中尺度对流系统演变中的一些非平衡动力学问题-气象科学.PDF

维普资讯 第 2-l卷 第 1期 气 象 科 学 Vo1．24，N0．1 20()4年 3月 SCIENTIA M ETEOR()LOGICA SINICA M ar．，2OO4 中尺度对流系统演变 中的一些 非平衡动力学问题 陆汉城 寇 正 费建芳 宋晓亮 钟 科 (解放军理工大学气象学 院，南京 211101) 摘 要 深厚湿对流运动发展机制包含湿大气的对称不稳定 (MSI和 CSI)及 锋面环流 ．它们需要的基本条什是刁稳定、水汽和抬升 ，这些机理在动力学 中是有 联系和区别的，即虽然都是与基流平衡状态被破坏后引起的中尺度环流有关 ，但是 扰动流非平衡运动是不 同的。本文综合慨述了有关平衡动力学 的研 究进展 ，提 出 了中尺度埘流系统演变 中的一些非平衡动力学主要 问题 ，并评述 了一些研 究的方 法及主要结论和尚需进一步探索 的方面 ．以加深对不同机制下深对流运动的认识。 关键词 中尺度 对流系统 非平 衡动 力学 平衡动力学 分类号 P433 文献标识码 A 引 言 观测研究表明，中尺度对流系统 (MCS)是组织化积云对流形成的对流风暴 ，它是一类强 烈对流系统 ，在组织化过程中能持续制造新的对流风暴，MCS的水平尺度在几十到几百公里， 生命史为几小时到十JL／D时，中纬度地区常见的中尺度对流系统有 ：局地对流系统 (局地强风 暴等)，二维线状对流 (飑线 、锋面 中尺度雨带等)，近于 圆形 团状结构 的中尺度对流复合体 (MCC)及具有涡旋环流特征的台风内的对流带J：，它们 的一个共同特征是在准二维剖面上 ， 有一个具有很强垂直运动的中尺度环流。因此组织化积云对流形成的强风暴系统的一个 中心 科学问题是对流如何组织 、加强并形成尺度较大，持续时间较长 ，并具有传播云系的深对流系 统 ，显然，它是与具有很强垂直运动的中尺度环流的发生 、发展的过程具有密切的关系。近年 来．对深厚湿对流运动的发展机制有许多解释，总体而言可分为两类 ：即自由对流和强迫对流 ， 前者 与不稳定相联系 ，后者没有不稳定问题。深厚对流需要的三要素是不稳定、水汽和抬升 共同存在 ，不稳定理论包含了动力不稳定和 CSI或 MSI，不稳定对流和强迫对流都可能产生 倾斜对流 一。然而近年来对 CSI和 MSI的应用和估计是有分歧 的，有不少人有时将 CSI处理 为不稳定 ，有时处理为强迫机制，其中的个例就是试图从锋面系统中分离出CSI，而有人认为 收稿 日期：200209—22；修 改稿 日期 基金项 目：国家 自然科学基金 资助项 目(项 目编号 ：4o175012)资助 第一作者简介：陆汉城 (1945)男(汉)．教授 ．解 放军理工大学气象学 院，主要从事 中尺度气象学研究 维普资讯 l期 陆汉城等 ：中尺发x,l流‘系统演变中的一些 怍平衡动力学问题 l21 这两种过程足不可分离的 。从深厚对流广： 的必需 的 要素分析 可知 ，CSI不是初始倾 斜对流的充分条件 ，否则证风暴系统就可 以被认 为仅需饕条件性不稳定就 可以了．因此倾斜对 流是一个不稳定被释放的过 程 ．而 CSI不具备这洋的过稃 。从动力学角度来看．一方面锋生 过程是和弱 的对称 稳定性 同时 出现 。从而 中性 的倾 斜 对流 即呵出现 ，Thorpe和 Emanyal (1 ) 以及 Xu(1989) 分析 J对称 不稳定和锋 过程 的关系，在 Sawyer Eliassen方程 中，对称稳定性通过位涡度蒯整强迫效应 (在相 的强迫作用下．窄的强上升运动是在弱对称 稳定条件下产：生的)，这样从 Sawrer—Eliassen方 f}t分离m 由MSI释放的上升运动是不可 能的；另一方面，锋生过程产生 的环 流和 CSI