大气热力学（16）——风矢端图的分析方法（上篇）

news/2024/9/19 5:05:19/文章来源:https://www.cnblogs.com/Mount256/p/18356308

注：本篇涉及超级单体的概念，因此在学习本篇教程前，建议先看《雷达气象学（9）——反射率因子图分析（强对流篇）》！

16.1 风矢端图的画法
16.2 整体风切变（Bulk Shear）
16.3 风矢端线的典型形状
16.4 平均风切变（Mean Wind Shear）
16.5 使用 Bunkers 技术预测风暴的移动方向
参考文献

16.1 风矢端图的画法

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：

把风羽转换为风矢量；
将风矢量“移到”风矢端图上；
将每条风矢量按照高度从低到高的顺序连接起来；
擦去所有的风矢量。

16.2 整体风切变（Bulk Shear）

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。

16.3 风矢端线的典型形状

（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

在其他条件相同的前提下，影响单体风暴的发展和移动的因素是大气环境中风矢端线的形状，而不是风的方向。如上图，这两条风矢端线代表着不同的大气环境，但单体风暴在着两种环境中所表现的行为都是相似的。
如果超级单体风暴发展的大气环境的风矢端线为直线，则风暴会分裂为左移和右移两个风暴。
若风向随高度顺转，则有利于右移气旋式超级单体风暴。
若风向随高度逆转，则有利于左移反气旋式超级单体风暴。

16.4 平均风切变（Mean Wind Shear）

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：