大氣熱力學（16）——風矢端圖的分析方法（上篇）

漫舞八月（Mount256）發表於2024-08-13

注：本篇涉及超級單體的概念，因此在學習本篇教程前，建議先看《雷達氣象學（9）——反射率因子圖分析（強對流篇）》！

16.1 風矢端圖的畫法
16.2 整體風切變（Bulk Shear）
16.3 風矢端線的典型形狀
16.4 平均風切變（Mean Wind Shear）
16.5 使用 Bunkers 技術預測風暴的移動方向
參考文獻

16.1 風矢端圖的畫法

風矢端圖（Hodograph）是垂直風切變隨高度變化的圖，可從探空圖上不同高度的風羽（即表示風向和風速大小的短直線，通常畫在探空圖的右側）得到，因此通常在探空圖資料中，還會附帶上風向量圖。它一般用於評估風切變、風暴相對風（storm-relative winds）和水平渦度，風矢端的長度和形狀對風暴的行為和演變有著直接影響。

如上圖所示，一張空白的風矢端圖由兩條互相垂直的軸和多個同心圓構成，水平軸（u 軸）代表緯向方向，垂直軸（v 軸）代表經向方向，兩條軸相交處為原點，由原點向外輻射的許多直線是等風向線（此處未畫出）。原點代表風速為 0kt。一圈圈的同心圓是等風速圓，越往外數值越大，從 10kt 一直到 50kt 不等。

那麼我們如何根據探空圖的風羽繪製風矢端圖上的線段呢？第一步，先從探空圖中得到不同高度的風羽（Wind Barb），按照風羽所表示的風速和風向，把它們轉換為風向量（Wind Vector），如下圖所示：

這裡稍微解釋一下：sfc 是 surface 的縮寫，表示地面，風速為 10kt，東南風；1km 高度處的風速為 30kt，北風；2km 高度處的風速為 30kt，西南偏南風，以此類推。

第二步，將畫好的風向量“移到”風矢端圖上。注意，風向要保持與原來的一致，風速按照等風速圓來畫，而且每條風向量都是從原點出發的。每畫完一條，就要標註清楚該風向量是哪個高度的，如下圖所示：

第三步，將每條風向量按照高度從低到高的順序連線起來，就得到了下面這張圖，此時藍色箭頭就是相鄰層之間的風切向量（shear vector）。如果還記得高中數學的向量知識，就知道這一步實際上是兩個向量相減的操作，比如 0 ~ 1km 的風切向量就是兩個風向量相減得到的：\(v_1 - v_0\) 。

第四步，擦去所有的風向量，就得到了一張畫好的風矢端圖，如下圖所示：

按照習慣，不同層的風切向量一般用不同顏色表示，例如在這張圖中：0 ~ 1km 是粉色，1 ~ 3km 是紅色，3 ~ 6km 是綠色，6km 往上都是黃色。當然每張風矢端圖所用顏色不一定都是這樣。

透過上述風矢端圖，可以很輕易看出，0 ~ 1km 的線段最長，因此其垂直風切變是最強的。

現在我們總結風矢端圖的畫法：

把風羽轉換為風向量；
將風向量“移到”風矢端圖上；
將每條風向量按照高度從低到高的順序連線起來；
擦去所有的風向量。

16.2 整體風切變（Bulk Shear）

整體風切變（Bulk Shear）指的是任意兩個高度層之間的風切變，而不再侷限於相鄰層。例如，下圖所展示的是 0 ~ 6km 的整體風切變，大小為 60kt。

雖然風矢端圖可以很清晰地反映垂直風切變，但並不是所有高度層之間的風切變都有參考價值。一般來說，在超級單體的有效入流區域（Effective Inflow Base）和平衡高度（Equilibrium Level, EL）兩者高度之間才考慮風切變的影響，因為超級單體的伸展高度就是在這兩者之間。因此，我們可以在風矢端圖上抹去超出這個高度範圍的線段。

如下圖所示，原先該風矢端圖有 0 ~ 1km 和 8 ~ 9km 的風切變線，因為有效入流區域大致在 1km 處，而 EL 高度在 8km 左右，所以這兩條線都被抹去（忽略）了。若此時將 1km 和 8km 的風切變線連起來，就能得到有效整體風切變（Effective Bulk Shear）。

有效整體風切變可以用來大致判斷風暴的發展情況。一般而言，更大的有效整體風切變會產生更強的、更有組織性的對流風暴。弱的風切變可能只支援短暫的、組織性弱的風暴。

16.3 風矢端線的典型形狀

（1）風向隨高度不變，風速隨高度變大

若風向隨高度不變，風速隨高度增大而增大，便得到如上圖所示的風矢端圖，其形狀是直的。

當超級單體風暴出現在此種環境時，就會沿著風切向量（即上圖的白色箭頭）偏移，並最終分裂為左移單體（或左移反氣旋式單體，Left-Mover, LM）和右移單體（或右移氣旋式單體，Right-Mover, RM）。其中，左移單體位於風切向量的左側，右移單體在風切向量的右側。這就是一個經典超級單體分裂產生映象單體的過程。

（2）風向隨高度順轉，風速隨高度由高到低、再由低到高

雖然跟上例一樣，都是直的形狀，但不同的是，本例是順轉風（Veering Wind），即風向隨高度順轉，伴隨著暖平流，且風速由高到低、再由低到高，便得到了另外一種直的風矢端線。雖然這兩例的風廓線不同，但曲線形狀相同，意味著風暴的移動行為都是相似的。也正因為如此，我們可以預測：當超級單體風暴出現在此種環境時，依然會出現分裂產生映象單體的過程，隨著時間推移，這些單體也會迅速發展。

（3）風向隨高度順轉，風速隨高度變大

這也是順轉風，風向隨高度順轉，伴隨著暖平流，但風速隨高度變大，便得到了如上圖所示的順時針彎曲的曲線形狀。注意，並非所有順轉風或逆轉風都會出現彎曲的形狀，如上例。順時針的形狀仍然有利於風暴的分裂，但是分裂後通常都是右移單體佔多數。

（4）非常強的順轉風（強暖平流）

這個例子也是順轉風，但是強度較大（為強暖平流），因此風矢端線的曲率比上例要大得多。曲率較大的風矢端曲線不利於風暴的分裂，且往往有利於右移單體的增強，抑制左移單體的發展。

（5）風向隨高度逆轉，風速隨高度變大

本例是逆轉風（Backing Wind），即風向隨高度順轉，伴隨著冷平流，且風速隨高度變大，便得到了如上圖所示的逆時針彎曲的曲線形狀。逆時針的形狀仍然有利於風暴的分裂，但是分裂後通常都是左移單體佔多數。這種情況在北半球並不多見。

（6）冷暖平流交替

本例中，風向先隨高度順轉，到達某一高度後再隨高度逆轉，形成一種低層暖平流、高層冷平流的情況，於是風矢端線的形狀呈現“N”型。該形狀仍然有利於風暴的分裂，但是分裂後通常都是右移單體佔多數。不過，在冷暖平流交替的位置可能會對風暴產生其他影響，具體要看該位置的高度。

（7）總結

在其他條件相同的前提下，影響單體風暴的發展和移動的因素是大氣環境中風矢端線的形狀，而不是風的方向。如上圖，這兩條風矢端線代表著不同的大氣環境，但單體風暴在著兩種環境中所表現的行為都是相似的。
如果超級單體風暴發展的大氣環境的風矢端線為直線，則風暴會分裂為左移和右移兩個風暴。
若風向隨高度順轉，則有利於右移氣旋式超級單體風暴。
若風向隨高度逆轉，則有利於左移反氣旋式超級單體風暴。

16.4 平均風切變（Mean Wind Shear）

平均風切向量（Mean Wind Shear Vector）是表示風暴發展環境的一個重要指標，它可以用來預測超級單體的移動方向。現在先來介紹平均風切向量的求法。

如上圖所示，我們想求 0 ~ 6km 的平均風切向量，先求其方向，方法非常簡單：直接將 0km 和 6km 的風向量用直線連線起來（即橙色箭頭），該直線方向就是平均風切向量的方向，即東南方向。

平均風切向量的大小是由每層風切向量的水平（x 軸）和垂直（y 軸）分量的平均值而得來的。在上例中，水平分量由低到高分別為 +10m/s、+5m/s、+0m/s、+10m/s、+0m/s、+5m/s，求平均得到 +5m/s；類似地，垂直分量求平均得到 -2.5m/s。接下來將地面層（sfc）的風向量作為新的參考系的原點，根據剛剛算好的分量大小畫出一個向量，就得到平均風切向量（如圖中的白色箭頭）。圖中白點即為平均風切向量所在的位置。

在風矢端圖中，我們直接使用一個棕色的框來表示平均風切向量的位置，如下圖所示：