大气热力学（17）——风矢端图的分析方法（下篇）

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）》！

17.1 地面相对风（Ground-Relative Wind）和风暴相对风（Storm-Relative Wind）
17.2 风暴相对入流（Storm-relative Inflow）和风暴相对出流（Storm-relative Outflow）
17.3 水平涡度（Horizontal Vorticity）
17.4 流向涡度（Streamwise Vorticity）和横向涡度（Crosswise Vorticity）
17.5 风暴相对螺旋度（Storm Relative Helicity, SRH）
简单的后记
参考文献

17.1 地面相对风（Ground-Relative Wind）和风暴相对风（Storm-Relative Wind）

想象一下这样的场景：这是一个风平浪静的一天，没有风；现在你坐上汽车去远足，当你尝试把手伸出窗外时，你会发现外面的风很大，但现在可是没有风的一天！这就是相对风的概念：你所感受到的风其实是汽车运动带来的，风是相对于汽车产生的，其风速正好等于车速。如果这一天有一些微风，且风向正好与你行车方向相反，那么你感受到的风速就是车速加上微风的风速。

以上例子中，如果我们把汽车换为风暴，那情况是类似的：微风就是相对地面的风，称为地面相对风（Ground-Relative Wind），车速对应风暴的移动速度（Storm Motion），而地面相对风和车速组合起来对应的就是风暴相对风（Storm-Relative Wind, SR Wind）了。可以这样理解：风暴相对风就是风暴自己所“感受”到的风。

在风矢端图上绘制的就是地面相对风，表示的是环境风场。如下图所示，可见风随高度顺转，且风速越来越大，绿点处为风暴的移动速度（Storm Motion，使用 Bunkers 技术求解）。

风暴相对风的含义就是在不存在环境风场（或风场为静止状态）的假设下，相对于正在移动的对流风暴的风矢量。如下图所示，为了忽略风暴的移动速度，我们将参考系的原点定位在对流风暴的位置，并重新绘制风矢量（Wind Vector），所得到就是不同高度层的风暴相对风矢量。（注意，在风暴的不同高度层上移动速度不一定相同！）

如何求解风暴相对风呢？其实方法很简单，原理就是基于高中数学的向量知识：已知地面相对风 \(\vec{V}\) 和风暴的移动速度 \(\vec{C}\)（使用 Bunkers 技术求解），那么风暴相对风就是 \(\vec{V} - \vec{C}\)，如下图所示。

当然，因为参考系是相对于地面的，所以很难看出风暴相对风的大小。将参考系的原点定位在对流风暴的位置，可以发现所求的风暴相对风的大小为 40kt 左右。

17.2 风暴相对入流（Storm-relative Inflow）和风暴相对出流（Storm-relative Outflow）

风暴相对风的位置和大小均会对超级单体的结构产生影响，其中影响单体发展最大的是入流气流和出流气流。

风暴相对入流（Storm-relative Inflow, SR Inflow）指的是超级单体低层的相对入流风。在风矢端图上，先要将参考系原点定在对流风暴的位置，然后从新的原点处绘制 0 ~ 1km（一般是单体入流的高度层）的风矢量，如下图的紫色实线所示：

确定风暴相对入流的方向可以让我们得知风暴的入流气团性质。比如下图的情况，东边的风暴可以获得大气不稳定的气流；但西边的风暴就没那么好运了，它获得的入流气团是东边风暴的下沉冷气流，不利于该风暴的持续发展。

那么风暴相对入流的大小意味着什么呢？

更强的风暴相对入流可使得风暴尺寸更大。通常来说，尺寸更大的风暴会造成更多极端天气现象。
大于 40kt 的入流可以支持特别大和高降水量的超级单体。
较弱的入流通常只支持较小的上升气流或产生更少降水的迷你超级单体。
小型或低降水超级单体的入流通常低于 25kt。

风暴相对出流（Storm-relative Outflow, SR Outflow）指的是超级单体高层的相对出流风。在风矢端图上，先要将参考系原点定在对流风暴的位置，然后从新的原点处绘制 3 ~ 6km（一般是单体出流的高度层）的风矢量，如下图所示：

那么风暴相对出流的大小意味着什么呢？

更强的风暴相对出流可以改善降水和通风条件，使得上升气流和下降气流分离。
较弱的风暴相对出流会限制降水和通风条件，导致下降气流接近上升气流。
小于 20kt 的出流可能会导致大量降水落在上升气流周围，不利于风暴发展。

风暴相对出流的方向也会影响风暴的结构：

多方向的相对出流可以驱散降水沉降物，引发更广泛、更具阻碍性的下沉气流。如上面第一张图所示。
若风暴相对出流随高度顺转，则风暴的降水量可能更高，且降水普遍落在风暴的前翼（Forward Flank，即风暴的东北侧）。
单方向的相对出流可以集中降水沉降物，使得下沉气流的阻碍更小，延长龙卷风的持续时间，如上面的第二张图所示。
随着风暴运动的增加，右移单体（RM）逐渐远离风矢端图的中心，使得风暴相对流入更强、风暴相对流出更弱，利于风暴变大、降水量更多。

17.3 水平涡度（Horizontal Vorticity）

除了垂直风切变、风暴相对风以外，大气环境的水平涡度（Horizontal Vorticity）在风暴的发展中也起着至关重要的作用。与垂直风切变类似，我们可以使用速度图来评估水平涡度。不过在讨论这个问题，我们需要先说明一下什么是水平涡度。

如下图左边所示，这是一个三维空间，向右的方向是东边（east），向着屏幕内的方向是北边（north），z 轴是垂直于这个平面的轴。灰色实线代表不同高度层上的风矢量，方向均为西风，但风速随高度而增加。蓝色箭头表示深层风切矢量（Shear Vector）。

现在请你想象一个水平圆柱形空气管，如上图右边所示，它沿着该三维空间的南北方向放置，其底部靠近地面，顶部距离地面大约两三公里。那么，该空气管的轴线与西风正好是互相垂直的关系。此时你会发现：流过空气管底部的空气较慢，而流过空气管顶部的空气更快，这样就会导致空气管绕轴旋转。更准确地来说，如果由南向北看空气管，会发现空气管正在做顺时针旋转。如果伸出右手，让手指也跟着空气管作顺时针旋转，那么你的大拇指就会指向屏幕内。大拇指所指向的方向就是上图右边所示的 \(\vec{\omega}_h\) 的方向，这个 \(\vec{\omega}_h\) 即为该深层风切矢量的水平涡度。

通过上面这个例子，其实就很容易得知水平涡度与风切变的关系了，它们二者之间符合右手法则（right-hand rule），如上图所示。自己用右手比划一下上面这个例子：

食指：代表垂直单位向量 \(\vec{k}\)，指向屏幕外。
中指：代表风切矢量 \(\vec{S}\)，指向东方。
拇指：代表水平涡度 \(\vec{\omega}_h\)，指向北方。

所以，水平涡度 \(\vec{\omega}_h\) 总是在风切矢量方向的左侧，且总是垂直于风切矢量。水平涡度的大小取决于风切矢量的大小，风切变越大，水平涡度就越大。因此，从风矢端图很容易求解各层的水平涡度：

17.4 流向涡度（Streamwise Vorticity）和横向涡度（Crosswise Vorticity）

如果我们把水平涡度和风暴相对风同时画在风矢端图上，你会发现两者之间可能会存在两种极端关系：

水平涡度与风暴相对风呈平行关系：此时水平涡度又称为流向涡度（Streamwise Vorticity），如上图左边的 \(\vec{\omega}_h\) 所示。此时风暴相对入流方向与水平涡度方向完全一致，使得上升气流旋转，促进风暴的发展。
水平涡度与风暴相对风呈垂直关系：此时水平涡度又称为横向涡度（Crosswise Vorticity），如上图右边的 \(\vec{\omega}_h\) 所示。此时风暴相对入流方向与水平涡度方向完全不一致，缺乏螺旋性的入流使得上升气流难以旋转，进而抑制风暴的发展。

通常来说，弯曲的风矢端线容易产生流向涡度，因为风暴的位置一般都在风矢端线外面，如下第一张图所示；而直的风矢端线容易会产生横向涡度，因为风暴的位置一般都在风矢端线上，这使得风暴相对风与水平涡度垂直，如下第二张图所示。

你可能已经留意到了，其实流向涡度和横向涡度就是水平涡度的两个分量。在大多数情况下，水平涡度不与风暴相对风呈平行或垂直关系，如下图所示。此时我们可以将水平涡度 \(\vec{\omega}_h\) 分解为两个分量：一个分量沿着风暴相对风的方向，该分量就是流向涡度 \(\vec{\omega}_s\)；而另一个分量则与风暴相对风垂直，该分量就是横向涡度 \(\vec{\omega}_c\)。

流向涡度的大小与风暴的发展有着很大的关系：

若流向分量更大，则能支持中气旋更快地发展；若流向分量更小，则中气旋的生成时间会变长。
随着流向涡度的增加，中气旋可能会更强、更持久；若流向涡度逐渐变小，那么中气旋通常较弱，存在时间较为短暂。

另外，风矢端线的形状会影响到流向涡度：

较大曲率的风矢端线会增大流向涡度，如上面第一张图。
高空中的逆转风切变会减小流向涡度，如上面第二张图。不过，若低层的风矢端线曲率较大，那么就能适当增大一些流向涡度。

17.5 风暴相对螺旋度（Storm Relative Helicity, SRH）

从上一节我们知道了如何求流向涡度，其方向很好判断，但是其大小是比较难以求解的，所以引入了风暴相对螺旋度（Storm Relative Helicity, SRH）来近似求解。SRH 是一定高度上风暴相对流入量和流向涡度的乘积的积分，表现在风矢端图上是蓝色的扇形面积：

现在的关键问题是：SRH 要取哪个高度段进行计算呢？这里直接给出答案：一般都是取有效入流底部（Effective Inflow Base）和有效入流顶部（Effective Inflow Top）之间的区域，即有效入流层。这个高度层一般比较低，大概在 500m ~ 3km 左右。取该高度段的 SRH 即为有效 SRH（Effective SRH），它忽略了有效入流层以下的区域。

SRH 用于定量估计沿风暴入流方向上的流向涡度大小及入流强弱对风暴旋转的结合效应，同时也是评估发生中气旋和龙卷风可能性的有用参数。SRH 越大，发生龙卷风的可能性就越大。

需要注意一点，SRH 同时为流向涡度和风暴相对风的产物。在实际工作中，我们不仅要看 SRH 的大小，同时也要关注涡度和风暴相对风。例如下图的两个 SRH 都是相等的，但是左边的水平涡度较大，右边的水平涡度较小，因此左边的风矢端线更容易产生更强的中气旋。

简单的后记

好啦！到此为止，关于风矢端图的入门教程就到这里结束了。这两篇教程的图片和部分文字大多来自于俄克拉荷马大学大气专业课中的讲义，这里也非常感谢课程主讲人兼美国风暴预测中心（Storm Prediction Center, SPC）预报员 Cameron Nixon 和 Harry Weinman 这两位大佬，他们都是气象界和强对流预报方面的翘楚。

另外需要注意，该教程仅仅只是入门！还有许多细节仍未讨论过，如果你想学习更多相关知识，请去观看这个视频：【熟肉】探空图中的风矢端图读图指南。虽然视频标题是“读图指南”，但其实有一定的观看门槛，但如果你看完了这两篇教程（最好还有之前关于探空图和雷达的知识），以你现在的知识储备，应该足以能看懂该视频了。