九十二年度中尺度气象学

1、九十二年度中尺度氣象學第二週上課摘要（2004年2月26日）摘要者：黃嘉美、劉人鳳上週的課程中，說明了溫帶氣旋具有對應的不穩度，也就是形成溫帶氣旋的物理機制斜壓不穩度，本週繼續探討延伸出的問題中尺度系統是否也具有對應的不穩度，作進一步的探討。中尺度系統的範圍很廣，也包含很多的現象，因此必定存在很多不穩度，於是我們將先探討在時間平均和緯向平均的基本流之下，存在哪些不穩度？這些不穩度存在哪些尺度？由哪些參數決定？試圖找出是否有一個最重要的不穩度，可對應中尺度的現象；進而探討在什麼環境條件下，因而具有的不穩度。最後也討論了中尺度系統的可預報度問題。A、尺度、不穩度和基本參數 定義Richardson

2、 number為，是時間平均的緯向垂直風切，N是大氣穩定度，以下探討在不同Richardson number大小之下，是否存在不同不穩度，以及由不穩度所產生的不同尺度。第一種情況：很大時，其不穩度為斜壓不穩度，取決於、和，這些參數可決定不穩度的大小，現象尺度的大小，包含水平、垂直和時間尺度甚至系統的life period。水平尺度；垂直尺度(擾 動很深，大約是整個對流層)；時間尺度天(可視為從系統形成至達到最強的時間)。產生的現象尺度即氣旋、反氣旋的尺度。第二種情況：很小時(<1/4)，不穩度取決於、和(depth，很小的那層厚度)。在為正時，時間尺度；為負時，產生的現象即對流與亂流。第

3、三種情況：介於很大和很小之間，此即出現對稱不穩度的情況，水平尺度，時間尺度，產生現象呈線狀對流而具有主軸，平行垂直風切也與熱力風平行。B、對稱不穩度(symmetric instability)概念與基本內涵在垂直方向有位移，而在位移方向有加速時，則具靜力不穩度；水平方向有位移而在位移方向有加速時，即具有慣性不穩度；相同地，在描述傾斜方向有位移，而位移方向具有加速時，即表示大氣具有傾斜不穩定，在傾斜方向會有對流產生。此不穩度具有的線狀對流，並非垂直方向對流，而是傾斜方向的對流。換句話說，大氣中有兩種對流型態：垂直對流(upright convection)和傾斜對流(slantwise con

4、vection)。過去所認為的中緯度冬季大氣為穩定的，怎會發現對流的存在呢？在此可舉例證實，1980年代，北美洲東北冬季出現snowstorm，在鋒面附近有傾斜對流，乃因鋒面上的次環流所產生的強迫機制，因為鋒面是傾斜的，而鋒面的熱力直接環流，在傾斜方向便會造成強迫機制，使氣塊沿著鋒面舉升而產生對流。詳細的機制探討可從下述的論文中一窺究竟：Sanders, Frederick, Bosart, Lance F. 1985: Mesoseale Structure in the Megalopolitan Snowstorm of 1112 February 1983. Part I: Front

5、ogenetical Forcing and Symmetric Instability. Journal of the Atmospheric Sciences: Vol. 42, No. 10, pp. 10501061.繼續將說明在如何的大氣環境結構條件下，大氣即存在對稱不穩度(簡稱SI)?以及有幾種方式可以用來辨認SI存在的環境條件。B1、大氣環境結構條件 對稱不穩度在實際大氣平均狀態環境下之西南氣流接近地轉平衡，可以二維氣流形式來討論，將如右圖所示的座標中，在x - z 平面上把西南氣流分為平均場與擾動場。而在斜壓大氣與保守的情況下，絕對動量為=+，在垂直剖面上的分佈為向右增加且向上

6、增加，即分佈為傾斜的；加上相當位溫的分佈也隨高度向上增加且向右增加，即的分佈也是傾斜的。於是隨著和傾斜斜率間的關係，可決定大氣穩定與否；實際上，對稱不穩度即是取決於兩者傾斜面斜率的大小。當實際大氣環境結構情況之和傾斜面的斜率關係如圖所示時，即傾斜不穩定，具有對稱不穩度而產生傾斜對流。可分別從水平方向、垂直方向以及傾斜方向去分析氣塊加速的情況，進而瞭解兩者傾斜面斜率的關係，此部分作為作業二回家練習。B2、判定SI環境條件的方法 因此判定存在對稱不穩度的環境條件，有幾種方式，歸納如下：1. Slantwise convection Richardson number < 1定義，當<

7、1時，即代表傾斜不穩定，傾斜方向有傾斜對流。2. ()=< 0 面上的絕對渦度小於零，即沿著面隨x增加而變小。因此，只要在 面上計算絕對渦度，當其小於零時即可判定為具有傾斜不穩度。3. 沿著面向上，變小當場為垂直分佈型態時，大氣為正壓大氣，產生的對流為垂直對流；即當隨高度減小，具有潛在不穩度，而具有的垂直方向對流。但是當場為傾斜分佈型態時，大氣為斜壓大氣，越傾斜代表大氣斜壓性越大，即使大氣在垂直方向為穩定，但是只要在傾斜方向有位移便能產生對流，此即傾斜對流。以上三種方式均能判定大氣環境是否具有SI條件，各有各的好處，但是在概念上，以第三個方式最能清楚表達具有SI的大氣環境條件，即大氣環境

8、越具有斜壓性，大氣的傾斜不穩度越大。C、可預報度接下來來探討中尺度系統之可預報度，在預報一開始時即存在的中尺度系統，因為觀測網時空解析度的關係，此系統可能並未能及時反應在初始場裡，所以數值預報的表現通常不佳，且分析及預報所需要時間可能超過已存在中尺度現象之生命史；而在預報開始時未發生的中尺度現象可透過下列兩種機制而產生，一種機制是中尺度之內在強迫，內在強迫為大尺度環流內部改變所導致之中尺度環流。例如：兩綜觀尺度氣流間之輻合區可產生中尺度對流系統，此外大尺度對流可具有不同類別之不穩度，而導致中尺度現象迅速發展，如對於環境場有足夠解析度，模式即可發展出中尺度現象，原先不存在的中尺度現象可以在很久以前就預報出來，故可預報度較中尺度現象生命史更長，另一種機制為中尺度之外在強迫包括邊界層高度及地面性質之變化，因此如可詳實描述邊界層與大氣參數之中尺度變化，亦可以發展出來中尺度現象。由課本圖6為觀測與模式在解析中尺度結構之相對貢獻隨時間變化之示意圖，顯示預報初期觀測較模式重要，但觀測之