九十二年度中尺度氣象學(xué)

1、九十二年度中尺度氣象學(xué)第二週上課摘要（2004年2月26日）摘要者：黃嘉美、劉人鳳上週的課程中，說明了溫帶氣旋具有對應(yīng)的不穩(wěn)度，也就是形成溫帶氣旋的物理機(jī)制斜壓不穩(wěn)度，本週繼續(xù)探討延伸出的問題中尺度系統(tǒng)是否也具有對應(yīng)的不穩(wěn)度，作進(jìn)一步的探討。中尺度系統(tǒng)的範(fàn)圍很廣，也包含很多的現(xiàn)象，因此必定存在很多不穩(wěn)度，於是我們將先探討在時間平均和緯向平均的基本流之下，存在哪些不穩(wěn)度？這些不穩(wěn)度存在哪些尺度？由哪些參數(shù)決定？試圖找出是否有一個最重要的不穩(wěn)度，可對應(yīng)中尺度的現(xiàn)象；進(jìn)而探討在什麼環(huán)境條件下，因而具有的不穩(wěn)度。最後也討論了中尺度系統(tǒng)的可預(yù)報度問題。A、尺度、不穩(wěn)度和基本參數(shù) 定義Richardson

2、 number為，是時間平均的緯向垂直風(fēng)切，N是大氣穩(wěn)定度，以下探討在不同Richardson number大小之下，是否存在不同不穩(wěn)度，以及由不穩(wěn)度所產(chǎn)生的不同尺度。第一種情況：很大時，其不穩(wěn)度為斜壓不穩(wěn)度，取決於、和，這些參數(shù)可決定不穩(wěn)度的大小，現(xiàn)象尺度的大小，包含水平、垂直和時間尺度甚至系統(tǒng)的life period。水平尺度；垂直尺度(擾 動很深，大約是整個對流層)；時間尺度天(可視為從系統(tǒng)形成至達(dá)到最強(qiáng)的時間)。產(chǎn)生的現(xiàn)象尺度即氣旋、反氣旋的尺度。第二種情況：很小時(<1/4)，不穩(wěn)度取決於、和(depth，很小的那層厚度)。在為正時，時間尺度；為負(fù)時，產(chǎn)生的現(xiàn)象即對流與亂流。第

3、三種情況：介於很大和很小之間，此即出現(xiàn)對稱不穩(wěn)度的情況，水平尺度，時間尺度，產(chǎn)生現(xiàn)象呈線狀對流而具有主軸，平行垂直風(fēng)切也與熱力風(fēng)平行。B、對稱不穩(wěn)度(symmetric instability)概念與基本內(nèi)涵在垂直方向有位移，而在位移方向有加速時，則具靜力不穩(wěn)度；水平方向有位移而在位移方向有加速時，即具有慣性不穩(wěn)度；相同地，在描述傾斜方向有位移，而位移方向具有加速時，即表示大氣具有傾斜不穩(wěn)定，在傾斜方向會有對流產(chǎn)生。此不穩(wěn)度具有的線狀對流，並非垂直方向?qū)α?，而是傾斜方向的對流。換句話說，大氣中有兩種對流型態(tài)：垂直對流(upright convection)和傾斜對流(slantwise con

4、vection)。過去所認(rèn)為的中緯度冬季大氣為穩(wěn)定的，怎會發(fā)現(xiàn)對流的存在呢？在此可舉例證實，1980年代，北美洲東北冬季出現(xiàn)snowstorm，在鋒面附近有傾斜對流，乃因鋒面上的次環(huán)流所產(chǎn)生的強(qiáng)迫機(jī)制，因為鋒面是傾斜的，而鋒面的熱力直接環(huán)流，在傾斜方向便會造成強(qiáng)迫機(jī)制，使氣塊沿著鋒面舉升而產(chǎn)生對流。詳細(xì)的機(jī)制探討可從下述的論文中一窺究竟：Sanders, Frederick, Bosart, Lance F. 1985: Mesoseale Structure in the Megalopolitan Snowstorm of 1112 February 1983. Part I: Front

5、ogenetical Forcing and Symmetric Instability. Journal of the Atmospheric Sciences: Vol. 42, No. 10, pp. 10501061.繼續(xù)將說明在如何的大氣環(huán)境結(jié)構(gòu)條件下，大氣即存在對稱不穩(wěn)度(簡稱SI)?以及有幾種方式可以用來辨認(rèn)SI存在的環(huán)境條件。B1、大氣環(huán)境結(jié)構(gòu)條件 對稱不穩(wěn)度在實際大氣平均狀態(tài)環(huán)境下之西南氣流接近地轉(zhuǎn)平衡，可以二維氣流形式來討論，將如右圖所示的座標(biāo)中，在x - z 平面上把西南氣流分為平均場與擾動場。而在斜壓大氣與保守的情況下，絕對動量為=+，在垂直剖面上的分佈為向右增加且向上

6、增加，即分佈為傾斜的；加上相當(dāng)位溫的分佈也隨高度向上增加且向右增加，即的分佈也是傾斜的。於是隨著和傾斜斜率間的關(guān)係，可決定大氣穩(wěn)定與否；實際上，對稱不穩(wěn)度即是取決於兩者傾斜面斜率的大小。當(dāng)實際大氣環(huán)境結(jié)構(gòu)情況之和傾斜面的斜率關(guān)係如圖所示時，即傾斜不穩(wěn)定，具有對稱不穩(wěn)度而產(chǎn)生傾斜對流?？煞謩e從水平方向、垂直方向以及傾斜方向去分析氣塊加速的情況，進(jìn)而瞭解兩者傾斜面斜率的關(guān)係，此部分作為作業(yè)二回家練習(xí)。B2、判定SI環(huán)境條件的方法 因此判定存在對稱不穩(wěn)度的環(huán)境條件，有幾種方式，歸納如下：1. Slantwise convection Richardson number < 1定義，當(dāng)<

7、1時，即代表傾斜不穩(wěn)定，傾斜方向有傾斜對流。2. ()=< 0 面上的絕對渦度小於零，即沿著面隨x增加而變小。因此，只要在 面上計算絕對渦度，當(dāng)其小於零時即可判定為具有傾斜不穩(wěn)度。3. 沿著面向上，變小當(dāng)場為垂直分佈型態(tài)時，大氣為正壓大氣，產(chǎn)生的對流為垂直對流；即當(dāng)隨高度減小，具有潛在不穩(wěn)度，而具有的垂直方向?qū)α?。但是?dāng)場為傾斜分佈型態(tài)時，大氣為斜壓大氣，越傾斜代表大氣斜壓性越大，即使大氣在垂直方向為穩(wěn)定，但是只要在傾斜方向有位移便能產(chǎn)生對流，此即傾斜對流。以上三種方式均能判定大氣環(huán)境是否具有SI條件，各有各的好處，但是在概念上，以第三個方式最能清楚表達(dá)具有SI的大氣環(huán)境條件，即大氣環(huán)境

8、越具有斜壓性，大氣的傾斜不穩(wěn)度越大。C、可預(yù)報度接下來來探討中尺度系統(tǒng)之可預(yù)報度，在預(yù)報一開始時即存在的中尺度系統(tǒng)，因為觀測網(wǎng)時空解析度的關(guān)係，此系統(tǒng)可能並未能及時反應(yīng)在初始場裡，所以數(shù)值預(yù)報的表現(xiàn)通常不佳，且分析及預(yù)報所需要時間可能超過已存在中尺度現(xiàn)象之生命史；而在預(yù)報開始時未發(fā)生的中尺度現(xiàn)象可透過下列兩種機(jī)制而產(chǎn)生，一種機(jī)制是中尺度之內(nèi)在強(qiáng)迫，內(nèi)在強(qiáng)迫為大尺度環(huán)流內(nèi)部改變所導(dǎo)致之中尺度環(huán)流。例如：兩綜觀尺度氣流間之輻合區(qū)可產(chǎn)生中尺度對流系統(tǒng)，此外大尺度對流可具有不同類別之不穩(wěn)度，而導(dǎo)致中尺度現(xiàn)象迅速發(fā)展，如對於環(huán)境場有足夠解析度，模式即可發(fā)展出中尺度現(xiàn)象，原先不存在的中尺度現(xiàn)象可以在很久以前就預(yù)報出來，故可預(yù)報度較中尺度現(xiàn)象生命史更長，另一種機(jī)制為中尺度之外在強(qiáng)迫包括邊界層高度及地面性質(zhì)之變化，因此如可詳實描述邊界層與大氣參數(shù)之中尺度變化，亦可以發(fā)展出來中尺度現(xiàn)象。由課本圖6為觀測與模式在解析中尺度結(jié)構(gòu)之相對貢獻(xiàn)隨時間變化之示意圖，顯示預(yù)報初期觀測較模式重要，但觀測之