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强对流触发过程中的“热链”特征研究

热链，热泡，垂直对流，对流触发

主题1 天气、气候、全球变化、行星大气 > 专题1.25 中尺度对流系统与中尺度涡旋的发生演变及成灾机理

热对流泡（thermals，简称热泡）是一种重要的描述积云发展的物理模型，表征一股在环境大气中上升的热气流。单个热泡上升后很快消散，然而，当一系列热泡连续上升形成“热链”时，能够使垂直上升流持续增强，有助于形成强对流。Morrison H. 等学者通过理论性研究讨论了深厚积云中连续热泡产生的现象，并将该过程定义为thermal chains （Morrison et al.，2020； Peters et al.，2020），简称为“热链”，即多个热对流泡形似一串链条，陆续形成并上升。多项研究发现，“热链”对深对流云的形成和发展具有重要作用（Moser and Lasher-Trapp, 2017；Kirshbaum et al., 2011, 2022）。然而尽管上世纪50年代有关学者就观察到积云形成与连续热泡发展有关，但多数情况下集中在理论模型的构建和优化、以及在积云参数化方案中的应用（Malkus, 1952;  Scorer and Ludlam, 1953; French et al., 1999）。由于热泡和“热链”的空间尺度很小，没有精确观测，因此还鲜有针对实际强对流事件的“热链”结构特征和作用机制研究。

为了研究强对流触发过程中的“热链”特征及作用，本文对贵州地区一次冰雹云过程进行了111m分辨率大涡模拟，通过热泡追踪技术，追踪了冰雹云初生过程中上百个热泡，发现尽管大部分热泡从边界层附近发展起来（起始高度<3km），但热泡的起始高度随对流发展呈现增高的趋势，将不同起始高度的热泡分为两类，分别定义为bottom-up 热泡和 middle-up 热泡，湿对流能够在垂直方向自 2-3km 发展至十几公里，可能是两种热泡协同作用、接力发展的结果。进一步，针对冰雹云生长过程中多个热泡连续上升导致云顶迅速增高、垂直运动快速加强的过程，研究发现，针对bottom-up热泡，浮力与热泡底部的动力辐合耦合作用是其连续发展的关键机制，这一结论与Morrison（2020）等的研究一致；针对Middle-up热泡，热泡在上升过程中由于尾流夹卷导致的分裂是重要机制，在垂直切变环境中，上升气流的两侧由于涡管倾斜产生涡度对，产生动力气压梯度，导致热泡分裂，靠近环境大气的热泡逐渐减弱，而靠近对流核区的热泡继续增强，并上升至更高的高度。