天氣學(xué)原理與方法-對流性天氣過程

第八章對流性天氣過程

在暖季，當(dāng)大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)、空中有充沛水汽、并有足夠?qū)α鳑_擊力的條件下，大氣中對流運(yùn)動(dòng)得到強(qiáng)勁發(fā)展，其所形成的天氣系統(tǒng)稱對流性天氣系統(tǒng)，如雷暴、龍卷、颮線、冰雹等。這些天氣系統(tǒng)不僅尺度小、生命期短，而且氣象要素水平梯度很大、天氣現(xiàn)象劇烈，具有很大破壞力，往往是一種災(zāi)害性天氣系統(tǒng)。

暴雨、冰雹、龍卷、雷暴大風(fēng)等中尺度強(qiáng)風(fēng)暴天氣能形成嚴(yán)重自然災(zāi)害，給國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事活動(dòng)帶來重大損失。世界各國頻數(shù)較高的自然災(zāi)害是氣象原因造成的，而由中尺度天氣造成的重大災(zāi)害占有很大比例。

本章重點(diǎn)：雷暴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和活動(dòng)規(guī)律

強(qiáng)雷暴云發(fā)生發(fā)展有利條件

本章難點(diǎn)：強(qiáng)雷暴云結(jié)構(gòu)特征概述雷暴的結(jié)構(gòu)及雷暴天氣的成因中小尺度天氣系統(tǒng)主要內(nèi)容對流性天氣：由大氣中的對流不穩(wěn)定層結(jié)造成的，并伴有陣雨、大風(fēng)、冰雹、龍卷等天氣現(xiàn)象。對流性天氣的特征：

㈠對流性天氣都是對流旺盛的積雨云（cb）的產(chǎn)物㈡對流性天氣具有范圍小，發(fā)展快的特點(diǎn)。

㈢對流性天氣發(fā)展劇烈，易形成災(zāi)害。概述

雷暴：積雨云中所發(fā)生的雷電交作的激烈放電現(xiàn)象，同時(shí)指產(chǎn)生這種天氣現(xiàn)象的天氣系統(tǒng)。雷暴是由旺盛積雨云所引起的伴有閃電、雷鳴和強(qiáng)陣雨的局地風(fēng)暴。沒有降水的閃電、雷鳴現(xiàn)象，稱干雷暴

雷暴過境時(shí)，氣象要素和天氣現(xiàn)象會(huì)發(fā)生劇烈變化，如氣壓猛升，風(fēng)向急轉(zhuǎn)，風(fēng)速大增，氣溫突降，隨后傾盆大雨。強(qiáng)烈的雷暴甚至帶來冰雹、龍卷等嚴(yán)重災(zāi)害。雷暴云：指產(chǎn)生雷暴的積雨云（cb）。一般雷暴：通常把只伴有陣雨的雷暴稱

為“一般雷暴”。強(qiáng)雷暴：伴有雷雨、大風(fēng)、冰雹、龍卷

等嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之一

的雷暴稱為強(qiáng)雷暴。積雨云鬃積雨云§4.1雷暴的結(jié)構(gòu)及雷暴天氣的成因

一般雷暴的結(jié)構(gòu)

雷暴群或帶

一般雷暴天氣的成因

“穩(wěn)定狀態(tài)”的強(qiáng)雷暴的結(jié)構(gòu)

強(qiáng)雷暴天氣的成因一、一般雷暴的結(jié)構(gòu)1．生命史的三個(gè)階段

①積云階段（發(fā)展階段）②成熟階段

③消散階段

雷雨胞生命史，顯示胞內(nèi)垂直氣流和凝結(jié)物的分布積云期成熟期消散期2．生命史：每個(gè)階段持續(xù)十幾分鐘至半小時(shí)左右。

３．水平尺度：約十幾公里至中γ尺度。

４．垂直運(yùn)動(dòng)：(垂直速ωmax﹤15m/s)

５．垂直運(yùn)動(dòng)在對流層中層最強(qiáng)（300hpa-500hpa）

６．降水分布：云中物態(tài)特征0℃等溫線至-20℃等溫線之間的區(qū)域主要由過冷水滴、雪花、及冰晶組成，而冰晶是從-10℃附近開始出現(xiàn)，并隨高度逐漸增多。到凍結(jié)高度，云頂突然向上發(fā)展，至對流層頂附近后形成云砧。二、雷暴群或帶１．含義：有許多雷暴單體隨機(jī)聚集成群或帶（各單體處于不同階段），每個(gè)單體都具有獨(dú)立的云內(nèi)環(huán)流，都經(jīng)歷發(fā)展階段、成熟階段和消散階段，并處于不斷新生和消失的新陳代謝過程中。

2．生命史：幾個(gè)小時(shí)、中β尺度。

3.水平尺度：可達(dá)幾百公里。4．每個(gè)單體處于不同的發(fā)展階段。一個(gè)典型的多單體雷暴群的平面圖三、一般雷暴天氣的成因1雷電

雷電是由積雨云中冰晶“溫差起電”以及其它起電作用所造成的云與地之間或云與云之間的放電現(xiàn)象。一般當(dāng)云頂發(fā)展到-20℃等溫線高度以上時(shí)，云中便有了足夠多的冰晶，因此，就會(huì)出現(xiàn)閃電和雷鳴。2陣雨

在雷暴云中上升氣流最強(qiáng)區(qū)附近，一般有一大水滴累積區(qū)，當(dāng)累積量超過上升氣流承托能力時(shí)，便開始降雨。由于累積區(qū)中的水傾盆而下，因而造成陣雨或暴雨。陣雨持續(xù)時(shí)間為幾分鐘到一小時(shí)不等，視雷暴云的強(qiáng)弱及含水量多少而定。3陣風(fēng)

在雷暴云的成熟階段，云中產(chǎn)生的下沉氣流沖到地表面向四周散開造成陣風(fēng)。陣風(fēng)發(fā)生前風(fēng)力較弱，多偏南風(fēng)。陣風(fēng)發(fā)生時(shí)，風(fēng)向常呈氣旋式旋轉(zhuǎn)，然后又呈反氣旋式旋轉(zhuǎn)。移動(dòng)緩慢的雷暴，云下的流出氣流幾乎是徑向（即向四面八方鋪開）的。然而多數(shù)情況下，在雷暴移向的下風(fēng)方的風(fēng)速要大于上風(fēng)方。4壓、溫、濕的變化

由于下沉氣流中水滴蒸發(fā)，使下沉氣流幾乎保持飽和狀態(tài)，因此在雷暴云下形成一個(gè)近乎飽和的冷空氣堆，因其密度較大所以氣壓較高，這個(gè)高壓叫“雷暴高壓”。當(dāng)雷暴云向前移動(dòng)時(shí)，云下的雷暴高壓也隨之向前移動(dòng)，使得測站氣壓先下降、后上升，溫度下降（冷空氣堆），相對濕度上升，絕對濕度下降（與溫度有關(guān)，近與飽和）。在弱的垂直風(fēng)切變中的孤立雷暴模型四、“穩(wěn)定狀態(tài)”的強(qiáng)雷暴的結(jié)構(gòu)基本概念

颮暴：以強(qiáng)烈陣風(fēng)為主的強(qiáng)雷暴

雹暴：以嚴(yán)重降雹為主的強(qiáng)雷暴

生命史：較長，幾小時(shí)--十幾小時(shí)在強(qiáng)垂直切變環(huán)境下發(fā)展起來的超級單體風(fēng)暴、多單體風(fēng)暴、龍卷風(fēng)暴、颮線是常見的強(qiáng)風(fēng)暴具有以下共同特征：有一支傾斜的上升氣流；有一支下沉氣流從中層進(jìn)入風(fēng)暴，從低層流出，下沉氣流與入流氣流輻合，使上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)；上升氣流合下沉氣流構(gòu)成不對稱環(huán)流和天氣系統(tǒng)。強(qiáng)雷暴與一般雷暴的主要區(qū)別：

①特定環(huán)流場，強(qiáng)的垂直切變和強(qiáng)的不穩(wěn)定。

②特定的鉛直環(huán)流穩(wěn)定狀態(tài)的含義：當(dāng)強(qiáng)雷暴發(fā)展到一定階段時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)可以維持?jǐn)?shù)小時(shí)之久的近乎穩(wěn)定的較強(qiáng)較大，以及高度有組織和不對稱垂直環(huán)流。（一）超級單體“風(fēng)暴１．定義及特征：

含義：具有單一的特大的垂直環(huán)流的巨大的強(qiáng)風(fēng)暴云，是所有對流風(fēng)暴云中最壯觀和最強(qiáng)烈的一類風(fēng)暴云②水平尺度：20-40km，垂直尺度：18km

③生命史：幾個(gè)小時(shí)，移動(dòng)路徑可達(dá)數(shù)百公里④環(huán)流：具有強(qiáng)大的非對稱的有組織的垂直環(huán)流，前部有上升氣流，后部有下沉氣流結(jié)構(gòu)特征風(fēng)暴云頂垂直氣流分兩部分：斜升氣流，下?lián)舯┝鳠o（或弱）回波區(qū)（穹窿）在風(fēng)暴云的右前方形成一個(gè)只有小云滴而沒有（或很少有）大水滴的地區(qū)，有時(shí)也可能是無云的空穴。在雷達(dá)的RHI照片上便呈現(xiàn)為一個(gè)無（或弱）回波區(qū)，它從風(fēng)暴云右翼伸展到風(fēng)暴云內(nèi)并存在云中向上突入一段距離，一般稱其為“穹窿”。上風(fēng)側(cè)是云墻，強(qiáng)回波區(qū)下風(fēng)側(cè)是前伸懸體回波。

風(fēng)暴的運(yùn)動(dòng)方向一般偏向于對流云中層的風(fēng)的右側(cè)。所以這類風(fēng)暴也叫做“右移強(qiáng)風(fēng)暴”，但有的強(qiáng)風(fēng)暴也可以是左移的。環(huán)境風(fēng)因?yàn)轱L(fēng)暴云十分高大，因此它迫使環(huán)境氣流分成兩股繞云而過，在環(huán)境氣流與云邊界之間會(huì)發(fā)生渦旋混合作用。超級單體三維環(huán)流模型斜升氣流的形成：下?lián)舯┝鞯妮椛饬髋c進(jìn)入云體的暖濕氣流匯合產(chǎn)生。下?lián)舯┝鞯男纬桑?/p>

①降水物的拖拽作用②在中層云外圍繞流干冷氣流被卷入后，在云體前部逐漸下沉。③在中層，從云后部直接進(jìn)入云中的干空氣，降水物通過這種干空氣是強(qiáng)烈蒸發(fā)冷卻，形成很冷的下沉氣流。３．兩支氣流的作用斜升氣流的作用：①供應(yīng)水汽②促進(jìn)云雨發(fā)展③分迭大小不同的降水物，有利于冰雹的生成下?lián)舯┝鞯淖饔茫孩俚降乇砻婧笙蛩闹苌㈤_，形成強(qiáng)風(fēng)②使上升氣流傾斜，產(chǎn)生斜升氣流㈡多單體風(fēng)暴含義：由許多較小的處于不同發(fā)展階段雷暴單體組成，但有一個(gè)統(tǒng)一的垂直環(huán)流的風(fēng)暴。多單體風(fēng)暴中，對流單體橫向排成一行。他們不斷底在雷暴復(fù)合體中的右側(cè)發(fā)生，在左側(cè)消亡看起來風(fēng)暴就象一個(gè)整體在運(yùn)動(dòng)。雖然每個(gè)單體的生命期不長但通過單體的連續(xù)更替過程可使整體的生命期很長。1973年7月9日美科羅拉多州所測到的多胞型雷暴的模型㈢颮線１．含義：有許多雷暴單體（其中包括若干超級單體）側(cè)向排列而形成的強(qiáng)對流云帶。風(fēng)向、風(fēng)速突變的狹窄的強(qiáng)對流天氣帶。很具破壞力的嚴(yán)重災(zāi)害性天氣。２．水平尺度：長約幾十至幾百公里，寬約幾十公里至二百公里。

３．生命史：幾小時(shí)至十幾小時(shí)。

４．天氣現(xiàn)象：大風(fēng)、冰雹、龍卷。颮線過境時(shí)，風(fēng)向突變、風(fēng)速急增、氣壓驟升、氣溫劇降同時(shí)伴有雷暴、暴雨。颮線發(fā)生之前多屬晴好天氣，氣溫較高，風(fēng)力微弱，風(fēng)向很亂或多偏南風(fēng)，空氣濕度較大，天氣悶熱，具備雷雨條件。五、強(qiáng)雷暴天氣的成因天氣：大風(fēng)（颮）、冰雹、龍卷㈠颮：１．含義：伴隨強(qiáng)風(fēng)暴云來臨，氣壓涌升，氣溫急降，相對濕度增大的突然發(fā)作的強(qiáng)烈陣風(fēng)。颮是強(qiáng)陣風(fēng)的意思

。２．形成的原因：下?lián)舯┝鞯降乇砻嫦蛩闹苌㈤_。

㈡冰雹：

１．含義：直徑大于5毫米的固體降水物。

２．共同特點(diǎn)：①較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)（ωmax＞15m/s.）②水份累積區(qū)和最大垂直速度區(qū)的高度一般在零度層以上。③水份累積區(qū)的含水量較為豐富，一般都不小于15-20克/米3，累積厚度不小于1.5-2.0公里左右。

④有宜于形成“雹胚”的環(huán)境。⑤云內(nèi)0℃層的高度適當(dāng)，不太高也不太低。成熟雷雨內(nèi)各種現(xiàn)象：1電場分布，2小股垂直氣流，3雹的成長，4地面冷氣丘的形成和范圍３．冰雹的形成過程：

在一般超級單體雹云中冰雹的生長過程大致經(jīng)歷這樣的過程：首先雹胚進(jìn)入斜升氣流之中，斜升氣流把小冰粒帶到中高層，穿過過冷水份累積區(qū)，然后砧狀流出氣流將小雪粒撒向前方。大的拋得近，小的拋得遠(yuǎn)。通過“分選”作用，大小雹粒在不同部位下落，重新進(jìn)入斜升氣流，又開始第二次升降。如此循環(huán)數(shù)次，大雹落在回波“墻”附近或“陣風(fēng)前沿線”附近的后方。而小雹可能降落在離“陣風(fēng)前沿線”較遠(yuǎn)的后方或前方。

冰雹是從雹云(強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云)中降落下來的冰球或冰塊，大的有小碗口大，常與雷雨、大風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)。冰雹發(fā)生前，天氣悶熱，氣壓下降很多，最高氣溫可達(dá)30℃或以上。雹云呈黑色，底部發(fā)紅，雷聲如推磨隆隆不斷。形成冰雹的天氣形勢往往是華東沿海上空為低壓槽，在華北上空有冷性低壓東南下，地面圖上暖性低壓內(nèi)有冷鋒南移，并在午后到傍晚時(shí)影響。冰雹降在雹云移動(dòng)的路徑上，所以有“雹打一長線”的說法。颮線垂直剖面㈢龍卷１．含義：從雷暴云底向下伸展并且到達(dá)地面的漏斗狀渦旋云柱叫做“龍卷”。龍卷伸展到地面時(shí)會(huì)引起強(qiáng)烈的旋風(fēng)叫做“龍卷風(fēng)”。龍卷有時(shí)懸掛在空中，有時(shí)伸延到地面。出現(xiàn)在陸地上的，稱陸龍卷，出現(xiàn)在海面上的，稱海龍卷。

龍卷風(fēng)是一種伴隨著高速旋轉(zhuǎn)的漏斗狀云柱的強(qiáng)風(fēng)渦旋。龍卷風(fēng)中心附近風(fēng)速可達(dá)100ｍ／ｓ～200m/s，最大300m/s，比臺(tái)風(fēng)近中心最大風(fēng)速大好幾倍。中心氣壓很低，一般可低至400hPa，最低可達(dá)200hPa。它具有很大的吸吮作用，可把海（湖）水吸離海(湖)面，形成水柱。由于龍卷風(fēng)內(nèi)部空氣極為稀薄，導(dǎo)致溫度急劇降低，促使水汽迅速凝結(jié)，這是形成漏斗云柱的重要原因。漏斗云柱的直徑，平均只有250ｍ左右。

龍卷風(fēng)產(chǎn)生于強(qiáng)烈不穩(wěn)定的積雨云中。它的形成與暖濕空氣強(qiáng)烈上升、冷空氣南下、地形作用等有關(guān)。它的生命史短暫，一般維持十幾分鐘到一二小時(shí)，但其破壞力驚人，能把大樹連根拔起，建筑物吹倒，或把部分地面物卷至空中。江蘇省每年幾乎都有龍卷風(fēng)發(fā)生，但發(fā)生的地點(diǎn)沒有明顯規(guī)律。出現(xiàn)的時(shí)間，一般在六七月間，有時(shí)也發(fā)生在8月上、中旬。5月8日和9日，強(qiáng)龍卷風(fēng)襲擊美國俄克拉荷馬州的俄克拉荷馬城。這次龍卷風(fēng)襲擊只造成11人受傷，沒有造成人員喪亡，算是一個(gè)奇跡。不過，龍卷風(fēng)還是造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)紐約保險(xiǎn)信息研究所估計(jì)，損失可能達(dá)到6-6.5億美元

這次龍卷風(fēng)的行進(jìn)路線非常類似于1999年5月3日的那一次龍卷風(fēng)襲擊。那次一共有66個(gè)龍卷風(fēng)襲擊俄克拉荷馬州和鄰近的堪薩斯州，造成49人喪生，摧毀了2600間房屋，8000間建筑物受損，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)12億美元，是近年來破壞力最大的龍卷風(fēng)襲擊事件。２．主要特征：①外觀：漏斗狀云柱

水平尺度很小，幾米至幾百米；垂直尺度，二至三千米，甚至10km，垂直范圍在3-15km②生存時(shí)間幾分鐘到幾十分鐘③中心氣壓低:中心氣壓與外圍之間氣壓梯度可達(dá)2百帕/米左右。④風(fēng)速：其中心風(fēng)力可達(dá)100-200米/秒以上，具有極大的破壞力。

⑤結(jié)構(gòu)：龍卷有時(shí)成對的出現(xiàn)，兩個(gè)的旋轉(zhuǎn)方向相反。一個(gè)是氣旋式的，另一個(gè)是反氣旋式的，但以氣旋式的為常見。⑥龍卷中心為下沉氣流，四壁為極強(qiáng)的上升氣流，速度可達(dá)50米/秒以上。⑦科氏力不起作用，慣性離心力和氣壓梯度力平衡。

⑧非靜力平衡

⑨形成原因龍卷中的氣流分布示意圖

左龍卷和右龍卷§4.2中小尺度天氣系統(tǒng)中小尺度天氣系統(tǒng)的概念中小尺度擾動(dòng)的特征颮中系統(tǒng)中尺度低壓系統(tǒng)一、中小尺度天氣系統(tǒng)的概念

1含義：大氣中存在的像雷暴和強(qiáng)雷暴一類空間尺度較小，生命史較短的天氣系統(tǒng)。

2天氣系統(tǒng)的分類：

1.大尺度：

①水平范圍幾百至幾千公里。如氣旋、鋒面、臺(tái)風(fēng)、高空槽（脊）、長波等。

②生命史：一天至幾天

2.中尺度：

水平范圍十幾公里至二、三百公里。如強(qiáng)雷暴、颮線、中尺度低壓、中尺度氣旋、颮中系統(tǒng)。

②生命史：一小時(shí)至十幾小時(shí)

3.小尺度：

水平范圍幾十米至十幾公里。如雷暴、龍卷、塵卷、山谷風(fēng)。

②生命史：幾分鐘至一小時(shí)Olanski尺度劃分方案大尺度水平尺度>2000km中尺度水平尺度2～2000km

中α系統(tǒng)200～2000km1-5天

中β系統(tǒng)20～200km3小時(shí)-1天

中γ系統(tǒng)2～20km1小時(shí)小尺度水平尺度<2km二、中小尺度擾動(dòng)的特征㈠水平尺度小㈡垂直尺度：大都可達(dá)整個(gè)對流層的厚度，即為7-18公里左右。垂直尺度與水平尺度的比率很大，約為0.1。一般大系統(tǒng)的比率為0.01左右。㈢生命期：雷暴單體的平均生命期不到1小時(shí)，雷暴群可存在幾小時(shí)，較強(qiáng)的颮中系統(tǒng)等中系統(tǒng)的生命期大約為12小時(shí)左右，而大尺度系統(tǒng)常達(dá)一天至幾天。水平尺度（公里）10－1－100100－101101－102102－103103－104天氣系統(tǒng)塵卷龍卷積云雷暴單體中低壓中氣旋（龍卷氣旋）颮中系統(tǒng)臺(tái)風(fēng)氣旋反氣旋鋒面長波阻塞系統(tǒng)尺度劃分小尺度系統(tǒng)中尺度系統(tǒng)

大尺度系統(tǒng)㈣垂直速度：

在雷暴云的上升氣流中，一般為10米/秒，特強(qiáng)的為60米/秒以上。大尺度系統(tǒng)中僅為每秒幾厘米。㈤散度：

甚至大尺度中散度為㈥渦度：在中高壓和中氣旋中，渦度和散度的大小比率近似等于1。㈦氣象要素梯度大：颮線過境時(shí)氣壓梯度可達(dá)

1-3hPa/km，溫度梯度可達(dá)5°C/10km，變壓

1hPa/1-2min，變溫-1°C/min，可觀測到地面風(fēng)垂直于等壓線方向。㈧地轉(zhuǎn)偏向力：影響小塵卷和部分小龍卷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要取決于離心力和氣壓梯度力的平衡。但較大的中系統(tǒng)，就要考慮到地轉(zhuǎn)偏向力的影響。㈨非靜力平衡：在旺盛的對流云內(nèi)，空氣不符合靜力平衡的假定。浮力可以使氣塊產(chǎn)生很大的垂直加速度。

三、颮中系統(tǒng)

1含義：和颮現(xiàn)象相聯(lián)系的一類中系統(tǒng)叫颮中系統(tǒng)，它包括雷暴高壓、颮線、颮線前低壓和尾流低壓等中系統(tǒng)。雷暴高壓是指在成熟階段雷暴的下方，一般都有１個(gè)冷性中高壓，這種高壓稱為雷暴高壓。在冷空氣堆已完全形成而它的范圍不太大的時(shí)候，雷暴高壓表現(xiàn)得最強(qiáng)；當(dāng)冷空氣堆向更大的面積上延展的時(shí)候，雷暴高壓便逐漸減弱；如果沒有新的下降冷空氣補(bǔ)充，就會(huì)逐漸消失。雷暴高壓在初生時(shí)范圍較小，強(qiáng)度較弱，以后逐漸擴(kuò)大增強(qiáng)，一般能維持3～18h。在高壓的范圍內(nèi)，大多有雷雨天氣，但也有個(gè)別的只有雷電而無降水。2系統(tǒng)的背景和生命史

（1）颮中系統(tǒng)可以發(fā)生在冷鋒前或暖鋒后的暖氣團(tuán)中，也可以