《對流性天氣過程》課件

對流性天氣過程了解對流性天氣過程的形成條件、特點和影響,對于預(yù)報和防災(zāi)減災(zāi)工作至關(guān)重要。本次課程將全面概述對流性天氣的科學原理,并深入探討相關(guān)的氣象監(jiān)測和預(yù)報技術(shù)。課程簡介課程概覽本課程將深入探討對流性天氣過程的形成機理、云的特征以及與極端天氣事件的關(guān)系。學習目標掌握對流性天氣的定義、成因和能量轉(zhuǎn)換過程,了解對流云的類型及其與雷暴、龍卷風等極端天氣的關(guān)系。知識體系涵蓋對流過程、熱量轉(zhuǎn)換、濕度變化、云的形成等相關(guān)知識,并探討對流天氣預(yù)報的技術(shù)手段。對流的定義1熱量傳播的機制對流是熱量通過液體或氣體的垂直運動傳播的一種過程。液體或氣體受到熱源的加熱而上升,從而帶動熱量的轉(zhuǎn)移。2大氣中的應(yīng)用在大氣中,對流是由溫度差引起的空氣垂直運動,主要發(fā)生在對流層內(nèi)。這種對流運動會導致云的形成和天氣系統(tǒng)的產(chǎn)生。3對流的分類對流可以分為自然對流和受迫對流兩種。自然對流是由溫度差造成的,而受迫對流是由外部力作用導致的。對流的成因1溫度差異地表溫度不均勻造成的熱量差異2空氣密度變化溫度差異導致的空氣密度不同3浮力驅(qū)動密度小的熱空氣向上升并帶動周圍空氣4湍流形成對流過程中產(chǎn)生的氣流湍流對流的主要成因是地表溫度不均勻造成的熱量差異。這種熱量差異導致空氣密度產(chǎn)生變化,密度較小的熱空氣會被帶動向上運動,形成湍流氣流并引發(fā)對流過程。對流的發(fā)生和發(fā)展過程中還會伴隨著復雜的能量轉(zhuǎn)換和濕度變化。熱量轉(zhuǎn)換過程熱量從下到上太陽熱量首先加熱地表,地表再向上傳導熱量。這種從下到上的熱量傳導是對流過程的源動力。氣體膨脹與上升被加熱的地表熱量使得地表空氣溫度升高,氣體體積膨脹上升,引發(fā)對流運動。潛熱釋放上升氣流凝結(jié)成云時,釋放大量的潛熱,進一步加強了對流過程。濕度變化過程1加熱地表吸收太陽輻射變熱2熱量轉(zhuǎn)移熱量向上傳輸至上層大氣3減壓冷卻空氣升騰到高空壓力降低4凝結(jié)形云水汽凝結(jié)形成云層在對流性天氣過程中,地表吸收太陽輻射而變熱,熱量向上傳輸至大氣中。隨著高度增加,大氣壓力降低,空氣體積膨脹和溫度下降,致使水汽凝結(jié)成云。這一過程是對流性天氣形成的關(guān)鍵過程之一。能量轉(zhuǎn)換過程1熱量輸入太陽輻射加熱地表,地表向上輻射熱量,從而開始了能量轉(zhuǎn)換過程。2熱量轉(zhuǎn)化熱量使空氣膨脹上升,引發(fā)濕度變化和潛熱釋放,帶動對流運動發(fā)展。3能量傳遞對流上升過程中,水蒸氣凝結(jié)釋放的潛熱又向上傳遞,推動對流持續(xù)發(fā)展。對流過程中的云的形成在對流過程中,熱量和水汽的上升運動會導致空氣冷卻和水汽凝結(jié),形成大量的積雨云。這種云層結(jié)構(gòu)常見于夏季午后的雷雨天氣。云的形成過程復雜,涉及熱量轉(zhuǎn)換、濕度變化等多個環(huán)節(jié)。對流云的發(fā)展往往伴隨著強烈的上升運動和雷電活動,是對流性天氣的重要標識。掌握對流云的形成機制對于準確預(yù)報這類極端天氣事件至關(guān)重要。對流云的類型積雨云直立發(fā)展的對流云,常見于熱帶和溫帶氣候,可發(fā)展成強對流天氣。積雨云族能垂直發(fā)展的對流云,可能發(fā)展成雷雨云或暴風云。卷云由冰晶組成的高層對流云,常見于暖鋒和冷鋒附近。層云由水汽和水滴組成的低層云層,常見于雨雪天氣。雷暴的成因1對流升騰強烈的對流上升運動產(chǎn)生了雷暴云2電荷分離雷暴云內(nèi)部產(chǎn)生了正負電荷分離3放電引發(fā)積累的靜電場最終會引發(fā)雷電放電4雷暴形成雷電放電和強烈對流共同導致了雷暴的產(chǎn)生雷暴的形成離不開強烈的對流升騰運動。這種上升氣流能夠帶動水汽快速上升冷卻,形成雷暴云。雷暴云內(nèi)部正負電荷的分離進而產(chǎn)生靜電場,當電場強度達到一定程度時就會引發(fā)雷電放電,這樣就完成了雷暴的形成過程。雷暴的結(jié)構(gòu)雷暴云的三層結(jié)構(gòu)雷暴云由三個主要部分組成:對流層、積云層和高層云蓋。這三層結(jié)構(gòu)共同決定了雷暴的發(fā)展和演變。雷暴云內(nèi)部的對流運動強烈的上升氣流使水汽在雷暴云內(nèi)部迅速上升并冷卻凝結(jié),導致云內(nèi)部形成強烈的上升和下沉運動。雷暴云中的電荷分布雷暴云內(nèi)部存在負電荷區(qū)、正電荷區(qū)和中性區(qū),這些電荷分布區(qū)導致了雷電的產(chǎn)生和雷暴的電活動。龍卷風的成因熱量和濕度的累積熱量和濕度在地表積聚,導致空氣上升,形成對流。冷暖氣流的相互作用冷暖氣流的交匯促進對流上升,產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)氣流。環(huán)境條件的影響地形、風切變和天氣系統(tǒng)的影響會進一步加劇對流的旋轉(zhuǎn)。龍卷風的結(jié)構(gòu)龍卷風是一種強烈的對流性天氣現(xiàn)象,其結(jié)構(gòu)極其復雜。它由一個徑向?qū)ΨQ的快速旋轉(zhuǎn)氣流柱組成,中心低壓區(qū)域下方形成一個相當強烈的上升氣流。隨著旋轉(zhuǎn)速度的不斷增加,龍卷風會形成一個特征性的喇叭形漏斗狀外觀。在龍卷風的核心區(qū)域,氣壓可以降低到驚人的程度,造成嚴重的破壞性。受到龍卷風旋轉(zhuǎn)過程中高速吸引力的影響,附近的建筑物和樹木會被完全摧毀。冰雹的形成機理1高空冷源對流發(fā)展過程中,高空存在低溫冷源2水汽上升從地面蒸發(fā)的水汽被熱量推動上升3微小冰晶形成在低溫環(huán)境下,水汽直接凝華成冰晶4向上生長冰晶在氣流中不斷上升并吸收水汽生長5下墜與融化冰雹顆粒最終下墜并在低空融化對流性強降水過程中,高空冷源、水汽上升、微小冰晶的形成以及向上生長都是導致冰雹形成的關(guān)鍵因素。這種機理最終形成了從地面上升到高空再迅速下墜的冰雹顆粒。短時強降水的成因1對流發(fā)生當?shù)孛媸艿綇娏逸椛浼訜岵a(chǎn)生熱量對流時,大量熱量和水汽被帶到高空。2大氣不穩(wěn)定對流過程使得大氣變得溫度梯度陡峭,加之水汽充沛,形成了對流性降水的條件。3降水形成在強勁的上升氣流作用下,水汽迅速凝結(jié)成云,并形成短時強降水。對流性天氣預(yù)報的意義及時預(yù)警對流性天氣往往具有突發(fā)性和破壞性,及時準確的預(yù)報對于事先做好防范和預(yù)警至關(guān)重要。減輕損失對流天氣導致的風雨雷電、冰雹等極端天氣事件可能會造成嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡,提前預(yù)報有助于最大程度減少損失。保障生活對流天氣預(yù)報能夠為人們的生產(chǎn)生活提供重要依據(jù),幫助人們采取相應(yīng)的防護措施。支持決策準確的對流天氣預(yù)報有助于政府、交通等部門做出更加科學合理的決策。對流性天氣預(yù)報的方法數(shù)值模擬運用高性能的數(shù)值天氣預(yù)報模式,對對流性天氣過程進行數(shù)值模擬和預(yù)報,可以準確預(yù)測對流天氣的發(fā)生時間、位置和強度。衛(wèi)星遙感衛(wèi)星能觀測對流云頂?shù)陌l(fā)展變化,為對流天氣的監(jiān)測和預(yù)報提供重要依據(jù)。雷達監(jiān)測多普勒雷達可實時監(jiān)測對流云的強度和運動,為短時強降水預(yù)報提供關(guān)鍵信息。地面觀測常規(guī)地面氣象觀測網(wǎng)絡(luò)可以為對流過程的發(fā)生提供先兆信號,為預(yù)報預(yù)警提供支撐。數(shù)值模式在對流天氣預(yù)報中的應(yīng)用高分辨率的數(shù)值模式高質(zhì)量的數(shù)值模型可以更精確地模擬對流天氣過程,從而提高短期天氣預(yù)報的準確性。強大的計算能力海量數(shù)據(jù)的處理需要依靠高性能的計算機和先進的算法,這是數(shù)值模式應(yīng)用的基礎(chǔ)。同化觀測數(shù)據(jù)同化各類觀測資料可以提高模式的初始場,從而更好地反映對流天氣系統(tǒng)的發(fā)展。集合預(yù)報技術(shù)通過多次模擬預(yù)報可以量化預(yù)報不確定性,提高對流天氣預(yù)報的可靠性。衛(wèi)星遙感在對流天氣監(jiān)測中的應(yīng)用實時觀測對流云衛(wèi)星遙感可以實時捕捉對流云的發(fā)展過程,包括云的形態(tài)、高度和移動軌跡,為對流天氣的監(jiān)測提供關(guān)鍵信息。精準監(jiān)測降水衛(wèi)星遙感能夠準確測量對流云所產(chǎn)生的降水量分布,有助于及時識別可能引發(fā)暴雨、冰雹等極端天氣的區(qū)域。追蹤臺風動態(tài)衛(wèi)星遙感可持續(xù)監(jiān)測熱帶氣旋的發(fā)展過程,為預(yù)報臺風路徑和強度變化提供重要依據(jù)。雷達在對流天氣監(jiān)測中的應(yīng)用1實時監(jiān)測雷達可以實時探測對流天氣過程中的強對流、降水等現(xiàn)象,為天氣監(jiān)測和預(yù)報提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。2立體掃描多普勒雷達可以進行三維立體掃描,準確探測對流云中的風場和回波特征。3增強預(yù)報能力雷達數(shù)據(jù)結(jié)合其他觀測資料,可顯著提高對強對流天氣的預(yù)報精度和預(yù)報時效。4防災(zāi)減災(zāi)雷達監(jiān)測為對流天氣的預(yù)警和災(zāi)害防范提供了關(guān)鍵支撐。地面觀測在對流天氣監(jiān)測中的應(yīng)用實時數(shù)據(jù)收集地面觀測站能持續(xù)監(jiān)測并記錄溫度、濕度、風速等關(guān)鍵氣象要素的變化,為預(yù)報和預(yù)警提供實時數(shù)據(jù)支撐。局地天氣預(yù)報地面站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于分析和預(yù)測局地性的對流天氣過程,有助于提高短時強對流事件的預(yù)測精準度。輔助遙感監(jiān)測地面觀測結(jié)果能與衛(wèi)星、雷達等遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合,提升對對流天氣過程的立體化監(jiān)測能力。驗證數(shù)值模式地面觀測數(shù)據(jù)可用于評估和改進數(shù)值天氣預(yù)報模式在對流天氣過程模擬方面的準確性。對流性天氣的預(yù)警機制實時監(jiān)測利用雷達、衛(wèi)星等監(jiān)測手段實時監(jiān)測對流性天氣的發(fā)展變化。數(shù)值模擬預(yù)報通過先進的數(shù)值天氣預(yù)報模式,準確預(yù)測對流性天氣的發(fā)生時間、發(fā)展強度。預(yù)警信息發(fā)布及時發(fā)布預(yù)警信息,告知公眾可能出現(xiàn)的極端對流性天氣情況。對流性極端天氣的防災(zāi)減災(zāi)提早預(yù)警依托先進的氣象監(jiān)測預(yù)報技術(shù),及時發(fā)布對流性極端天氣的預(yù)警,為人民群眾和相關(guān)部門應(yīng)急做好準備。應(yīng)急響應(yīng)各部門要建立健全應(yīng)急預(yù)案,科學調(diào)配應(yīng)急資源,迅速做出反應(yīng),最大程度減少損失。公眾教育加強對公眾的防災(zāi)減災(zāi)知識宣傳,提高自我防護意識,增強應(yīng)對能力。對流性天氣過程的案例分析通過分析具體案例,可以深入了解對流性天氣過程的發(fā)展機制和特點。以2021年8月3日江西贛州強對流天氣事件為例,大量對流活動導致暴雨、冰雹、強風等極端天氣,造成嚴重損失。這突出了對流性天氣的破壞性和突發(fā)性,需要提高監(jiān)測預(yù)報能力,做好防災(zāi)減災(zāi)工作。對流性天氣過程中的能量轉(zhuǎn)換1太陽輻射地球表面吸收太陽輻射2地表加熱地表吸收熱量產(chǎn)生熱量差異3熱量上升熱量上升形成熱對流4潛熱釋放水汽凝結(jié)釋放出大量潛熱對流性天氣過程中,太陽輻射首先被地表吸收,引起地表不均勻加熱。這種熱量差異驅(qū)動熱量向上運動,形成熱對流。在對流上升過程中,水汽凝結(jié)釋放出大量潛熱,進一步推動對流運動。這一系列能量轉(zhuǎn)換過程維持和強化了對流天氣的發(fā)展。對流層結(jié)構(gòu)對對流的影響1溫度梯度對流層溫度隨高度的下降率對對流過程有重要影響2穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度決定了對流流動是否容易發(fā)生3濕度分布濕度變化影響對流過程中的潛熱釋放4風場特征高空風切變可影響對流云系的發(fā)展和移動對流層的溫度、濕度、風場等垂直結(jié)構(gòu)特征會對對流的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生重要影響。溫度梯度決定了對流的驅(qū)動力,濕度分布影響潛熱釋放,而高空風切變則影響對流云系的活動。因此,準確把握對流層結(jié)構(gòu)對對流性天氣過程的作用機理至關(guān)重要。對流性天氣對人類社會的影響1災(zāi)害性天氣事件暴雨、冰雹、龍卷風等極端對流性天氣可能導致嚴重的自然災(zāi)害,給人類生命和財產(chǎn)安全帶來巨大威脅。2農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受損對流性天氣會造成農(nóng)作物受損,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn),危及糧食安全和人類生存。3基礎(chǔ)設(shè)施受損強對流天氣可能破壞公路、管線、電力網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施,影響社會運轉(zhuǎn)。4交通安全隱患對流性天氣會造成能見度和交通安全問題,威脅旅行者生命安全。對流性天氣過程中的熱量交換1熱能吸收對流過程中,地表吸收日照輻射并轉(zhuǎn)化為熱能,這些熱能源源不斷地進入對流層。2熱量上升被地表吸收的熱量通過對流方式上升至對流層頂部,帶動水汽和水滴的上升。3熱量放散在對流層頂部,水汽冷凝釋放潛熱,而對流過程中的熱量最終向外界輻射散失。對流性天氣的區(qū)域差異區(qū)域氣候特點不同地區(qū)的氣候環(huán)境會影響對流性天氣的發(fā)生。如熱帶地區(qū)高溫多雨,對流活動更為頻繁。而高緯地區(qū)冷空氣較多,對流往往伴有暴風雪等極端天氣。地形影響復雜的地形會導致局地氣流的變化,從而影響對流的發(fā)生。如山地地區(qū)對流云更容易形成,而平原地區(qū)對流云則相對較少。城鄉(xiāng)差異城市熱島效應(yīng)會加強城區(qū)對流活動,而農(nóng)村地區(qū)相對溫和。城市高層建筑也會影響對流云的形態(tài)和發(fā)展。對流性天氣預(yù)報的發(fā)展趨勢高精度數(shù)值模式數(shù)值天氣預(yù)報模型的不斷優(yōu)化能夠更準確地模擬對流過程,從而提高短時強對流天氣的預(yù)報精度。全天候衛(wèi)星監(jiān)測衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展能夠提供全球范圍內(nèi)對流云的實時監(jiān)測,為對流性天氣預(yù)報提供關(guān)鍵信息。雷達網(wǎng)監(jiān)測高密度的多普勒天氣