基本介紹
- 中文名：中小尺度天氣學
- 外文名：Medium and small scale weather
- 學科：氣象學
- 提出時間：八十年代初期
- 作用：預測地質災害
研究範圍與意義,原理,套用,
研究範圍與意義
中小尺度天氣學主要研究與各種嚴重局地災害天氣(包括暴雨、冰雹、颮、龍捲、下擊暴流等對流性天氣和濃霧及局地大氣污染等穩定性天氣) 密切相關的中小尺度天氣系統的發生、發展、結構、傳播規律，及其與大尺度系統的相互作用。它為嚴重局地性災害天氣的短期(12～72小時)、甚短期(0～12小時) 和臨近 (0～ 2小時) 預報 (Nowcasting)提供理論基礎和有效方法，因而具有重要理論意義和巨大社會經濟效益。
原理
大氣中包含有大、中、小尺度的大氣運動系統。其中“中尺度系統”的概念是在50年代初隨著氣象雷達和加密觀測網的發展而形成的。它一般是指時間和水平空間尺度比常規探空網的時空密度小，但比積雲單體的生命期及空間尺度大得多的一種系統。大、中、小尺度系統的時空尺度分別為105、104、103s和106、105、104km。3類系統又可細分為大 (α、β)，中 (α、β、γ) 和小 (α、β、γ) 等8類。其中，中α、中β、中γ和小α尺度系統的水平尺度分別200～2000、20～200、2～20和0.2～2km。中α尺度又稱為“中間尺度”或“次天氣尺度”。中β尺度是典型的中尺度。從理論上說，它具有準靜力平衡和非地轉平衡的動力學性質，它和 “傾斜對流”的尺度相當。其狀態比L/D=Uz/f(L和D為水平和垂直尺度，f為地轉參數，Uz為風的垂直切變)，時間尺度T=1/f，羅斯貝數R0～1。傾斜對流受浮力—慣性不穩定(即“對稱不穩定”) 的支配。
套用
我國各地中小尺度災害性天氣很多，特別是在夏季高空極鋒急流和副熱帶急流的附近地區及高原和山區雷暴、冰雹十分頻繁;在大尺度雨帶上和颱風外圍常形成中—β尺度雲團，形成局地暴雨; 龍捲也有時在華東沿海等地，甚至北方地區發生。中小尺度系統常常造成嚴重災害。例如1962年6月8日蘇皖大範圍降雹，1963年8月上旬河北特大暴雨，1974年6月17日華東強烈颮線，1975年8月5～7日河南特大暴雨，1989年9月16日蘇北強龍捲簇和1991年5～7月江淮地區持續性特大暴雨等均造成巨大損失。
我國氣象工作者對中小尺度災害性天氣非常重視並對其進行了大量基礎和套用研究，主要取得了以下幾方面的進展：
①建立觀測基地並開展觀測試驗研究。60年代初在上海組織了華東地區中尺度觀測和預報試驗。70年代末至80年代又先後進行了湘中暴雨中尺度試驗、華南前汛期暴雨試驗、華東中尺度天氣試驗、江淮流域梅雨試驗、台灣地區中尺度試驗(TAMEX)以及京津冀等地所組織的一系列暴雨、強對流天氣中尺度觀測和臨近預報業務試驗。1986～1990年第七個五年計畫期間在京津冀、長江下游、珠江三角洲和長江中游地區建立了4箇中尺度災害天氣監測和預報試驗基地，部分基地配備了數位化天氣雷達、都卜勒雷達、UHF風廓線雷達等遙感遙測設備，並加強了通訊傳輸、資料處理能力和甚短期預報自動化業務系統的建設。1998年5～6月在華南進行中尺度氣象試驗(HUAMEX)，對我國各類中尺度對流系統(MCS)，包括孤立對流系統(普通單體、超級單體和多單體風暴)、帶狀對流系統 (颮線、鋒面中尺度雨帶) 以及中尺度對流複合體(MCC)等的三維結構、發生髮展、天氣性質 (雹暴、颮暴、雨暴、龍捲風暴) 和運動 (移動性、靜止性)進行了大量研究，建立了各種概念模式。例如在梅雨鋒大尺度雨帶中含有中α尺度雨帶，其中又含有若干中β尺度雨團。後者具有暖心結構，低層空氣相對乾燥且輻散下沉，中層輻合上升，高層輻散。此外，對很多MCS特徵，如 “前導對流線/尾隨層狀區 (LL/TS)”型颮線、弓形回波、對流性中尺度渦旋 (MCV) 等也有人作了分析研究。
②開展了中尺度診斷和數值模擬及試驗研究，深化了對中系統發生髮展的物理條件及動力學機制的認識。中尺度環流系統可由下墊面的動力或熱力強迫造成(如山谷風、海陸風、背風波、尾流、渦街、城市熱島等)，也可由大氣內部過程產生 (如重力波、急流一鋒環流、MCS等)。我國學者對兩類系統都作過廣泛研究。事實表明，由於特殊地形強迫或雲霧物理等作用常使暴雨顯著增幅。診斷分析表明，暴雨和強對流天氣產生之前，需要具備有利的大尺度環境，給對流的發生髮展提供熱力和動力條件。高空槽、西南渦、鋒面、切變線、高、低空急流等都是與對流性天氣關係十分密切的天氣尺度系統。斜壓波發展、急流鋒鋒生、次級環流加強等形勢有利於對流發生。“乾暖蓋”是積累不穩定能量的一種重要機制，因此對強對流風暴的產生很重要。促使對流不穩定能量釋放的抬升力常來源於下墊面的強迫、大氣的不穩定性(包括對流性不穩定、條件性對稱不穩定、K—H不穩定等)以及不連續線(鋒、幹線、切變線、雷暴外流邊界等)和中尺度系統等。陶詩言等在《中國之暴雨》一書中對暴雨中小尺度系統作過系統總結。數值模擬和試驗有助於深入理解中尺度系統的動力學機制。我國研製或改進的中α尺度數值模式有十來個，如大氣物理研究所的中尺度模式等; 中β和中γ尺度模式有中國氣象局氣象科學研究院和大氣所的三維非靜力平衡、可壓對流風暴模式和中γ尺度模式等。同時還引進了美國的PSU/NCAR中尺度模式MM4、MM5以及UOK的ARPS模式等國外模式，取得了較好的模擬效果。
③開展了預報方法和預報系統的研究，提高了預報能力。針對中小尺度災害性天氣，我國氣象工作者創造了很多預報方法。例如環流型法、群指數法、MDCE(模式一診斷一雲圖一經驗)綜合預報法、MOS(模式統計輸出) 法、數值預報產品動力釋用、專家系統、人工智慧預報系統等，還使用了濕位渦，相對螺旋度等參數和穩定度指數作為診斷工具，使天氣預報客觀化、定量化、自動化，有效地提高了中小尺度災害性天氣預報能力。
自80年代以來，國際上中尺度氣象學發展很快，有人稱90年代為“中尺度氣象學時代”，中國和國際一樣在中尺度氣象學方面也取得了顯著成績。
