第10讲 中尺度对流系统发生的条件和天气学模型
中尺度对流系统物理过程
中尺度对流系统物理过程【原创版】目录一、引言二、中尺度对流系统的概念和特征1.概念2.特征三、中尺度对流系统中的物理过程1.对流参数化方案2.对流动量传输（CMT）3.CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用四、结论正文一、引言中尺度对流系统是指在对流层内，水平尺度在 100-1000km，垂直尺度在 1-10km 的大气系统。
这些系统在气象学中具有重要的地位，因为它们与天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。
对流系统物理过程的研究有助于我们深入了解大气运动和天气演变的机制。
二、中尺度对流系统的概念和特征1.概念中尺度对流系统是在气象学中研究的一种大气系统，主要涉及对流层内的大气运动。
这些系统在水平和垂直方向上的尺度都比天气尺度系统小，但比积云对流大。
中尺度对流系统可以包含多种对流形态，如层云、积雨云、雷暴等。
2.特征中尺度对流系统具有以下特征：（1）水平尺度在 100-1000km 之间；（2）垂直尺度在 1-10km 之间；（3）系统内的对流过程较为复杂，包含多种对流形态；（4）在气象学研究中具有重要的地位，因为它们与天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。
三、中尺度对流系统中的物理过程1.对流参数化方案在对流系统中，对流参数化方案是描述对流过程的重要方法。
传统全球模式（GCM）的对流参数化方案基于云的深对流结构，因此产生的对流动量传输（CMT）只有降尺度的效果。
有组织的对流通过水平动量的垂直传输，与大尺度环境流场交换能量的过程，称为对流动量传输（CMT），它在天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。
2.对流动量传输（CMT）对流动量传输（CMT）是指有组织的对流通过水平动量的垂直传输，与大尺度环境流场交换能量的过程。
CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用尤为重要，因为它可以通过垂直传输过程将能量从次网格向大尺度传播，出现在有组织的深对流中。
3.CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用通过一个给定的切边环境场的数值模拟研究，可以看到 CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的升尺度（upscale）过程。
2 中尺度系统
• 天气尺度系统中包含了中尺度系统。中 尺度天气系统是对流系统的背景或母 体。我们以下给出一些中尺度系统。
中尺度雨团
• 在一次较大范围的强降水区中，可能镶嵌有中α尺度雨带， 称为中尺度雨带，中尺度雨带中含有中β尺度雨团，称为中 尺度雨团。一次暴雨过程中，可能出现两条或两条以上的中 尺度雨带及多个中尺度雨团活动，它们是造成暴雨天气的重 要成员。中尺度雨团有如下基本特征： • (1) 水平尺度小，通常不超过200km。 • (2) 生命期短，一般在10小时以内。 • (3) 低空辐合强，对流层低层水平散度量级达10-4/s。(4) 多 次发生，一次强降水过程中可出现多个中尺度雨团。 • (5) 降水强度大，１小时降水量可达50ｍｍ以上。 • (6) 两种动态：移动性和准静止性，以移动性的中尺度雨团 为多。 • 这些中尺度雨团在流场上的反映主要是在近地面层 （300ｍ），850百帕层已ＣＣ 及其附近的 流场环境示 意图细箭头 线为流线， 黑箭头为上 升运动，空 心箭头为下 沉运动
中尺度雨带有如下基本特征
• 中尺度雨带常几条并存，并相互平行，其间距大致 相同，约为 100km 。每条雨带的宽度约 10~50km 。 有时中尺度雨带只有一条。 • 一条中尺度雨带由更小的对流单体组成，它们分别 处于不同的发展阶段。 • 中尺度雨带的移动方向，明显偏向平均风方向的右 侧，移动速度可大于平均层的风速。 • 中尺度雨带多出现在大气层结为位势不稳定的地 区。 • 中尺度雨带通过测站时，地面气象要素会发生明显 变化，如气压骤升，气温下降，湿度上升及风向风 速突然变化等。台风和热带气旋中存在中尺度雨 带。
美国中部地区ＭＣＣ个例图示
MCC特点
• • 在对流层下半部（尤其是700百帕附近）有从四周进入系统的相对入流。 在对流层中层，相对气流很弱，因为系统几乎是随对流层中层气流移动 的。在对流层上层，相对气流向系统周围辐散，下风方的辐散比上风方 更强。 最强的中尺度对流元通常出现在系统的右后象限，有时呈线状，排列方 向平行于系统移向。 大面积的轻微降水和阵雨通常出现在强对流区的左边平均中尺度上升区 内。 MCC出现在低空偏南气流最大值前的强暖平流区及明显的辐合区中。 系统在浅边界中是一个冷核，贯穿于对流层中层大部分的则是暖核。然 后在对流层上层又是冷核。 在热力结构上，边界层中产生一个中尺度高压，其上有中尺度低压，到 对流层上层，又有中尺度高压盖在系统之上。中低压起了增强进入系统 的入流的作用。在高层，中高压加强了系统北部边缘的高压梯度，并加 强了反气旋弯曲的外流急流。
中尺度对流系统
发生实例
国家气候中心的统计结果表明，在1954、1969、1980、1991、1996、1998、1999、2003、2007年，我国先 后发生特大暴雨洪涝，给国民经济和人民生命财产造成重大损失；特别是近10年，暴雨洪涝平均每年给我国造成 的经济损失逾千亿元，MCSs在这些典型洪涝年暴雨事件中是主要影响系统。 具体实例如：
中尺度对流系统
造成暴雨、冰雹、雷雨大风和龙卷等灾 害性天气的重要系统
01 定义
目录
0பைடு நூலகம் 特征
03 分类
04 时空分布
05 生成环境条件
06 发生实例
中尺度对流系统，简称MCS(Mesoscale Convective System)，是造成暴雨、冰雹、雷雨大风和龙卷等灾害 性天气的重要系统。中尺度对流系统由对流单体、多单体风暴和超级单体风暴以各种形式组织而成，包括飑线和 中尺度对流辐合体，水平尺度在2-2500 km。
生成环境条件
MCCs
从 MCCs地理位置分布看，国内外研究均表明，MCCs最活跃区域一般位于大山脉下游，特别是高温高湿的低 空急流前方。从气候背景看，我国黄河和长江中下游地区类似于北美中纬度平原地区，都具备MCCs发生的有利条 件。
线状 MCSs
Bluesteint等 对北美地区许多飑线个例的探空观测进行统计分析，总结出中纬度飑线最重要的环境特征： 一是大尺度环境对流层为位势不稳定的，即存在很大的对流有效位能；二是平均风的最大垂直切变在低层，切变 向量在顺时针方向偏离飑线 45°左右。
多数 MαCSs和MβCSs在午后形成(15—17 BST，北京时)，但MαCS在夜间(21—23 BST)还有一更明显的高 峰，而 MβCSs在夜间(01 BST)仅一很小峰值，说明 MαCS的夜发性明显。MβCSs在形成后 2h就可成熟 (面积 达到最大)，而在午后形成的 MαCS要3～4 h后成熟，比 MβCSs需时要长。夜间形成的 MαCS要7～8 h后才成 熟，成熟后的 MαCS和MβCSs一般可维持 2～4h。 MαCS和MβCSs的生命史分别为 7～8、5～6 h，即较大尺度 的 MCSs生命史也较长。
中尺度天气系统的特征
26
END
27
10
1. 早期的经验分类
天气系统——大尺度、中尺度和小尺度 空间尺度分别为：106m、105m和104m 时间尺度对应为：105s、104s和103s
11
2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）依据无量纲数罗斯贝数Ro和拉格朗日
时间尺度T的尺度分类，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
1) 空间尺度范围广，生命周期跨度大； 2) 气象要素梯度大； 3) 散度、涡度与垂直速度； 4) 非地转平衡和非静力平衡； 5) 质量场和风场的适应； 6) 小概率和频谱宽、大振幅事件
16
中尺度大气运动的基本特征
1）空间尺度范围广，生命周期跨度大 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
23
§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
中尺度对流系统mcs定义
中尺度对流系统mcs定义
（原创实用版）
目录
1.中尺度对流系统的定义与特点
2.中尺度对流系统的分类
3.中尺度对流系统的影响与应用
正文
一、中尺度对流系统的定义与特点
中尺度对流系统（Mesoscale Convective Systems，简称 MCS）是指一种在水平和垂直尺度上都相对较小的天气系统。
它的水平空间尺度为100~103km，垂直尺度为 10km 左右，生命期大多为几小时至 1 天以内。
相较于大尺度系统，中尺度对流系统的气象要素梯度更大，天气现象更为强烈。
二、中尺度对流系统的分类
中尺度对流系统可以根据其特征和生命周期进行分类，一般可分为以下几种：
1.短生命周期对流系统：生命周期在几小时至 1 天以内，通常伴随着强烈的对流现象。
2.持续性对流系统：生命周期较长，可达数天，对流强度相对较弱。
3.爆发性对流系统：对流强度突然增强，形成剧烈的天气现象，如雷暴、大风等。
4.季风对流系统：受季风影响形成的中尺度对流系统，主要出现在夏季。
三、中尺度对流系统的影响与应用
中尺度对流系统对天气预报和防灾减灾具有重要意义。
由于其强烈的对流特性，中尺度对流系统往往伴随着短时强降水、雷暴、大风等剧烈天气现象，容易引发洪涝、山洪、泥石流等灾害。
因此，对中尺度对流系统的监测、预警和预测是气象业务中的重要环节。
在实际应用中，中尺度对流系统的研究可以帮助提高天气预报的准确性和预警效果。
通过对中尺度对流系统的深入分析，可以更好地理解其对大尺度天气形势的影响，从而提高天气预报的技巧和能力。
第十一讲中小尺度系统发生发展的天气和环流条件课件
高压区域常常伴随着下沉气流，不利 于水汽凝结和降水过程的发生，但能 够影响天气系统的移动路径和强度。
垂直环流形式
01
对流
02
上升运动
03
下沉运动
04
中小尺度系统与大尺度系Байду номын сангаас的关系
相互作用
第十一讲中小尺度系 统发生发展的天气和 环流条件课件
目 录
• 中小尺度系统的定义与特性 • 中小尺度系统发生发展的天气条件 • 中小尺度系统发生发展的环流条件 • 中小尺度系统与大尺度系统的关系 • 中小尺度系统预报的挑战与展望
contents
01
中小尺度系统的定义与特性
定义与分类
定义 分类
特性与影响
特性
影响
中小尺度系统对天气和气候变化有重 要影响，特别是在降水、雷暴、龙卷 风等强对流天气事件中起着关键作用。
02
中小尺度系统发生发展的天气条件
温湿条件
温度
湿度
风场条件
水平风速 垂直风切变
水汽条件
水汽来源
水汽是中小尺度系统形成和发展的关键因素之一。水汽的来源、含量、分布和传 输对于中小尺度系统的发生发展具有重要影响。
大尺度环流的变化也会受到中小尺度 系统的影响，如台风、暴雨等中小尺 度天气现象可以改变大尺度环流的状 态。
05
中小尺度系统预报的挑战与展望
预报的挑战
时间尺度问题
空间尺度问题
物理机制复杂
资料同化难度大
展望与未来研究方向
改进数值预报模式
通过改进数值预报模式的物理过程参数化方案，提高对中小尺度系统 的预报能力。
天气学雷暴和强风暴模式及中尺对流系统MCC与MCS
超级单体
在六十年代初已经提出了强风暴的一般模式。可以看到它们 的一个共同特点是有一支倾斜的上升气流，后来进一步提出 了三维模式。这种风暴也叫超级单体，它在结构和特征上与 一般雷暴有明显的差别。超级单体的尺度可以达到20～40km， 表现为单一的强大的环流系统。风暴常具有不对称的外形和 天气分布。在云体内有一支由低空倾斜上升的上升气流，这 支气流是扭转的，它在风暴前进方向的右前方流入，在高空 按反时针方向旋转270o后流向前方，成为云砧，最后消失在 环境气流的强风中。这支气流可以上升到平流层附近。另有 一支气流在中层从雷暴后方进入云内，从左后低层离开风暴。 这支气流非常干冷，当它进入云体后，云内液态水便在其中 蒸发，造成明显迅速的冷却效应，这使空气强烈的下沉，其 下沉速度与冷却空气和周围未冷却空气间的温差成正比。空 气下降越快，从风暴低层流出的气流越强。在其前方所造成 的强迫抬升也越强，对风暴的维持也越有利，因而强风暴是 在十分干的对流层大气中发展起来的，并且中层环境空气的 水汽含量常常是决定风暴强度的一个因子。
12.1 雷暴和强风暴结构模式
在强垂直风切变环境中发展起来的强风暴或强雷暴模式与一 般雷暴模式有明显不同，其主要特点是：（1）有一支倾斜 的上升气流，倾斜方向或沿盛行风方向，或逆盛行风方向， 使降水质点主要在上升气流的外面下降，而不致因降水拖带 作用使上升气流减弱。上升气流可以达到很强的强度（20～ 30ms-1）；（2）这种风暴能自己组织起来，使上升气流和 下沉气流长时期共存，而不像一般雷暴那样互相干扰。从而 可维持稳态结构，生命期达几小时，比一般雷暴生命史长得 多；（3）风暴得移动方向与平均风有明显得差异或偏离， 一般移向平均风的右侧。所以这种风暴也叫右移风暴。但是 也有一些是向左移动的。移动的速度一般比较缓慢；（4） 可以造成很激烈的天气，如冰雹、暴雨、大风、龙卷等。
中小尺度气象学总结
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。
中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。
驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。
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中小尺度对流系统与其环境条件有密切的关系。大尺度 环境条件不但制约了对流系统的种类与演变过程；而且 还可影响对流系统内部的结构、强度、运动和组织程度 。例如，一般的气团雷暴是发生在比较少变的天气形势 和弱的风垂直切变，各层水汽含量较大的湿润环境中。 而强风暴（如飑线）则是出现在强的风垂直切变，对流 层中层干、下层湿润的环境中。其结果是内部气流的结 构，对流的强度和传播情况等都有很大的差别。因而大 尺度环境条件对中尺度对流系统起着明显的制约作用。 在这种情况下，有组织的对流系统在大尺度环境中不是 随机发生和分布的，而是发生在一定的地区和时间内。
为了给活跃的深对流创造条件，CIN必须不等于0，但也不能达到完全排 除深对流的可能。若CIN大于100Jkg-1，如果没有外力如日间加热或 强锋靠近，则不太可能出现深对流。
要实现温度和湿度探空中固有的CAPE，需要两个条件：通过抬升环境空 气变为不稳定（即CIN必须减少），已经在不稳定的气团内气块需要被 抬升到自由对流高度。通过减弱在混合层顶的逆温使下面有浮力的气块 能穿过去，抬升使环境探空变得不稳定。这个过程第一单元第三讲已阐 明。抬升以及有关的低层辐合是造成逆温层抬升使得环境探空变得不稳 定的原因，它们通常与一些大尺度作用机制如温带气旋的逼近有关，这 些可以根据数值天气预测提前1天或更长时间预测出来。相反，触发深 对流的气块抬升常常与更局地的、生命更短的、更不可预测的作用机制 有关，如海风锋、山脉或从早已存在的对流风暴中流出的气流的前沿。
地形作用 地形抬升 热力强迫 障碍作用 地表作用 感热/潜热通量 不连续性
表10.3
局地条件
产生风暴的中尺度作用
动力条件
重力流，重力波 影响单体/MCS增长 影响临近对流
平流条件
辐射 粒子平流下落和相变 微物理 下降气流产生 下降气流，冷空气堆产 逆尺度增长 生 微尺度暴流产生 产生融化的中层辐合 闪电产生 冷空气堆过程 单体生成 MCS演变 动量输送/坡风 强地面风 涡旋倾斜/伸长 垂直涡度产生 （超级单体，MCS中涡旋）
（引自大气科学，2008）
对流不稳定的累积和突然释放
最明显的例子是在美国中部春夏时期的局地强风暴，它具有三个条件： （1）一条弱的冷锋通过落基山缓慢的移过大平原（下图），其上存 在具 有类似西南-东北取向的高空急流。这一方面提供强垂直切变条件， 另一方面提供抬升的启动机制。 （2）锋前有一支从墨 西哥湾向北流动的低层暖湿气流（G），其或很 高，因而具有很 大的不稳定能量。如果其释放不受限制，则只 能形成一般的零星发生的积雨云。 （3）从干热的US 新墨西哥高原和墨西哥有一支 中层干暖的空气（M）从 西南流到墨西哥湾偏南湿气流之上，作为 一种“干暖盖”限制低层 不稳定能量释放和对流的发生。对流稳定的干暖空气由于受抬高的干 燥高原上日射的强烈影响，具有比较高的，但或较低(下图）.
高等天气学讲座(2014年春季）
单元四：对流和降水天气系统
第十讲 中尺度对流系统发生 的条件和天气学模型
丁一汇 国家气候中心
全球年平均雷暴的气候分布
（取自WMO， 1956）
2012年4月27日前后龙卷风横扫美国南部9个州， 沿途造成了严重破坏，约350人死亡，在短短的一、 二天中共连续发生了300多个龙卷风，为1925年以来 的80年中之最。其中在亚拉巴马州破坏最大，仅在 27日一天就出现了160个龙卷风，超过了1974年的 148个，这一年被称为超级大爆发。这个突发性的强 烈的事件提出了2个问题：
（A&K，2012）
气候变暖下有利的强风暴环境条件的变化
1980－1999年平均
2080－2099年平均
NCAR CCSM3 对1980-99 和 2080-99潜在指数(CAPE x 风切变 > 10,000) 模拟结果
（Karoly et al,2009)
一、中小尺度系统发生发展的天气和环流条件
如果一般积云内的气块经常能达到自由对流高度，CAPE将不 会增加到产生活跃的深对流那么高的值。因此行星边界层顶 的稳定层或逆温抑制对流层的程度，也为对流风暴创造条件 起重要作用。这种所谓的对流抑制（CIN或CINH）是将参考 气块抬升到自由对流高度，CAPE将不会增加到产生活跃的深 对流那么高的值。因此行星边界层顶的稳定层或逆温抑制对 流的程度，也为对流风暴创造条件起重要作用。这种所谓的 对流抑制（CIN或CINH）是将参考气块抬升到自由对流层所 需要的能量，单位为Jkg-1。这样定义的话，CIN可以被看作 负CAPE，可以用温度对数气压斜交图上的一块区域表示，见 下图。
代替流体静力学方程的gdz，并颠倒积分次序得到：
CAPE
或用虚温得到
LFC
EL
a'adp
T ' v Tvdlnp
CAPE Rd
LFC
EL
0～1000J kg的CAPE值被认为是深对流的下限值，1000～2500J kg-1可产生中等强度的对流，2500～4000Jkg-1可产生强对流， 超过4000Jkg-1可能是极端对流。
对流和降水活动是大气中的主要气象现象之一，它们是在大尺度条件影 响下，主要由中小尺度天气系统造成的。因而属于中尺度气象学的内容 。中尺度气象学主要是研究25~50km水平尺度的天气现象和天气系统（ 又称中-系统）。它介于大尺度（或中-尺度，即250~2500km）和小尺度 （或中-尺度，即2.5~25km）系统之间。主要是指强风暴等有组织的雷 暴或对流系统。而对于其中个别雷暴积云单体或一些孤立的小雷暴则属 于小尺度天气系统。中尺度气象学还包括其它一些天气现象或天气系统 的研究，如山脉背风波、海陆风、锋面中的中尺度结构，强斜压区，高 低空急流中的风速中心，热岛效应和严重空气污染区等。这些问题也很 重要，近年来日益引起人们的注意。首先讨论中小尺度系统发生发展的 天气和环流条件
这种墨西哥干空气正处于锋区附近汇合的气流之中，位于湾流空气之 上，这使低层空气对流不稳定的释放发生在下层潮湿的湾流空气不 断增强和锋面大尺度抬升的条件下，并足以穿透干暖盖，一旦云在 湾流空气中形成，抬升可使湾流空气的增暖比干燥的墨西哥空气增 暖更快，这是因为前者沿湿绝热线上升，后者沿干绝热线上升。这 可产生绝对不稳定的环境空气层。这时云以塔状形式直穿入墨西哥 空气层，累积浮力至少达到对流层中部的上部，促使云中空气可达 对流层顶。这为以后更暖湿的湾流空气快速上升到对流层上部形成 通道并形成塔状云，暴雨，冰雹，雷电等天气现象。正是这个时候 风的暖垂直切变开始发挥作用，即以不同的方式产生相当类似的结 果，即多单体风暴与超级单体。
在美国中部南方与局地强风暴发生相关的气流。G：来自墨西哥湾的暖湿空气； M：来自墨西哥高原的干暖空气
（Mcilveen，2010）
上图X处湾流（G）和墨西哥（M）气流的热力学图表，链状线表示饱和的 湾流空气在抬升作用下是如何上升的
（Mcilveen，2010）
3、 风垂直切变的作用
在1940年代，一般认为风垂直切变阻碍雷暴或积雨云发展的，因为在切 变作用下垂直发展的云向下风方倾斜，而不能直立。在这种情况下由于 对流上升的路径加长，环境空气混合入对流空气的作用增强。另外相继 的对流空气不容易走相同的路径以形成有利于以后对流上升的环境。因 而通过这些作用使对流受到抑制。这种看法曾由一些云的观测和雷达回
目前在大尺度条件上，虽然有了较多的了解，但对 大尺度条件与中尺度风暴的发展在物理上究竟有什 么联系还不十分清楚，对于两者之间的因果关系还 没有完全弄清楚。例如在强风暴低层出现的辐合区 和风暴上空出现的强风速区有时认为是对流活动的 结果，有时认为是强对流发生发展的原因。
近十几年来，对强对流天气有重要作用的中尺度过程研究取得了明显的 进展。最近Johnson与Mapes对强天气发生的中尺度前提条件与触发过程 进行了总结。由表10.1，10.2，10.3可见，许多中尺度过程与强天气有 密切关系，从前期的环境条件到触发因子以及对流对环境的反馈作用都 涉及到中尺度过程，也就是说，大尺度流场主要是建立有利于强天气的 环境条件，而中尺度过程则直接启动强对流系统，影响它们的演变并通 过反馈过程可进一步影响风暴所处的环境。但应该指出，强风暴系统与 大尺度条件之间的关系在风暴发展的不同阶段其相互依赖和相互作用的 程度是不同的。在风暴发生和初期发展时期，主要决定于大尺度环境的 作用。但是一旦强风暴组织起来后，对流风暴发展到很高的能量密度时 ，大尺度环境条件不但失去了对其制约作用，反而会受到对流风暴的影 响。
CAPE
EL
LFC
F 'dz
式中，F是由于气块和环境之间的温差产生的作用于上升 气块的单位体积的向上浮力， ' 是气块的密度，LFC是自 由对流层，EL是平衡层，在此高度以上不再比环境暖。单 F ' 乘以g，其中 位质量的浮力 a'a / a 等于 a’是上升气块的比容，a是同一层次环境气块比容，g是 重力加速度。
表10.1
局地条件 边界过程 混合层高度增加 湿层高度增加 沿干线的辐合 夜间逆温，低空急流形成
强天气发生的中尺度前提条件
平流条件 平流差异 产生逆温 失稳 形成深厚干PBL（导致下击 暴流） 动力条件 次级环流 地转调整 急流
地形作用 产生辐合区 发展坡风 风矢端迹改变
辐合线 锋面 干线 海/陆/湖风 山谷风 水汽平流 增加CAPE，降低LFC 局地积云增温
1、 大尺度和中尺度条件的概述
关于强对流系统发生的大尺度天气学条件人们已归纳很多。早在40年代 中期就提出了雷暴发生的三要素，即丰富的水汽，条件不稳定层结和抬 升气块到凝结高度的启动机制。但这只是一般雷暴发生的条件。以后在 大量研究的基础上，进一步归纳出强风暴系统发生的天气条件，这可包 括： （1）位势不稳定层结，并常有逆温层存在； （2）低层有湿舌或强水汽辐合； （3）有使不稳定释放的机制（如低空辐合区、重力波、密度流、地形 等）； （4）常有低空急流存在； （5）强的风垂直切变； （6）中层有干冷空气等。上述条件都只是必要条件，即在强风暴发生 发展时往往可以看到这种情况。因而在作预报时，即使出现这些 条 件强风暴也不一定发生。