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文档简介
1、强对流天气中尺度分析(一),武汉中心气象台 龙利民 2012.10.23 上午,教学内容: 强对流天气的构成要素 中尺度分析 强对流天气分析的基本步骤和流程 教学要求: 熟练掌握强对流天气的构成要素 理解强对流天气预报的两种基本方法: 传统的流型辨识方法和配料法 掌握强对流天气分析的基本步骤和流程,主要内容,基本概念 中尺度强对流系统及其降水特征分析 中尺度强对流天气与暴雨预报的比较分析,气团 主要指温度和湿度水平分布比较均匀的大范围的空气团。在同一气团中,各地气象要素的垂直分布(稳定度)几乎相同,天气现象也大致一样。 其水平尺度可达几千km,垂直范围可达几km到几十km,常常从地面伸展到对流
2、层顶。,气团的分类 地理分类法 北极气团、热带气团、赤道气团等 热力分类法 根据气团温度与气团所经过的下垫面温度对比来划分。 暖气团 冷气团 我国境内出现的气团多为变性气团,我国冬、夏气团,天气系统 指具有一定的温度、气压或风等气象要素空间结构特征的大气运动系统,是大气中引起天气变化的各种尺度的系统。一般多指温压场和风场中的一些系统,如大气长波、气旋、反气旋、锋面、台风、龙卷等;以空间气压分布为特征组成高压、低压、高压脊、低压槽。,大气科学辞典,干线 水平方向的湿度不连续线。 穿过干线,地面强水平露点梯度可达5/km 以上; 干线的一侧是暖而干(湿)的空气,另一侧是 暖(冷)而湿(干)的空气;
3、 干线附近是强对流天气最容易发生的地区!,锋 天气图上温度梯度大而窄的区域,如果它又随高度向冷区倾斜,这样的等温线密集带通常称为锋区。所谓锋区,就是密度不同的两个气团之间的过渡区。少数情况下也可表现为温度差异很小,而水汽含量差异特别大。,锋的分类 冷锋、暖锋、准静止锋和锢囚锋 冷锋 锋面在移动过程中,冷气团起主导作用,推动锋面向暖气团一侧移动。 暖锋 锋面在移动过程中,暖气团起主导作用,推动锋面向冷气团一侧移动。 暖锋多在东北和长江中下游活动,大多与冷锋联结在一起。 准静止锋 当冷暖气团势力相当,锋面移动很少。实际工作中一般在6小时内,锋面位置无大变化的锋定为准静止锋。 锢囚锋 暖气团、较冷气
4、团和更冷气团(三种性质不同的气团)相遇时先构成两个锋面,然后其中一个锋面追上另一个锋面,即形成锢囚。,锋面附近气象要素场特征 温度场特征 锋区内温度水平梯度远比其两侧气团中大。等压面上等 温线相对密集,锋区走向与地面锋线基本平行。等压面 上等温线越密集,水平温度梯度越大,锋区越强。 根据等压面上高空冷暖平流的性质可以确定锋的类型。 一般来讲,等压面上锋区内有冷平流,则地面所对应为 冷锋;有暖平流则地面对应是暖锋。若无平流或弱的冷 暖平流,而地面锋区在24小时内又移动很少,则可定为 静止锋。,气压场特征 锋区处于低压槽中。 变压场特征 对于冷暖锋来说皆有锋前的变压代数值小于锋后的变压代 数值。静
5、止锋两侧的变压相差很小。 风场特征 一般情况下,锋面附近气流是辐合的,地面锋线也是气流 的辐合线。 湿度场特征 锋面附近露点温度差异比温度差异显著。,锋面天气 冷锋抬升、锋面坡度大、 雨带窄位于锋后 暖锋爬升、锋面坡度小、 雨带宽位于锋前 锋面两侧地面风向变化 冷锋西北风转西南风 暖锋东南风转西南风 穿过锋面的垂直廓线 温度廓线逆温 风廓线暖锋东南转西风, 风向随高度顺时针转变(反气旋 式,暖平流);冷锋西北风转西 南风,风向随高度逆时针向转 变(气旋式,冷平流),急流 急流的一般概念:急流是一个在水平方向和垂直 方向风速切变都很大的强风带区。 低空急流即对流层低层的急流。其中一部分和暴雨、
6、飑线、龙卷等强对流天气有联系。急流轴附 近风速的水平切变和垂直切变很大。黄河流 域到华南850、700hPa雨季常出现。通常是 500hPa短波槽、西太平洋副热带高压脊以及 低层东伸的西南倒槽等系统共同作用的结果。 目前国内定义850hPa风速达到12m/s或以上的 区域算作急流区。 离地面600800m的强西南风带。,关注 低空急流轴上: 中尺度扰动风的切变; 风的脉动风速突然增大,下游发生强降水 中(间)尺度急流: 大尺度急流带中的强风速中心, 日变化不明显,是暴雨和强对流 的结果。 注意大尺度急流带附近个别站的大风。 地面气压下降,低空急流核经过。,低空急流对暴雨发生发展的作用 输送低层
7、暖湿气流,并使形成对流性不稳定层结的区域; 在急流轴的左前方形成正涡度区,产生辐合上升运动; 急流轴上的南风脉动可以触发其下游暴雨的产生; 不仅给暴雨区输送水汽,同时还提供了暴雨产生的热力和 动力条件,甚至在暴雨的生成和触发机制方面都起着不可 忽视的作用; 对大雨形成的水汽条件来说,西南气流是很重要的,其位 置和活动与副热带高压的季节位置及短期进退很有关系。,高空急流通常定义为200hPa风速达到30m/s以上 区域。急流区中,水平风速很大,尤其以急流轴 处为最大;风的水平切变和垂直切变也很强;顺着 急流中气流的方向,在急流轴的右侧为反气旋式切 变,左侧为气旋式切变。 高空急流作用抽风、通风,
8、急流与暴雨的关系,黄淮流域持续性暴雨时期, 高空急流对暴雨作用的示意图,高、低空急流的作用,低空急流在暴雨过程中发挥了非常重要的作用,但不是暴雨发生的必要条件 低空急流在暴雨过程的主要作用体现在 水汽输送作用 造成热力不稳定增长(低空暖、湿平流)-热力不稳定的增长,有利于对流的发生 急流顶端强烈的水平辐合运动,造成水汽辐合和上升运动-低空急流轴高度越低,这种上升动力作用越强 低空急流造成低空垂直切变增强-有利于对流的发展与维持 在某些特定环境下,一支远没有达到低空急流强度的显著气流同样能够起到与低空急流相同强度的热力、动力作用而造成暴雨,天气尺度低空急流或超低空急流与中尺度低空急流可能存在本质
9、上的差异: 尺度不同 垂直结构不同(天气尺度低空急流与高空急流通过次级环流形成藕合关系,目前没有发现中尺度急流存在这种藕合关系) 形成机理不同: - 中尺度低空(或边界层)急流可能与局地水平温度梯度的剧烈变化有关-例如地形热力不均匀、海陆强烈温差、局地对流性强降水等等-常与局地强降水相伴随 -天气尺度低空急流大多与湿斜压不稳定发展有关,它是强降水的重要触发条件(常常发展于强降水之前),同时又与大范围暴雨之间存在正反馈现象,200hPa分流区,22日20时200hPa 分流区,23日20时200hPa,27日20时200hPa,25日20时200hPa,主要内容,基本概念 中尺度强对流系统及其降
10、水特征分析 中尺度强对流天气与暴雨预报的比较分析,强对流天气:指出现短时强降水、雷雨大风、龙卷风、冰雹、雷电等现象的灾害性天气 气办发201019号 强对流天气的种类:冰雹、飑线、雷暴大风、龙卷、短时强对流局地暴雨等。 短时强对流局地暴雨:是指日降水量50mm,相邻站数2,且1小时最大降水量10mm,整个降水过程中降水持续时间6小时并伴有雷暴活动的暴雨过程(新1小时最大降水量20mm)。,中尺度强对流系统 与气压相对应中尺度低压(或负变压中心) 飑中系统(雷暴高压、飑线、 飑线前低压、尾流低压) 与风场相对应气旋性辐合中心 辐合线 切变线 中尺度强对流系统发生发展的必要条件 水汽、不稳定、抬升
11、及垂直风切变,中小尺度天气现象 突发性暴雨(短时强降水)、冰雹、 短时(雷暴)大风、龙卷 中尺度雨团 由中尺度扰动将小尺度积云组织而成 多产生于中尺度辐合区附近或特殊地形条件下 分静止性和移动性两种,与中尺度雨团相配合的中尺度系统 中尺度低压(或负变压中心) 中尺度气旋性辐合中心 流线从各方向气旋式地朝一点辐合形成辐合中心 中尺度辐合线 辐合线前方风速小,后方风速大,在辐合线上有 较强的风速辐合 中尺度切变线 在切变线上有明显的气旋式风向转变 冷性切变线(偏北风与偏东风) 东风切变线(东北北风与东南风) 冷性切变雨强小于东风切变雨强 中尺度切变线与天气尺度切变线相交处是雨团强烈发展的地方,中尺
12、度雨带 在大尺度背景下产生的中尺度雨团 有时排列成带状 多形成于:锋前暖区(暖区雨带),与冷锋平行 暖锋雨带,与暖锋平行 中尺度雨团在发生源生成后,沿中层气流方向 移动,并且在移动过程中不断发展。,雨团移动方向,系统移动方向,雨带走向,主要内容,基本概念 中尺度强对流系统及其降水特征分析 中尺度强对流天气与暴雨预报的比较分析,暴雨是由中尺度系统造成的 中尺度系统是在天气尺度系统中产生的 局地大暴雨是在大范围的有利天气条件下产生的 降水具有明显的-中尺度强对流特征 低空急流的形成和加强与强降水的开始和持续相对应 中尺度强对流系统带来的天气很剧烈,短时强降水来势猛 突发性强,影响范围小 暖湿空气-
13、逆温(cin)-不稳定能量的积累触发-逆温破坏- 能量释放-强上升运动-剧烈天气,不同垂直结构天气系统与强对流现象之间的联系,为什么前倾槽易发生雷暴大风或冰雹等强对流事件? (1)热力不稳定增长机制(高空变干冷、低空变暖湿) (2)动力不稳定增长机制(高、低空北、南风垂直切变增强) (3)不稳定启动机制(冷锋或副冷锋抬升) (4)0、-20被降低,取自孙继松PPT,500hPa,D,850hPa,surface,L,SW风,湿平流,强降水发生区,SW急流,暖湿平流,为什么后倾槽往往发生短时强降水? (1)整层增湿机制 (2)温度层结不稳定有所增长(主要依靠低空平流增暖) (3)存在动力不稳定增
14、长、维持机制(低空急流造成低空垂直切变增强并长时间维持,不如高低空“对头风”切变强烈) (4)不稳定启动机制(倾斜锋面抬升、低空急流前端辐合上升、高低空急流耦合等等) -如果降水前0、-20高度偏高,不可能发生冰雹(强降水造成的潜热释放将进一步抬高其高度),取自孙继松PPT,对流云中的上升运动与环境上升运动,从大尺度资料或再分析资料中诊断出的上升速度不代表中尺度强对流系统中的上升运动 前者诊断出的垂直运动只能代表环境大气上升运动,一般状况下,它的量级要比水平运动小一个甚至两个量级,它在对流过程中的作用是,强迫不稳定气块被抬升,大多数情况下它只是对流活动的启动因子(克服CIN做功),它比实际对流
15、过程中的上升运动或下沉运动要弱得多 中尺度对流系统中的垂直运动主要是浮力(CAPE)转化而来,在强对流过程中,它的量级与水平运动量级相当,实际观测得到的最大值可达到54ms-1,区域性暴雨 持续的水汽输送,强烈的上升运动,长时间的降水时间 梅雨锋降水-大范围连续降水(天气尺度抬升)、局地强降水(中尺度扰动),暴雨、强对流环境条件差异 大气潜在不稳定差异 强对流是在中低层有较强的潜在不稳定条件下发生的;暴雨是在较弱潜在不稳定条件下发生。 水汽垂直分布差异 强对流的发生要求湿层浅,上干下湿;暴雨要求湿层厚,上下都潮湿。 垂直切变差异 强对流要求垂直切变大,一般3-610-3s-1;暴雨要求垂直切变
16、小,一般1.310-3s-1。 涡度、散度、垂直速度和水汽辐合垂直分布差异 暴雨: 低空正涡度区和辐合区,高空负涡度区和辐散区,850hPa以下有很强的水汽辐合; 强对流:低空的正涡度较暴雨弱,高空负涡度较暴雨强,低层水汽辐合较暴雨弱很多。,决定雨强的因子 水汽含量(如比湿)的大小主要是700hPa以下,饱和比湿受温度的限制 上升速度的大小 反映凝结的速度; 中层上升速度反映低层水汽辐合 关键因子是垂直速度! 大尺度动力学原因引起的上升速度最大10-1cms-1,日雨量可达50mm。雨区范围可达1000km。 对流引起的垂直速度最大可达102cms-1量级,小时雨强可达100mm,但雨区范围只
17、有数十公里。对流垂直速度无法计算,只能诊断大气层结静力稳定度。 降水的时面深关系:降水时间长,面积大,雨强小。,强对流天气和暴雨发展机理的差异分析 强对流 对流层中低层有明显的对流不稳定。 湿层较薄,低空暖湿,中层非常干燥。 暴雨 高温高湿,对流不稳定条件的要求不高。 湿层很厚,对流层特别是中低层都很潮湿,850和500hPa有弱对流不稳定或接近中性。 暴雨比强对流的整个水汽辐合可大3倍。 从750hPa向上,强对流的温度比暴雨明显偏低,其潜在不稳定能量层次比暴雨厚,但自由对流高度要高一些。,强对流天气和暴雨发展机理的差异分析 暴雨发生在低空辐合、高空辐散,低空正涡度、高空负涡度区中。 强对流
18、低空正涡度比暴雨弱,高空负涡度比暴雨强(因为强对流系统多位于高空急流轴附近,而暴雨多位于高空急流轴以南200500km区域)。 风切变差别明显暴雨是在弱切变环境下发展的,强对流是在强切变环境下发展的。 表征气团性质的一些物理量差别也是显著的低层湿度差异很大,温度差异不大。暴雨低空高温高湿,强对流湿度要小一些;高层的温度和湿度差异十分明显,强对流中层干冷,尤其露点温度低,两者可相差13。 暴雨系统移动缓慢,强对流风暴的环境 对流风暴发生受环境条件的制约,它包括天气尺 度、中尺度和对流风暴尺度的环境。 500hPa环流形势:冷涡、槽后、槽前三种类型 其中冷涡和槽后类主要出现雷雨大风和冰雹天气,呈“
19、干”对流风暴类型 槽前类在平原地区主要出现强雷雨天气,呈现“湿” 对流风暴特征深湿对流(DMC),500hPa冷涡、槽后型 涡槽后部存在准东西向的短波横槽。在一次冷涡过程中,其后部的横槽可能不止一个,当系统稳定时,冷涡后部可连续几天发生对流活动过程。 对流中低层存在干暖盖,主要出现在850hPa槽线附近至500hPa涡槽后的范围内,它和地面的交线就是干线。 低空存在温度脊。 高空有明显的急流活动:大多数有高空急流活动,低空急流常出现在边界层内,且强度较弱。中低空垂直风切变主要表现在风向的变化上,850500hPa风向顺转可达90以上。,槽前类 500hPa、700hPa、850hPa三层均处槽
20、前 低空急流活跃。风速一般为1218m/s,对流风暴一般出现在急流中大风核的左前方。 对流不稳定的建立主要由湿度差动平流引起。水汽主要集中在低层,中低层有明显的湿度差异。水汽通量辐合主要存在于低层,中层迅速减小,两者差别接近一个量级,水汽通量的差异大于温度平流差异。,水汽通量散度 2007.07.03,水汽平流 2007.07.03,大范围冰雹的天气形势特征 冷涡类 二型冷锋类(前倾槽)较强层结不稳定 两者的共同特征: 高空冷平流上干 低空暖平流下暖湿,局地冰雹的天气形势特征 低层暖平流型 低涡类 温度场中尺度扰动类 冷式切变,冰雹预报 强上升气流是冰雹发展的必要条件。上升气流越强对冰雹的承托
21、力越强,上升气流的强弱,主要取决于热力浮力。 适宜的0和-20。-20层高度在7.5km(400hPa)附近或以下有利于冰雹生长,0层高度一般在4km左右,这种条件在初夏或初秋最易满足,所以该期间降雹的概率最大。 影响到达地面的雹粒大小的另一个重要因子是雹粒在通过冻结高度到地面这一气层时的融化作用,影响融化的主要因子有:冻结高度到地面的距离,这个距离内的平均气温,雹粒的尺寸。,冰雹落区预报 对流层低层的低槽切变线低压中心等辐合系统与高空槽辐散场相叠合的地区 冷锋侵入造成强迫抬升的地区,特别是与前倾槽配合的地面锋前地区 高空急流与低空急流相交汇的地区 垂直方向上风速切变较大的地区 高空冷中心或冷槽与低层暖湿空气上空的地区 高层干空气侵入低层暖湿空气上空的地区,冰雹与暴雨的物理量对比分析 高空急流 大范围冰雹宽而强的高空(西北或偏西)急流(40m/s) 暴雨西南风急流40m/s 低空急流 降雹西北风急流 暴雨西南风急流 西北风急流西南风急
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