基本介紹
- 中文名：對稱不穩定
- 外文名：Symmetric instability
- 描述：氣象學中關於大氣穩定狀態的判據
- 套用：天氣預報
- 學科：氣象學
概念,一次江淮暴雨的MPV及對稱不穩定研究,研究背景,資料和天氣概況,研究結論,一次高原強降雪過程三維對稱不穩定模擬研究,概述和影響系統分析,水汽條件分析,對稱不穩定分析分析,研究結論,
概念
當大氣處於弱的層結穩定狀態時，雖然在垂直方向上不能有上升氣流的強烈發展，但在一定的條件下可以發展斜升氣流，這種機制稱為對稱不穩定。它可以用來解釋與鋒面相平行的中尺度雨帶的形成和發展。
所謂對稱穩定度實際上是大氣中垂直方向上的靜力穩定度和水平方向上的慣性穩定度相結合而產生的一種大氣在傾斜方向運動的一種穩定性判據。
一次江淮暴雨的MPV及對稱不穩定研究
研究背景
早在1942年，Ertel提出了等熵面上的位渦(IPV)概念，並指出，在絕熱無摩擦過程中，等熵位渦是—個守恆量。後來，Hoskins在對位渦理論進行了深入的研究和比較全面的總結後認為，如果不計非絕熱加熱和摩擦效應，等壓面位渦(PV)以及有降水發生的濕過程中的濕位渦(MPV)同樣具備守恆性；當MPV為負值時，有可能出現條件性對稱不穩定。還指出，對流層上部或平流層的位渦擾動可以下傳而影響到對流層下部及地面的氣旋發展；位渦還具有反演性等。利用位渦性質，氣象學家對大氣現象、特別是中尺度天氣現象進行了大量的研究，得出了很多有用的結論。對“817”大暴雨進行了位渦分析，表明位渦中心與暴雨區的移動基本一致，較大的相當位渦局地變化是中小尺度系統的能源，是發生局地強對流天氣的重要指標。研究準地轉位渦(GPV)與帶狀降水的關係，並用模式說明了出現單條雨帶和多條雨帶的不同情況以及它們形成、維持的機制。研究指出，1991年5～7月間從北方或東北方南下的高位渦冷空氣與暖空氣相互作用，維持梅雨鋒，形成了江淮地區的持續性暴雨。通過對等熵面上位渦的理論研究，提出了關於空氣塊沿等熵面運動與其垂直渦度發展關係的“傾斜渦度發展”觀點。
1991年5～7月，我國江淮地區出現了嚴重的大範圍暴雨和洪澇，期間7月5～6日的暴雨過程是一次高層冷空氣與低層中尺度的低渦和地面氣旋相互作用而產生的較為典型的梅雨鋒暴雨，中尺度系統在其中起了關鍵作用。研究將在前人的工作基礎上，試圖運用位渦原理，對這次過程中的中尺度低渦發生髮展的原因做一些初步的分析。
資料和天氣概況
（1）資料
我們在分析和計算中所使用的資料為取自國家氣象中心中期數值預報全球資料同化系統逐日兩個時次(08和20北京時)的oo時效全球格點資料。該資料將探空資料和衛星、雷達等非常規的探測資料進行了同化處理，其中包含了常規觀測資料不能分辨的實際中尺度信息，在國內已有許多研究機構和科研人員利用這一資料進行了中尺度分析和研究。它的解析度是2.5×2.5經緯度格線，包括等壓面高度、溫度、緯向風U、經向風V(100，200，300，500，700，850，1000hPa七層)、相對濕度(300，500，700，850，1000hPa五層)和海平面氣壓。我們取12.5°N～62.5°N，87.5°E～142.5°E作為分析範圍。進行診斷計算時，在垂直方向用拉格朗日內插成十四層(100，150，200，250，300，400，500，600，700，800，850，900，950，1000hPa)，水平方向將資料內插到60km。
（2）暴雨時空分布
這次降水過程開始於7月5日20時，到7月6日21時基本結束，影響範圍廣及鄂、豫、皖、蘇等四省，最大日降水量超過了200mm。降水區中很多地區出現了暴雨或大暴雨。從每隔三小時的降水量分布圖(圖1為其中6日08時、11時和20時三個時次的3小時降水分布)可以看到，5日20時，在湖北北部出現了孤立的降水區，然後向東擴展，降水中心東移。6日08時降水增幅達最大，11時出現最大三小時降水65mm。雨團主要沿引導氣流在江淮之間向東偏北方向移動，6日20時，在蘇北沿海形成一個中心值40mm/3小時的主要暴雨區。所以，從24小時的總降水量來看，長江中下游地區就表現為一條近乎東西向的雨帶。
圖1
圖1（3）低空環流概況
低空850hPa上，5日08時在四川地有低渦生成，並東移加強，到了6日08時其中心位於鄭州與漢口之間，氣旋性環流變得十分清楚，東南部的西南風明顯加強；之後低渦開始減弱，7日08時已經移到朝鮮半島上空，我國華東地區被其後的高壓所控制(見圖2)。相應地，地面圖上7月5日14時在四川盆地東部有低壓發展起來並逐漸東移，6日08時～14時，該系統移到了安徽省境內，強度明顯增大，氣旋性環十分清楚，最低氣壓值達到947hPa，東西向切變線就位於江淮之間，形成了一個典型的江淮氣旋。我們發現，在700hPa和850hPa的低渦加深、地面氣旋加強的同時或之後不久，暴雨強度也就相應出現明顯的增大(6日08時、6日11時)。所以說，對流層低層中尺度低渦的生成並東移加強，促使了地面冷鋒上的擾動加劇，有氣旋波發展，形成了地面氣旋，隨之便造成大暴雨發生。這種中尺度的低層低渦和地面氣旋可以說是造成這次暴雨過程的直接影響系統。
圖2
圖2研究結論
由定義可知，濕位渦(MPV)本身包含有動力和熱力性質，用它可以更準確地描述環境大氣的狀態．在所研究的這次暴雨過程中，MPV1>0，MPV2<0，而且MPV1較大，MPV2較小，說明環境大氣處於層結弱穩定和慣性穩定的狀況，並且有利於對稱不穩定出現，有利於暴雨和中尺度系統的發生髮展。
一次高原強降雪過程三維對稱不穩定模擬研究
當大氣處於弱的層結不穩定狀態時，在一定條件下可以發展斜升氣流，這種機制稱為對稱不穩定。它是大氣中垂直方向上的靜力穩定度和水平方向上的慣性穩定度相結合而產生的一種大氣在傾斜方向運動的穩定度判據.對稱不穩定理論己在爆發性氣旋、暴雨和強對流發展等方面的研究中取得了較好的效果。採用對稱不穩定判據，對一次山東暴雪天氣進行了分析。
圖3
圖3概述和影響系統分析
2001年1月6-7日，山東省出現了大範圍的暴雪天氣。自6日06時到7日20時，全省平均降水量為20.7mm，其中臨沂降水量最大，為40.2mm，各地降水量分布見圖3。由於前期氣溫較高，大部地區先是降雨，隨著冷空氣的南下逐漸演變成雨夾雪。此次過程降水量創1950年以來同期最高記錄。
圖4
圖4這次暴雪天氣過程的主要影響系統是江淮氣旋和850hPa西南渦(見圖6)。5日08時，500hPa在29°-34°N，90°-100°E區域內有高原低槽，850hPa在30°N，100°E附近有低渦，20時高原低槽東移，槽前正渦度益加在850hPa低渦上空，低渦發展成西南渦，中心位於30°N，106°E附近。6日08時，850hPa西南渦發展並東北移，中心位於32.5°N，108°E附近，山東處於地面倒槽中，魯南地區開始降水。在西南渦的東南象限有一支西南風低空急流，低空急流輸送的吸濕氣流增加了西南渦的位勢不稱定，為地面氣旋的生成創造了有利條件。6日20時，西南渦向東北方向移至34.5°N，115°E，地面上在南京附近(32°N，119.8°E)有江淮氣旋生成，山東降水加劇，魯南和魯西地區降水量較大。7日02時，氣旋北移至蘇北(33.5°N，120.2°E)，魯東南、魯中一帶降水增強。7日08時，850hPa西南渦移至我國東部沿海(34.5°N，123°E)，江淮氣旋向東北移至海上(34.5°N，124°E)，山東大部地區降水減弱。7日20時，高低空系統均己東移出海，山東降水基本結束。6日和7日全省17城市日降水量均達到暴雪標準。
圖5
圖5水汽條件分析
5日20時850hPa高空圖上在低渦東側的切變線南側為t-td=0℃的高濕區，在低空急流軸附近t-td<2°C，表明這裡的大氣皆已飽和。700hPa圖上在32°N江淮切變線附近為高濕舌區，其南側低空急流區的大氣也達飽和，此時高濕區僅局限在700hPa以下。6日08時，濕區北抬的同時也向上伸展，850hPa，700hPa，500hPa三層華北至華南的大部地區都為t-td<2.0℃的高濕區。6日20時，濕區向東北移至每南和江蘇東部沿海，降水區也北上。
圖6
圖6分析850、700、500hPa三層的水汽通量分布發現，6日08時水汽通量大值區主要位於安徽以南，呈西南一東北走向，中心值達100X10-3g·cm-1·hPa·s-1，表明水汽來源主要是孟加拉灣。另一次大值中心位於江蘇—山東—帶，呈西北一東南走向，由此可見，東南風不斷從海上輸送水汽。6日20時水汽通量最大值中心隨西南風低空急流向東北方向移動。500hPa以下在高濕區附近存在著強水汽輻合，大範圍的濕區和強的水汽通t輻合為暴雪的產生提供了有利的水汽條件。
對稱不穩定分析分析
降水發開始前及降水時的T-LNP圖發現，6日08時，青島、成山頭在800hPa以下有不穩定能量，不秘定層極其淺薄；至20時，濟南、青島、成山頭都是穩定的。分析θse隨高度的變化發現，降水發生前和發生時θse都是隨高度增加的，由此可見，這次基曾天氣屬對流穩定性降水。
分析對稱不穩定判據s的水平分布可見，5日20時我省至南方的大片地區都是s>0，表明大片降水區都處於對稱穩定大氣中。6日08時，950hPa上江蘇沿海一帶和山東半島出現近南北向的S負值區，表明這裡大氣存在對稱不穩定。此時山東處於地面倒槽之中，魯南降水開始。6日20時，對稱不穩定區北移至魯東南沿海及山東半島一帶，地面倒槽發展成江淮氣旋，其中心位於南京附近(32°N，119.8°E)，山東降水加劇(圖4)。7日08時對稱不穩定區移至海上1260E以東，江淮氣旋東移出海。
分析中發現，對稱不穩定區與12h後的強降水區有較好的對應：6日08時~20時強降水區位於江蘇東部(圖4a斜線區)，與6日08時對稱不穩定區相配合。6日20時~7日08時強降水區主要位於魯中、魯東南和半島地區(圖4b斜線區)，與6日20時對稱不穩定區相配合，因此，對稱不穩定能較好地反映出強降水區的移動。
沿121°E作s的空間剖面圖分析對稱不穩定的垂直結構發現(圖5)，6日08時對稱不穩定區主要位於850hPa以下，29°-40°N一帶，向上很快減弱消失，至300hPa附近又有一弱的對稱不穩定區出現。20時850hPa以下在33°-38°N附近有對稱不穩定區存在，向上很快減弱消失，因此，對稱不穩定主要位於850hPa以下淺薄的行星邊界層內。
研究結論
（1）江淮氣旋北移是造成這次暴雪天氣的主要原因，850hPa西南渦的出現是產生暴雪的另一有利條件。
（2）大面積充沛的水汽和強水汽輻合為暴雪的產生提供了有利的水汽條件。
（3）這次暴雪發生在對流穩定而對稱不穩定大氣中，低空急流造成的暖濕空氣輻合上升是產生暴雪的觸發機制。
（4）地面氣旋和強降水區有向對稱不穩定區移動的趨勢，因此，對稱不穩定判據能較好地反映出氣旋降水中的強降水區的分布和移向，可作為暴雪等強降水落區預報的一個判據。
