【文献阅读笔记】MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEMS

Title: MESOSCALE CONVECTIVE SYSTEMS

Journal: Reviews of Geophysics; Authors: Robert A. Houze Jr.
Doi: 10.1029/2004RG000150.

1. MCS结构的基本要素

• 降水区域超过100km
• 包含对流和层流区域
• 层流区域是由衰减的对流和倾斜的中尺度气流层抬升引起的。
  
  MCS雷达回波理想结构
• 垂直结构：
  • 平流区域在对流层中层，上升区域下方有云底（cloud base）（气层抬升、衰减和扩散的浮力气块堆积）

  • cloud base下侧为净下沉区域（融化、蒸发引起降温导致）

    
    
    热带MCS成熟阶段结构
• 加热结构 heating
  • 对流区域在各层表现为净heating

  • 层流区在上层表现为heating（上升运动和凝结主导），在下层表现为cooling（降水粒子的融化和蒸发主导）

    
    
    (a) MCS中对流和层流降水相关的净加热廓线 (b) 不同层流降水比例的MCS中的加热廓线分布

2. MCS中的上升运动

2.1 气块角度的上升运动（Parcel Lifting）

传统对流云的定义：出现在非静力平衡浮力上升区的凝结聚合（condensation）。边界层附近产生的暖湿气团（高位温）上升，在局地自由对流的驱动下加速上升过程中受云内湍流扰动混合大量环境气团，最终减速、停止并向附近中性层扩散。

Raymond & Blyth (1986) 的对流云概念模型

2.2 气层抬升 (Layer Lifting)

该种观点认为维持MCS的抬升运动是以一个深度倾斜的上升气流层的形式存在的。（Moncrieff理论）
关键假设：穿过上升气层的middle level静力气压减小。

给定背景风切变环境中的二维稳定MCS结构。进入上升气流的环境空气为不稳定，中层气压场从右向左递减

2.3 重力波视角解释气层抬升

Schmidt and Cottom (1990), Pandya and Durran (1996): 非线性高分辨率模式模拟了包含飑线和前侧层云区域的MCS，用由MCS heating引起的重力波来解释MCS的气层抬升现象。

(a) MCS对流线上的平均加热场 (b) 在此加热场下的风速响应

• 重力波响应，形成一个3~6km的layer，作为前向后入流抬升。一旦对流核组织起来，组成了准静态的加热源，就会形成这种深厚入流。
• 中层的后向前入流也是这个pattern的一部分，中层入流下沉至最低层并与下层的入流在storm的前侧辐合。
• 高层的出流（outflow）也是此heating pattern引起的重力波的一部分。

初期发展的MCS往往根植于边界层，一旦storm成熟，有组织的对流区域形成，并组成了稳定的热源，环境场就需要通过重力波响应进行调整。

2.4 上升层中的分层

在Moncrieff理论认为等效位温沿流线守恒，那么在上升层中的热动力分层与固有气团和入流一致。上升气流中的空气是假设不稳定的，那么我们可以认为，一旦上升层饱和，小尺度的对流核就会形成。

• TOGA项目：飞机观测、多普勒雷达等

  
  
  TOGA项目观测到的西太平洋热带MCS的结构
  • 上升层具有一定倾斜度，在一个明显的下沉冷池上方。该上升层的厚度在0.5~4.5km之间，比边界层略深。该层气流是不稳定的，但维持了一个相对稳定的层状结构，和Figure 6 中的描述是相符的。
• Moncrieff and Klinker (1997) 全球模式模拟，80km分辨率。模拟出的结构特征为云系统前侧的深厚入流。尽管该模拟分辨率太粗，可能不准确，但模拟出的结果确实在TOGA项目中被观测到。
  
  Moncireff (1997) 的全球模式模拟
• Bryan and Fritsch (2000) 中纬度MCS的上升层结构，同样模拟除了与热带MCS相近的结构。被称为MAUL(moist absolutely unstable layer)

问题：一层不稳定的空气组成的气流是如何在气层变得饱和之后保持为一个上升气层的结构的？

2.5 上升气层中的翻转

以上问题的一个可能性是：当气层饱和，产生了层内的翻转，但是这种翻转没有完全分解气流使气层失去了运动场中的一致性，于是就产生了绝对的稳定性。

热带西太平洋中模拟的MCS和取了几点之后得到的运动轨迹

从（b）中可见，气层中气流是在翻转的。最开始在上升气层底部的入流气体，最后处在气层的顶部。作者认为这种轨迹说明，在上升层中存在某种混合机制，能使相当位温的垂直廓线发生翻转，同时气层能维持一个均质的结构。水平方向上看轨迹，发现模式轨迹会向四周扩散。
这种mixing可能是在次网格尺度上发生的。

• “crossover zone”

  
  
  Zipser(1997) 提出一种crossover zone的概念，认为这种mixing是在该区域里发生的
  
  

  Zipser提出的流程图符合Moncireff的概念，但是在上升层中加入了一个crossover zone，认为在上升气层中的空气饱和时，气团会在该区域活跃起来。具有浮力的气团在crossover zone中会根据其相当位温上升到对应的高度。一系列的不同状态的气团上升到不同层次的0浮力层后可能会沿着一个相对更水平的轨迹发生向下切变。crossover zone中气团的机制假设中，上升气层将在达到MCS上层时中和掉它的相对位温廓线。

深厚上升层中的气团本质

Houze (1989)认为前向后入气流中包含了气流扰动造成了一些列降水核，向对流区域提供不稳定性，这些假定的核将环境中入流在进入front-to-rear气流之前就垂直混合了。

Houze (1989)

Yuter and Houze(1995b) particle fountain

Particle Fountain

重的雨滴和霜从mcs core中垂直落下，而中等尺寸的则向四周发散，形成了层云。

动力机制：使用模式模拟来研究
1、Yang and Houze(1995a)，重力波观点

重力波观点解释

上升层中的前入核由冷池的冷鼻触发并在重力波影响下向后演进。
2、Fovell and Tan(1998)，认为冷池冷鼻上产生的向后移的核为具有浮力的组分，浮力气块遵循由浮力气压力驱动的环流。平均上升层中的风将浮力组分平流，连带着浮力气压驱动的环流也向冷池后方严谨。

Fovell and Tan (1998)

3、Bryan and Fritsch (2003) 认为浮力组分的移动有一个侧向的分量。

Bryan and Fritsch (2003)