強對流天氣的熱力學成因

摘要:2009年春末夏初我國南方某些地方出現了強對流天氣，如雷雨大風、龍卷風、冰雹等惡劣天氣。我校師生組織研究小組對各類強對流天氣形成的物理過程及成因進行了探究，應用高中物理競賽中的熱力學知識對強對流天氣形成進行了定量分析。本文對研究性探究活動部分成果進行了總結。

關鍵詞:強對流;天氣;熱力學;定量分析

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)2(S)-0057-3

2009年春末夏初我國很多地方出現了強對流天氣，如雷雨大風、龍卷風、冰雹等惡劣天氣。所到之處的交通、水利、廣播電視、通訊、電力等基礎設施毀損嚴重，給群眾的生命財產和生產、生活造成重大損失。各類強對流天氣形成的物理過程以及成因怎樣?我校師生組織研究小組主要以垂直對流引起的強對流天氣為例進行了研究。

強對流天氣是指出現短時強降水、雷雨大風、龍卷風、冰雹和颮線等現象的災害性天氣。它發生在對流云系或單體對流云塊中，在氣象上屬于中小尺度對流天氣系統。其水平涵蓋范圍，一般小者僅一、二公里，大者可達數十公里;降雨時間短者數分鐘，長可持續幾小時。天氣現象如圖1所示。

1 強對流天氣的產生

強對流天氣形成必須同時具備三個條件:

(1)不穩定大氣:受地表、高度和光照等因素的影響，出現低層空氣暖而濕。上層的空氣干而冷，冷的空氣拼命向下走，而暖的空氣拼命向上走，致使大氣層處于極不穩定狀態。例如在沿海地區由于海陸間冷熱差異，形成熱力環流運動，如圖2所示。

(2)充沛的水汽:南方地區夏季陽光充足，氣溫高，蒸發快。特別是海洋、湖泊上空，水氣蒸發量更大，空氣中具有充沛的水汽。例如1998年7月21號在武漢引起的大暴雨，有1.5倍東湖的水量從空中掉下來。可想而知它的水汽有多大、多豐富。

(3)有足夠的沖擊力:大氣運動的沖擊力有熱力和動力兩種。熱力對流，如圖3所示是由于陸面強烈加熱和地表性質不同造成了地表增熱不等，引起垂直環流。動力抬升，以低層氣流輻合抬升為例:如圖4所示，受溫度差等因素的影響，高溫區中心的氣壓變得很低。出現低層氣流水平輻合，低空的天氣系統在氣壓梯度力的作用下，四周氣壓較高的空氣就向中心流動，低壓空氣團受到高壓空氣團的壓力作用，使低壓氣團向上的運動。這就是低層氣流輻合抬升。

我們以垂直環流為例，對上升的空氣團進行分析，初始狀態受到自身重力G與四周大氣對它的浮力Ff的作用。

設單位體積氣塊受到的重力G=ρg，