对称不稳定

气象学术语

对称不稳定是气象学中关于大气稳定状态的判据。当大气处于弱的层结稳定状态时，虽然在垂直方向上不能有上升气流的强烈发展，但在一定的条件下可以发展斜升气流，这种机制称为对称不稳定。它可以用来解释与锋面相平行的中尺度雨带的形成和发展。

概念

当大气处于弱的层结稳定状态时，虽然在垂直方向上不能有上升气流的强烈发展，但在一定的条件下可以发展斜升气流，这种机制称为对称不稳定。它可以用来解释与锋面相平行的中尺度雨带的形成和发展。

所谓对称稳定度实际上是大气中垂直方向上的静力稳定度和水平方向上的惯性稳定度相结合而产生的一种大气在倾斜方向运动的一种稳定性判据。

一次江淮暴雨的MPV及对称不稳定研究

研究背景

早在1942年，Ertel提出了等熵面上的位涡(IPV)概念，并指出，在绝热无摩擦过程中，等熵位涡是—个守恒量。后来，Hoskins在对位涡理论进行了深入的研究和比较全面的总结后认为，如果不计非绝热加热和摩擦效应，等压面位涡(PV)以及有降水发生的湿过程中的湿位涡(MPV)同样具备守恒性；当MPV为负值时，有可能出现条件性对称不稳定。还指出，对流层上部或平流层的位涡扰动可以下传而影响到对流层下部及地面的气旋发展；位涡还具有反演性等。利用位涡性质，气象学家对大气现象、特别是中尺度天气现象进行了大量的研究，得出了很多有用的结论。对“817”大暴雨进行了位涡分析，表明位涡中心与暴雨区的移动基本一致，较大的相当位涡局地变化是中小尺度系统的能源，是发生局地强对流天气的重要指标。研究准地转位涡(GPV)与带状降水的关系，并用模式说明了出现单条雨带和多条雨带的不同情况以及它们形成、维持的机制。研究指出，1991年5～7月间从北方或东北方南下的高位涡冷空气与暖空气相互作用，维持梅雨锋，形成了江淮地区的持续性暴雨。通过对等熵面上位涡的理论研究，提出了关于空气块沿等熵面运动与其垂直涡度发展关系的“倾斜涡度发展”观点。

1991年5～7月，我国江淮地区出现了严重的大范围暴雨和洪涝，期间7月5～6日的暴雨过程是一次高层冷空气与低层中尺度的低涡和地面气旋相互作用而产生的较为典型的梅雨锋暴雨，中尺度系统在其中起了关键作用。研究将在前人的工作基础上，试图运用位涡原理，对这次过程中的中尺度低涡发生发展的原因做一些初步的分析。

资料和天气概况

（1）资料

我们在分析和计算中所使用的资料为取自国家气象中心中期数值预报全球资料同化系统逐日两个时次(08和20北京时)的oo时效全球格点资料。该资料将探空资料和卫星、雷达等非常规的探测资料进行了同化处理，其中包含了常规观测资料不能分辨的实际中尺度信息，在国内已有许多研究机构和科研人员利用这一资料进行了中尺度分析和研究。它的分辨率是2.5×2.5经纬度网格，包括等压面高度、温度、纬向风U、经向风V(100，200，300，500，700，850，1000hPa七层)、相对湿度(300，500，700，850，1000hPa五层)和海平面气压。我们取12.5°N～62.5°N，87.5°E～142.5°E作为分析范围。进行诊断计算时，在垂直方向用拉格朗日内插成十四层(100，150，200，250，300，400，500，600，700，800，850，900，950，1000hPa)，水平方向将资料内插到60km。

（2）暴雨时空分布

这次降水过程开始于7月5日20时，到7月6日21时基本结束，影响范围广及鄂、豫、皖、苏等四省，最大日降水量超过了200mm。降水区中很多地区出现了暴雨或大暴雨。从每隔三小时的降水量分布图(图1为其中6日08时、11时和20时三个时次的3小时降水分布)可以看到，5日20时，在湖北北部出现了孤立的降水区，然后向东扩展，降水中心东移。6日08时降水增幅达最大，11时出现最大三小时降水65mm。雨团主要沿引导气流在江淮之间向东偏北方向移动，6日20时，在苏北沿海形成一个中心值40mm/3小时的主要暴雨区。所以，从24小时的总降水量来看，长江中下游地区就表现为一条近乎东西向的雨带。

（3）低空环流概况

低空850hPa上，5日08时在四川地有低涡生成，并东移加强，到了6日08时其中心位于郑州与汉口之间，气旋性环流变得十分清楚，东南部的西南风明显加强；之后低涡开始减弱，7日08时已经移到朝鲜半岛上空，我国华东地区被其后的高压所控制(见图2)。相应地，地面图上7月5日14时在四川盆地东部有低压发展起来并逐渐东移，6日08时～14时，该系统移到了安徽省境内，强度明显增大，气旋性环十分清楚，最低气压值达到947hPa，东西向切变线就位于江淮之间，形成了一个典型的江淮气旋。我们发现，在700hPa和850hPa的低涡加深、地面气旋加强的同时或之后不久，暴雨强度也就相应出现明显的增大(6日08时、6日11时)。所以说，对流层低层中尺度低涡的生成并东移加强，促使了地面冷锋上的扰动加剧，有气旋波发展，形成了地面气旋，随之便造成大暴雨发生。这种中尺度的低层低涡和地面气旋可以说是造成这次暴雨过程的直接影响系统。

研究结论

由定义可知，湿位涡(MPV)本身包含有动力和热力性质，用它可以更准确地描述环境大气的状态．在所研究的这次暴雨过程中，MPV1>0，MPV2<0，而且MPV1较大，MPV2较小，说明环境大气处于层结弱稳定和惯性稳定的状况，并且有利于对称不稳定出现，有利于暴雨和中尺度系统的发生发展。

一次高原强降雪过程三维对称不稳定模拟研究

当大气处于弱的层结不稳定状态时，在一定条件下可以发展斜升气流，这种机制称为对称不稳定。它是大气中垂直方向上的静力稳定度和水平方向上的惯性稳定度相结合而产生的一种大气在倾斜方向运动的稳定度判据.对称不稳定理论己在爆发性气旋、暴雨和强对流发展等方面的研究中取得了较好的效果。采用对称不稳定判据，对一次山东暴雪天气进行了分析。

概述和影响系统分析

2001年1月6-7日，山东省出现了大范围的暴雪天气。自6日06时到7日20时，全省平均降水量为20.7mm，其中临沂降水量最大，为40.2mm，各地降水量分布见图3。由于前期气温较高，大部地区先是降雨，随着冷空气的南下逐渐演变成雨夹雪。此次过程降水量创1950年以来同期最高记录。

这次暴雪天气过程的主要影响系统是江淮气旋和850hPa西南涡(见图6)。5日08时，500hPa在29°-34°N，90°-100°E区域内有高原低槽，850hPa在30°N，100°E附近有低涡，20时高原低槽东移，槽前正涡度益加在850hPa低涡上空，低涡发展成西南涡，中心位于30°N，106°E附近。6日08时，850hPa西南涡发展并东北移，中心位于32.5°N，108°E附近，山东处于地面倒槽中，鲁南地区开始降水。在西南涡的东南象限有一支西南风低空急流，低空急流输送的吸湿气流增加了西南涡的位势不称定，为地面气旋的生成创造了有利条件。6日20时，西南涡向东北方向移至34.5°N，115°E，地面上在南京附近(32°N，119.8°E)有江淮气旋生成，山东降水加剧，鲁南和鲁西地区降水量较大。7日02时，气旋北移至苏北(33.5°N，120.2°E)，鲁东南、鲁中一带降水增强。7日08时，850hPa西南涡移至我国东部沿海(34.5°N，123°E)，江淮气旋向东北移至海上(34.5°N，124°E)，山东大部地区降水减弱。7日20时，高低空系统均己东移出海，山东降水基本结束。6日和7日全省17城市日降水量均达到暴雪标准。

水汽条件分析

5日20时850hPa高空图上在低涡东侧的切变线南侧为t-td=0℃的高湿区，在低空急流轴附近t-td<2°C，表明这里的大气皆已饱和。700hPa图上在32°N江淮切变线附近为高湿舌区，其南侧低空急流区的大气也达饱和，此时高湿区仅局限在700hPa以下。6日08时，湿区北抬的同时也向上伸展，850hPa，700hPa，500hPa三层华北至华南的大部地区都为t-td<2.0℃的高湿区。6日20时，湿区向东北移至每南和江苏东部沿海，降水区也北上。

分析850、700、500hPa三层的水汽通量分布发现，6日08时水汽通量大值区主要位于安徽以南，呈西南一东北走向，中心值达100X10-3g·cm-1·hPa·s-1，表明水汽来源主要是孟加拉湾。另一次大值中心位于江苏—山东—带，呈西北一东南走向，由此可见，东南风不断从海上输送水汽。6日20时水汽通量最大值中心随西南风低空急流向东北方向移动。500hPa以下在高湿区附近存在着强水汽辐合，大范围的湿区和强的水汽通t辐合为暴雪的产生提供了有利的水汽条件。

对称不稳定分析分析

降水发开始前及降水时的T-LNP图发现，6日08时，青岛、成山头在800hPa以下有不稳定能量，不秘定层极其浅薄；至20时，济南、青岛、成山头都是稳定的。分析θse随高度的变化发现，降水发生前和发生时θse都是随高度增加的，由此可见，这次基曾天气属对流稳定性降水。

分析对称不稳定判据s的水平分布可见，5日20时我省至南方的大片地区都是s>0，表明大片降水区都处于对称稳定大气中。6日08时，950hPa上江苏沿海一带和山东半岛出现近南北向的S负值区，表明这里大气存在对称不稳定。此时山东处于地面倒槽之中，鲁南降水开始。6日20时，对称不稳定区北移至鲁东南沿海及山东半岛一带，地面倒槽发展成江淮气旋，其中心位于南京附近(32°N，119.8°E)，山东降水加剧(图4)。7日08时对称不稳定区移至海上1260E以东，江淮气旋东移出海。

分析中发现，对称不稳定区与12h后的强降水区有较好的对应：6日08时~20时强降水区位于江苏东部(图4a斜线区)，与6日08时对称不稳定区相配合。6日20时~7日08时强降水区主要位于鲁中、鲁东南和半岛地区(图4b斜线区)，与6日20时对称不稳定区相配合，因此，对称不稳定能较好地反映出强降水区的移动。

沿121°E作s的空间剖面图分析对称不稳定的垂直结构发现(图5)，6日08时对称不稳定区主要位于850hPa以下，29°-40°N一带，向上很快减弱消失，至300hPa附近又有一弱的对称不稳定区出现。20时850hPa以下在33°-38°N附近有对称不稳定区存在，向上很快减弱消失，因此，对称不稳定主要位于850hPa以下浅薄的行星边界层内。

研究结论

（1）江淮气旋北移是造成这次暴雪天气的主要原因，850hPa西南涡的出现是产生暴雪的另一有利条件。

（2）大面积充沛的水汽和强水汽辐合为暴雪的产生提供了有利的水汽条件。

（3）这次暴雪发生在对流稳定而对称不稳定大气中，低空急流造成的暖湿空气辐合上升是产生暴雪的触发机制。

（4）地面气旋和强降水区有向对称不稳定区移动的趋势，因此，对称不稳定判据能较好地反映出气旋降水中的强降水区的分布和移向，可作为暴雪等强降水落区预报的一个判据。

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