对流性天气过程
天气学原理与方法——对流性天气过程
天气学原理与方法——对流性天气过程天气是大气系统中的一种自然现象，是指其中一地区在一段时间内的气象状况。
天气的变化是由大气的物理过程所引起的，而天气学就是研究天气变化的科学。
其中，对流性天气过程是天气学中的一个重要方面。
对流性天气过程是指在大气中形成对流环流的过程，其中包括强烈的上升气流和下沉气流，以及它们所带来的降水、云、雷电等现象。
对流性天气过程通常发生在较为暖湿的气团中，由于气团内部的不稳定性和外界的刺激，导致上升气流的形成。
对流性天气过程的形成需要满足以下条件：首先，需要有一个热源，例如太阳辐射可以加热地面，地面再通过对流将热量传递给大气。
其次，需要有一定的湿度，水汽的蒸发可以提供上升气流所需要的热量。
最后，需要有一种上升的机制，例如地形的隆起或强大的热对流可以促使空气上升。
在大气中，由于地表的不规则性和地形的差异，气团的稳定性也会不同，从而引发对流性天气过程。
当较为湿热的气团受到地表的加热，气团内部的温度会上升，使得气团变得不稳定。
随着气团的上升，地面上方的冷空气会下沉，形成一个闭合的环流系统。
而上升气流在达到饱和后会形成云和降水，降水过程中释放的潜热又会进一步加强气团的上升。
对流性天气过程的研究可以通过多种方法来进行。
其中，观测是最直接的方法，通过观测云型、降水量、气温等气象要素的变化，可以获得对流性天气过程的一些基本信息。
此外，气象雷达和卫星遥感技术也可以提供对流性天气过程的相关数据，例如雷达可以观测到降水的分布和强度，卫星可以观测到云的形态和发展。
除了观测外，天气模式是研究对流性天气过程的重要工具。
天气模式可以通过复杂的数学方程描述大气的运动和热力过程，从而预测未来几天的天气情况。
通过对模式的数据输出进行分析和诊断，可以了解对流性天气过程的发展和变化趋势。
在对流性天气过程的研究中，还需要考虑到不同尺度上的变化。
对于较小尺度的对流系统，如雷暴和阵雨，通常采用雷达和卫星观测的数据进行研究；而对于较大尺度的对流系统，如台风和冷锋，需要借助于气象观测站的数据和天气模式的模拟。
天气学基础课件——对流性天气过程
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
§8.1 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
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。
几个例子
1）1962年6月8日，在山东、江苏、安徽等省范围内有二 三十个县下了大冰雹。 2）1974年6月17日在北起山东半岛，经山东、江苏、安 徽等省，南至浙北、赣北及鄂东等广大地区上，自北向 南先后发生了8－12级大风或冰雹等严重灾害天气。 3）2005年4月8日中午至傍晚，四川、重庆25个县市出现 强对流天气，导致大风、暴雨、冰雹等灾害，造成至少 18人死亡，直接经济损失超过1.4亿元 4）1974年4月3日晚至4日有100多个龙卷袭击了美国12个 州及加拿大部分地区。
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
强雷暴：是指伴有大风、冰雹、龙卷等严重 灾害性天气现象的雷暴。 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、多单体风暴、龙卷风暴、飑 线是常见的强风暴
一、一般雷暴的结构
雷暴云：指产生雷暴的积雨云（Cb）。一个 雷暴云叫做一个雷暴单体，其水平尺度约十 几公里。每个雷暴单体的生命史大致可分为 发展、成熟和消散三个阶段，每个阶段持续 十几分钟到半个小时左右。
天气学原理与方法-对流性天气过程
02
湿度逆层
当低层湿度高于高层时，形成湿度逆层，导致水汽在低层累积，为对流提供水汽条件。
大气不稳定性的原理
抬升条件的原理
抬升机制
抬升是形成对流天气的重要条件之一，如山脉抬升、锋面抬升等。
抬升强度
抬升的强度和持续时间会影响对流的强度和持续时间。
水汽是形成降水的重要物质，主要来源于海洋、湖泊等。
水汽来源
天气学原理与方法-对流性天气过程
目录
对流性天气概述 对流性天气形成的原理 对流性天气的观测与预测方法 对流性天气的防御与应对措施 对流性天气研究的未来展望
01
CHAPTER
对流性天气概述
对流天气是指由于地表加热导致的大气垂直运动而产生的天气现象，包括雷暴、阵雨、冰雹、龙卷风等。
定义
根据对流强度和影响范围，可分为一般对流天气和强对流天气。
数值预报在预报对流性天气中的应用
04
CHAPTER
对流性天气的防御与应对措施
预防为主
综合减灾
分级负责
社会参与
防灾减灾的基本原则
01
02
03
04
预防是减轻灾害损失的关键，应采取有效的措施减少灾害发生的可能性。
综合运用工程和非工程措施，降低灾害风险和减轻灾害损失。
各级政府和有关部门应按照职责分工，分别承担防灾减灾的主体责任。
人工智能技术如深度学习、机器学习等在天气预报中已开始应用，能够处理海量数据、提高预报精度和效率。
应用
随着人工智能技术的不断发展，其在天气预报中的应用将更加广泛和深入，有望实现对流性天气的精准预报和预警。
前景
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荆州市2021年5月10日强对流天气过程分析
荆州市2021年5月10日强对流天气过程分析发布时间：2021-08-17T02:13:23.571Z 来源：《科技新时代》2021年5期作者：刘晓[导读] 强对流天气具有突发性、剧烈性和破坏性，对人们的生产生活具有显著不利影响。
荆州市气象局湖北省荆州市 434000摘要：本文针对2021年5月10日发生在湖北省荆州市境内的一次强对流天气过程，利用荆州本地地面及雷达资料、常规天气图观测资料、EC实况物理量场资料等，主要从大尺度环流形势、物理量场、卫星云图和雷达回波特征这几方面上进行综合分析，试图找出这次强对流天气的特点及成因。
关键词：强对流；环流形势；天气分析1 引言强对流天气具有突发性、剧烈性和破坏性，对人们的生产生活具有显著不利影响。
近年来，各类强对流天气频发，极端天气影响恶劣，强对流天气预报预警技术发展备受关注。
目前，我国强对流天气预报预警技术不断发展，其发生发展机理以及预报方法，通过长时间的研究取得了丰富的成果，但不同地区、不同季节、不同天气背景下的强对流天气规律仍是一个研究上的难点，需要不断的对强对流天气过程进行分析总结来提高对其的认识。
樊李苗【1】等对中国短时强对流天气的若干环境参数特征进行了分析；许爱华【2】等对中国中东部强对流天气的天气形势分类和基本要素配置特征进行了归纳；郑媛媛【3】等对不同类型大尺度环流背景下强对流天气的短时临近预报预警进行了研究。
本文使用了上述预报预警技术研究相关成果，对2021年5月10日发生在湖北省荆州市境内的一次强对流天气过程进行了详细分析。
2 天气实况2021年5月10日，荆州地区自西向东出现了分布不均的短时强降雨，伴有雷电和短时大风，极大风速达到18.8m/s（监利站）；10日08时-11日08时24小时（图1a），全市降雨量有2站超过50毫米，20-50毫米的有10站，有2个站小时雨强超过30毫米，累计最大雨量为洪湖燕窝站79.7mm，最大雨强为42.4mm/h（图1b），出现在10日11时石首调关站。
天气学原理和方法 第八章 对流性天气过程
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 时也发生在8月上、中旬。
2．生命史：每个阶段持续十几分钟至半小 时左右。 ３．水平尺度：约十几公里至中γ尺度。 ４．垂直运动：(垂直速度ωmax﹤15m/s) ５．垂直运动在对流层中层最强（300hpa500hpa）
６．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。
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。
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。
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。
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。
飑线常出现在气团内部或冷锋前，破 坏性很大，1982年2月28日至3月1日广 西壮族自治区发生的一次飑线，大风 风速达10.8-24.0m/s，并伴有大暴雨 和冰雹，在20个县造成影响，致使一 客轮翻船沉没，147人丧生，经济损失 达千万元以上。
雷暴
雷暴（Thunderstorms）是伴有雷击和闪电的局地对流性天气。
它必定产生在强烈的积雨云中，因此常伴有强烈的阵雨或暴雨，有时伴有冰雹和龙卷风，属强对流天气系统。
形成雷暴的积雨云发展旺盛，云的上部常有冰晶。
冰晶的凇附、水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。
云中电荷的分布很复杂，但总的说来，云的上部以正电荷为主，云的中、下部以负电荷为主，云的下部前方的强烈上升气流中还有一范围小的正电区。
因此，云的上、下之间形成一个电位差，当电位差大到一定程度后，就产生放电，这就是平常所见得闪电现象，放电过程中，闪道中的温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。
当云层很低时，有时可形成云地间放电，这就是雷击。
因此，雷暴是大气不稳定状况的产物，是积雨云及其伴生的各种强烈天气的总称。
雷暴的持续时间一般较短，单个雷暴的生命史一般不超过2小时。
我国雷暴是南方多于北方，山区多于平原。
多出现在夏季和秋季，冬季只在我国南方偶有出现。
雷暴出现的时间多在下午。
夜间因云顶辐射冷却，使云层内的温度层结变得不稳定，也可引起雷暴，称为夜雷暴。
雷暴是大气中的放电现象，一般伴有阵雨，有时还会出现局部的大风、冰雹等强对流天气。
强雷暴天气出现有时还带来灾害，如雷击危及人身安全，家用电器、计算机机房直接遭雷击或感应雷的影响而损坏，有时还引起火灾等。
雷电是一种大气中放电现象，产生于积雨中，积雨云在形成过程中，某些云团带正电荷，某些云团带负电荷。
它们对大地的静电感应，使地面或建（构）筑物表面产生异性电荷，当电荷积聚到一定程度时，不同电荷云团之间，或云与大地之间的电场强度可以击穿空气（一般为25-30KV/cm），开始游离放电，我们称之为"先导放电"。
云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面时（地面上的建筑物，架空输电线等），便会产生由地面向云团的逆导主放电。
在主放电阶段里，由于异性电荷的剧烈中和，会出现很大的雷电流（一般为几十千安至几百千安），并随之发生强烈的闪电和巨响，这就形成雷电。
2009年6月5日灌南县一次强对流天气过程分析
３ 。 ４０Ｎ
３３ ５。 Ｎ
３ 。 ３０ Ｎ
３ 。 ２５Ｎ ３ 。 ２０ Ｎ
图 ７ ６月 ５ 日 ０ ８时 ５ ０ｈ ａ相 对 涡 度 场 ０ Ｐ
图 ８ ６月 ５日 １ ４时 华 东 ２ ｍｉ 面 平 均风 场 ｎ地
３ 本 站 实况 要 素 特 点 分 析
ｌ 天 气 背 景
１ １ ５ ０ ｈ ａ形 势 ． ０ Ｐ
图 １ ６月 ５日 ０ ８时 ５ ０ ｈ ａ高 空天 气 图 ０ Ｐ
６月 １ —４ 日 ５ ０ ｈ ａ 气 图 上 （ 略 ） 东 北 冷 ０ Ｐ 天 图 ， 涡 后 部 不 断 有 冷 空 气 补 充 ， 深 厚 的 东 北 冷 涡 底 部 从
由于东 北 冷涡 系 统 比较深 厚 ， 面从 ６月 １日 地
开 始 就 有 一 个 稳 定 的低 压 在 东 北 地 区盘 踞 ， １— ３
日， 低压 稳定 少 变 ， 日起 低 压 位置 开 始 明显 南 压 。 ４
４日０ ５时 地 面 图 上 （ 略 ） 前 沿 到 河 南 中 部 、 东 图 ， 山
强 对 流 天 气 影 响 前 后 气 象 要 素 变 化 很 大 ， 体 具
是强对 流天气 过程 能否造 成短 时强降水 的一个 重要
因素 。
要 素变 化情况 见表 １ 。
（） ３ 强对 流 天 气 发 生前 物理 量 场 诊 断 、 合 辐 辐 散场 和水汽 场分析 表 明 ， 次强 对 流 活 动有 不稳 定 此 能量 、 抬升作 用及水 汽配合 。
（ ） 面 风 场 有 气 旋 切 变 的 地 方 对 应 强 对 流 天 ４地 气 造 成 的 影 响 较 为 严 重 ， 明 了 底 层 气 旋 切 变 加 上 说 中尺 度低涡 配合 的辐合 上升运 动强盛 。 （ ） 期 大 形 势 场 分 析 后 ， 对 中 小 尺 度 系 统 ５前 再
暴雨和强对流天气的研究
暴雨和强对流天气的研究暴雨和强对流天气的研究引言：暴雨和强对流天气是一种常见但又极具破坏力的天气现象，对人们的生产生活造成了巨大威胁。
因此，对于暴雨和强对流天气的研究具有重要意义。
本文将探讨暴雨和强对流天气的形成原因、发展过程、预测方法以及其对人类社会的影响。
一、暴雨和强对流天气的形成原因暴雨和强对流天气的形成通常与以下几个因素密切相关：1. 湿度：暴雨和强对流天气需要足够的水分供应，高湿度为其形成提供了条件。
2. 气温和锋面：气温的变化是形成暴雨和强对流天气的重要因素之一。
当不同温度的空气相互接触时，就会形成锋面。
锋面对流引发了大气的不稳定性，从而增加了暴雨和强对流天气的可能性。
3. 上升运动：大气中的水蒸气通过上升使其冷却，形成云和降水。
当气流发生上升运动时，会加速空气的上升和冷却，从而进一步促进云的发展和降水的形成。
二、暴雨和强对流天气的发展过程暴雨和强对流天气的发展过程通常包括以下几个阶段：1. 锋面聚集：冷暖气流相互接触，形成锋面。
锋面附近的空气发生剧烈的对流，聚集了大量的水蒸气和能量。
2. 云的发展：空气通过上升运动使其冷却，水蒸气凝结为云。
云的不断发展会导致云层不稳定，为进一步产生降水做好准备。
3. 降水的形成：随着云的发展，云粒子不断增大并与空气中的冷空气发生碰撞，形成冰雹和雨滴。
这些冰雹和雨滴不断增大，最终以冰雹和暴雨的形式降落在地面上。
三、暴雨和强对流天气的预测方法预测暴雨和强对流天气对于降低灾害风险和保护人们的生产和生活具有重要意义。
目前，常用的预测方法主要包括以下几种：1. 气象卫星：通过气象卫星观测大气中的云系和云图，分析云的演变趋势和形成情况，从而判断出可能发生暴雨和强对流天气的区域。
2. 雷达：雷达可以探测到大气中的前兆信号，如大尺度的气旋演化和雷电闪电活动。
通过分析雷达图像，可以预测发生暴雨和强对流天气的概率和程度。
3. 气象模型：气象模型是基于大气动力学、热力学和湍流传输理论建立的数值模型。
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超级单体风暴
在超级单体风暴的云体内有一支由低空倾 斜上升的气流，这支气流是扭转的，它常 在风暴前进的右前方进入，在高空按反时 针支方向旋转270度后流向前方，成为云砧， 最后消失在环境气流的强风中，这支气流 强以上升到平流层附近。
超级单体风暴
下沉气流是由三种作用造成的：一种是降 水物的拖曳作用；第二种是在中层云外围 绕流的干冷空气被挟卷入云后，在云体前 部逐渐下沉；第三种是在中层从云后方直 接进入云中的干空气，降水物通过这种干 空气时强烈蒸发冷却，因而形成很冷的下 沉气流。
围的空气会被降落的水滴拖曳而下，形成下沉气 流。下沉气流中有雨滴的蒸发降温，更加速下沉， 此阶段的主要特点是上升气流和下沉气流并存。 在下沉气流上方，上升气流仍贯穿云体，但以中 层为最大，风速基本上在15m/s以下 3、消散阶段：下沉气流占据了云体的主要部分。
当雷暴单体 在成熟阶段 时会出现雷 雨、大风、 气压涌升、 温度骤降等 天气现象。
冰雹的生长过程
在一般超级单体雹云中冰雹的生长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，穿过过冷水累积区，然后由砧状流出气流将小雹粒 撒向前方。大的抛得近些，小的抛得远些。通过这种“分 选”作用大小雹粒在不同部位徐徐下落，重新进入斜升气 流又开始第二次升降。如此循环数次，小雹粒反复通过过 冷水累积区，因此很快长大（形成冰雹一般只需4~10分 钟）。当最强上升气流不能承托雹粒时便降雹。大雹可能 降落在回波“墙”附近的后方，小雹则可能降落在离回波 “墙”较远的后方或前方。
3）这支强风暴的上升与下沉气流呈有组织的分布 状态，所以能维持稳定的结构，生命期可达几小 时以上，比一般雷暴生命史长得多。
4）无（或弱）回波区，在最强上升气流高度附近 的回波“穹窿”。
特点： 云顶 气流（不对称） 弱回波区 前伸悬垂回波 运动方向（对
流层中层风的 右侧） 环境风（环境 气流分成两股 饶云而过）
雹暴的结构
以严重降雹为主的强雷暴，通常称为雹暴。 雹暴的结构与一般超级单体风暴不同的是， 其伸向前方的悬垂回波已经下垂围成一半 圆形的弱回波区，这种前悬回波包围的弱 回波区称为有界弱回波区，这是特别强烈 风暴的一种特征。
雹暴的结构
雹暴结构的第二个明显特点是弱回波后部 的回波墙不是垂直的而是倾斜的，这是强 烈的上升气流所造成的。
第三个特点是云顶表现为庞大而光滑的圆 顶状高达15.5km这是活跃强风暴的特征，说 明其上升气流几乎不随时间变化。
多单体风暴
由许多较小的雷暴单体组成，但有一个统 一的垂直环流的风暴。
处于不同发展阶段的雷暴单体是按一定的 规则排列的，每个单体的生命期约45分钟， 其中单体（n+1）是新生阶段，单体n是发 展阶段，(n-1)是成熟阶段，（n-2）是衰减 阶段。
强雷暴常见的有超级单体风暴、多单体风 暴及飑线等。
强雷暴的特点
1）风暴云顶，在几个小时内一直维持很高，最高 达18km，升降幅度小。
2）气流，前部上升区，后部下沉区。有一支倾斜 的上升气流，倾斜方向可沿环境盛行风方向，或 逆盛行风方向，使雨滴主要在上升气流的外面下 降，而不致因降水的拖曳作用使上升气流减弱。
第一节 雷暴的结构及雷暴天气的成因
一、一般雷暴的结构 产生雷暴的积雨云叫做雷暴云，一个雷暴云
称为一个雷暴单体。其水平尺度约十几千 米。每个雷暴单体的生命史大致可分为发 展、成熟和消散三个阶段。
一般雷暴的结构
1、发展阶段即积云阶段：上升气流贯穿整个云体。 2、成熟阶段：开始产生降水。由于磨擦作用，周
一般雷暴天气的成因
雷电：是由积雨中冰晶“温差起电”以及其它起 电作用所造成的。一般当云顶发展到-20 ℃等温线 高度以上时，就会出现闪电和雷鸣。
阵雨：雷暴云中上升气流最强区附近，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。
阵风：成熟阶段，云中产生的下沉气流冲到地面 附近，向四周散开，造成阵风。
压、温湿的变化：下沉空气仍然较冷，在雷暴云 下形成冷空气堆和“雷暴高压”，气压涌升，相 对湿度上升，露点下降。来自“稳定状态”的强雷暴的结构
强雷暴主要指那些拌有大风、冰雹、龙卷 等严重灾害性天气现象的雷暴。
强雷暴与一般雷暴的主要区别表现在系统 中的垂直气流强度，垂直气流的有组织程 度和不对称性。
雹云的特点
1） 斜升气流强度较大，最大在15m/s。 2） 最大上升速度及水分累积区的高度一般在0℃
层以上，因此水分累积区中的水滴都是过冷水滴。 形成“冰雹生长区” 3）水分累积区的含水量较为丰富，一般不小于 15-20g/m3。干增长和湿增长。 4） 有宜于形成“雹胚”的环境。雹胚可以是尘 埃或云中的小冰晶等。在弱回波区与悬垂回波交 界处为“胚胎帘” 5） 云内0℃层的高度适当。