中尺度气象学期末复习笔记

三个表示天气的词之间的关系

在气象学领域，“synoptic”、“weather"和"meteorological phenomenon”（天气学现象）是三个相关但有所不同的术语。

1. Synoptic（综合尺度）："Synoptic"通常用来描述大范围的天气系统，例如气旋、高压系统和冷锋。它涉及到较大的时间和空间尺度，通常涵盖数百到数千公里的范围。综合尺度的研究关注天气系统的形成、发展和移动，通常通过分析和解释大气场的动力学和热力学过程来推测和预测天气情况。

2. Weather（天气）："Weather"指的是短期时间尺度内大气的实时状态。它描述了大气的温度、湿度、风速、降水等现象。天气通常是在特定地点和特定时间范围内发生的，并且可以快速变化。天气通常通过气象观测和预报来描述和预测，以帮助人们了解和适应当下的气象条件。

3. Meteorological Phenomenon（天气学现象）："Meteorological phenomenon"是一个更广泛的概念，它指的是与大气和天气相关的各种现象和过程。这些现象包括但不限于降水、云层形成、闪电、气温变化、风暴、雾、雪等。天气学现象是气象学研究的主要对象，通过对这些现象的观测、测量和分析，我们可以理解和解释大气的动力学和热力学特征。

因此，"synoptic"指的是较大尺度的天气系统研究，"weather"指的是短期时间尺度内的大气状态，而"meteorological phenomenon"指的是各种与天气和大气相关的现象和过程。这些概念在气象学中具有不同的层次和关注点，但它们共同构成了我们对天气和大气的理解和研究。

（一）天气系统的尺度划分

通常有三种分类方法:经验，理论，实用

1.1 为什么要进行尺度分析

• 天气学是理想的，简化后的大气运动特征，适用于天气尺度

• 动力因子不同，在方程中的简化形式是不一样的

• 让方程组进行中尺度简化，可以适用于中尺度的研究

1.2 经验分类

	空间尺度(m)	时间尺度(s)	典型系统
大尺度	10^6 （千公里）	10^5（天）	气旋、锋——常规地面观测网
中尺度	10^5（百公里）	10^4（小时）	飑线、中气旋等——常规探空网
小尺度	10^4 （十公里）	10^3（分钟）	龙卷——单站观测

Ligda对中尺度的定义

中尺度是指时间尺度和空间尺度比常规探空网的时空密度小，但比积云单体的生命期及空间尺度大得多的一种尺度。其水平尺度为几十千米至几百千米，时间尺度为几小时至十几小时

1.3 理论分类

对自由大气和地面附近气层中的东西风分量的平均动能进行了谱分析，发现在年，月，天尺度上都存在峰值，反映了天气系统尺度的客观存在性

谱分析

谱分析：基于信号处理的原理，通过将天气数据（如气温、湿度、风速等）转换为频率域上的频谱，从而揭示出天气现象的周期性和频率特征
地球大气的三种基本频率：浮力频率，惯性频率，行星频率

• 可以看到年，日，分钟都有峰值，分别代表年际变化，日变化，湍流
• 从月到日有一个很宽的峰值，是天气尺度差异性
• 从分钟到小时的区间，是凹下去的，是中尺度的天气过程

通过无量纲数进行分类

• 伊曼纽尔用拉格朗日时间和罗斯贝数（水平惯性力/科氏力）
• 大尺度罗斯贝数<<1;中尺度罗斯贝数$\approx 1$;小尺度罗斯贝数>>1
• 根据罗斯贝数，可以划分为四类基本运动形式：斜压波动，倾斜对流，积云对流以及边界层湍流，对应大，中，小，微尺度
• 伊曼纽尔对中尺度运动的定义：具有状态比$\frac{L}{D}=\frac{U_z}{f}和时间尺度T=\frac{1}{f}$的运动，D为垂直对流的垂直尺度，f为科氏参数，L为水平尺度特征量，U为水平运动速度特征量

1.4 实用分类

奥兰斯基分类

奥兰斯基根据观测和理论的综合分析结果，提出的比较细致的尺度划分方案

• 其中$\beta$中尺度是经典中尺度，具有典型的中尺度特征

AEIOU分类

一种Fujita提出的分类方式

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（二）中小尺度大气运动的基本特征

2.1 时空特征

	空间尺度(km)	时间尺度(h)	垂直尺度（km）	典型系统
经典中尺度($\beta$)	20-200	几到十几小时	10	雷暴单体，龙卷
大尺度	>2000	12-24以上	10	锋面，气旋

2.2 运动特征

• 加速度项，地转偏向力，气压梯度力有相同的量级，不满足地转平衡，其中：
  • 中alpha：准静力平衡，准地转
  • 中beta：非地转，准静力平衡
  • 中gamma：非地砖，非静力
• 质量场和风场的适应过程：
  • 质量场：与大气质量相关的场，比如气压场
  • 适应：谁适应谁就是谁先变，比如吹一口气导致前方的气压升高，就是质量场适应风场；而高压往低压吹就是风场适应质量场
  • 中尺度：质量场适应风场，先有风场改变，再有气压场适应
  • 大尺度：风场适应质量场，气压变化是主动的，气压变，风立即变

2.3 基本方程组的中尺度简化

简化依据：

• 天气尺度状态的变化远慢于中尺度扰动的变化
• 天气尺度的水平梯度远小于中尺度水平梯度
• 中尺度扰动量远小于天气尺度参考量即中尺度扰动量与天气尺度参考量之比远小于1

2.4 中尺度研究不直接使用原始方程组的原因

• 方程中包含了大中小尺度运动以及声波等噪声
• 不同尺度运动，方程中各项的量级不同，可以简化
• 非线性项表现了气象要素场之间的相互作用，对中尺度天气过程是重要的

2.5 Boussinesq近似

该简化方程假定流体运动之一、限制在一薄层内，适用于研究像积云对流、海陆风环流、边界层急流中的重力波活动等发生在浅层内的中尺度运动

• 大气密度在水平方向变化很小，所以以$\bar{\rho }$代替 $\rho$，从而使气压梯度力项线性化
• 在垂直方向的运动方程中，考虑了由密度扰动引起的浮力
• 假定大气运动是准不可压缩的，从而略去了由于空气压缩性而产生的声波

2.6 滞弹性近似

在处理深对流问题时，在连续方程中考虑$\frac{\partial \bar{\rho }}{\partial z}$作用

2.7 天气特征

中尺度天气现象是指介于综合尺度和微尺度之间的天气现象，通常涉及数十到数百公里的范围。以下是中尺度天气现象的一些特征：

1. 对流性：中尺度天气现象常常与对流活动有关。这包括雷暴、阵雨、雨带和冰雹等。对流性天气现象通常表现为强烈的垂直运动和垂直发展，伴随着强烈的降水、强风和可能的闪电活动。

2. 较短持续时间：相比于综合尺度的天气系统，中尺度天气现象的持续时间通常较短。它们可能持续数小时到一天左右，而不像综合尺度系统那样能持续数天或更长时间。

3. 局地性：中尺度天气现象通常在局部区域内发展和影响。它们可能是地方性的，仅在有限的地理范围内发生，或者是区域性的，涵盖一个较大的区域。这些现象的空间分布通常比综合尺度系统更局限。

4. 快速变化：中尺度天气现象的特点之一是其快速变化的性质。它们可能会在很短的时间内发展和衰减，甚至在几小时内出现和消失。这种快速变化使得对中尺度天气现象进行准确的观测和预测成为挑战。

5. 强度变化：中尺度天气现象的强度可以在较短时间内显著变化。例如，雷暴可以快速增强和减弱，产生强风、暴雨和冰雹等极端天气现象。这种强度变化使得中尺度天气现象对人类活动和公共安全具有重要影响。

总的来说，中尺度天气现象具有对流性、较短持续时间、局地性、快速变化和强度变化的特征

（三）地形波

将气流过山所引起的气流波动称作地形波

3.1 山脉波

在小风，出现层状气流的情况下出现，是一种平滑的浅波，波动只发生在山脉上空的浅层内，向上很快消失

3.2 驻涡

在山顶高度以上风速较大时可能在山脉背风坡形成半永久性的涡动，其上有气流的平滑浅波

3.3 波动气流

在风速随高度增大（风切变较大时），可在背风坡出现波动气流，可以延伸到对芮城上层和平流层，卫星云图上可以发现山脉下风方有波状云存在

3.4 转子气流

在垂直方向有风速极大值出现时，会形成转子气流

（四）背风波

是地形波的一种类型，由于障碍物引起空气垂直振荡造成，当气流被山脉被迫抬升后，在稳定层结中有重力作为回复力，使空气产生垂直振荡，驻涡和转子气流都是特殊的地形波

4.1 尺度特征

• 波长：一般为 5-20km左右，波长一般随高度而变，高层较长，低层较短，风速越大波长越长
• 波幅：一般为0.3-0.5km，当波长和山脉形状配合时，振幅可以更大，大者可以达到6km，大振幅的背风波被称为水跃型背风波
• 垂直速度：一般为2-6m/s，最大可达15m/s，一般13km波长左右的背风波垂直速度最大

4.2 形成要素

• 大气层稳定：背风波通常发生在大气层稳定的情况下，最好有逆温层
• 大风：背风波的形成需要有足够的风速。通常，风速需要超过一定的阈值，以产生足够的能量来形成波动
• 障碍物：背风波的形成需要一个障碍物，如山脉、山丘或建筑物等。这些障碍物会导致气流受到阻碍和分离，从而形成波动
• 风切变：较强的风垂直切变有利于形成背风波，需要风速随高度增大
• 波长与障碍物尺度的关系：背风波的波长通常与障碍物的尺度有关。当波长与障碍物的尺度相匹配时，波动会被增强

4.3 两种类型

• 规则型：从山脊到下风方50-100km气流维持波动形状
• 水跃型：沿山脊背风坡有强的下沉气流，下风方有强的上升气流，这时的风速在背风坡上最大并向下风方减弱

4.4 背风波影响

• 使背风面降水增大
• 使背风面强对流增多
• 使背风面产生下坡风

（五）下坡风

由于空气越山后在背风侧的山脚附近造成的局地强风

• 风速5-54m/s
• 持续4-8h
• 下坡风又分为焚风和布拉风两类

5.1 产生条件

• 稳定的底层大气
• 斜坡地形条件
• 山脉两侧通常有较大温差和气压差
• 一般与水跃型背风坡相联系，水跃型背风波可将大气中具有大量动量的空气带到地面

5.2 布拉风

• 是冷的下坡风
• 形成原因是气压差，冷空气被山脉阻挡，在高处形成冷的高压，低处是低压的暖湿气流，空气就会像瀑布一样，越往下越快
• 发生时一般有大风但是没什么降水

5.3 焚风

焚风（Foehn）是一种特定的地形风，也被称为“禾风”、“冬风”或“禾寒风”。它是一种下坡风，通常在山脉的背风面下吹。焚风通常是由空气通过山脉上升时冷却，然后在山脉的背风面下降时加热而形成的

焚风通常具有以下特征：

1. 升温和干燥：焚风在下降过程中受到压缩和加热，导致温度升高。由于空气下降，它还有助于降低相对湿度，因此焚风通常伴随着干燥的天气。

2. 高风速：焚风通常以强风的形式出现，风速可以相当高，有时甚至达到狂风的级别。

3. 影响地形：焚风在穿越山脉时会对地形产生影响。在山脉的背风面，焚风可以导致降水减少、雪的融化以及温度升高。

焚风对气候和人类活动有一定的影响。在某些地区，焚风可以导致气温剧增，这可能对农作物和生态系统产生负面影响。此外，焚风还可能引发火灾，因为它带来干燥和高风速的条件，使得火势蔓延更加迅猛。

总的来说，焚风是一种特殊的下山风，它在山脉的背风面下降时形成，并具有升温、干燥和高风速的特点。它对天气和地形产生一定影响，并可能对农业、生态系统和火灾风险产生影响。

（六）大气涡街

• 尾流：处在相对于气流运动实体背后的涡流区称为尾流
• 涡街：在尾流中发生的涡旋列，有的呈气旋性环流，有的呈反气旋性环流

6.1 涡旋特征

• 涡街一般是由两排近于平行的涡旋组成，一排中的涡旋位于另一排之上两个相邻涡旋的中点上
• 涡街北侧是顺时针涡旋，南侧是逆时针涡旋，南北交替出现；
• 南北涡旋水平间隔随离障碍物的距离逐渐增大
• 最初排出的涡街其直径与障碍物的尺度相当，随着向下游移动，涡旋的直径不断增大
• 涡旋产生时间可以持续30h以上
• 垂直尺度不会很高，一般在边界层以内

6.2 形成条件

• 需要有低层逆温层，同时气流要是稳定的，风速约为10m/s
• 涡旋的直径和障碍物的直径相当
• 因为低层是逆温层是绝对稳定层结，导致不能翻越只能绕流，根据位涡守恒，产生了涡街

（七）热岛效应

• 热岛环流：在海岛上，由于岛屿与海洋的温差产生的局地环流
• 热岛效应：由于加热不均匀导致局地温差而产生局地环流的效应
• 城市热岛效应：由于城市大量的人造建筑，热传导率和热容高于郊区和农村，造成城市和教区之间的温差，这种效应类似海洋热岛效应
• 环流形势：由于城市较热，气压较小，因此有从郊区吹向城市的乡村风，在城市上空形成气旋式的辐合上升气流，然后在几百米上空从市区项郊区流出

（八）中尺度对流系统MCS

泛指水平尺度为10-2000km左右，具有旺盛对流运动的天气系统

常见的中尺度对流系统可以分为如下三类：

• 孤立对流系统
• 带状对流系统
• 中尺度对流复合体

（九）中尺度孤立对流系统

指以个别单体雷暴、小雷暴单体群以及某些简单的飑线等形式存在的范围相对较小的对流系统

• 较大较复杂的对流系统，如飑线，中尺度对流复合体都是由若干个孤立对流系统组成
• 三种基本类型：普通单体雷暴、多单体风暴、超单体风暴

9.1 普通单体雷暴

对流单体：通常将一个强上升区（垂直速度>=10m/s，水平范围十至数十千米，垂直伸展几乎达到整个对流层）称为一个对流单体

雷暴：伴随强烈放电现象的对流系统

只由一个对流单体构成的雷暴系统，而且天气现象的剧烈程度不太强，环境垂直风切变很弱

9.1.1尺度

• 云顶高度：10-15km，云顶可以达到对流层顶；
• 直径：几公里；
• 上升气流速度达到十米每秒到几十米每秒
• 生命期四十分钟左右

9.1.2天气现象

阵风、阵雨、小雹、闪电、雷鸣等

9.1.3发展阶段

• 塔状积云：云内上升气流很强，云底高度低，云底之下没降水，云顶高度6km左右，云内温度高于云外，物态主要为水滴
• 成熟阶段：云顶达到对流层顶，会展开；降水开始发生，由于降水质点对空气的拖曳作用，云内出现和上升气流大小相当的下沉气流，云底的云粒子是偏大的发黑；当下沉气流到达地面时，形成冷丘，前沿形成阵风锋；云中有固态降水物
• 消散阶段：云顶较平；下沉气流取代上升气流，云层散去；云底高度大大提高，云内温度低于云外
  

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9.2 多单体风暴

多单体风暴是由一些处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体所组成的，这些单体具有统一环流的雷暴系统

• 新的单体沿着阵风锋重复发展，单体的连续更替过程使得多单体雷暴可以维持几个小时，可能产生灾害性的强降水、直线大风和冰雹
• 新单体在多单体风暴右侧生成，左侧消亡

9.3 超级单体

超级单体是一种最强烈的局地风暴，虽然发生频次较低，但是产生的灾害严重。它表现为单一的强大的环流系统，常具有不对称的外形和天气分布。

• 在单体内有一支深厚的扭转的上升气流，上升气流中包含一个直径约几公里的深厚的中气旋，单体内也有下沉气流
• 近于稳定的、高度有组织的内部环流
• 与强环境风的垂直切变有密切关系

9.3.1 尺度

• 直径达到20-40km
• 生命期达到数小时以上

9.3.2 雷达特征

• RHI中穹窿（BWER）：有界弱回波区，在强上升气流所在处，周围被强下沉区包围，在里面往上看就像在一个穹窿之中；因为上升气流太强了，液态云滴没有足够的时间增长就继续继续上升了，即使形成了降水粒子也会因为巨大的风切变使其不能落入低层的上升气流中
• 回波墙：在穹窿一端有一个强回波区接到地面，像一堵墙一样
• 前悬回波：穹窿另一端，拐棍头，方向是在系统移动方向（下沉区在后方，高压区指向低压区），只在对流层中上层
  

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• PPI图特性：钩状回波，随高度升高会表现为细胞状结构
  

• 钩状回拨：在对流层底的位置，强回波区表现为半圆形的钩状结构，钩子内部区域就是上升气流最强的区域，是最容易出现龙卷的区域

• 弱回波区主要是上升气流，因为上升气流太强了，液态云滴没有足够的时间增长就继续继续上升了，即使形成了降水粒子也会因为巨大的风切变使其不能落入低层的上升气流中
  

9.3.3 气流模型

• 上升气流上升产生上冲云顶，之后一股向前，一股向后；
• 向后的那一股气流中的粒子不断下落的时候有可能又被吹上去，形成前悬回波；
• 向前的就进入下沉区，越小的粒子会被吹的越远，越大的吹的越近，距离飑锋越近，粒子越大（冰雹，暴雨，小雨）
• 下沉气流是从云外进入云体，形成冷池，形成飑锋
• 和多单体气流模型的区别：上升气流产生于强的垂直风切变，容易产生强的垂直涡度
  

9.3.4 超级单体的几个区域

• Flankin line：侧翼云线
• 上冲云顶(overshooting top)
• 上升气流在云体内的通道：地面龙卷到上冲云顶连一条线；之间连线上是中气旋，跟穹窿的形成有关
• precipitation-free base 没有降水云底，是上升气流区，上升气流倾斜穿过wall cloud
• wall cloud ：就是底端形状很规整的圆形旋转的云
• precipitation base ，上方是shelf cloud陆架云，RHI的回波柱就在这部分
• 乳突云
• 前向和后向的下沉气流构成飑锋

9.3.5 超级单体的发生环境

• 垂直方向强的不稳定层结（动力不稳定+热力不稳定）
• 强的云下层平均环境风
• 强的环境风垂直切变：有利于旋转涡度的形成
• 风向随高度强烈顺转

9.4 龙卷风暴

产生龙卷的强风暴系统称为龙卷风暴，通常是一种超级单体风暴

9.4.1 龙卷特征

强旋转、长而细的气柱，其平均直经约为100m，是一种和强烈对流云相伴出现的具有垂直轴的小范围强烈涡旋

• 地面上水平尺度在几米到几百米之间
• 在高空2-3km处龙卷直径多为1km左右，再往上可以更大
• 龙卷的风速说的是水平辐合的速度，在距中心几十米的区域达到最大，可以达到100-200m/s
• 中心气压可以低至400hPa以下（地面中心的最低气压）

9.4.2 龙卷的生命史

• 尘旋阶段：看得见尘埃出地面向上旋转，兼或有短漏斗云从云底下垂(有轻度破坏)。
• 组织化阶段：其特征是漏斗云整个向下沉，龙卷强度增大。
• 成熟阶段：此时龙卷达到它的最大宽度，而且几乎呈垂直状(破坏最激烈)。
• 缩小阶段：漏斗云宽度减小，倾斜度加大，有一条狭而长的破坏带。
• 减弱阶段：此时涡旋拉成绳索状，漏斗云变得越来越扭曲，直到它的消散。

（十）下击暴流

当对流风暴发展到成熟阶段，雷暴云中冷性下降气流能达到相当大的强度，到达地面形成外流，并带来严重性的破坏；这种在地面引起灾害性风的向外暴流的局地强下降气流，称为下击暴流，风速可以达到18m/s

10.1 下击暴流的形成

与雷暴云顶的上冲和崩溃紧密联系

上升气流在其上升和上冲的过程中，从高层大气运动中获得了水平动量。随着上冲高度的增加，上升气流的动能变为位能(表现为重、冷的云顶)而被储存起来。以后，一旦云顶迅速崩溃．位能又重新变成下降气流的动能

其形成于风暴云下方的飑锋移动相关，飑锋形成后向风暴云前部的上升区加速移动，使维持上升气流的暖式空气供应逐渐被飑锋切断，造成上升气流削弱和消失，使得冷而重的云亭塌陷，产生下沉气流

高空强大的干冷下沉气流使下沉气流变干，降水物的蒸发增强，使下沉气流变冷而进一步加速

10.2 下沉气流作用

在强风暴中下沉气流是维持风暴的稳态结构或延长其生命期不可缺少的一个因素
1、下沉气流能形成近地面的冷空气堆或强烈的向外流出的辐散气流，可抬升雷暴前方低层暖空气上升，形成新的云单体。
2、并且由于在风切变环境下下沉空气又把高空水平动量带到地面，在低层加强了与暖空气的辐合作用，这能更强烈的把暖空气上抬，因而常可观测到新的对流单体在下沉气流前方形成。
如果这样造成的上升气流得到充分发展，它在强切变环境条件下通过降水过程又可使下沉气流再生和加强，从而能不断的形成上升气流以释放和组织不稳定能量，维持强对流系统

10.3 下沉气流的来源

• 空气起源于风暴周围对流层中层，一般从云体右后方进入风暴
• 可能是由原先上升的气流转换而成
• 还可能是水滴的拖带作用产生的下沉气流
• 但是大部分是对流层中部直接吸入的

（十一）带状对流系统（这里只说飑线）

带状对流系统指由对流单体侧向排列而成的中尺度对流系统，常见的有带状对流系统有飑线

飑线（squall line）是一种长而狭窄的气象现象，通常由一系列成群的雷暴组成，沿着一个线性的前沿移动

• 每个单体成熟期都有地面冷丘及水平外流和阵风锋
• 阵风锋又称为飑锋：处在雷暴高压边缘。具有很强的温度梯度、气压梯度和风速和风向水平切变

11.1 发生区域

• 出现在中纬度锋面附近
• 经常发生在春夏之交的季节
• 有的出现在冷锋前或气旋波的暖区，有的在冷锋后的冷区里，还有在冷暖锋上或切变线(辐合线)附近生成的

11.2 尺度特征

• 水平尺度：长约几百千米，宽几十到二百千米
• 由若干个飑段组成，每个飑段由若干个大而孤立的相互分离的风暴组成
• 时间尺度：几小时到十几小时

11.3 具有前导线和尾随层状云的典型飑线

• 从雷达回波来看有明显的对流云和层云
• 常发生在风垂直切变较小的环境中
• 包含对流区和尾随层状区两部分组成
• 对流区：由排列成带的成熟积云组成
• 对流带前方不断有新的对流云产生，后方老对流云消亡，形成宽阔的尾随状层云区
  
  
  经典飑线系统结构：
• 飑线前低压：一般指飑锋前方的中尺度低压
• 尾流低压：雷暴高压后方的中尺度低压，该低压的形成与雷暴高压后部的尾流效应相联系
• 飑中系统：指飑锋（飑线）、飑线前低压、雷暴高压、尾流低压

11.4 后部建立型

风向垂直切变明显环境中的飑线

• 通常由多单体风暴和超级单体风暴组成
• 经常发生在西风带高空槽前，由多单体风暴和超级单体风暴组成
• 砧状云伸向飑线前方，而在飑线后方没有层状降水区
• 这种飑线的天气现象更加剧烈，在有强垂直风切变环境下形成
• 可以持续8-12小时，比弱垂直风切变环境下的飑线生命期长

11.5 飑线的触发机制

• 海风锋、干线、重力波、地形抬升、热力抬升、低空急流，大气对称不稳定等等
• 干线又称为露点锋，是一种常见的对流触发机制。干线是水平方向上湿度的不连续线。其一侧空气干而暖，另一侧冷而湿，干线附近常不断产生积云带，并向外传播，表明是一种对流的扰源

11.6 飑线和锋面的异同

同： 都是冷暖空气的分界面
异：

• 锋面是不同气团的分界面，而飑线则是在同一气团中形成和传播的；
• 从天气要素变化的激烈程度来看，飑线比锋面更为剧烈；
• 飑线是中尺度系统，其长度一般只有二三百千米，生命期约十几小时，而锋面是大尺度系统，其长度可达千余千米，生命期可达数天

11.7 飑中系统

飑锋：处在雷暴高压边缘，各种气象要素水平梯度很大，表现为气压涌升，气温急降，风向突变，风速剧增，强烈降水等

雷暴高压：每个成熟雷暴单体的小冷丘和阵风锋结合起来形成中尺度高压

飑前低压：飑锋前方的中尺度低压
尾流低压：雷暴高压后方的中尺度低压

11.8 飑线形成方式

• 断线型：只有少数单体松散地排列成线，之后各个单体发展又形成新单体，新老单体连接起来最终形成飑线
• 后部扩建型：通过新单体在单体后部周期性地形成，最后与老单体合并而成
• 碎块型：开始时是一些分散的孤立单体，单体各自分裂几次，沿着单体之间的飑锋产生新对流发展，形成一条飑线
• 嵌入层状云型：在广阔的层状云中形成一条强对流带的过程

（十二）中尺度对流复合体（MCC）

若干对流单体或孤立对流系统及其衍生的层状云系统组成的对流系统，其中近于圆形的团状结构的复杂对流系统称为中尺度对流复合体

12.1 成熟MCC特征

• 水平尺度达到上千千米，近于圆形的巨大云团
• 生命期达6h以上
• 红外温度<-32度的云罩面积大于十万平方千米（层云云顶）
• 红外温度<-52度的冷云区面积大于五万平方米（深对流云顶）

12.2 MCC的$\alpha$中尺度结构

• 对流层下层：四面八方流入系统，辐合上升（冷核）
• 对流层中层：相对入流较弱，系统几乎随对流层中层气流移动（暖核）
• 对流层高层：气流向周围辐散（冷核）

12.3 生命史

• 发生阶段：表现为一些零散的对流系统在具有有利对流发生条件下有辐合上升运动
• 发展阶段：各个对流系统的雷暴外流和飑线逐渐汇合起来，形成了较强的中高压和冷空气外流边界，迫使暖湿空气流入系统
• 成熟阶段：上升运动发展旺盛，低层辐合高层辐散
• 消亡阶段：MCC下方的冷空气变得很强，使暖湿入流被切断，强对流单体不再发展

（十三）影响中尺度对流系统发生发展的因子

13.1 雷暴发生的三要素

• 丰富的水汽
• 条件不稳定层结
• 气块抬升到凝结高度的触发机制，不稳定的释放机制
• • • 进一步的
• 低层的水汽辐合
• 有不稳定的释放的机制
• 强的风垂直切变
• 低空急流

13.2 静力稳定度

处于静力平衡的气块受到垂直方向扰动后，扰动变化趋势称为静力稳定性

• 假设初始时大气处于静力平衡，有一气块受到扰动产生垂直位移，若气块受到回复力又回到初始位置，称为静力稳定；
• 如果加速离开初始位置，称为静力不稳定
• 如果在新的位置上又达到平衡，称为中性稳定
• 条件不稳定：对干空气是静力稳定的，而对于饱和湿空气是静力不稳定的，即${\gamma }_d<\gamma <{\gamma }_s$
  判据：
• 位温：位温随高度升高是稳定的
• 浮力频率$N^2$：随高度升高时稳定的
• 实际减温率：小于干绝热减温率，温度高于环境温度，是稳定的

13.3 对流不稳定

一般把气层被整层抬升达到饱和时的稳定度称为对流性稳定度

对流性不稳定形成条件：气层必须是上干下湿，且有足够的抬升力，使得整层抬升达到饱和

13.4 CISK不稳定理论

将积云对流和大尺度运动看作相互作用的，积云对流提供驱动大尺度扰动所需的能量，大尺度扰动又提供积云对流需要的湿空气，如此循环导致扰动不断发展形成台风，这种相互作用产生的不稳定性，称为第二类条件不稳定

• 先产生一个浅对流过程，让大气饱和，然后在大气中激发更强的对流

13.5 惯性不稳定

水平面上处于地转平衡的基本气流受到横向扰动后，扰动位移随时间变化的趋势称为惯性稳定度

• 扰动位移随时间增大，为惯性不稳定
• 随时间减小，惯性稳定
• 随时间不变为中性
• 对大尺度运动，一般是惯性稳定的

13.6 对称不稳定

处于静力平衡、地转平衡的基本气流中，即使初始时静力稳定和惯性稳定的，但当同时有垂直方向和水平横向扰动（倾斜方向扰动），可以导致新的静力-惯性不稳定，是一种轴对称的不稳定性，称为对称不稳定

• 条件性对称不稳定：对于干空气的斜升大气是对称稳定的，但对饱和斜升大气是不稳定的

13.7 夹卷

积云中的上升气流不断地由环境空气由侧向卷入并与之混合的过程

云外空气同云内相比是干冷的，云中空气由于显热的混合和云种水分进入卷来的空气里部分蒸发冷却，这种过程的结果是使云中空气受的浮力减小，使云的发展受到影响

13.8 垂直切变

• 对传播的作用：当风只随高度增大，新生单体在前方生成，风暴不断向前传播；若随高度顺转，则在风暴右侧生成，左侧消散
• 对风暴组织形式的作用：弱风切变——普通单体；中等风切变——多单体；强风切变——超级单体
• 对风暴分裂的作用：
• 风速切变大：对流系统分裂
• 风速切变小：对流系统不分裂