動力和能量參數在強對流天氣預報中的應用研究

■文/向志仕

動力和能量參數在強對流天氣預報中的應用研究

■文/向志仕

摘要強對流的發展需要依靠一定的基礎條件的支持，如熱力的不穩定、相應的動力環境等。一般情況下，容易造成災害的是一種深厚對流，而且對流的有效位能也能夠體現對流層大氣總體垂直熱力結構。本文主要對熱力不穩定與能量在對流下沉運動潛勢中的應用進行了分析，并論述了螺旋度等動力參數在強對流天氣預報中的應用。

關鍵詞動力能量參數強對流天氣預報

在特定大氣環境下，中尺度對流活動的發展會產生一種強大的對流系統，即強風暴。在這種環境下，對流的發展會形成積雨云體，從而導致天氣災害的發生。在對流活動中，相應的動力作用和熱力的不穩定性會對對流的發展強度造成一定的影響。在強對流天氣預報中，常常會使用到一些對流參數，如能量、動力及熱力等，而且這些能量參數和動力也逐漸被應用于強對流天氣預報中。

一、熱力不穩定與能量在對流下沉運動潛勢中的應用

強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大氣的高度大。一般情況下，深厚對流會導致一些災害天氣的產生，比如強雷暴、龍卷等。強對流天氣預報要想得到實現，則必須要依靠一定的基礎條件，即深對流預報。在強對流天氣中，強雷暴天氣是較常出現的一種天氣情況，而導致強雷暴天氣出現的主要原因是因為熱力的不穩定以及一定的動力作用。根據研究結果顯示，強風暴天氣的出現與深對流有著直接的關系，這主要表現在下述三個方面：一是對流層低層的水汽供應比較充足；二是溫度的降低率造成了熱力的不穩定能量；三是相應的抬升力能夠提高自由對流高度。根據這些因素，有些學者研究出了深對流指數（DCI）的表達公式，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。

在深對流指數中，對850hPa層的溫度和地面直至500hPa的浮力特性進行了一定的結合。一般情況下，當深對流指數變大的時候，預示條件也會變得更加不穩定。因此，當抬升氣塊觸發條件變得充足時，強對流天氣就會產生。此外，深對流指數不僅體現了對流層中低層的穩定度，也是對不穩定對流潛勢的體現。當深對流的發展具備相應的基礎條件的時候，其他能量參數也會對風暴強度及類型的預報造成一定的影響。在這些能量參數中，對流有效位能（CAPE）是一種代表性的參數。從理論上分析，對流有效位能也是對因上升運動環境而達成的垂直運動強度的體現。而且，對流有效位能與傳統不穩定指數也有一定的區別，即對流有效位能在一定程度上也能夠反映大氣的整體結構特征，這也是對流有效位能較常被用于天氣預報的主要原因之一。

深對流指數與對流有效位能是對對流穩定度及上升對流能量的最好體現。強風暴具備的下沉氣流這一特征是為了與強烈上升運動相呼應。強風暴內之所以會出現下沉氣流，主要是因中層干空氣與水云體的混合、蒸發和冷卻而產生的。一般情況下，風暴形態與結構往往會因所受中層空氣的干燥程度以及侵入風暴強度的影響而發生改變。

二、螺旋度等動力參數在強對流天氣預報中的應用

對流得以發展的基礎條件是熱力不穩定及能量的所起到的作用，而對流的觸發與維持和環境場動力因子之間有著極為緊密的聯系。在強風暴的形成過程中，強風暴的類型與風的垂直切變這一能量參數有著一定的關系，該能量參數在強風暴的發展中也發揮著至關重要的作用。螺旋度與風暴相對螺旋度是在風切變這一能量的基礎上所得到的與強風暴預報有關的動力參數。一般情況下，強對流系統都具備旋轉性與上升運動這兩種特征，螺旋度則是這兩種特征的結合所得出的一種新的動力參數。從本質上而言，螺旋度是指流體旋轉和沿旋轉方向運動的物理量，較常被用于流體力學的研究中。強風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強對流風暴。究其原因，主要是因為高螺旋度對能量的串級造成了干擾，且在超級單體風暴的形成過程中發揮著至關重要的作用，同時單體風暴的傳播也會使螺旋度所起到的作用得到充分發揮。

在暴雨及強對流天氣的預報中，螺旋度得到了廣泛的使用。比如吳寶俊等利用地轉螺旋度對三峽大暴雨的形成和維持進行了研究，并準確發現了暴雨的形成與螺旋度垂直分布結構之間的關聯性；李耀輝等依據螺旋度理論對暴雨的演變和對流層中尺度低渦得以發展的原因進行了分析，并得出了一些研究結果，即正旋轉風螺旋度的演變過程也是風暴中心和風暴中尺度渦旋的位置發生變化的過程，而較大的螺旋度際暴雨中尺度低渦及地面氣旋系統得以發展的基礎條件。在強風暴的發展過程中，風暴螺旋性的計算必須要結合相應的三維觀測數據來完成。根據研究結果可知，在強風暴形成前，螺旋度特征表現的不是很明顯，這也代表著將螺旋度應用到風暴特性的分析過程中，并不能使螺旋度的作用得到真正發揮，對強風暴強度和類型的預報結果也會出現偏差。從預報角度分析，在強對流天氣形成前，大環境場渦度的垂直分量往往會比風切變小一個量級。

三、結束語

綜上所述，強對流天氣是指能量的積累、轉化和釋放的過程。強對流天氣的形成與熱力不穩定等動力因子和能量參數的變化有著一定的關系，因此在強對流天氣預報中，要想保證預報結果的準確性，則必須要對這些動力因子和能量參數的變化情況進行分析，將熱力不穩定、螺旋度等動力和能量參數應用到強對流天氣預報中去，從而保證強對流天氣的預報能夠更加準確。

參考文獻：

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（作者單位：湖北省來鳳縣氣象局）