而大氣的不穩(wěn)定性對(duì)局地的濕度變化也很敏感，有時(shí)比溫度變化更敏感。這是因?yàn)樗Y(jié)釋放的潛熱明顯大于氣團(tuán)溫度增加所需的熱量(俞小鼎等，2012；鄭永光等，2017)。切變不穩(wěn)定性的理論研究可以追溯到Helmholtz(1868)，他指出切變不穩(wěn)定性在兩個(gè)不同流速之間的過(guò)渡區(qū)形成。Rayleigh(1879)的拐點(diǎn)理論指出，切變不穩(wěn)定性的一個(gè)必要條件是過(guò)渡區(qū)的速度廓線上必須有一個(gè)拐點(diǎn)，而在拐點(diǎn)處渦度必然變號(hào)，形成不同的渦旋，這與Helmholtz(1868)發(fā)現(xiàn)的自由切變層中的渦街一致。例如，Mueller and Carbone(1987)研究了一個(gè)陣風(fēng)鋒的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)和特征，表明由于冷池出流與其上方環(huán)境風(fēng)速不同，在陣風(fēng)鋒附近產(chǎn)生K-H不穩(wěn)定性，并隨著冷池出流向前移動(dòng)而向后傳播，最終在逆切變側(cè)(上升運(yùn)動(dòng)一側(cè))產(chǎn)生C

I。

1.2 水平對(duì)流卷

水平對(duì)流卷(horizontal convective rolls，HCRs)包含對(duì)流邊界層內(nèi)的相反旋轉(zhuǎn)渦(LeMone，1973)，其形成受感熱通量和風(fēng)切變的影響(Wakimoto and Atkins，1994)。一些研究已經(jīng)表明熱力不穩(wěn)定性是HCRs的主要強(qiáng)迫機(jī)制(Kuo，1963；Asai，1970a；1970b；1972)，而也有些研究發(fā)現(xiàn)，HCRs形成后動(dòng)力不穩(wěn)定性是主要的(Faller，1963；Lilly，1966；Stensrud and Maddox，1988)。但是從大多數(shù)關(guān)于HCRs的研究發(fā)現(xiàn)，熱力和動(dòng)力不穩(wěn)定性的共同作用對(duì)HCRs的形成是必要的(Miura，1986；Kristovich，1993；Weckwerth et al，1997)。

Wilson et al(1992)發(fā)現(xiàn)在輻合線與HCRs的碰撞處，上升流加強(qiáng)，觸發(fā)了新對(duì)流。Xue and Martin(2006b)研究中發(fā)現(xiàn)HCRs在干線的兩邊都存在，其寬高比(卷軸間距和深度的比值)為3～7。西邊的HCRs更強(qiáng)，它們的上升流有幾米每秒，在地面產(chǎn)生強(qiáng)的濕度輻合帶，與干線相交，干線變成波狀。HCRs的下沉流在地面產(chǎn)生輻散，產(chǎn)生了非對(duì)稱的地面輻散模式，修正了最大輻合的位置。地面輻散幫助集中背景的垂直渦度，成為渦中心或微氣旋。但是微氣旋不與最大的上升流和CI的位置相同，其促進(jìn)微氣旋南北兩邊的地面輻合，從而有助于CI的產(chǎn)生。HCRs主要與其他邊界相互作用觸發(fā)CI(Wakimoto and Atkins，1994；Atkins et al，1995；Fovell，2005)，目前還沒(méi)有關(guān)于HCRs單獨(dú)觸發(fā)對(duì)流的詳細(xì)研究。

1.3 微氣旋

Wilson et al(1992)的研究結(jié)果表明，對(duì)流的初生經(jīng)常與沿著輻合線的微氣旋有關(guān)。Kingsmill(1995)觀測(cè)到沿著一個(gè)陣風(fēng)鋒的一系列間隔3～5 km 的小尺度(2～4 km)的垂直渦度極大值，相似的特點(diǎn)也被大量觀測(cè)到(Carbone，1982；1983；Wakimoto and Wilson，1989；Wilson et al，1992；Arnott et al，2006；Murphey et al，2006)。Fujita(1981)將這種類型的環(huán)流稱為微氣旋。Kingsmill(1995)假設(shè)這些微氣旋起源于水平切變不穩(wěn)定(有時(shí)候也被稱為K-H不穩(wěn)定)。在每個(gè)垂直渦度極大值附近觀測(cè)到輻合和垂直速度極大值，但是這些位置并不是CI產(chǎn)生的地方。Lee and Wilhelmson(1997a；1997b)的模擬發(fā)現(xiàn)，穿過(guò)邊界的強(qiáng)水平風(fēng)切變觸發(fā)了不穩(wěn)定性，加強(qiáng)了微氣旋的垂直渦度。但在微氣旋環(huán)流中心西北和東南加強(qiáng)的低層輻合區(qū)域，有加強(qiáng)的上升流，因此更容易出現(xiàn)CI(如圖3b中的“+”表示的輻合加強(qiáng)區(qū)域)。但是，F(xiàn)riedrich et al(2005)發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)鋒經(jīng)常只有一小部分的微氣旋明顯，一些輻合極大值只出現(xiàn)在微氣旋環(huán)流中心的一側(cè)，一些出現(xiàn)在兩側(cè)，而大多數(shù)輻合極大值幾乎與微氣旋環(huán)流中心重合，而不是如圖3b中在微氣旋環(huán)流中心對(duì)稱的西北和東南兩側(cè)。

圖3 沿著一個(gè)出流邊界的輻合、微氣旋和上升流 (a)3D圖(引自Lee and Wilhelmson，1997a)， (b)水平圖(+表示輻合加強(qiáng)，×表示正垂直渦度加強(qiáng)；引自Friedrich et al，2005)Fig.3 Schematic diagrams showing convergence, misocyclones and updrafts along an outflow boundary (a) 3D (from Lee and Wilhelmson, 1997a), (b) 2D (+ represents enhanced convergence, × represents enhanced positive vertical vorticity； from Friedrich et al, 2005)

已經(jīng)有研究表明不穩(wěn)定性的水平切變可以產(chǎn)生垂直渦度(Miles and Howard，1964；Mueller and Carbone，1987；Kingsmill，1995；Roberts and Wilson，1995)。另外，垂直渦度拉伸(Wilson et al，1992)和水平渦度傾斜(Atkins et al，1995)也被觀測(cè)到是垂直渦度的主要影響因子。對(duì)流邊界層的大渦模擬也檢驗(yàn)了渦度的形成機(jī)制。例如，Kanak et al(2000)發(fā)現(xiàn)局地的垂直渦度傾向于在垂直速度極大值內(nèi)出現(xiàn)。Kanak et al(2000)和Shapiro and Kanak(2002)猜想，水平渦度最初是由密度流產(chǎn)生，然后這個(gè)水平渦度由于垂直速度的水平梯度而傾斜，產(chǎn)生垂直渦度。因?yàn)榇怪彼俣扰c渦度之間的反饋，邊界層渦度的演化很大程度上與CI有關(guān)。這些反饋已經(jīng)經(jīng)過(guò)深厚濕對(duì)流的深入理論和數(shù)值模型研究(Klemp，1987)。上升流平流和垂直渦度拉伸，在大多數(shù)強(qiáng)雷暴案例中也會(huì)導(dǎo)致非超級(jí)單體龍卷的發(fā)展(Wakimoto and Wilson，1989)。

1.4 垂直切變

研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境垂直風(fēng)切變與邊界熱動(dòng)力場(chǎng)的相互配合，對(duì)對(duì)流的觸發(fā)和維持也有重要作用(Droegemeier and Wilhelmson，1985b；1987；Mahoney Ⅲ，1988；Rotunno et al，1988；Weisman et al，1988；Weisman and Rotunno,2004；Bryan et al，2006；Lombardo and Colle，2012；2013；陳明軒和王迎春，2012；魯蓉等，2019)。對(duì)流前的環(huán)境垂直風(fēng)切變和對(duì)流降水形成的冷池相互作用，會(huì)直接影響到冷池前沿(即出流邊界)附近的近地面空氣的抬升程度。Thorpe et al(1982)和Rotunno et al(1988)已經(jīng)表明相對(duì)陣風(fēng)鋒的低層風(fēng)切變與對(duì)流的生命周期相關(guān)。Rotunno et al(1988)強(qiáng)調(diào)了一個(gè)深厚上升流對(duì)觸發(fā)對(duì)流的重要性。他們的模擬表明，當(dāng)環(huán)境低層風(fēng)切變與對(duì)流冷出流導(dǎo)致的環(huán)流各自相關(guān)的水平渦度平衡時(shí)，才產(chǎn)生垂直的深上升流，從而沿著輻合邊界觸發(fā)深厚對(duì)流。一個(gè)不利的切變環(huán)境可能使得上升流傾斜，以至于抬升的氣團(tuán)不能到達(dá)它們的自由對(duì)流高度(level of free convection，LFC)。而對(duì)于CI的產(chǎn)生，在離開(kāi)邊界層輻合區(qū)域之前，使得邊界層氣團(tuán)到達(dá)它們的LFC是很重要的。另外，Johns and Doswell Ⅲ(1992)和McNulty(1995)發(fā)現(xiàn)0～6 km有強(qiáng)垂直切變時(shí)，有利于多單體或超級(jí)單體的發(fā)生發(fā)展，在較弱的垂直切變中，對(duì)流單體在向下風(fēng)方向傳播時(shí)迅速消失(Ziegler and Rasmussen，1998)。陳明軒和王迎春(2012)的模擬研究發(fā)現(xiàn)，0～3 km低層垂直切變對(duì)颮線的發(fā)展維持最重要。而Abulikemu et al(2019)發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)鋒上方，向鋒前傾斜的上升流在CI過(guò)程中起重要作用，與中層垂直風(fēng)切變(約3～5 km)有關(guān)的正渦度導(dǎo)致了這個(gè)向前傾斜的上升流，這與考慮低層切變的RKW理論(Rotunno-Klemp-Weisman)(Rotunno et al，1988)不同，強(qiáng)調(diào)了中層垂直風(fēng)切變?cè)贑I過(guò)程中的作用(圖4)。

圖4 與陣風(fēng)鋒頂部中層垂直風(fēng)切變有關(guān)的CI過(guò)程 (紅色向上的箭頭表示陣風(fēng)鋒前邊界向前傾斜的上升流， 藍(lán)色箭頭表示來(lái)自于環(huán)境的氣流，上面的紫色 彎曲箭頭表示兩個(gè)低層氣流的輻合和中層垂直風(fēng) 切變導(dǎo)致的向前傾斜的上升流；引自Abulikemu et al，2019)Fig.4 Schematic model showing the mechanism of the CI process associated with the ambient vertical wind shear on top of the gust front (Red upward arrow depicts the forward-tilting updraft at the leading edge of the gust front, blue arrow shows another air stream coming from the ambient field, curved purple arrow above them represents the convergence of the low-level airflows and the forward-tilting updraft caused by the positive vorticity associated with the ambient vertical wind shear on top of the gust front； from Abulikemu et al, 2019)

1.5 地形效應(yīng)

山脈地形會(huì)導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)的垂直和水平擾動(dòng)，這些擾動(dòng)增加了山區(qū)CI出現(xiàn)的可能性(Banta and Schaaf，1987；Kottmeier et al，2008；Langhans et al，2011；Houze，2012；Weckwerth et al，2014)。近幾十年來(lái)，國(guó)際上開(kāi)展了多個(gè)不同地形條件下的對(duì)流觸發(fā)試驗(yàn)，如：對(duì)流初生與下?lián)舯┝髟囼?yàn)(Convection Initiation and Downburst Experiment，CINDE)(Wilson et al，1988)，龍卷旋轉(zhuǎn)起源驗(yàn)證試驗(yàn)(Verifying the Origins of Rotation in Tornadoes Experiment，VORTEX)(Rasmussen et al，1994)，對(duì)流和降水/閃電項(xiàng)目(Convection and Precipitation/Electrification，CaPE)(Wilson and Megenhardt，1997)，IHOP(Weckwerth et al，2004；Wilson and Roberts，2006)，CSIP(Browning et al，2007)，COPS(Wulfmeyer et al，2011)，強(qiáng)雷暴和阿爾伯塔邊界層理解試驗(yàn)(Understanding Severe Thunderstorms and Alberta Boundary Layers Experiment，UNSTABLE)(Taylor et al，2011)，美國(guó)大平原夜間高架對(duì)流試驗(yàn)(the Plains Elevated Convection at Night，PECAN)(Geerts et al，2017)，以及東京都市圈關(guān)于極端天氣彈性城市的對(duì)流研究計(jì)劃(Tokyo Metropolitan Area Convection Study for Extreme Weather Resilient Cities，TOMACS)(Misumi et al，2019)。利用這些試驗(yàn)期間獲取的豐富觀測(cè)資料，結(jié)合數(shù)值模擬研究，人們對(duì)不同地形附近的對(duì)流觸發(fā)過(guò)程和機(jī)理有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。已經(jīng)有一些研究提出了幾個(gè)概念模型來(lái)理解地形對(duì)CI的影響(Banta and Schaaf，1987；Houze，2012；Kirshbaum et al，2018)。最簡(jiǎn)單的機(jī)制是機(jī)械抬升(圖5a)。在山地迎風(fēng)坡，入流被機(jī)械抬升，導(dǎo)致了凝結(jié)，出現(xiàn)新對(duì)流。相反，在背風(fēng)坡，那里的下坡風(fēng)被加熱和變干，對(duì)流被抑制(Smith，1979)。另一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)制是由于不同太陽(yáng)輻射加熱導(dǎo)致的山地-平原環(huán)流(Wolyn and Mckee，1994)，白天形成的上坡風(fēng)在山頂輻合，經(jīng)常產(chǎn)生CI(圖5c)。夜晚則相反，下坡風(fēng)與環(huán)境中的入流輻合，在山腳產(chǎn)生上升流，有可能產(chǎn)生CI(圖5d)。另外，背風(fēng)面輻合也有利于產(chǎn)生CI(圖5b)，而山后的重力波上升流使得局地氣團(tuán)增濕，增加了不穩(wěn)定性，有可能產(chǎn)生CI(圖5e)，但大多數(shù)需要與其他因素協(xié)同作用。例如，與山后入流導(dǎo)致的低層輻合共同作用，高低空疊加的上升流更容易產(chǎn)生深厚對(duì)流(圖5f)。

圖5 地形影響CI的概念圖 (a)機(jī)械抬升，(b)背風(fēng)面輻合，(c)白天山頂熱力強(qiáng)迫的上升流和對(duì)流，(d)夜間山腳附近的下沉氣流和對(duì)流， (e)山丘后的背風(fēng)波，(f)背風(fēng)側(cè)高空重力波上升流和上坡流 (圖5e引自Houze，2012；其他引自Kirshbaum et al，2018)Fig.5 Schematic of basic mechanisms of CI over mountains (a) mechanical lift, (b) lee-side convergence, (c) daytime thermally forced anabatic flow and convection over the crest, (d) nocturnal katabatic flow and convection near the mountain base, (e) lee wave, (f) lee-side gravity wave ascent aloft and upslope flow (Fig.5e from Houze, 2012; others from Kirshbaum et al, 2018)

地形對(duì)CI的影響已經(jīng)在全世界不同地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)。例如，Tripoli and Cotton(1989a；1989b)檢查落基山脈背后的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(mesoscale convective system，MCS)發(fā)現(xiàn)，地形導(dǎo)致的熱力和機(jī)械流通過(guò)與環(huán)境氣流的相互作用創(chuàng)造了一個(gè)有利于CI的環(huán)境。Smith et al(2009)研究熱帶地區(qū)的地形降水發(fā)現(xiàn)，迎風(fēng)坡的條件不穩(wěn)定導(dǎo)致了對(duì)流被抬升觸發(fā)。Weckwerth et al(2011)關(guān)于歐洲復(fù)雜地形的研究也發(fā)現(xiàn)，CI更易于在較高的地形處產(chǎn)生。在京津冀地區(qū)的白天，在山上的大氣比在周圍的加熱得更快，上坡氣流在山頂輻合。當(dāng)氣團(tuán)超過(guò)它們的LFC時(shí)，對(duì)流被觸發(fā)。在夜晚，環(huán)流相反，對(duì)流在山頂被抑制。當(dāng)一個(gè)邊界層中的低空急流遇到地形差異或海岸(不同的地表摩擦)時(shí)，它會(huì)因此產(chǎn)生有助于CI的抬升(Chen et al，2014)。中國(guó)西南部的青藏高原與四川盆地和華中山脈與華東平原熱力差異導(dǎo)致山脈-平原環(huán)流，其上坡風(fēng)有助于產(chǎn)生CI(Sun and Zhang，2012；Jin et al，2013；Li et al，2017)。而夜間華南海岸地形導(dǎo)致的山脈-平原環(huán)流與陸風(fēng)聯(lián)合，加強(qiáng)離岸輻合，從而產(chǎn)生新對(duì)流(Chen et al，2016)。Bai et al(2020)也發(fā)現(xiàn)華南大多數(shù)CI集中于海岸線100 km之內(nèi)，并且受局地地形和海陸差異影響很大。Cancelada et al(2020)發(fā)現(xiàn)相比平原，南美東南部的CI更容易發(fā)生在山脈附近。Branch et al(2020)表明阿拉伯半島東北部的夏季CI傾向于在最高峰處和山脊沿海一邊產(chǎn)生。

Wang et al(2016)研究了大別山的CI機(jī)制，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生CI的輻合線由不同尺度的地形產(chǎn)生。Hua et al(2020)研究了山西高原多尺度地形對(duì)對(duì)流降水系統(tǒng)初生和維持的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最初的對(duì)流在山西高原的小尺度太岳山被觸發(fā)。在夜間有一個(gè)穩(wěn)定的邊界層，太岳山產(chǎn)生地形重力波。重力波導(dǎo)致的抬升使得低對(duì)流層絕熱變冷和飽和，因此產(chǎn)生一個(gè)有利于CI的濕絕對(duì)不穩(wěn)定層。在白天，由于太岳山和長(zhǎng)治盆地之間的太陽(yáng)輻射加熱差異，一個(gè)山地-平原環(huán)流建立，上坡風(fēng)增加了山上的低層輻合，最終促進(jìn)了CI的產(chǎn)生。但關(guān)于多尺度地形對(duì)CI影響的研究還比較少，仍需要更多的進(jìn)一步研究。

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外目前對(duì)CI機(jī)理的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)邊界層輻合線、溫濕度擾動(dòng)及不穩(wěn)定性、微氣旋、垂直切變和地形等因素都對(duì)CI的產(chǎn)生可能有一定的影響。但是很多局地離散對(duì)流單體的初生機(jī)制還不是很清楚，因此還需要對(duì)邊界層熱動(dòng)力場(chǎng)和不同發(fā)展階段積云的更詳細(xì)觀測(cè)，以了解對(duì)流初生和演化的更多細(xì)節(jié)。在進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)時(shí)，需要組合雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)探測(cè)輻合線，使用高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)探測(cè)云增長(zhǎng)，以及利用地面和探空數(shù)據(jù)來(lái)綜合估計(jì)產(chǎn)生新對(duì)流的可能性和具體機(jī)制。

2 夜間高架CI的機(jī)理

在夜間時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的邊界層(stable boundary layer，SBL)，其抑制近地面輻合區(qū)域，不穩(wěn)定氣團(tuán)在SBL之上，因此常產(chǎn)生高架CI(Reif and Bluestein，2017；Weckwerth et al，2019)。高架對(duì)流定義為基底不在邊界層的對(duì)流，在暖季夜間常見(jiàn)(Weckwerth et al，2019)。預(yù)報(bào)夜間高架CI特別有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗?jīng)常在900～600 hPa產(chǎn)生(Wilson and Roberts，2006)，因此掌握穩(wěn)定邊界層之上的精細(xì)特征對(duì)夜間CI的預(yù)報(bào)更重要(Squitieri and Gallus，2016)。

典型的觀測(cè)系統(tǒng)不能觀測(cè)高空高時(shí)空分辨率的溫度、濕度和風(fēng)場(chǎng)條件(Clark et al，2007)。但在過(guò)去十年，夜間對(duì)流的案例研究已經(jīng)很多，特別是那些使用外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)的研究，例如IHOP和PECAN。已有的研究表明，夜間CI(nocturnal convection initiation，NCI)與涌和重力波(Koch et al，2008a；2008b)，以及低空急流出口區(qū)域的暖平流和中尺度輻合有關(guān)(Stelten and Gallus，2017；Trier et al，2017；Wilson et al，2018)。Wilson and Roberts(2006)注意到中層輻合和條件不穩(wěn)定是IHOP期間觸發(fā)夜間對(duì)流的主要因子。但是這些不是全面的，也可能有其他產(chǎn)生CI的特征或機(jī)制。

2.1 低空急流

低空急流(low-level jet，LLJ)對(duì)夜間對(duì)流的初生和維持很重要(Rasmussen and Houze，2016；Reif and Bluestein，2017；Gebauer et al，2018；Shapiro et al，2018；Weckwerth et al，2019)。LLJ是大氣低層風(fēng)速的極大值區(qū)，一般在離地面1 km之內(nèi)(Song et al，2005；Shapiro et al，2016)。LLJ提供了對(duì)強(qiáng)對(duì)流有利的熱動(dòng)力條件(Trier and Parsons，1993；Marsham et al，2011)。沿著LLJ終點(diǎn)的水平輻合導(dǎo)致大尺度抬升(Tuttle and Davis，2006)，LLJ在穩(wěn)定的夜間邊界層之上向上和向北的濕度輸送，降低了環(huán)境的穩(wěn)定度(Trier and Parsons 1993；Zhang et al，2019；Trier et al，2020)，從而有利于對(duì)流的初生和演化(圖6)。LLJ也可以產(chǎn)生強(qiáng)切變不穩(wěn)定性(孫淑清和翟國(guó)慶，1980)，根據(jù)一個(gè)颮線理論(RKW理論)，與LLJ有關(guān)的低層切變有利于中低層大氣抬升，從而有助于產(chǎn)生CI(Rotunno et al，1988)。另外的解釋是，CI的產(chǎn)生與急流的反氣旋切變側(cè)的輻合有關(guān)(Bonner，1966)。最近的研究表明，急流的反氣旋切變側(cè)有上升流，這是因?yàn)榧绷鞣礆庑凶儌?cè)的反氣旋渦度隨著急流強(qiáng)度的減弱而減小，根據(jù)連續(xù)方程可以產(chǎn)生上升氣流(Pu and Dickinson，2014)。

圖6 LLJ觸發(fā)CI的截面圖 [黑色區(qū)域表示自西向東的地形(從左到右)，綠色表示水汽，黑虛線表示等熵線， 紅色橢圓區(qū)域表示西南氣流，紅色實(shí)心區(qū)域表示LLJ核，紫色橢圓區(qū)域表示 東南氣流；引自Weckwerth et al(2019)]Fig.6 Vertical cross-sectional conceptual model illustrating processes and features that may contribute to LLJ-only NCI [Black area is topography from west to east (left to right), green indicates higher moisture content, dotted line indicates isentropic curve, red elliptic domain and purple elliptic domain indicate southwesterly flow and southeasterly flow, respectively, with embedded solid red region showing the LLJ core； from Weckwerth et al (2019)]

Gebauer et al(2018)的研究顯示，在一個(gè)強(qiáng)轉(zhuǎn)向的LLJ的頂部有濕度平流和輻合，在晚上LLJ最強(qiáng)時(shí)導(dǎo)致CI。LLJ和東西向大氣鋒面邊界的交叉處可能是另一個(gè)有利于對(duì)流發(fā)展的區(qū)域(Trier and Parsons，1993)。LLJ與高空急流(upper-level jet，ULJ)的耦合有時(shí)也會(huì)在NCI中起重要作用(Moore et al，2003)。1 km之下的邊界層急流(boundary layer jet，BLJ)和1～4 km之內(nèi)的天氣尺度低空急流(synoptic-system-related low-level Jet，SLLJ)可能會(huì)同時(shí)存在。例如，Du and Chen(2018；2019)的研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)南海北部的夜間BLJ在近海岸加強(qiáng)了邊界層(約950 hPa)的輻合，內(nèi)陸冷鋒南面SLLJ的入口區(qū)域提供了對(duì)流層低層(約700 hPa)的輻散。這樣的低層輻合和中層輻散共同作用，在海岸產(chǎn)生了強(qiáng)的中尺度抬升。另外，兩個(gè)低層急流也提供了附加的小尺度擾動(dòng)，這些小擾動(dòng)可以作為低對(duì)流層的有效加濕機(jī)制，從而最終觸發(fā)CI。

2.2 涌或密度流

涌可能在高架NCI的觸發(fā)中起了重要作用(Haghi et al，2019；Parsons et al，2019)。水中的潮涌首先被認(rèn)識(shí)到，直到20世紀(jì)，才發(fā)現(xiàn)大氣中也存在涌。一般，當(dāng)?shù)蛯託饬鞅幻芏攘骰蚬腆w阻礙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生類似于“水躍”的擾動(dòng)，當(dāng)較輕的氣流不能夠完全處于較重氣流的上面時(shí)，它就可能發(fā)展成一個(gè)涌。一般涌經(jīng)過(guò)時(shí)，地面氣壓升高，氣溫不會(huì)改變或微弱上升。1948年一個(gè)對(duì)流產(chǎn)生的涌被Tepper(1950)定義，直到半個(gè)世紀(jì)之后，涌和深厚對(duì)流的相互作用才被又一次研究(Carbone et al，1990；Karyampudi et al，1995)。大量的觀測(cè)研究已經(jīng)表明夜間對(duì)流可以產(chǎn)生涌(Koch et al，1991；2008a；2008b；Knupp，2006；Wilson and Roberts，2006；Martin and Johnson，2008；Coleman et al，2010；Hartung et al，2010；Coleman and Knupp，2011；Watson and Lane，2016),其中除了Wilson and Roberts (2006)之外，其他研究都是案例研究。第一個(gè)研究涌的外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)是IHOP，相關(guān)的研究表明涌經(jīng)常沿著MCS出流發(fā)展和可能觸發(fā)CI(Wilson and Roberts，2006；Haghi et al，2017)。為了不限于只是案例研究，Haghi et al(2017)使用IHOP的觀測(cè)，進(jìn)行了一個(gè)涌和夜間環(huán)境動(dòng)力關(guān)系的系統(tǒng)研究。

最近大氣涌已經(jīng)受到了很多關(guān)注(Haghi et al，2019)。涌通過(guò)抬升氣團(tuán)到高空，導(dǎo)致氣團(tuán)變得濕冷(Knupp，2006；Koch et al，2008a；2008b)，減小LFC和對(duì)流抑制能量(convection inhibition，CIN)(Loveless et al，2019；Parsons et al，2019)，最后抬升容易超過(guò)LFC高度，出現(xiàn)NCI(Haghi et al，2017；Parsons et al，2019)。最近Haghi et al(2017)的研究表明對(duì)流冷池和低對(duì)流層相互作用產(chǎn)生了涌，涌的上升流自身可以將不穩(wěn)定層抬升到LFC，從而直接維持深厚對(duì)流，而不需要其他的上升流，這與Parker(2008)的觀測(cè)一致。Parsons et al(2019)的研究發(fā)現(xiàn)涌也可以與LLJ共同作用促進(jìn)CI產(chǎn)生。LLJ出口輻合產(chǎn)生的中尺度上升流與對(duì)流層低層的涌的上升流疊加，最終在夜間逆溫層上方觸發(fā)新對(duì)流(圖7)。

圖7 涌和LLJ觸發(fā)CI的概念圖 (引自Parsons et al，2019)Fig.7 Schematic diagram of the potential roles of bore and LLJ in CI (from Parsons et al, 2019)

但是一些觀測(cè)顯示新對(duì)流可以在涌的前面產(chǎn)生，涌的前邊界和最大上升流的位置間的距離較遠(yuǎn)(約10～100 km)，使得CI的產(chǎn)生歸因困難(Haghi et al，2017)。在Blake et al(2017)的模擬中，涌的抬升使得對(duì)流附近環(huán)境的穩(wěn)定度下降，這對(duì)于深厚對(duì)流的觸發(fā)或維持更有利，但是對(duì)流是由其他過(guò)程觸發(fā)的。同時(shí)，涌也繼續(xù)向?qū)α飨到y(tǒng)前方傳播，CI究竟是被后面?zhèn)鱽?lái)的涌的抬升觸發(fā)還是被其他過(guò)程觸發(fā)，這是很難確定的(Parsons et al，2019)。

當(dāng)對(duì)流產(chǎn)生的冷池(例如，來(lái)自于一個(gè)MCS)和其他的密度流(例如，海風(fēng)鋒或冷鋒)侵入SBL足夠深度時(shí)，可能出現(xiàn)涌。涌和密度流是相似的，因?yàn)樗鼈兘?jīng)過(guò)時(shí)都有氣壓跳躍。當(dāng)一個(gè)密度流經(jīng)過(guò)時(shí)，地面溫度典型地下降，但是當(dāng)涌經(jīng)過(guò)時(shí)，地面氣壓增加，而氣溫不一定增加(Haghi et al，2019)。并且涌經(jīng)常比母密度流傳播得快，這也可以區(qū)分二者。NCI可以由涌或密度流組合觸發(fā)。

涌的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槟壳暗拇怪崩€觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)很稀疏。地面觀測(cè)資料盡管豐富，但是只能估計(jì)一個(gè)密度流或基于流體靜力學(xué)假設(shè)的涌或波的特性(Haghi et al，2019)。實(shí)際上，密度流、涌和孤立波可以都顯示為雷達(dá)反射率因子中的一系列的晴空回波細(xì)線，高層很濕時(shí)，在衛(wèi)星云圖上還可以表現(xiàn)為云線(Wilson and Roberts，2006；Haghi et al，2017；Mueller et al，2017)。

2.3 重力波

重力波包含K-H波、深厚對(duì)流產(chǎn)生的重力波和孤立波，在夜間是常見(jiàn)的(Trexler and Koch，2000；Richiardone and Manfrin，2003)。這些波與上升流和下沉流對(duì)相關(guān)，可以導(dǎo)致500 m到超過(guò)1 km的上升流，垂直速度達(dá)到1～5 m·s-1。來(lái)自于低層重力波擾動(dòng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)可以觸發(fā)新對(duì)流(Bretherton and Smolarkiewicz，1989；Pandya and Durran，1996；Lane and Reeder，2001；Lane and Zhang，2011；Adams-Selin and Johnson，2013)。對(duì)流可以產(chǎn)生重力波，理想數(shù)值模擬通常使用垂直加熱廓線上的波腹數(shù)量來(lái)標(biāo)記波模式。深的快波型的垂直波長(zhǎng)是兩倍對(duì)流層深度，稱為n=1模式，可以通過(guò)對(duì)流的中層非絕熱加熱產(chǎn)生(Nicholls et al，1991b)。n=2模式和n=3模式的垂直波長(zhǎng)分別為對(duì)流層深度和2/3對(duì)流層深度，可以通過(guò)對(duì)流的高層非絕熱加熱和低層非絕熱冷卻產(chǎn)生，并在對(duì)流層低層有上升流，可減小CIN，這產(chǎn)生了有利于CI的條件(Lac et al，2002；Lane and Zhang，2011；Birch et al，2013)。不同模式波的傳播速度不同，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，傳播得越快(Nicholls et al，1991b)。這些重力波經(jīng)常在MCS中發(fā)生，一般可以同時(shí)產(chǎn)生不同模式的波，波模式也與MCS的發(fā)展階段有關(guān)，而CI一般受n=2模式和n=3模式的重力波影響最大。

中緯度的對(duì)流層重力波以及它們對(duì)對(duì)流觸發(fā)和組織的影響被很好地記錄(Stobie et al，1983；Uccellini and Koch，1987)。Uccellini(1975)從氣壓場(chǎng)的擾動(dòng)中探測(cè)到重力波，波長(zhǎng)是400～500 km，相速度有35～40 m·s-1，能觸發(fā)對(duì)流或加強(qiáng)已經(jīng)存在的對(duì)流。Lindzen and Tung(1976)的一個(gè)理論分析表明重力波可能在與Uccellini(1975)相似的環(huán)境中存在，并且觀測(cè)到的對(duì)流線尺度與重力波的尺度也相當(dāng)。Schmidt and Cotton(1990)也表明重力波對(duì)颮線組織和結(jié)構(gòu)有重要影響。Clark et al(1986)提出邊界和重力內(nèi)波之間的耦合可以觸發(fā)深厚對(duì)流。Weckwerth and Wakimoto(1992)發(fā)現(xiàn)，在出流邊界的頂部，對(duì)流單體的初生是由于K-H波和重力內(nèi)波(internal gravity wave，IG)的聯(lián)合作用。K-H波幾乎與陣風(fēng)鋒垂直，與K-H波相關(guān)的環(huán)流和陣風(fēng)鋒的交叉部分是有利于CI的位置。之后在K-H波相對(duì)陣風(fēng)鋒向后傳播時(shí)，對(duì)流單體出現(xiàn)在K-H波環(huán)流的上升流一側(cè)。另外，陣風(fēng)鋒激發(fā)的IG與陣風(fēng)鋒平行，與IG有關(guān)的加強(qiáng)的上升流，導(dǎo)致了沿著K-H波上升流一側(cè)的對(duì)流單體周期性排列。Lac et al(2002)的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，新對(duì)流單體經(jīng)常發(fā)生在一個(gè)強(qiáng)對(duì)流之前幾百千米的地方，這是因?yàn)閷?duì)流激發(fā)的快速模態(tài)(>15 m·s-1)重力波向前傳播，激發(fā)了新對(duì)流。Su and Zhai(2017)發(fā)現(xiàn)對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的重力波與輻合線相互作用，促進(jìn)了CI的產(chǎn)生。

相比之下，因?yàn)槿狈μ貏e觀測(cè)，熱帶地區(qū)靜力穩(wěn)定性較弱，對(duì)流層重力波很少被記錄。Mapes(1993)提出了一個(gè)關(guān)于熱帶對(duì)流層重力波作用的新觀點(diǎn)，與一般的觀點(diǎn)相反。一般認(rèn)為與對(duì)流上升有關(guān)的補(bǔ)償下沉限制了附近對(duì)流(Asai and Kasahara，1967)，而Mapes(1993)的研究表明與浮力涌(垂直波長(zhǎng)是對(duì)流層深度)有關(guān)的垂直運(yùn)動(dòng)，有助于附近更多對(duì)流的發(fā)展，并認(rèn)為這個(gè)機(jī)制導(dǎo)致了熱帶對(duì)流的聚群CI特點(diǎn)。

對(duì)流的低層冷卻是低頻重力波和冷池產(chǎn)生的原因，因此對(duì)流可以同時(shí)產(chǎn)生低頻重力波和涌。最近的研究表明對(duì)流層重力波和涌移動(dòng)速度相似。IHOP研究的涌的速度中等，約為11 m·s-1，只有一些速度峰值超過(guò)20 m·s-1。n=2模式或n=3模式的重力波波速分別約為15 m·s-1和10 m·s-1。因此盡管涌是由于對(duì)流出流入侵SBL，對(duì)流層重力波是由于對(duì)流加熱，但是對(duì)流也有可能同時(shí)產(chǎn)生對(duì)流層重力波和涌，兩者通過(guò)抬升低層大氣，減小穩(wěn)定度，有利于CI的產(chǎn)生?，F(xiàn)在的理論還不能說(shuō)明這兩個(gè)現(xiàn)象怎么相互作用，未來(lái)的研究應(yīng)該弄清楚對(duì)流層重力波和涌的相互作用(Haghi et al，2019)。

2.4 其 他

NCI可以發(fā)生在一個(gè)MCS附近。Keene and Schumacher(2013)發(fā)現(xiàn)NCI可以在MCS后面出現(xiàn)，被稱為“弓箭”型，新對(duì)流在MCS的尾部(西或西北)發(fā)展，西南風(fēng)LLJ向北傳輸濕熱，這個(gè)暖濕氣團(tuán)保持了MCS冷池上的不穩(wěn)定性，并且與尾部入流的北風(fēng)或西北風(fēng)輻合，在弓狀回波的后部產(chǎn)生了高架對(duì)流(Keene and Schumacher，2013；Peters and Schumacher，2015；2016)。在MCS傳播方向前面出現(xiàn)的NCI叫做“T”型(Trier et al，2011)，“T”型新生對(duì)流一般出現(xiàn)在LLJ終點(diǎn)的北部，有時(shí)也與中尺度的鋒生有關(guān)(Coniglio et al，2011)。

在PECAN試驗(yàn)期間，觀測(cè)到一些NCI在離天氣尺度鋒面地面邊界100～300 km的冷側(cè)區(qū)域產(chǎn)生。這是因?yàn)榻?jīng)常有一個(gè)LLJ的低層強(qiáng)南風(fēng)，在鋒面上方有暖濕平流，對(duì)流抑制被破壞，可能發(fā)生CI(Moore et al，2003；Peters et al，2017)。

一些NCI不受任何邊界層輻合區(qū)域、密度流或LLJ的影響(Weckwerth et al，2019)。它們與高架輻合和持續(xù)的中尺度弱上升有關(guān)，這導(dǎo)致了一個(gè)增濕的抬升層，有助于增加對(duì)流有效位能(convective available potential energy，CAPE)，減小CIN和LFC，從而有利于NCI的產(chǎn)生(Wilson et al，2018)。在IHOP期間有近2/3的高架CI事件與高架輻合層有關(guān)(Wilson and Roberts，2006)。

Degelia et al(2018)注意到NCI的產(chǎn)生也與中尺度對(duì)流前的環(huán)境密切相關(guān)，而觀測(cè)顯示，對(duì)流前環(huán)境中的高架濕絕對(duì)不穩(wěn)定層(moist absolutely unstable layers，MAUL)是弱抬升環(huán)境中高架CI的一個(gè)常見(jiàn)特征(Trier et al，2017)。雖然MAUL內(nèi)沒(méi)有強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)，但是所有氣團(tuán)的CIN可忽略，對(duì)微小的垂直擾動(dòng)有不穩(wěn)定反應(yīng)。但是，關(guān)于CI發(fā)生之前高架MAUL熱動(dòng)力場(chǎng)演化和CI對(duì)MAUL定量貢獻(xiàn)的研究還較少。高架MAUL是否能確保一個(gè)弱抬升環(huán)境中的CI發(fā)生還未知，需要進(jìn)一步研究。

通過(guò)非絕熱過(guò)程，對(duì)流可以產(chǎn)生位勢(shì)渦度(potential vorticity，PV)異常(Li and Smith，2010)，例如，對(duì)流的潛熱釋放和高山上的太陽(yáng)輻射。Raymond and Jiang(1990)發(fā)現(xiàn)在一個(gè)氣旋性PV異常的順切變側(cè)可以產(chǎn)生1 cm·s-1的上升流，在逆切變側(cè)出現(xiàn)下沉流。在對(duì)流層中層，這個(gè)量級(jí)的上升流如果持續(xù)，可能足夠?qū)⒁粋€(gè)高架氣團(tuán)抬升到它的LFC。

除此之外，可能還有其他NCI機(jī)制沒(méi)有被詳細(xì)研究，這是因?yàn)槭褂矛F(xiàn)有的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)還辨別不出它們。例如，氣旋性位勢(shì)渦度差異的水平平流是夜間對(duì)流產(chǎn)生和維持的一個(gè)重要因素(Jirak and Cotton，2007)。MCS附近的NCI也與微物理過(guò)程有關(guān)，水汽蒸發(fā)可能冷卻和濕化MCS云砧之下的大氣，因此可能有助于新對(duì)流的產(chǎn)生(Knight et al，2004)。未來(lái)的外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)和高分辨率數(shù)值模型需要比之前更詳細(xì)地研究這些過(guò)程。

總的來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)NCI機(jī)理的研究已經(jīng)取得了很多成果，發(fā)現(xiàn)低空急流、密度流和涌、重力波等因素都對(duì)NCI的產(chǎn)生可能有一定的影響。但是還有其他NCI機(jī)制沒(méi)有被詳細(xì)研究，因此還需要更詳細(xì)的觀測(cè)網(wǎng)來(lái)對(duì)高架CI進(jìn)行研究，從而提高夜間對(duì)流的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)水平。

3 結(jié)論和展望

通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外CI機(jī)理的若干研究成果的歸納總結(jié)，可以得到以下結(jié)論：

(1)地基CI一般在下午和晚上發(fā)生，一般由邊界層輻合線觸發(fā)。盡管邊界對(duì)決定新對(duì)流大體的位置是重要的，但是其不能精確決定對(duì)流出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)。溫濕度擾動(dòng)及不穩(wěn)定性、微氣旋、垂直切變和地形等因素都對(duì)CI的產(chǎn)生可能有一定的影響，上述因子與邊界層輻合線的相互作用更加有利于地基CI。其中，大氣的不穩(wěn)定性對(duì)CI的影響很大，而不穩(wěn)定性對(duì)局地溫度尤其是濕度的變化很敏感。在不同邊界相互作用區(qū)域，近地面熱動(dòng)力不穩(wěn)定明顯增強(qiáng)，從而有利于CI的產(chǎn)生。環(huán)境垂直風(fēng)切變與邊界熱動(dòng)力場(chǎng)的相互配合，對(duì)對(duì)流的觸發(fā)和維持也有重要作用。另外，沿著邊界的微氣旋的垂直速度與渦度之間存在反饋，地形導(dǎo)致的熱力和機(jī)械流通過(guò)與環(huán)境氣流的相互作用，都會(huì)對(duì)地基CI產(chǎn)生一定的影響。

(2)與地面輻合無(wú)關(guān)的高架CI大多在夜間發(fā)生，其觸發(fā)經(jīng)常與高架輻合區(qū)域有關(guān)。在夜間時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的邊界層，抑制近地面輻合區(qū)域，不穩(wěn)定氣團(tuán)在SBL之上，只能產(chǎn)生高架CI。夜間CI與低空急流出口區(qū)域的暖平流和中尺度輻合、涌和重力波有關(guān)。低空急流在穩(wěn)定邊界層之上輸送水汽，降低了環(huán)境的穩(wěn)定度，其切變也可以產(chǎn)生上升氣流，提供了對(duì)強(qiáng)對(duì)流有利的熱動(dòng)力條件，對(duì)夜間高架對(duì)流的初生和維持很重要。對(duì)流可以產(chǎn)生重力波和涌，兩者通過(guò)抬升低層大氣，減小穩(wěn)定度，有利于高架CI的產(chǎn)生。涌的上升流也可以與LLJ出口的中尺度上升流共同作用促進(jìn)CI產(chǎn)生。一些高架CI與高架輻合和持續(xù)的中尺度上升有關(guān)，增濕的抬升層有助于增加CAPE，減小CIN和LFC，從而有利于CI的產(chǎn)生。但是還有其他NCI機(jī)制沒(méi)有被詳細(xì)研究，一些CI產(chǎn)生的主要原因歸因困難，因此還需要更詳細(xì)的觀測(cè)網(wǎng)對(duì)高架CI進(jìn)行研究。

CI是具有多尺度和強(qiáng)非線性的物理過(guò)程，這樣的復(fù)雜性使得目前對(duì)CI過(guò)程還有很多不清楚的地方，需要進(jìn)一步的詳細(xì)研究。未來(lái)需要加強(qiáng)關(guān)于CI以下幾個(gè)方面的研究：

(1)研究目前還不清楚的影響CI的中小尺度結(jié)構(gòu)特征和演化。例如，輻合線的起源是什么?什么環(huán)境中的什么輻合線容易觸發(fā)CI？輻合線的什么位置容易產(chǎn)生CI？輻合線產(chǎn)生CI的動(dòng)力過(guò)程除了低層輻合抬升，其與垂直風(fēng)切變相互配合對(duì)CI也很重要，但是具體是中層風(fēng)切變還是低層風(fēng)切變起作用？輻合線之前有云存在也可能是產(chǎn)生CI的一個(gè)關(guān)鍵因素，云下的大氣微物理過(guò)程具體怎么影響CI？HCRs和微氣旋渦度形成的具體機(jī)制是什么？強(qiáng)轉(zhuǎn)向LLJ和多尺度地形通過(guò)熱力作用和動(dòng)力作用具體怎么影響CI？涌是自己觸發(fā)CI，還是通過(guò)抬升使得附近環(huán)境的穩(wěn)定度下降，對(duì)流最終是由其他過(guò)程觸發(fā)？CI可以由密度流、涌和重力波組合觸發(fā)，如何識(shí)別它們和弄清楚它們的相互作用？CI發(fā)生之前高架MAUL的熱動(dòng)力場(chǎng)如何演化，反之CI對(duì)MAUL定量的貢獻(xiàn)究竟有多大？氣旋性PV異常及其平流具體對(duì)CI發(fā)生之前熱動(dòng)力場(chǎng)演化的影響是怎樣的？這些在之后的CI研究中都需要考慮，同時(shí)需要注意CI的影響因素很多，CI過(guò)程有時(shí)會(huì)受多個(gè)因子共同作用，有時(shí)在對(duì)流形成的不同階段的主要影響因子也會(huì)不同。

(2)研究不同下墊面、地形和氣候區(qū)的CI機(jī)制。不同地區(qū)的主要CI機(jī)制不同，還需要更多更細(xì)節(jié)的研究。理論研究的CI機(jī)理在實(shí)況中是否果真如此？例如，現(xiàn)在的研究大多是關(guān)于中緯度的，在熱帶地區(qū)，暖雨微物理在CI中的作用也很重要，因此需要修正之前的概念模型和發(fā)展新模型來(lái)描述不同類型CI主要的環(huán)境特征和物理過(guò)程。

(3)加強(qiáng)高時(shí)空分辨率的觀測(cè)，收集關(guān)于CI的數(shù)據(jù)。發(fā)展地面中尺度網(wǎng)，增加觀測(cè)密度和覆蓋范圍。目前業(yè)務(wù)探空網(wǎng)絡(luò)還很稀疏，觀測(cè)CI的預(yù)兆信息還是很困難的，需要像PECAN的綜合探空陣列(PECAN integrated sounding array，PISA)那樣加密布設(shè)雙偏振雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)和激光雷達(dá)等，探測(cè)大的液滴出現(xiàn)之前的云增長(zhǎng)特征，采樣高分辨率的低對(duì)流層溫度、濕度和風(fēng)廓線，從而更好地理解CI過(guò)程(Weckwerth et al，2019)。近年來(lái)隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，氣象衛(wèi)星時(shí)空分辨率提高，光譜通道增加，搭載不同高光譜分辨率探測(cè)儀，具有高時(shí)空分辨率、全天候、觀測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)镃I研究提供新的應(yīng)用途徑，進(jìn)一步提升強(qiáng)對(duì)流的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)水平(Bessho et al，2016；Yang et al，2017；Menzel et al，2018；馬鵬輝等，2014；卜茂賓等，2018)。但目前使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的方法都或多或少存在對(duì)CI高估的問(wèn)題，主要是因?yàn)槿狈?duì)深、淺對(duì)流在CI階段云頂物理量特征演變差異的認(rèn)識(shí)?？梢源?lián)中尺度網(wǎng)、氣球探空、廓線儀、多普勒雷達(dá)、衛(wèi)星、飛機(jī)和攝影測(cè)量的信息來(lái)檢驗(yàn)云的增長(zhǎng)。另外可以依據(jù)之前的理論成果來(lái)設(shè)計(jì)綜合外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)或目標(biāo)觀測(cè)試驗(yàn)，提高綜合的觀測(cè)效率。

(4)發(fā)展先進(jìn)的資料同化技術(shù)。開(kāi)發(fā)一個(gè)同化不同時(shí)空分辨率的多尺度觀測(cè)的模式，來(lái)改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)模型的初始條件，從而得到更精確的模型狀態(tài)。但是，由于提前可以探測(cè)到CI之前環(huán)境異常特征的時(shí)間有限，所以也要提高同化頻率，及時(shí)地追蹤C(jī)I的發(fā)展演變過(guò)程。

(5)加緊開(kāi)發(fā)千米乃至次千米的高分辨率短時(shí)臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)。在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中，CI過(guò)程的結(jié)構(gòu)和演化高度依賴于模型參數(shù)化，特別是邊界層模式和微物理模式，因此也應(yīng)該研究如何針對(duì)不同CI機(jī)制調(diào)整參數(shù)化模式。實(shí)際上，初始條件比模型配置對(duì)中短期(0～36 h)的對(duì)流預(yù)報(bào)技術(shù)有更大的影響，因此需要開(kāi)發(fā)對(duì)流尺度的數(shù)值模式，降低對(duì)參數(shù)化配置的依賴。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以很容易地組合各種數(shù)據(jù)源，模型只要給定足夠的復(fù)雜度，能夠估計(jì)任何連續(xù)函數(shù)。不像基于目標(biāo)的算法，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的好處是不需要預(yù)定義標(biāo)識(shí)變量和它們相應(yīng)的全局閾值，靈活地學(xué)習(xí)環(huán)境關(guān)鍵特征，從而可以預(yù)報(bào)一個(gè)物理過(guò)程的結(jié)果，而不需要完全地理解它。并且機(jī)器模型學(xué)習(xí)的關(guān)系以及變量的選擇和轉(zhuǎn)換也可以被用來(lái)理解物理過(guò)程。展望未來(lái)，一個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)多樣化的觀測(cè)可以為新穎獨(dú)特的機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供一系列數(shù)據(jù)集，從而可以為CI機(jī)理分析和短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供幫助(Gagne et al，2017；Haghi et al，2019)。

(6)加強(qiáng)各學(xué)科及各部門的合作。CI研究將需要理論、儀器發(fā)展、觀測(cè)、數(shù)據(jù)同化、數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)等多學(xué)科的努力，這些交叉合作已經(jīng)在過(guò)去的氣象研究中取得成功。未來(lái)理論家必須與預(yù)報(bào)員和氣象學(xué)家密切合作，進(jìn)行理想模型開(kāi)發(fā)和預(yù)報(bào)測(cè)試，從而提高強(qiáng)對(duì)流的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)水平。

附表1 縮略語(yǔ)表 Schedule 1 List of abbreviations