第九讲.雷暴和龙卷

1第九讲：雷暴和龙卷主要内容1.雷暴系统分类2.单体雷暴3.多单体雷暴4.超级单体雷暴5.中尺度对流系统6.雷电7.龙卷阅读：MeteorologyToday,Chapter92雷暴系统1个锋面通常由许多个对流系统组成,空间尺度大约在几十或几百公里,这些对流系统称为中尺度对流系统。右图的冷锋由三个中尺度对流单体组成。31.雷暴系统分类大气中的对流性环流经常以普通积云对流的形式出现的运动,它有时伴有对流性天气（阵雨或风暴）。对流风暴是一类强烈对流性环流，它由一个或多个积云组成，它能持续制造出新的对流风暴.因此它们水平尺度较普通雷暴大，而且生命史也长。当若干个对流风暴集合在一起，即经常以对流复合体形式出现，构成中尺度对流系统(MesoscaleConvectiveSystems,MCS)。4中尺度对流系统是指水平尺度几十公里到几百公里左右的具有旺盛对流运动的天气系统,它们的空间尺度和时间尺度具有较宽广的谱,在这种系统内部经常出现强烈天气如雷暴、大风、暴雨、冰雹等。5雷暴系统分类按动力学结构可以分为单体雷暴,多单体雷暴、线雷暴(飑线)和中尺度对流复合体等。通常把一个上升运动区的水平范围从几公里到几十公里，垂直伸展几乎达整个对流层(近十公里),垂直速度≥10m/s，称为一个对流单体。只由一个对流单体构成的雷暴系统叫做单体雷暴。6雷暴系统分类单体雷暴可以分为普通单体雷暴和超级单体两种,多单体雷暴、线雷暴、雷暴群和对流复合体由多个雷暴单体组成。按其强度可以分为普通雷暴和强雷暴两类,一般常见的伴有闪电、雷鸣、阵风、阵雨等基本天气特征的雷暴称作“普通雷暴”。而伴有强风、冰雹、龙卷等激烈灾害性天气现象的雷暴则称作是“强雷暴”。72.单体雷暴的发展过程8单体雷暴的发展过程单体雷暴经历塔状积云、成熟和消散三阶段：塔状积云阶段：云内为上升气流，单体向上发展，通过积云边界层有干空气被挟卷进来。成熟阶段：降水落地，上升气流更加强盛，由于降水质点对空气产生拖曳作用，使得对流单体下部产生下沉气流，雨滴蒸发使空气冷却下沉，当下沉气流达到地面时，形成地面冷空气水平外流。9消散阶段：云内下沉气流逐渐占优势，最后完全替代上升气流。每个单体的生命史平均为1小时，单体可随5—8公里高度的环境平均风速以20公里/小时左右的速度移动。单体雷暴主要是在环境风垂直切变较强、大气层结位势不稳定和低空空气暖湿条件下发展起来的。10发展中的单体雷暴11近于成熟的单体雷暴12成熟的单体雷暴(高度可达10多公里,顶端的云被风吹向一侧)13消亡中的雷暴(云的下半部已蒸发掉)143.多单体雷暴多单体雷暴是由处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体所组成的，这些单体在风暴中排成一列，是具有统一环流的强风暴系统，其水平尺度为30~50公里。多单体风暴包含很多对流单体，每个单体可能都有冷的外流，这些外流结合起来形成大的阵风锋，沿阵风锋前沿有气流辐合，这种辐合促使沿阵风锋附近有新的上升气流发展。15单体呈有组织状态，每个单体在平均风方向上移动，单体的直径为3~5公里。在风暴移动方向的右侧易有新单体产生，新单体并不与风暴合并，而是很快成长为风暴中心，而在后方的单体消亡。一般单体每隔5~10分钟形成，并存在30~45分钟。16成熟的多单体雷暴17多单体雷暴随时间的变化184.超级单体雷暴顾名思义，“超级单体”比通常的单体更巨大、更持久，并带来更为强烈的天气，而且它具有一个近于稳定的、有高度组织的环流。它通常伴随有龙卷,冰雹,强降水和雷电等灾害天气。19发展中的超级单体20成熟的超级单体雷暴21超级单体的云形状和降水位置22强雷暴中的气流特征23蒸发冷却形成的下击暴流24阵风造成的卷轴壮云25超级单体形成的天气条件超级单体一般发生在下列天气尺度条件：1.强的不稳定层结,也就是下热上冷；2.强的环境风垂直切变;3.地面冷锋和高空冷槽以及急流配置265.中尺度对流系统:飑线飑线是由多个雷暴组成的呈线状排列的中尺度对流系统，其水平尺度可达几百甚至上千公里，飑线经常是和冷锋联系在一起的。27冷锋前形成的飑线28雷达显示的飑线的弓状回波29卫星显示的飑线的弓状云系30飑线中的气流运动和降水31中尺度对流复合体(MCC)近来发现的圆形团状结构的中尺度对流系统，也称作中尺度对流复合体(MesoscaleConvectiveComplex,MCC),对天气变化有重要的影响。MCC在80年代初就可从增强的卫星云图分析中识别出来,它是由很多较小的对流系统，如塔状积云、对流群或中尺度飑线组成的。MCC的卷云罩范围比单体雷暴大两个量级以上，它的突出特征是有一个范围广、持续久、近于圆形的砧状云罩。32MCC生命周期一般长达6小时以上，水平尺度比雷暴和飑线大得多，是近于圆形的巨大云团。它顶部的红外温度很低，表示它的云塔很高，经常可以达到十余公里以上。33卫星照片显示的MCC34MCC的发展过程MCC的生命史一般包括四个阶段：1.发生阶段:表现为一些零散的对流系统在具有对流发生条件的地区开始发展。2.发展阶段:各个对流系统的雷暴外流和飑锋逐渐汇合起来，形成较强的中高压和冷空气边界线，迫使暖湿空气流入系统。由于外流边界和暖湿入流的相互作用，使得系统前部的辐合加强，因此出现最强的对流单体，并形成平均的中尺度上升气流，于是对流云团开始形成并逐步加大。353.成熟阶段：在这一阶段，中尺度上升运动发展旺盛，高层有辐散，低层有辐合，并有大面积的降水产生。4.消亡阶段:MCC下方的冷空气变得很强，迫使辐合区远离对流区，暖湿入流被切断，强对流单体不再发展，MCC逐渐失去中尺度有组织的结构。366、闪电和雷鸣闪电和雷鸣是由于云的放电造成的,60%以上的闪电是云与云之间的放电造成的，而20%是由于云与地面之间放电造成。闪电能造成30000℃的高温，这样的温度导致空气急剧膨胀而形成声波，这便是雷鸣。37雷暴云中的电荷分布还没有统一的理论可以解释为什么云的上部带正电和云的下部带负电.过冷却水在冰雹上凝固释放热量，所以当较热的冰雹和较冷的冰晶碰撞时，正电荷从热的冰雹转移到较冷的冰晶。带负电荷的冰雹较重集中在云的底部，而带正电荷的冰晶较轻集中在云的顶部。38放电的过程39一个傍晚雷暴中的闪电40强雷暴上方的红色火球41不要在孤立的树和建筑物下避雨427.龙卷风(tornado)龙卷是大气中最强烈的风暴,最强龙卷的最大风速可能界于110~200m/s之间(涡度10-1S-1)，龙卷的破坏性极大。43龙卷的分类当龙卷生成时，总有一条漏斗状云柱从对流云云底盘旋而下，有的能伸展到地面，在地面引起灾害性风的称为陆龙卷。有的未及地面,或未在地面发生灾害性风的称为空中漏斗。有的伸展到水面，成为水龙卷。水龙卷和陆龙卷实质上是相同的，但不如陆龙卷那么猛烈。4445龙卷464748龙卷的基本特征是和强烈对流云相伴出现的具有垂直轴的小范围强烈涡旋。强旋转、长而细的气柱。平均直径约为100米，从积状云延伸到地面。49龙卷的基本特征龙卷漏斗云可有不同的形状，有的呈圆柱或圆锥状的一条细长绳索，有的呈粗而不稳定且与地面接触的黑云团，有的呈多个漏斗状的。漏斗云的外形也明显有多种，有呈尖锲型的，也有呈粗而参差不齐的，这意味着龙卷中的气流或许是平稳的，或许是高度湍流的。几乎所有龙卷都是气旋性旋转，但是反气旋性的也可以发生。50龙卷的空间尺度龙卷的尺度和气象要素分布:龙卷的水平尺度很小，根据龙卷在地面的破坏范围推测，其直径在几米到几百米之间，最大可达1公里左右。根据雷达探空资料判断，在高度2-3公里处的龙卷直径大多为1公里左右。再往上，直径更大，可达3~4公里，最大可达10公里。龙卷在垂直方向的伸展的差别很大，有的能从地面一直伸展到母云顶部，超过10公里，最高可达15公里；有的从地面伸达母云中部为止，其垂直高度为3—5公里；有的仅在母云中部出现龙卷涡旋，而在云顶和地面都看不到。51龙卷的气象要素分布风速极大(最大可达100—200米/秒)。其风速分布自中心向外增大，在距中心数十米的区域达到极大值，再往外风速迅速减小。中心的气压非常低(中心气压可低至400百帕以下，甚至达到200百帕)。龙卷内部具有强大的气压梯度。其中水平气压梯度最大的地方，是距中心40—50米的区域，气压梯度达2百帕/米。而大尺度系统的气压梯度为1—2百帕/（100公里）。525354龙卷数目及其造成的伤亡人数55565758龙卷和母体雷暴的关系59雷达显示的钩状回波在雷达回波上，龙卷雷暴通常有钩状回波出现。龙卷出现在钩状回波的位置。在多普勒测风雷达上可以看到强的涡旋。60多龙卷示意图有时一个超级单体风暴可以依次形成几个龙卷，造成“龙卷簇”。其原因在于超级单体中的中尺度气旋在一定条件下可能出现多次锢囚和新过程。一个龙卷风暴可能包含几种不同尺度的涡旋。61龙卷的发展阶段龙卷的生命期:，根据漏斗云形状和大小的变化，生命史可以分为五个阶段1.尘旋阶段；2.组织化阶段，其特征是漏斗云整个向下沉，龙卷强度增大；3.成熟阶段。此时龙卷达到它的最大宽度，而且几乎呈垂直状（破坏最激烈）；4.缩小阶段。其特征是漏斗云宽度减小，倾斜度加大，有一条狭长的破坏带；5.减弱阶段。此时涡旋拉伸呈绳索状（由于垂直风切变或地面拖曳的影响）。可见到的漏斗云变得越来越扭曲，直到它消散。龙卷生命史很短，一般为几分钟到几十分钟，空中漏斗生命期更短。根据观测记录统计，陆龙卷持续时间多在15—30分钟左右，空中漏斗平均持续时间为12分钟。6263跟踪龙卷(tornadochase)65卫星云图显示的2004年7月12日上海大暴雨667月12日，上海遭遇强对流云团袭击，引起狂风暴雨，造成7人死亡，20多人受伤67卫星云图显示的2004年7月10日北京大暴雨68小结:1.我们在本章学习了单体雷暴,多单体雷暴,超级单体雷暴,中尺度对流系统以及与之相关的龙卷和雷电.这些系统的水平尺度从几公里到几百公里,它们比我们上一章讲的锋面和气旋小一个量级.但是,它们的破坏力很大.2.普通雷暴是由局地热对流或动力辅合造成的,其强度较弱.强雷暴一般与较大尺度的天气系统联系在一起,比如说与高空槽和急流相对应,垂直层结不稳定,垂直风切变较大.3.龙卷常常与超级单体雷暴联系在一起.它伴随有强的旋转上升气流,其风力巨大并巨有极强的破坏力.4.雷电是雷暴云放电产生的.69作业：1.雷暴系统分哪些类？2.单体雷暴产生的条件,发展阶段和相应的特征。3.中尺度对流复合体生命史的四个阶段和相应特征。4.龙卷的基本特征和气象要素分布特点。70思考题：为什么美国多龙卷？为什么中国多暴雨？（提示：可以使用Google查阅相关网站）