天气学原理与方法——对流性天气过程ppt课件.ppt

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1、第八章 对流性天气过程,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。,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。,本章重点： 雷暴系统的结构特征和活动规律 强雷暴云发生发展有利条件 本章难点： 强雷暴云结构特征,

2、概 述雷暴的结构及雷暴天气的成因中小尺度天气系统,主要内容,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,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

3、等严重灾害。,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。,积雨云,鬃积雨云,4.1雷暴的结构及雷暴天气的成因,一般雷暴的结构 雷暴群或带 一般雷暴天气的成因 “稳定状态”的强雷暴的结构 强雷暴天气的成因,一、一般雷暴的结构1生命史的三个阶段 积云阶段（发展阶段） 成熟阶段 消散阶段,雷雨胞生命史，显示胞内垂直气流和凝结物的分布,积云期,成熟期,消散期,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max15m/s)垂直运

4、动在对流层中层最强 （300hpa-500hpa）,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。,二、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。,一个典型的多单体雷暴群的平面图,三、一般雷暴天气的成因1雷电 雷电是由积雨云中冰晶

5、“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。,2 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。,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

6、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。,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，使得测站气压先下降、后上升，温度下降（冷空气堆），相对湿度上升，绝对湿度下降（与温度有关，近与饱和）。,在弱的垂直风切变中的孤立雷暴模型,四、“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,超级单体风暴、多单

7、体风暴、龙卷风暴、飑线是常见的强风暴具有以下共同特征： 有一支倾斜的上升气流； 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。,强雷暴与一般雷暴的主要区别： 特定环流场，强的垂直切变和强的不 稳定。 特定的铅直环流稳定状态的含义：当 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，以及高度有组 织和不对称垂直环流。,（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

8、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,结构特征风暴云顶垂直气流分两部分：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。,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

9、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。,超级单体三维环流模型,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： 降水物的拖拽作用 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。,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,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

10、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。他们不断底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。,1973年7月9日美科罗拉多州所测到的多胞型雷暴的模型,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。,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

11、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。,五、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。,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（max15m/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1.5-2.0公 里左右。 有宜于形成“雹胚”的环境。 云内0层的高度适当，

12、不太高也不太低。,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, 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。,冰雹是从雹云(强烈发展的积雨云)中降落下来的冰球或冰块，大的有小碗口大，常与雷雨、大风同

13、时出现。冰雹发生前，天气闷热，气压下降很多，最高气温可达30或以上。雹云呈黑色，底部发红，雷声如推磨隆隆不断。形成冰雹的天气形势往往是华东沿海上空为低压槽，在华北上空有冷性低压东南下，地面图上暖性低压内有冷锋南移，并在午后到傍晚时影响。冰雹降在雹云移动的路径上，所以有“雹打一长线”的说法。,飑线垂直剖面,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。,龙卷风是一种伴随着高速旋转的漏斗状云柱的强风涡旋。龙卷风中心附近风速可达100200m

14、/s，最大300m/s，比台风近中心最大风速大好几倍。中心气压很低，一般可低至400hPa，最低可达200hPa。它具有很大的吸吮作用，可把海（湖）水吸离海(湖)面，形成水柱。由于龙卷风内部空气极为稀薄，导致温度急剧降低，促使水汽迅速凝结，这是形成漏斗云柱的重要原因。漏斗云柱的直径，平均只有250左右。,龙卷风产生于强烈不稳定的积雨云中。它的形成与暖湿空气强烈上升、冷空气南下、地形作用等有关。它的生命史短暂，一般维持十几分钟到一二小时，但其破坏力惊人，能把大树连根拔起，建筑物吹倒，或把部分地面物卷至空中。江苏省每年几乎都有龙卷风发生，但发生的地点没有明显规律。出现的时间，一般在六七月间，有时也

15、发生在8月上、中旬。,5月8日和9日，强龙卷风袭击美国俄克拉荷马州的俄克拉荷马城。这次龙卷风袭击只造成 11人受伤，没有造成人员丧亡， 算是一个奇迹。不过，龙卷风还是造成了巨大的经济损失。据纽约保险信息研究所估计，损失可能达到6-6.5亿美元,这次龙卷风的行进路线非常类似于1999年5月3日的那一次龙卷风袭击。那次一共有66个龙卷风袭击俄克拉荷马州和邻近的堪萨斯州，造成49人丧生，摧毁了2600间房屋，8000间建筑物受损，经济损失达12亿美元，是近年来破坏力最大的龙卷风袭击事件。,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 直范围在

16、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。, 结构：龙卷有时成对的出现，两个的 旋转方向相反。一个是气旋式的，另 一个是反气旋式的，但以气旋式的为 常见。 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 形成原因,龙卷中的气流分布示意图,左龙卷和右龙卷,4.2 中小尺度天气系统,中小尺度天气系统的概念中小尺度扰动的特征飑中系统中尺度低压系统,一、中小尺度天气系统的概念 1含义：大气中存在的

17、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,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,Olanski 尺度划分方案大尺度 水平尺度2000km中尺度 水平尺度22000km 中系统 2002000km 1-5天 中系统 20200km 3小时-1天 中系统 220km 1小时小尺度

18、 水平尺度2km,二、中小尺度扰动的特征 水平尺度小 垂直尺度：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。, 生命期：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。, 垂直速度： 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： 甚至 大尺度中 散度为, 涡度：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

19、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。, 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。,三、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。,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

20、；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。,2 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。,（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,（3）处在不同发展阶段的飑中系统影响测站时，测站的气压自记曲线上的“雷暴鼻”（也叫“高压泡”）会出现不同的型式,气压波动的各个阶段,飑线和锋面的区别相同点：都是冷暖空气的界面不同点：,四、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：有气压无风场相适应中气旋：有低压和相应的风场出现,中尺度低压和中尺度气旋的异同：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：,复习题,雷暴系统的结构特征和活动规律？强雷暴云发生发展有利条件？中小尺度天气系统的特征？飑线和锋面的异同？中尺度低压和中尺度气旋的异同？,