这里我们岔开提一下积云对流的垂直结构。我们作台风的实况分析时常常讨论云图外观,这无可厚非,因为目前云图是唯一能提供高时空分辨率中γ尺度云体结构的产品。不过,一定程度上这也存在局限:对流云顶表征上升气流的强度和高空风场的变化,对于低空微结构,例如可变换算系数发生的原因、TC内对流单体的生成和传播机制等我们只有浮光掠影的知识。对云微物理机制的了解将有助于我们在资料极度缺乏的中β尺度以下区域进行分析。如下是一种常见的积云对流认知模式(Fig.66)。我们对过冲云顶OST(Overshooting Top,对流破顶)和卷云云盖了解得比较多,容易认为TC中的对流仅存在着强上升气流、强高空出流和强降水,对大气仅起到加热作用。

(Fig.66

(Fig.67
事实上,积云的重要结构——对流冷池、出流边界和低层平流的结构才是积云发展的根基(Fig.67)。
对流冷池是后于云体发展的产物,成因可归结为对流中上升气流的补偿气流、降水粒子的热交换和降水粒子的拖曳作用。补偿气流很好理解,它就是最为常见的局部热力环流系统中的下沉支,起到补偿低层辐合上升导致的质量亏损的作用,对应云图结构一般就是外围卷云所在区域。热交换则是降水粒子下落时发生的。来自高空的雨滴、雪花等降水物温度几乎不受气压剧烈改变的影响,而气温则随气压变化很大。在下落过程中,低空较暖空气与冷的降水物接触发生热传导就会冷却低空空气。该种情况多发生于低空高湿度的环境,不过降水物下落速度快使该项效率不高。热交换还包括降水物的相变吸热。在云体中部外围干空气的侧向混合作用下,云滴和冰晶发生蒸发和升华,不但吸收热量降低温度(显热),还直接生成了冷湿空气,参与到下沉支当中,效率较高;同样在抬升凝结高度LCL以下的超低空大气中,空气未达到饱和,雨水也将发生蒸发吸热,降低低空温度。拖曳作用这个词听起来有点高深,实则在日常生活里就能见到:不管是瀑布或是花洒喷出的水流,我们都能感受到水帘旁的阵阵凉风。大量的下落水滴同向运动,以碰撞和尾流牵引的形式给水滴周围的空气传递动能(即“拖曳”),便汇聚成与水滴同向的气流。拖曳是积云内小尺度强下沉运动的主要原因,在TC具有极高降水率(大于100mm/h)的海洋性对流中表现更为显著。当上述因素引发的下沉气流与地表的刚性边界接触失去垂直动量,冷而重的空气就会在地表减速堆积,如同蓄积冷空气的一个相对平静的“池子”,这就是「冷池」的由来。至于下沉气流的压缩升温问题,因为上述的云微物理过程,该运动具有较强的非绝热性质,下沉增温被削弱,所以在层结上看,下沉气流在下降过程中保持升温的总趋势不变,但其温度始终低于同高度的空气,故能够构成密度差异,产生冷池。另请注意,由于大气具有三维结构,我们不能认为一个剖面里积云内部强烈的上升气流将会阻止下沉气流的发生,它们在高空出流和垂直风切变影响下可以发生水平分布和不同层面上的交错共存,所以冷池发育在对流移动方向后部(或垂直风切变下游方向)也可以在云图上对流塔的正下方发展。
出流边界是冷池边缘高气压梯度的产物。地面气压场上,对流单体的冷池表现为中γ尺度高压,MCS是单体融合的产物,冷池联合可以形成中β尺度高压。尽管如此,这一系统的特征时间尺度仍然较小,气流可以表现显著的超地转流(风力大于地转风、流线与等压线交角异常大),推高局地气压梯度。冷池低空出流作为密度流,与原有海表暖湿气团交汇强迫后者抬升,就会产生出流边界,又称阵风锋。显然,出流边界能作为一个强触发源,动力强迫低空气团抬升至自由对流高度LFC以上产生新对流。正因如此,MCS能在云盖内部不断触发对流单体并演变为更猛烈的多单体风暴,不至于消耗完局地CAPE就立即消散。
低空平流的结构就是先前提到的中尺度辐合区。虽然对流也可以自发产生辐合(下面要讲的CISK机制),但在热带地转参数f很小的条件下,对流单体产生的低压区只会产生强烈径向辐合,在对流组织化前就使低压区填塞——这也是为什么低纬罕有台风问题的一种解释。同时,热带低层大气虽然时时受到海表加热,构成低空∂θe/∂z<0(相当位温随高度递减)的条件不稳定性,但热带大气位势变化特征尺度仅限于10^1gpm(即热带大气的“均匀性”),缺乏正涡度平流引起的动力抬升,具有明显的平流性质,故热带地区绝大部分地区整体保持晴空状态,对流产生的概率非常低。要提高对流的触发概率,低空平流的中尺度辐合不可或缺。这就是条件不稳定的“条件”,在中尺度系统中,大气的垂直速度比热带大气的大尺度运动高1~2个量级,这样才能抵消因缺乏层间混合造成的低空对流抑制能CIN,把低空高能空气输送到中层自由大气,以低湿静力稳定度破坏热带大气原有的干静力稳定性,引发对流。这样的中尺度结构可以是岛屿产生的海陆风,可以是热带波动(包括ERW、EKW等长波波动和重力波等快波),可以是热带外系统如深度南下的冷锋参与,也可以是赤道辐合带ITCZ内部涡旋等系统。反之,均匀深厚的气流,如信风带和暖输送带轴部因弱海面摩擦和高风速(气流惯性因素),弱化了平流中的扰动信号(扰动风速远小于背景风速),难以形成中尺度辐合。即便这些强气流有着极高的水汽通量和CAPE,仍然少见深对流发展,更多发展积云线等浅薄对流。
我们借用暖输送带区的GFS模拟探空落实这一点(Fig.68)。①首先关注静力稳定性。层结曲线仅在非常接近地面(900hPa以下)的区间接近干绝热直减率,其上则是被前期对流活动加热加湿的深层热带大气,直减率接近湿绝热直减率。我们在Skew-T斜温图中确定位温θ可以直接从层结曲线上任一点平行于干绝热线引出一条斜向右下的线,它与1000hPa水平线的交点就是所选点的位温。容易看出,当温度直减率小于干绝热直减率,∂θ/∂z>0(位温随高度升高)。而考虑对流的湿过程,我们还需要看相当位温θe层结。在海面附近高温高湿的空气低空气层θe显著高于自由大气气团,低空∂θe/∂z<0,气层需要抬升释放潜热才能出现不稳定性,这符合暖输送带热带大气的条件性不稳定规律。②再来关注垂直方向暖输送带的构成。该点探空显示,700hPa以下受暖输送带控制,风向有弱的随高度顺转趋势(0~3km螺旋度SRH>0),指示弱暖平流。但是该层ω>0,出现下沉运动。下沉气流制造的低直减率像一个“盖子”(干暖盖),将低空的不稳定能量良好地保存着,抑制对流活动。这一点也体现在地面对流有效位能(SBCAPE)远高于混合层对流有效位能(MLCAPE)。同时观察右上的风矢端迹图(Hodograph),1~3km的低空风切变非常小,显示了暖输送带的均匀性,少有湍流扰动。故暖输送带仅仅起到了把低纬高能空气输向高纬的作用,在其内部触发对流的概率极低。

(Fig.68
总结一下,我们考察了积云对流的垂直结构,包括对流冷池、出流边界和低空平流的初始组织,并牵涉到对流的触发和维持问题。在水汽充沛的热带大气中,低空平流的初始组织是对流触发的首要因素,触发阶段积云的爆发存在显著的概率性;积云产生后冷池和出流边界则是保证其维持的固有结构,具有确定性。在分析中,我们不可能完全预测某一个具体对流塔的触发形成,但是可以依据其发展态势做出定性的中尺度分析。