第29章風暴強度指數 SSI

2022-11-29 04:09:05 字數 2957 閱讀 5877

§29.1 引言

雷暴預報的主要困難是:評估在給定天氣形勢下可能發展出的雷暴之強度,以及與雷暴關聯的強天氣型別。對於這個困難,常見的解決辦法有:

(a)在製作出雷暴預報的基礎上,再區分強雷暴與非強雷暴,例如文獻等;(b)從選樣本到統計氣候規律、歸納天氣型、確定引數閾值,都著眼於強雷暴與強天氣事件,例如文獻。在第一類解決辦法中,往往要用到風暴強度指數(ssi)。

在20世紀70年代,miller認為;在強熱力學不穩定和強動力學因子都出現時,才有強雷暴發展(下稱「經典的miller個例」)。然而,後來的研究發現,這些典型條件不能包含發生的全部強天氣。maddox等、vigneux等以及turcotte等指出:

在強熱力學條件和弱的動力學條件下以及弱熱力學條件和強動力學條件下也可出現強天氣。

與文獻的思路類似,turcotte與vigneux(下簡稱tv87)採用浮力能(即對流有效位能)-風切變圖區分強雷暴與非強雷暴,並進而得出了風暴強度指數(ssi)。

§29.2 方**

tv87製作點聚圖時,採用的個例是在加拿大魁北克地區及其附近發生的,除1984,1985,2023年所有被證實了的強天氣個例外,還利用2023年的幾個特強個例擴充套件了最強個例數目。每次個例都以與大風、冰雹、龍捲有關的事件作為典型事件。對於每次定性為強天氣事件的標準是下面標準的乙個或多個:

a)風速>25m的陣風;

b)雹塊直徑d≥1.5cm的降雹;

c)龍捲和/或漏斗雲。

對於發生在幾小時內和明顯地與同一風暴有關的多次事件計為同一次事件。對於不能提供直接證據的事件與提供的是間接證據的事件列入非強風暴事件(這在區分強雷暴、非強雷暴中要用到)。直接證據是指事件本身的觀測,間接證據是指出版材料的剪貼物、**……。

非強雷暴事件主要是在2023年夏季收集到的。tv87指出:暴洪事件未列為他們所指的強天氣事件,儘管暴洪至少由上面提到的a),b)或c)中至少乙個相伴隨。

篩選出這些個例的合理性由以下事實旁證——這些個例往往是由準靜止雷暴(或)在弱氣流情況下相繼緩緩移過的單體串 (其中沒有乙個表現為強雷暴的典型結構)產生。

tv87給出的計算浮力能的方法是;對於每一次個例,(a)選擇出代表氣團(雷暴在其中發展)屬性的探空;(b)對其低層進行修正,把低層、用對流即將爆發時低層的、代之;(c)令氣塊上公升:按乾絕熱過程上公升到抬公升凝結高度後,再按假絕熱過程上公升,一直上公升到平衡高度。至此就能計算出浮力能(圖3.

1)。最近(2023年)加拿大氣象中心(cmc)在將ssi列入夏季強天氣軟體包時,規定採用另一種方法計算(見後)。

對於垂直風切變(shr),文獻附錄給出了如下公式:

2.1)

其中shr稱謂0-h氣層內密度加權平均垂直風切變;h為離地高度;余為慣用符號。

利用計算出浮力能(eh)與平均垂直風切變(shr),可以製作如tv87中圖2(此處略)所示的點聚圖。

§29.3 以切變和浮力能為座標的點聚圖

在tv87的圖2(此處略)中,縱座標為氣塊浮力能(eh),以為單位。橫座標為0~3657.6m平均風切變(shr);其中非線性標尺為shr的數值,單位為;線性標尺為ln(shr)。

在取自然對數時,僅考慮shr的數值,例如:=4.5×10,則ln(shr)=ln(4.

5×10)=-5.40368。在tv87的圖2(此處略)中,把非雷暴(空心圓圈)與強雷暴(不是空心圓圈者)視作是由eh與shr(浮力能與0~3657.

6m風切變)共同決定的。圖中ssi=100的線給出了強雷暴、非強雷暴的分界。對平均風切變取自然對數,不是考慮物理意義,而是為了使分界線變為直線,從數學上容易處理。

圖29.3.1 tv87 利用溫熵圖給出的氣塊浮力能eh(劃線面積),

氣塊凍結層與tp、te 求法

在0~3657.6m的低層,風切變一般正比於斜壓區強度,所以tv87的圖2(此處略)表明:在熱力不穩定和斜壓區強度的幾種組合下都可以有強雷暴發展。

對應於miller類的個例,亦即動力學和熱力學條件都很強的一類,分布在圖的右上角部位。tv87的圖2(此處略)還清楚地表明:在不穩定和動力學條件的另外幾種組合下也都可以有強雷暴發展;圖的右下部分代表在弱不穩定和強動力條件下出現的強天氣:

而左上部分代表強不穩定與弱動力條件耦合,即強天氣型氣團。

需要指出的是:tv87的圖2(此處略)雖能將強雷暴與非強雷暴區分出來,但對有龍捲雷暴的區分卻無能為力。雖然主要的龍捲事件,例如barrie龍捲族就位於圖的強不穩定及強動力學條件部分,但相當多的龍捲個例卻在圖的另外部分出現。

文獻也發現:底層4km的平均風切變,在龍捲預報中不是乙個好用的區分指標。

§29.4 風暴強度指數

tv87的圖2(此處略)中ssi=100的線代表強雷暴與非強雷暴的分界線;所有的強雷暴都聚集在這條分界線很遠的右上方。這樣,利用tv87的圖2(此處略)上述特徵,構造出乙個由eh與shr組合的函式,將強雷暴與非強雷暴區分開的想法是合於邏輯的。

基於上述思路提出的風暴強度指數(ssi),其表示式為:

29.4.1)

下面舉個計算例項。

已知:0~3657.6m垂直平均風切變為4.5×10,氣塊浮力能為2805,求:風暴強度指數ssi=?

解29.4.2)

29.4.3)

將(29.4.2)、(29.4.3)代入(29.4.1):

100(2+(-1.49)+0.5641) 10729.4.4)

正如文獻所指,浮力能eh的數值受氣塊上公升起始高度影響較大。為了免除該影響,加拿大氣象中心(cmc)在將ssi列入夏季強天氣程式包時,規定浮力能計算方法是:在最底層200hpa層次內,找出最高值處,將該處氣塊抬公升而算出。

實際上,這就是文獻講的最佳對流有效位能bcape的計算方法。

tv87指出,關於強天氣事件「強度」與ssi數值關係,雖然沒有專門立題研究,但是最劇烈的幾次事件卻都具有非常大的ssi數值。例如:2023年5月31日barrie(巴里)龍捲家族,2023年7月15日魁北克西南部的blue sea lake龍捲,以及2023年6月29日蒙特婁棒球大小的降雹,這些個例的ssi都大於140。

這是預料中的,因為所有這三次個例都對應於「經典的miller個例」,其中不穩定度非常大,動力學因子也非常強。

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