对对流有效位能以及其垂直分布作用的评价

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对流有效位能垂直分布作用的评价——D.O.Blanchard

对流有效位能垂直分布作用的评价

D.O.Blanchard

(NOAA/强风暴实验室,博尔德,科罗拉多州)

摘要　对流有效位能(CAPE)与评价大气对流潜力的标准的不稳定指数,例如抬升指数(LI),只有中等程度的相关。这是由于LI仅反映单层的浮力,而CAPE反映了积分厚度和浮力。将CAPE值除以积分厚度,使其正规化,得到一个指数(NCAPE),它与厚度无关,是一种方便的求气块平均浮力的方法。正规化有效地区别了CAPE类似而其浮力不同,积分厚度不同的环境。而且由于CAPE的垂直分布对对流上升气流的强度可能有很大影响,因而把CAPE和NCAPE分成若干层是有利的。NCAPE对于自由对流厚度浅、总CAPE小的环境,可提供更有用的指标。并指出,结合CAPE计算NCAPE来估计对流潜力。

引言

用单一的指数评价大气的状态由来已久,并不断有新的指数引入。特别是设计了许多指数,将对流中、低层温湿特性和风切变结合,估计大气产生对流和强天气的可能性,这些指数包括Showalter指数(SI)、抬升指数(LI)、总体指数,总能量指数、强天气威胁指数、对流有效位能(CAPE)、粗里查逊数、能量-螺旋度指数、涡度产生潜势等。Peppler(1988)很好地描述了许多大气指数。

各种指数都有其长处和弱点,但没有一个指数被认为能全面刻划大气的状态。事实上,这些指数可能平滑掉或失去了递减率结构的重要细节。例如,SI的定义为500hPa环境温度与气块从850hPa干绝热抬升到其凝结高度,然后,湿绝热抬升到500hPa高度时的温度之差。如果水汽不能从地面伸展到850hPa,或如果地表高度高到不能很好地代表边界层,此指数则没有代表性。若地面气压小于850hPa,则SI无定义。另外,SI是基于探测时间的温度和露点的“状态指数”,未考

虑午后可能发生的加热变化。

除了抬升气块气压、温度、和露点的确定外,LI的计算方法类似于SI。设定气块的混合比为最低的1000m的平均混合比(通常一般取最低500m,50hPa或100hPa的变化),位温是根据预报的午后最高气温气块干绝热的位温。由此可见,LI是一“预报指数”,因为它使用了预计的情况。和SI一样,如果500hPa温度不能代表其上下环境空气温度,例如,如果对流层中层存在逆温层或稳定层,稳定度值没有代表性,而LI易受其影响,亦没有代表性。SI现在很少有人使用,而LI在业务和研究工作中则经常使用。

近些年,CAPE成为最常用的计算大气是否发生对流的方法。与单层稳定度指数相反,CAPE是一个垂直积分指数从自由对流高度(LFC,气块温度超过其环境温度,气块相对于其环境是不稳定的高度)到平衡高度(EL,环境温度超过气块的温度,气块相对其周围环境是稳定的高度)测量自由对流层(FCL)的累积浮力能。可由下式定义: