大气热力学()——风矢端图的分析方法(上篇)漫舞八月(ount)

风矢端图(Hodograph)是垂直风切变随高度变化的图,可从探空图上不同高度的风羽(即表示风向和风速大小的短直线,通常画在探空图的右侧)得到,因此通常在探空图资料中,还会附带上风矢量图。它一般用于评估风切变、风暴相对风(storm-relative winds)和水平涡度,风矢端的长度和形状对风暴的行为和演变有着直接影响。

如上图所示,一张空白的风矢端图由两条互相垂直的轴和多个同心圆构成,水平轴(u 轴)代表纬向方向,垂直轴(v 轴)代表经向方向,两条轴相交处为原点,由原点向外辐射的许多直线是等风向线(此处未画出)。原点代表风速为 0kt。一圈圈的同心圆是等风速圆,越往外数值越大,从 10kt 一直到 50kt 不等。

那么我们如何根据探空图的风羽绘制风矢端图上的线段呢?第一步,先从探空图中得到不同高度的风羽(Wind Barb),按照风羽所表示的风速和风向,把它们转换为风矢量(Wind Vector),如下图所示:

这里稍微解释一下:sfc 是 surface 的缩写,表示地面,风速为 10kt,东南风;1km 高度处的风速为 30kt,北风;2km 高度处的风速为 30kt,西南偏南风,以此类推。

第二步,将画好的风矢量“移到”风矢端图上。注意,风向要保持与原来的一致,风速按照等风速圆来画,而且每条风矢量都是从原点出发的。每画完一条,就要标注清楚该风矢量是哪个高度的,如下图所示:

第三步,将每条风矢量按照高度从低到高的顺序连接起来,就得到了下面这张图,此时蓝色箭头就是相邻层之间的风切矢量(shear vector)。如果还记得高中数学的向量知识,就知道这一步实际上是两个向量相减的操作,比如 0 ~ 1km 的风切矢量就是两个风矢量相减得到的:\(v_1 - v_0\) 。

第四步,擦去所有的风矢量,就得到了一张画好的风矢端图,如下图所示:

按照习惯,不同层的风切矢量一般用不同颜色表示,例如在这张图中:0 ~ 1km 是粉色,1 ~ 3km 是红色,3 ~ 6km 是绿色,6km 往上都是黄色。当然每张风矢端图所用颜色不一定都是这样。

通过上述风矢端图,可以很轻易看出,0 ~ 1km 的线段最长,因此其垂直风切变是最强的。

现在我们总结风矢端图的画法:

整体风切变(Bulk Shear)指的是任意两个高度层之间的风切变,而不再局限于相邻层。例如,下图所展示的是 0 ~ 6km 的整体风切变,大小为 60kt。

虽然风矢端图可以很清晰地反映垂直风切变,但并不是所有高度层之间的风切变都有参考价值。一般来说,在超级单体的有效入流区域(Effective Inflow Base)和平衡高度(Equilibrium Level, EL)两者高度之间才考虑风切变的影响,因为超级单体的伸展高度就是在这两者之间。因此,我们可以在风矢端图上抹去超出这个高度范围的线段。

如下图所示,原先该风矢端图有 0 ~ 1km 和 8 ~ 9km 的风切变线,因为有效入流区域大致在 1km 处,而 EL 高度在 8km 左右,所以这两条线都被抹去(忽略)了。若此时将 1km 和 8km 的风切变线连起来,就能得到有效整体风切变(Effective Bulk Shear)。

有效整体风切变可以用来大致判断风暴的发展情况。一般而言,更大的有效整体风切变会产生更强的、更有组织性的对流风暴。弱的风切变可能只支持短暂的、组织性弱的风暴。

(1)风向随高度不变,风速随高度变大

若风向随高度不变,风速随高度增大而增大,便得到如上图所示的风矢端图,其形状是直的。

当超级单体风暴出现在此种环境时,就会沿着风切矢量(即上图的白色箭头)偏移,并最终分裂为左移单体(或左移反气旋式单体,Left-Mover, LM)和右移单体(或右移气旋式单体,Right-Mover, RM)。其中,左移单体位于风切矢量的左侧,右移单体在风切矢量的右侧。这就是一个经典超级单体分裂产生镜像单体的过程。

(2)风向随高度顺转,风速随高度由高到低、再由低到高

虽然跟上例一样,都是直的形状,但不同的是,本例是顺转风(Veering Wind),即风向随高度顺转,伴随着暖平流,且风速由高到低、再由低到高,便得到了另外一种直的风矢端线。虽然这两例的风廓线不同,但曲线形状相同,意味着风暴的移动行为都是相似的。也正因为如此,我们可以预测:当超级单体风暴出现在此种环境时,依然会出现分裂产生镜像单体的过程,随着时间推移,这些单体也会迅速发展。

(3)风向随高度顺转,风速随高度变大

这也是顺转风,风向随高度顺转,伴随着暖平流,但风速随高度变大,便得到了如上图所示的顺时针弯曲的曲线形状。注意,并非所有顺转风或逆转风都会出现弯曲的形状,如上例。顺时针的形状仍然有利于风暴的分裂,但是分裂后通常都是右移单体占多数。

(4)非常强的顺转风(强暖平流)

这个例子也是顺转风,但是强度较大(为强暖平流),因此风矢端线的曲率比上例要大得多。曲率较大的风矢端曲线不利于风暴的分裂,且往往有利于右移单体的增强,抑制左移单体的发展。

(5)风向随高度逆转,风速随高度变大

本例是逆转风(Backing Wind),即风向随高度顺转,伴随着冷平流,且风速随高度变大,便得到了如上图所示的逆时针弯曲的曲线形状。逆时针的形状仍然有利于风暴的分裂,但是分裂后通常都是左移单体占多数。这种情况在北半球并不多见。

(6)冷暖平流交替

本例中,风向先随高度顺转,到达某一高度后再随高度逆转,形成一种低层暖平流、高层冷平流的情况,于是风矢端线的形状呈现“N”型。该形状仍然有利于风暴的分裂,但是分裂后通常都是右移单体占多数。不过,在冷暖平流交替的位置可能会对风暴产生其他影响,具体要看该位置的高度。

(7)总结

平均风切矢量(Mean Wind Shear Vector)是表示风暴发展环境的一个重要指标,它可以用来预测超级单体的移动方向。现在先来介绍平均风切矢量的求法。

如上图所示,我们想求 0 ~ 6km 的平均风切矢量,先求其方向,方法非常简单:直接将 0km 和 6km 的风矢量用直线连接起来(即橙色箭头),该直线方向就是平均风切矢量的方向,即东南方向。

平均风切矢量的大小是由每层风切矢量的水平(x 轴)和垂直(y 轴)分量的平均值而得来的。在上例中,水平分量由低到高分别为 +10m/s、+5m/s、+0m/s、+10m/s、+0m/s、+5m/s,求平均得到 +5m/s;类似地,垂直分量求平均得到 -2.5m/s。接下来将地面层(sfc)的风矢量作为新的参考系的原点,根据刚刚算好的分量大小画出一个矢量,就得到平均风切矢量(如图中的白色箭头)。图中白点即为平均风切矢量所在的位置。

在风矢端图中,我们直接使用一个棕色的框来表示平均风切矢量的位置,如下图所示:

总结一下平均风切矢量的求法:

Bunkers 技术由 Bunkers 等人在 2000 年提出,用于预测超级单体的移动方向。

上图是一个已通过 Bunkers 技术求得风暴移动方向的风矢端图,所以与前面的风矢端图相比多了几个符号,我们来解释一下它们的意思:

使用 Bunkers 技术求风暴的移动方向的步骤有:

(1)求深层的平均风切变(Deep-Layer Mean Wind Shear),一般深层(Deep-Layer)的高度层选取为 0 ~ 6km。如下图的棕色框即为所求平均风切变。

(2)绘制深层风切变(Deep-Layer Wind Shear)矢量,如下图的黑色箭头,该黑色实线一定会穿过棕色框。

(3)从平均风切变处、垂直于深层风切变矢量向两侧画两个矢量,矢量长度均为 15kt 左右,两个矢量的终点即为左移单体和右移单体的位置,如下图的蓝色箭头和红色箭头。

下面总结 Bunkers 技术的几个步骤:

需要提醒的是,不是所有风暴移动都能使用 Bunkers 技术进行预测,比如下列情况就不能使用 Bunkers 技术:

THE END
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