第8章-对流性天气过程

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 对流性天气过程,1,要点,雷暴系统的结构特征和活动规律,飑中系统,飑线和锋面的异同,中小尺度系统的扰动特征,对流天气预报的物理基础,对流性天气形成的条件,几种常见的对流天气的触发机制,强雷暴发生、发展的有利条件,2,在暖季，当大气层结处于不稳定状态、空中有充沛水汽、并有足够对流冲击力的条件下，大气中对流运动得到强劲发展，其所形成的天气系统称对流性天气系统，如雷暴、龙卷、飑线、冰雹等。,这些天气系统不仅尺度小、生命期短，而且气象要素水平梯度很大、天气现象剧烈，具有很大破坏力，往往是一种灾害性天气系统。,3,暴雨、冰雹、龙卷、雷暴大风等中尺度强风暴天气能形成严重自然灾害，给国民经济建设和军事活动带来重大损失。,世界各国频数较高的自然灾害是气象原因造成的，而由中尺度天气造成的重大灾害占有很大比例。,4,概 述,雷暴的结构及雷暴天气的成因,中小尺度天气系统,对流性天气预报的物理基础,对流性天气的预报方法,5,对流性天气：,由大气中的对流不稳定层结造成的，并伴有阵雨、大风、冰雹、龙卷等天气现象。,对流性天气的特征：, 对流性天气都是对流旺盛的积雨云（cb）,的产物, 对流性天气具有范围小，发展快的特点。, 对流性天气发展剧烈，易形成灾害。,概述,6,雷暴：,积雨云中所发生的雷电交作的激烈放电现象，同时指产生这种天气现象的天气系统。雷暴是由旺盛积雨云所引起的伴有闪电、雷鸣和强阵雨的局地风暴。,没有降水的闪电、雷鸣现象，称,干雷暴,雷暴过境时，气象要素和天气现象会发生,剧烈变化，,如气压猛升，风向急转，风速大增，气温突降，随后倾盆大雨。强烈的雷暴甚至带来,冰雹、龙卷,等严重灾害。,7,雷暴云：,指产生雷暴的积雨云（cb）。,一般雷暴：,通常把只伴有阵雨的雷暴称,为“一般雷暴”。,强雷暴：,伴有雷雨、大风、冰雹、龙卷,等严重的灾害性天气现象之一,的雷暴称为强雷暴。,8,一、一般雷暴的结构,1生命史的三个阶段, 发展阶段, 成熟阶段, 消散阶段,8.1 雷暴的结构及雷暴天气的成因,9,2生命史：,每个阶段持续十几分钟至半,小时左右。,水平尺度：,约十几公里至中尺度。,垂直运动：,(垂直速,max,15m/s),垂直运动在对流层中层最强,（300hPa-500hPa）,10,一般雷暴结构,发展阶段,成熟阶段,消散阶段,11,降水分布：,云中物态特征 0等温线至-20等温线之间的区域主要由过冷水滴、雪花、及冰晶组成，而冰晶是从-10附近开始出现，并随高度逐渐增多。到冻结高度，云顶突然向上发展，至对流层顶附近后形成云砧。,12,雷暴群或带,含义：,有许多雷暴单体随机聚集成群或带（各单体处于不同阶段），每个单体都具有独立的云内环流，都经历发展阶段、成熟阶段和消散阶段，并处于不断新生和消失的新陈代谢过程中。,2生命史,：,几个小时、中尺度。,3. 水平尺度：,可达几百公里。,4每个单体处于不同的发展阶段。,13,一个典型的多单体雷暴群的平面图,14,二、一般雷暴天气的成因,1雷电,雷电是由积雨云中,冰晶“温差起电”,以及其它起电作用所造成的云与地之间或云与云之间的放电现象。,一般当云顶发展到-20等温线高度以上时，云中便有了足够多的冰晶，因此，就会出现闪电和雷鸣。,15,阵雨,在雷暴云中上升气流最强区附近，一般有一大水滴累积区，当累积量超过上升气流承托能力时，便开始降雨。,由于累积区中的水倾盆而下，因而造成阵雨或暴雨。阵雨持续时间为几分钟到一小时不等，视雷暴云的强弱及含水量多少而定。,16,3 阵风,在雷暴云的成熟阶段，云中产生的,下沉气流冲到地表面向四周散开造成阵风,。,阵风发生前风力较弱，多偏南风。阵风发生时，风向常呈气旋式旋转，然后又呈反气旋式旋转。移动缓慢的雷暴，云下的流出气流几乎是径向（即向四面八方铺开）的。然而多数情况下，在雷暴移向的下风方的风速要大于上风方。,17,4 压、温、湿的变化,由于下沉气流中水滴蒸发，使下沉气流几乎保持饱和状态，因此在雷暴云下形成一个,近乎饱和的冷空气堆,，因其密度较大所以气压较高，这个高压叫,“雷暴高压”。,当雷暴云向前移动时，云下的雷暴高压也随之向前移动，使得,测站气温下降、气压涌升、相对湿度上升、露点或绝对湿度下降,等气象要素的显著变化。,18,在弱的垂直风切变中的孤立雷暴模型,19,三、“稳定状态”的,强雷暴,的结构,基本概念,飑暴：以强烈阵风为主的强雷暴,雹暴：以严重降雹为主的强雷暴,生命史：较长，几小时-十几小时,在强垂直切变环境下发展起来的,20,超级单体风暴、多单体风暴、龙卷风暴、飑线是常见的强风暴,具有以下共同特征：,前部,有一支倾斜的上升气流；,后部有一支下沉气流从中层进入风暴，从低,层流出，下沉气流与入流气流辐合，使,上升运动更强；,上升气流合下沉气流构成不对称环流和,天气系统。,21,强雷暴与一般雷暴的主要区别：, 垂直气流的强度；, 垂直气流的有组织程度和不对称性。,强雷暴发展到一定阶段时，会出现一个可以维持数小时之久的、近乎稳定的、较强较大的，以及高度有组织和不对称垂直环流。,22,（一）“超级单体“风暴,定义及特征,：,含义：具有,单一的特大的,垂直环流的巨大的,强风暴云。是所有对流风暴云中最壮观和最,强烈的一类风暴云。, 水平尺度：,20-40km,，,垂直尺度：,18km,生命史：几个小时，移动路径可达数百公里, 环流：具有强大的非对称的有组织的垂直环,流，前部有上升气流，后部有下沉气流,23,结构特征,风暴云顶（最高可达,18km,以上）,垂直气流分两部分：,斜升气流，下击暴流,无（或弱）回波区（穹窿）,在风暴云的右前方形成一个只有小云滴而没有（或很少有）大水滴的地区，有时也可能是无云的空穴。在雷达的,RHI,照片上便呈现为一个无（或弱）回波区，它从风暴云右翼伸展到风暴云内并存在云中向上突入一段距离，一般称其为,“,穹窿,”,。上风侧是云墙，强回波区下风侧是前伸悬体回波。,24,25,风暴的运动方向一般偏向于对流云中层,的风的右侧,。,所以这类风暴也叫做,“,右,移强风暴,”，,但有的强风暴也可以是左,移的。,环境风因为风暴云十分高大，因此它迫,使环境气流分成两股绕云而过,，在环境,气流与云边界之间会发生涡旋混合作用。,26,超级单体三维环流模型,27,斜升气流的形成：,下击暴流的辐散气流与进入云体的暖湿气流汇合产生。,下击暴流的形成：, 降水物的拖曳作用, 在中层云外围绕流干冷气流被卷入后，在云,体前部逐渐下沉。, 在中层，从云后部直接进入云中的干空气，,降水物通过这种干空气是强烈蒸发冷却，形,成很冷的下沉气流。,28,两支气流的作用,斜升气流的作用：, 供应水汽, 促进云雨发展, 分迭大小不同的降水物，有利于冰雹的生成,下击暴流的作用：, 到地表面后向四周散开，形成强风, 使上升气流倾斜，产生斜升气流,29,多单体风暴,含义：,由许多较小的处于不同发展阶段雷暴单体组成，但,有一个统一的垂直环流,的风暴。多单体风暴中，对流单体横向排成一行。他们不断地在雷暴复合体中的右侧发生，在左侧消亡看起来风暴就象一个整体在运动。虽然每个单体的生命期不长但通过单体的连续更替过程可使整体的生命期很长。,30,1973年7月9日美科罗拉多州所测到的多胞型雷暴的模型,31,32,飑线,含义：,有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的强对流云带。,风向、风速突变的狭窄的强对流天气带。很具破坏力的严重灾害性天气。,水平尺度：,长约几十至几百公里，宽约几十公里至二百公里。,生命史：,几小时至十几小时。,33,天气现象：,大风、冰雹、龙卷。飑线过境时，风向突变、风速急增、气压骤升、气温剧降同时伴有雷暴、暴雨。,飑线发生之前多属晴好天气，气温较高，风力微弱，风向很乱或多偏南风，空气湿度较大，天气闷热，具备雷雨条件。,34,飑线常出现在,气团内部,或冷锋前，破坏性很大。,我国飑线的地理分布：,飑线多发生在长江流域以北地区，其中内蒙、河北、山西、山东、河南、安徽、江苏和沿海等地每年均有发生。,35,四、强雷暴天气的成因,天气：,大风（飑）、冰雹、龙卷,飑,：,含义：伴随强风暴云来临，气压涌升，,气温急降，相对湿度增大的突然发作的,强烈阵风。飑是强阵风的意思,。,形成的原因：,下击暴流到地表面向四周,散开。,36,冰雹,：,含义：,直径大于5毫米的固体降水物。,共同特点：,较强的上升运动,（,max,15m/s.）, 水份累积区和最大垂直速度区的高度一般,在零度层以上。, 水份累积区的含水量较为丰富，一般都不小,于15-20克/米,3,，累积厚度不小于公,里左右。,有宜于形成“雹胚”的环境,。,云内0层的高度适当，不太高也不太低,。,37,成熟雷雨内各种现象：1 电场分布，2 小股垂直气流，3 雹的成长，4 地面冷气丘的形成和范围,38,. 冰雹的形成过程,：,在一般超级单体雹云中冰雹的生长过程大致经历这样的过程：首先雹胚进入斜升气流之中，斜升气流把小冰粒带到中高层，穿过过冷水份累积区，然后砧状流出气流将小雪粒撒向前方。大的抛得近，小的抛得远。通过“分选”作用，大小雹粒在不同部位下落，重新进入斜升气流，又开始第二次升降。如此循环数次，大雹落在回波“墙”附近或“阵风前沿线”附近的后方。而小雹可能降落在离“阵风前沿线”较远的后方或前方。,39,飑线垂直剖面,40,龙卷,含义,：,从雷暴云底向下伸展并且到达地面的漏斗状涡旋云柱叫做,“龙卷”。,龙卷伸展到地面时会引起强烈的旋风叫做,“龙卷风”。,龙卷有时悬挂在空中，有时伸延到地面。出现在陆地上的，称,陆龙卷，,出现在海面上的，称,海龙卷。,41,主要特征：, 外观：漏斗状云柱,水平尺度很小：几米至几百米；,垂直尺度：二至三千米，甚至10km,垂直范围：3-15km, 生存时间：几分钟到几十分钟, 中心气压低：中心气压与外围之间气压,梯度可达2百帕/米左右。, 风速：其中心风力可达100-200米/秒以,上，具有极大的破坏力。,42, 结构：龙卷有时,成对的出现,，两个的,旋转方向相反。, 龙卷中心为下沉气流，,四壁为极强的,上升气流,，速度可达50米/秒以上。, 科氏力不起作用，惯性离心力和气压,梯度力平衡。, 非静力平衡, 产生龙卷的雷暴云要更高、更强。,43,8.2 中小尺度天气系统,44,一、中小尺度天气系统的概念,1含义：,大气中存在的像雷暴和强雷暴,一类,空间尺度较小,，,生命史较短,的天,气系统。,2天气系统的分类：,1.大尺度：, 水平范围几百至几千公里。如气旋、锋,面、台风、 高空槽（脊）、长波等。, 生命史：一天至几天,45,2.中尺度：,水平范围十几公里至二、三百公里。如强雷,暴、飑线、中尺度低压、中尺度气旋、飑中,系统。, 生命史：一小时至十几小时,3.,小尺度：,水平范围几十米至十几公里。如雷暴、龙,卷、尘卷、山谷风。, 生命史：几分钟至一小时,46,Orlanski,尺度划分方案,大尺度 水平尺度,2000km,中尺度 水平尺度,2,2000km,中,系统,200,2000km 1-5,天,中,系统,20,200km 3,小时,-1,天,中,系统,2,20km 1,小时,小尺度 水平尺度,2km,47,二、飑中系统,1 含义：,和飑现象相联系的一类中系统叫飑中系统，它包括,雷暴高压、飑线、飑线前低压和尾流低压,等中系统,。,48,雷暴高压,是指在成熟阶段雷暴的下方，一般都有个冷性中高压，这种高压称为雷暴高压。,在冷空气堆已完全形成而它的范围不太大的时候，雷暴高压表现得最强；当冷空气堆向更大的面积上延展的时候，雷暴高压便逐渐减弱；如果没有新的下降冷空气补充，就会逐渐消失。雷暴高压在初生时范围较小，强度较弱，以后逐渐扩大增强，一般能维持318 h。在高压的范围内，大多有雷雨天气，但也有个别的只有雷电而无降水。,49,系统的背景和生命史,（,1,）飑中系统可以发生在冷锋前或暖锋后的,暖气团,中，也可以发生在冷锋后或暖锋前的,冷气团,中，或发生在,冷（暖）锋上,。,50,（2）飑中系统的生命史大致可分为四个阶段：,初始阶段,发展阶段,成熟阶段,消散阶段,51,3 飑中系统的移动,飑中系统生成后，会,有规律地向前移动,。,（1）飑线上单体移向基本上与850-500百,帕平均风一致，有时略偏右。,（2）飑线还有向着最不稳定的地区移动的,趋向。,（3）飑线的移速取决于大尺度天气形势及,有关要素分布和中尺度雷暴高压的强,度以及地形的影响。,52,飑线和锋面的区别,相同点：都是冷暖空气的界面,不同点：,53,锋面,飑线,不同气团的交界面,同一气团中生成,天气和气象要素变化,不是很剧烈,天气和气象要素变化,剧烈,锋面（大尺度，长度,几千公里）,飑线（中尺度，长度,二、三百公里）,生命史是几天,生命史约十几个小时,大体沿700hPa气流移动,移速大于冷锋,无日变化,有日变化，午后强烈发展,54,三、中尺度低压系统, 含义：,指在中尺度天气图上存在一些水平尺度为一百公里至二、三百公里的小型低压称中尺度系统。, 类型：,中低压：,无,明显的气旋式环流,中气旋：,有,明显的气旋式环流,55,中低压和中气旋的异同：,共同点：,均是气压场上的低压，水平尺度100200公里，辐合上升运动较强，有强烈的降水天气。,不同点：,中低压,中气旋,无明显气旋式环流,闭合气旋式环流,局地增热造成,中低压加强产生气旋式环流,辐合上升运动弱,辐合上升运动强,56,四、中小尺度扰动的特征, 水平尺度小, 垂直尺度大：,大都可达整个对流层的厚度，即为7-18公里左右。垂直尺度与水平尺度的比率很大，约为0.1。一般大系统的比率为0.01左右。,57, 生命期短：,雷暴单体的平均生命期不到1小时，雷暴群可存在几小时，较强的飑中系统等中系统的生命期大约为12小时左右，而大尺度系统常达一天至几天。,58, 垂直速度大：,在雷暴云的上升气流,中，一般为10米/秒，特强的为60米/秒,以上。大尺度系统中仅为每秒几厘米。, 散度大：,甚至,大尺度中散度为,59, 涡度大：,在中高压和中气旋中，涡度和散度的大小比率近似等于1。, 气象要素梯度大：,飑线过境时气压梯度可达,1-3hPa/km，温度梯度可达5C/10km，变压,1hPa/1-2min，变温-1C/min，可观测到地,面风垂直于等压线方向。,60, 地转偏向力,：,影响小尘卷和部分小龙卷的,旋转运动主要取决于离心力和气压梯度力,的平衡。但较大的中系统，就要考虑到地,转偏向力的影响。, 非静力平衡,：,在旺盛的对流云内，空气不,符合静力平衡的假定。浮力可以使气块产,生很大的垂直加速度。,61,8,.3 对流性天气预报的物理基础,大气不稳定性与对流性天气形成的条件,稳定度的局地变化,对流天气的触发机制,强雷暴发生发展的有利条件,雷暴云的移动规律,62,不稳定层结,中性层结,稳定层结,环境温度垂直递减率,气块绝热运动时的温度递减率,一、大气不稳定性与对流性天气形成的,条件, 静力不稳定,63,不稳定层结,中性层结,稳定层结,大气中，一般是,绝对不稳定,绝对稳定,条件性不稳定,64,T-lnp图上层结曲线与状态曲线,65,（二）,对流性不稳定,（位势不稳定）,1 含义：原来上干下湿的稳定气层，甚至可为绝对稳定的气层（ ），,经过整层抬升后使得气层达到饱和,，气层层结由原来的稳定层结变为不稳定层结，或不稳定层结变得更加不稳定，称为对流性不稳定。 或 随高度减小。,66,对流性不稳定判据,对流性不稳定,中性,对流性稳定,67,（三）不稳定能量,含义：单位质量空气块受场力的作用（浮力-重力）所做的功。,不稳定能量越大，气块上升速度越大，对流天气越强。,T-lnP图中的正不稳定能量。,68,（四） 对流性天气形成的条件,水汽条件,不稳定层结,抬升条件,69,二、 稳定度的局地变化, 稳定度变化的原因,取 表示稳定度,对流性稳定,中性,对流性不稳定,70,条件：,干湿绝热过程中se是保守的,71,表明：,对流性不稳定的局地变化由三项因子决定的。,对流性不稳定增加,（1）对流性不稳定的垂直输送项,与垂直速度和se分布有关。,上升：0 ， 不稳定性减弱,72,（2）散度对对流不稳定性的影响,若,水平辐散 ，不稳定性增强,水平辐合 ，不稳定性减弱,73,（3）se平流随高度的变化,当高层的se平流小于低层的se平流时，即对流不稳定性增强。反之，对流不稳定性减弱。,se是T、P、q的函数,74,(二) 对流不稳定度与等压面上T、q的关系,75,均是小量,76,取 表示稳定度,77,稳定度增加,稳定度减小,上层变干变冷，下层变暖变湿,不稳定度增大,78,讨论：,温度的局地变化对稳定度的影响,对流未发生前,0,，,要使气层变得不稳定,低层暖平流，高层冷平流,。低层暖（冷）平,流比高层暖（冷）平流强（弱）, 日射作用使,低层空气增热,或冷空气移至暖的,下垫面。,79,湿度的局地变化对稳定度的影响。,低层湿平流（强暖湿平流），高层干平流（干冷平流），导致不稳定增加,。,80,（三）几种常见的有利于对流性天气产生,的形势：,（1）在高层冷中心或冷温度槽与低层暖中,心或暖温度脊可能叠置的区域，会形,成大片雷暴区；,（2）当冷锋越山时，若山后低层为暖空气,控制，则由于山后低层暖空气之上有,冷平流叠置，使不稳定度大为增强，,因而常在山后造成大片雷暴区。,81,（3）在高层高空槽已东移，冷空气已入,侵，而中层以下仍有浅薄的热低压接,近，或有西南气流，或有显著的暖平,流等情况时，就容易使不稳定性加,强，造成对流性天气。,（4）当低层有湿舌而其上层覆盖着一干气,层时，或在高层干平流与低层湿平流,相叠加的区域，会使对流性不稳定增,强。,82,单站分析,83,三、对流天气的触发机制, 天气系统造成的系统性上升运动：,锋面强迫抬升、槽线、切变线、低压、低涡等以及低空的风向或风速的辐合线。, 地形抬升作用,1山地迎风坡：抬升,2背风波：激发新的对流云, 局地热力抬升作用,84,四、强雷暴发生、发展的有利条件, 逆温层,逆温层的存在可抑制对流发展，使低层水汽能量不向上输送，可以积聚能量使低层更暖、更湿，上层冷，大气更不稳定。,一旦有强的触发机制会有强雷暴。,85, 前倾槽,高层干冷，底层暖湿，不稳定度加强,(三) 低层辐合，高层辐散,高层辐散流场在低空辐合流场上空叠置，抬升力会更强。,86,（四）高、低空急流,高空急流:,急流下方强的垂直切变能提供对流发,展的动能,有利于增强高层辐散，维持上升运动,将云体上部增暖的空气带走，散热机,制，利于对流云的维持和发展,87,低空急流：,输送暖湿空气促使大气不稳定。,急流前方正切变涡度区，上升运动，,提供一定冲击力加强扰动，触发不,稳定能量释放。,急流最大风速中心前方有明显水汽辐,合和强上升运动，利于强对流的连续,发展。,88,（五）中小系统,中小尺度低压和辐合区可以促使对流,强烈发展。,89,强风暴发生发展的条件,基本条件,水汽条件,位势不稳定,上升运动,生命期短的雷暴,转换条件,强垂直切变,长生命期的风暴或强风暴,增强条件,高空辐散,地形,长生命期的强风暴,各种物理条件对强风暴发生发展的作用,90,五、雷暴云的移动规律, 雷暴云的平移和传播,1 雷暴云的平移：,大范围水平气流使云体,不断平移，移向接近于云体中层高度上,大范围水平气流的方向。,2 雷暴云的传播：在云体外围不断地形成,新的雷暴单体而老云逐渐消散下去，因,此使人们产生云体似乎在整体移动的感,觉,。这,种云体新陈代谢的现象叫做雷暴,的传播。,91,风速随高度增大时有利于雷暴云向前传播,92,原来云体的下沉气流冲击其前方不稳定的气层使新云发展,93,风速、风向垂直切变与雷暴云的传播方向,1 风速垂直切变与雷暴云的传播方向,风速随高度增大时有利于雷暴向前传播,94,2 风向垂直切变与雷暴云的传播方向,95,（三）其他因素的影响,下垫面、地形、河流、湖泊等,96,8,.4 对流性天气的预报方法,一、对流性天气的短期预报,（一）思路和着眼点,水汽条件、不稳定层结和抬升力条件缺,一不可，必须对这三个条件综合分析,97,（二）系统性雷暴的预报,（三）稳定度指标的应用,（四）T-lnP图的应用,（五）能量天气学,（六）雷暴大风预报,98,（七）冰雹天气的预报,高空环流,高空冷槽型,高空冷涡型,高空西北气流型,南支槽型,降雹天气,气团性降雹,锋面降雹,低空切变降雹,99,冰雹预报关注点：,要有适宜的,0,到,-20 ,层的高度；,有强的上升速度；,融化层：,0 ,层以下到地面的高度和气层的温度。,（八）龙卷风的预报,100,二、雷达,、,卫星在对流性天气预报中的应用,三、对流性天气的甚短期预报和临近预报,甚短期预报：,未来12小时内的天气预报。,临近预报：,通过对当时天气状况的详细监测，,用外推法做出的未来2-3小时内的,天气预报。,101,