1 中小尺度天气

飑线系统的三维概念模式
阴影区是气压急降区，虚线是高层流线，粗实线是地面 气压，细实线是地面流线，点划线为飑锋
北京1991年 7月 11日飑线雷达 回波的水平图和垂直剖面图
认识飑线 •
• • • • • • • • • • • 飑线特点 (a) 飑线最初的形成与锋有关，如冷锋是一种触发机制； (b) 锋面是两种性质不同气团之间的界面，是大尺度系统，而飑 线却是一个气团内部的现象，常常是在同一气团内部传播的中尺 度系统； (c) 飑线带来的天气现象比冷锋要激烈得多，冷锋过境时引起一 般大风，而飑线过境时有极强烈大风，冰雹; (d) 由于在同一气团中，降温后又会回复到原来的温度。飑线过 程时间短，不超过一天; (e) 飑线移速往往大于冷锋，有的可以比冷锋快２~３倍。 地面气压场(分五个阶段) (a) 初始阶段：有小的中高压形成； (b) 发展阶段：水平范围增大到２００公里，但仍然没有中低压 出现； (c) 旺盛阶段：阵雨达到最大强度，其后部有中低压发展； (d) 衰老阶段：中低压中心气压达到最低值，阵雨范围扩大，但 强度减弱； (e) 消失阶段：中高压变平，中低压填塞。
2004/07/10
Torrential rain hits Beijing
Tianjin Hefei
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7月1日19：01
§7.1 中小尺度天气
• 在暖的季节，时常会有雷雨、冰雹，甚至 龙卷等强对流天气现象的发生。它们之中除个 别情况外，大多具有很强的破坏性，可以造成 局部地区巨大的生命和财产损失。因此，人们 常常把这类天气现象列为灾害性天气。这些天 气现象都伴有一定的天气系统，如雷雨高压， 飑 线 等 ， 与 前 面 讨 论 的 长 波、气旋等系统相 比，它们的水平范围小，生存时间短，天气学 上常把它们称为中小尺度天气系统。本章分别 从对流单体，复合体，形成对流的中尺度系统 和形成对流的层结及背景场等方面进行讨论。
产生对流系统的动力条件
• 热对流。在大气潮湿的情况下局地下垫面热力不均匀，特别 是在午后可以形成热对流。孤立热对流的水平尺度可以达到 几公里。 • 山脉沿风面对流。气流跨越小的山脉时，潮湿气流在沿风面 上升可以形成对流云。空气在沿风面上升时被压缩并降温， 温度－露点差减小，可凝结成雨。对流云的水平尺度依赖于 山脉的宽度，从几公里－几十公里不等。在山脉的被风坡空 气沿山坡下沉膨胀，气温升高温度－露点差增大，无云。一 般在山脉的迎风坡树木 低压系统中的对流。这种低压系统在 热带和温带地区都比较普遍，水平尺度从几十公里到上百公 里。暖湿气流向低压中心辐合，导致较大范围的对流发展。 • 锋面系统的动力抬升对流。暖锋前暖区中的水汽含量较多， 暖锋导致的抬升可以形成范围较大的对流云发展。冷锋强迫 的动力抬升也可造成对流发展。
对流性天气和对流系统
• 天气系统之间存在多个层次，不同的层 次对应着不同尺度的系统，它们的生命 史也是不一样的。如赤道辐合带作为低 值带是行星尺度的，在它的内部可以形 成台风和热带低压。台风登陆后还会生 成中尺度低压，中尺度低压中可以形成 龙卷等强对流天气。大尺度天气系统起 到了一个组织的作用，即很多对流降水 会发展在低值系统中，而很少会发生在 高值系统中。
雷暴云与地面之间的放电现象
发展旺盛的雷暴单体结构示意图，虚 线为一条水平风速为零的线
模拟的雷暴单体流场结构，实线为水平风 速零线，箭头指示主上升区位置
雷暴单体的生命史表现如下几个阶段
• • • • • • • • • • 发展阶段：云内盛行上升气流，垂直速度达5~15m/s，维持１０~１５分钟； 旺盛阶段：云内既有上升气流，又有下沉气流，垂直速度达２０ｍ/ｓ，维 持１５－３０分钟； 消散阶段：盛行微弱下沉气流。 雷雨时地面测站可观测到下列天气现象。 气压：雷暴高压中心产生下沉气流，升压可达３ｍｂ／分钟； 风：阵风可达３０ｍ/ｓ以上； 温度：降温在２０~３０分钟内达１０oＣ左右，最低在对流中心。 降水：阵风后先几滴大雨，几分钟后倾盆大雨，升压和风向急转几乎同时， 降温随后，降雨再晚上３~５分钟。 雷电现象：当积雨云顶升高到温度为 -20oＣ时，有第一次闪电现象，随着雷 雨发展，闪电越来越频繁，降水增大。云顶变平时，闪电也减小。 雷雨高压：雷雨发展到旺盛阶段，云下方近地面层处有浅薄的小高压，即所 谓的雷暴高压。高压中心值约比四周天气系统气压值高１百帕，强时几个百 帕。图7-1.5 示意的是一个发展旺盛的雷暴，其地面高压的分布情况。在雷 暴高压的前部还存在低压，在后边也可以形成中低压。在低压与高压之间存 在一条假冷锋，表现为气压升高，温度下降。
“超级单体”冰雹云强盛时期的内部结构
龙卷，又称龙卷风，是一种自积雨云 底部下垂的漏斗云，当它接触到地面 时带来的剧烈天气
一次龙卷经过时的气压变化曲线（距 龙卷中心５０－１００米）
龙卷中的气流分布示意图
龙卷的形成
• 龙卷的形成与强雷暴云中强烈的升降气流有 关。大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由 于上层急流中的最大过境气流的影响，上升气 流被进一步加强。由于与在垂直方向上速度和 方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流 层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。随着中 尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细 并增强。同时，一个小面积的增强辐合，即初 生的龙卷在气旋内部形成，产生与气旋同样的 过程，形成龙卷核心。龙卷核心中的旋转与气 旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到 地面。当发展的涡旋到达地面高度时，地面气 压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷。
对流系统移动方向和飑线移动方向
冰雹
• 冰雹是一种直径大于５毫米的固体降水物．它 是以雹胚（直径约0.2~0.3毫米左右）为核心， 在雹云中碰撞过冷水滴长大而成的。大雹块有 明、暗交替的多层结构，一般有４－５层，最 多的有28~30层。
冰雹云的形成与一定的环境条件有关
• （１)首先是层结不稳定，有很强的上升运动。降雹时上升速 度要大于２０ｍ/ｓ。对直径为１０厘米的冰雹，垂直上升速 度要大于５０ｍ/ｓ，一般雷雨的积雨云中垂直速度只有１０ ｍ/ｓ。 • （２）在比较强的上升气流下，冰雹是多次增长到最后上升 气流不能够再托住为止，冰雹才降落到地面的。 • （３）急流与冰雹的形成有确定的关系，主要表现在风随高 度增加有切变，有急流存在。此外，0℃高度层在６００百帕 附近容易形成降冰。 • （４）水汽条件。冰雹容易形成在湿舌及其边缘地区。 • （５）冰雹的发生还具有一些时间和区域特征，如山区多于 平原，中纬度多于低纬度，内陆多于沿海，５~６月和８~９ 月较多，一天中１４~１７时较多。
产生对流的动力条件，(a) 热对流, (b) 山脉迎风面对流, (c) 低压系统中的对流, (d) 锋面系统的动力抬升对流
雷暴单体
• 雷暴是指积雨云中发生的雷电交作的激烈放电现 象。放电在云内发生，称为云内闪电，或云内放 电，云与地面之间的放电。雷暴一般伴有阵雨，有 时则伴有大风、冰雹、龙卷等天气现象。通常把只 伴有阵雨的雷暴称为“一般雷暴”，而把伴有暴雨、 大风、冰雹、龙卷等严重的灾害性天气现象之一的 雷暴叫做“强雷暴”。“一般雷暴”和“强雷暴”都是对 流旺盛的天气系统，常将它们通称为“对流性风 暴”，它们所产生的天气现象叫做“对流性天气”。 对流单体或雷暴单体是对流现象的基础。
要素场梯度大
由于要素场梯度大，天气现象更为激 烈。龙卷大风100－200ｍ/s。大尺度场的 散度为10-5/s，在中尺度雷暴中散度为103/s~10-4/s ， 通 常 发 现 有 50~100×10-5/s 的 散度。龙卷的散度为10-2/s。
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不满足地转风平衡和静力平衡
• 在龙卷中，它的直径很小，地转偏向力 对其的影响很小，它的旋转运动主要取 决于离心力和气压梯度力的平衡。所 以，它们的旋转可以是气旋式的，也可 以是反气旋式的。对较大尺度的中尺度 系统需要考虑地转偏向力的影响。 • 在旺盛的对流云内，空气不满足静力平 衡的假定。浮力可以使气块产生很大的 垂直加速度。
一个发展旺盛的雷暴，其地面高压的 分布情况
飑线
• 对流时常组成一条狭窄带状，对应着地 面上有一条风向急转带，在这条带上天 气现象类似孤立的局部雷雨，不过严重 得多，有时伴随冰雹。很久以来，人们 把这条带称为飑线。飑线的水平范围很 小，长度从几公里到几百公里，宽度由 不到１公里到几公里。垂直范围一般也 只到３公里的高度。在飑线后部有雷雨 高压。把与飑线相联系的从地面到高空 的天气现象和天气系统，统称为飑线系 统。
认识飑线
• （３） 风场 • (a) 地转风平衡关系不满足； • (b) 飑线附近风有明显的急转，而且是辐合的，在中 高压内，其前部有时沿气压梯度力，其后部有时逆气压 梯度力，总的为辐散流场区。 • （４） 飑线移动与对流系统移动 • 从每小时降水中心的移动和雷达回波分析发现，对流系 统移动方向和飑线移动方向不一致，两者之间几乎成９ ０度的交角。对流单体的移动方向是指向东北东，而飑 线移动方向是偏东方向。图中给出的三个时刻的飑线移 动。
中小尺度天气系统的基本特征
• 时空尺度小 .中小尺度天气系统的水平尺度从几百公
里到几公里，龙卷在１公里以下。垂直尺度为１０公里 左右。一般地，人们把103~104 公里水平尺度的长波和 阻塞系统以及102~103 公里的台风、气旋、反气旋和锋 面划分为大尺度系统。把水平尺度101~102 公里的中低 压、中气旋和飑线系统划分为中尺度系统。把水平尺度 100~101 公里的积云和雷暴单体，10-2~100公里的尘卷和 龙卷划分为小尺度系统。飑线中系统生存只有几小时～ 几十小时，通常不超过２４小时，而大尺度天气系统常 达一天到数天。龙卷气旋只有几小时，雷暴单体不到１ 小时。在垂直尺度上，积雨云高度一般在４－５公里以 上，大多数较强的对流性风暴云的垂直尺度可达到整个 对流层的厚度，即7~18公里左右。因此，对流性风暴 的垂直尺度与水平尺度的比率很大，约为0.1，而一般 大尺度的比率为0.01左右。