【气象科普】关于雷暴的那点事

【气象科普】关于雷暴的那点事


楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 18:54:00 +0800 CST  
雷暴,飑线隶属于中小尺度天气系统,它们的发生发展与消亡往往与更大尺度的天气系统息息相关。本贴的主要目的是向各位吧友科普一下对流风暴的种类,以及影响对流风暴发展的一些气象要素和一些对流风暴的雷达特征

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 18:58:00 +0800 CST  
⒈有关雷暴的种类
通常,我们大家所常见的雷暴主要分为四种:单体雷暴、多单体雷暴、超级单体雷暴、飑线;在这里需要提出的是,飑线属于多单体风暴的一个子集。上述的四个雷暴种类,都可以属于一个中尺度对流系统(MCS)
⒈1 单体雷暴 首先我们先来向大家介绍单体雷暴:单体雷暴即我们最常见的雷暴,夏季午后的伴有雷电的局地阵型强降雨通常就是由这种雷暴引起,这种雷暴一般分为三个阶段:1 积云阶段(在较好的大气条件下,假设午后辐射增温使气块受热抬升到对流凝结高度,随着气流继续向上发展超过对流自由高度气块获得正不稳定能量自动上升,伴随着上升气流的发展,积云逐渐向积雨云转变并逐渐发展成熟)⒉成熟阶段(此时上升气流仍然在雷暴前侧继续维持,而云中的粒子:例如大雨滴的下降,形成地面短期强降雨)⒊消散阶段(由于下沉气流逐渐切断对流单体前侧的暖湿入流,单体的暖湿入流被切断而逐渐消散)。整个生命史不过30分钟-1个小时,所伴随的天气现象一般有短时强降水,雷电,当然在较为适应的条件下也可能会出现小冰雹和阵风
如下图所示,这是一个普通对流单体从积云阶段到衰亡的全过程:


楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 19:18:00 +0800 CST  
⒈2多单体雷暴
多单体雷暴指由多个发展阶段不同的雷暴组成的系统,通常由3-6个对流单体组成,相比起普通对流单体雷暴,多单体风暴形成的条件相对多一些。一般需要一定的天气尺度抬升,除此之外还需要中等或以上的垂直风切变或较大的对流有效位能(CAPE)(后文将会介绍),对于一般的对流单体来说,由于下沉气流到地面形成冷空气堆并向外推进,雷暴单体会逐渐衰亡,但是对于多单体来说:系统内一个单体进入衰亡阶段后,其下沉气流会加强/激发周围对流单体,并如此循环渐进。在较好的垂直风切变和边界层气象条件下,这样会导致多单体风暴系统维持发展。随着垂直风切变的加强,与多单体风暴相伴随的天气现象也愈发激烈,较强的垂直风切变背景下的多单体风暴通常有雷暴大风,强冰雹,短时强降水和非中气旋性龙卷,另外在这里提一下一种发生在弱天气强迫背景下的多单体风暴--脉冲风暴,这种与这种雷暴伴随的天气现象有显著的雷雨大风和短时强降水,偶尔也会产生冰雹,往往发生在较强的热力不稳定和较弱的动力条件下,与一般雷暴不同是是脉冲风暴的强回波一般从6-9km的中层开始出现
下图为多单体风暴结构示意图


楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 20:08:00 +0800 CST  
1.3 飑线
飑线指由若干个发展阶段不同的雷暴单体组成的线性对流单体,主要天气现象有雷暴大风,冰雹,短时强降水和非中气旋性龙卷,部分飑线内的超级单体也可能产生中气旋性龙卷,一般情况下,飑线发生在较强的垂直风切变、较大的热力不稳定和强的天气尺度系统强迫背景下,组织化程度通常较高(若垂直风切变相对较弱但是天气尺度系统强迫影响显著的作用下组织化可以没那么高),有论文指出:有利于飑线维持的环境包括低空急流和较大的cape(对流有效位能),成熟飑线的内部的流场趋于统一,成熟的飑线会具有飑前低压-雷暴高压-尾流低压这三类系统(统称为飑中系统),飑线中的下沉气流下降到地面会形成陆架云或滚轴云,通常由于气流抬升形成
下图为2002.5.27美国大平原强飑线过程中拍摄的陆架云:


楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 20:31:00 +0800 CST  
⒈4 超级单体雷暴
相信大部分气象爱好者听到超级单体雷暴这个词汇时都会为之兴奋,确实,极端的雷暴大风、大冰雹、短时强降水和EF2以上的龙卷通常都是由超级单体雷暴产生。超级单体雷暴是一种巨大持久的强烈雷暴系统,它拥有一个独立,特别的环流,相比起普通对流风暴的演变模式更加复杂,但是与一般对流单体最大的不同的是:超级单体雷暴拥有一个持久,深厚的中尺度气旋。而正是这个中尺度气旋,让超级单体雷暴可以与周围环境相互作用并长久维持,超级单体风暴分为FFD(前侧下沉区)、RFD(后侧下沉区)和入流缺口区(但是超级单体雷暴可以由不同层面的多方向入流),一般情况下来说这三者的形成于中气旋皆存在较大的关联。超级单体雷暴按照按照降水量可以分为三种类型:低降水超级单体(lp) 经典型超级单体(cl) 高降水超级单体(hp),一般来说,低降水超级单体风暴的RFD(后侧下沉气流)很弱,由于其发生的环境风很强而且处于整层大气都比较干的环境中,所以降水很弱,主要降水粒子为冰雹和大雨滴。经典型超级单体雷暴(cl)是最常见的超级单体,RFD区域有少量降水或者无降水,而FFD区域则有显著降水,某种意义上来说经典型超级单体风暴可以说是视觉效果上的佼佼者,而在雷达上体现为显著的钩状回波或者指状回波。强降水超级单体(hp)指FFD和RFD区域都存在较大的降水,一般来说强降水超级单体雷暴发生在湿层较厚,背景风较弱的背景下(当然并不是绝对);当强降水超级单体的入流和出流达到平衡状态时可以长久维持并可能会造成大范围强冰雹和地面大风,尽管强降水超级单体雷暴在远处观测给人气势宏伟的感觉,但众所周知,正是因为强降水超级单体的中气旋附近被大量雨幕包裹,所以近距离追击强降水超级单体是相当危险的。

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 21:04:00 +0800 CST  
四张图从上到下分别为经典型超级单体(Cl) 低降水超级单体(lp) 低降水超级单体(极端情况下,对流非常浅薄,说是低降水型超级单体更不如说是迷你低降水超单) 强降水超级单体(hp)





楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 21:52:00 +0800 CST  
本来楼主要写一些关于超级单体风暴的演变机理,但是考虑到超级单体雷暴的一些演变机理需要涉及到动力学,因此楼主决定先写影响雷暴发展的要素,然后在写超级单体的演变机理

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 22:01:00 +0800 CST  
2.影响雷暴发展的要素
⒉1 垂直风切变
相信阅读了前文的读者已经在前面看到了垂直风切变对飑线,多单体,超级单体的作用,现在在这里正式介绍一下垂直风切变,垂直风切变分为垂直风速切变和垂直风向切变,垂直风速切变指风速随高度而增大(有文献定义暖季垂直风速切变≧15m/s为中等强度垂直风速切变,≧20m/s为强垂直风速切变),而垂直风向切变指风的方向随高度的旋转,相信吧友众所周知的是对于TC来说过强的垂直风切变并不有利于TC发展,但是对于超单来说恰恰相反,有研究指出当垂直风切变≧20m/s更有利于超级单体雷暴的形成,这主要是由于垂直风切变导致水平涡度的形成,由于水平涡度的形成导致雷暴上升气流将水平涡度拉伸为垂直涡度,从而促进了中气旋的形成。另外也有文献指出垂直风切变对激发相对风暴气流也有作用,而相对风暴气流一定程度上影响到了风暴的结构

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 22:22:00 +0800 CST  
关于超级单体雷暴的补充:
由于中层干空气加强了下沉气流的强度,在超级单体FFD和RFD区域会形成强烈的下沉气流,分别被称为前侧阵风锋和后侧阵风锋。由于后侧阵风锋的激发会导致超级单体雷暴的右后侧形成一个对流带,往往被称为侧翼线。大部分情况下侧翼线上的对流会并入超级单体,但是如果在垂直风切变合适的情况下则会和超级单体一起发展成线性对流系统。而在地面上观测到的大尾云通常由前侧阵风锋激发
超级单体结构图如下图所示


楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 22:34:00 +0800 CST  
⒉2cape 对流有效位能
诊断强对流天气的指数很多,但是最有效的莫过于Cape,与其他的热力指数不同,cape是一个指示意义非常明确的物理量,cape反应了自由对流高度到对流平衡高度间可用不稳定能量的大小,当气块超过自由对流高度后获得正浮力将会自动上升。简单来说cape越大,对流发展越强烈,而且对流发展的发展高度越高。

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 22:54:00 +0800 CST  
今天先更新到这里,明天继续更

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-05 23:07:00 +0800 CST  
首先对32楼发的图进行一下说明:
由于大部分内容已经在前文讲述了,所以仅对这张图片没有提到的内容做一些补充,由于中气旋附近强的上升运动(中气旋导致上升运动加强和较大cape提供的上升运动)导致上升气流突破对流层顶并形成上冲云顶,而其周围的云碰到对流层顶部逆温而扩散开来形成云砧,由于超级单体雷暴发生在较强垂直风切变的背景下,因此垂直风切变的上风向区域形成后切变云砧,下风向的云砧沿着环境风向下延伸形成下风向云砧并可以延长很长距离,超级单体风暴与一般对流风暴的另一不同之处是超级单体风暴形成后主要偏向环境风的右侧移动。因此有时会被称为“右移强风暴”究其原因是因为超级单体风暴形成后内部的中气旋与环境风相互作用,所以往往会偏向环境风的右侧移动。


楼主 1a2b465  发布于 2020-05-06 07:12:00 +0800 CST  
以下继续更新影响雷暴的发展因素

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-06 07:12:00 +0800 CST  
⒉3 中层干空气/低层水汽
中层干空气可以与垂直风切变相辅相成,增加风暴的维持时间,一般中层干空气的强度和中层的垂直风切变以及地理位置都存在较大的关联(但是也并非全部的情况都是如此),一方面,中层干空气入侵可以增强降水粒子的蒸发,加强下沉气流的强度,而另一方面,首先假设背景环境风弱,由于下沉气流加强导致地面冷池向外流出切断风暴暖湿入流会导致风暴逐渐消亡。而当环境风较强时,由于雷暴受环境风的引导移动,下沉气流到地面冷池同样向外推进,但是这种情况下会抬升风暴前侧的暖湿气流进入风暴内部,促使风暴维持,而另一方面较强的垂直风切变有利于对流风暴的组织化。而低层水汽较多,无疑是有利于加强单体的暖湿入流,有利于单体的维持的。

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-06 07:42:00 +0800 CST  
2.4 雷暴的抬升动力条件
对于想要触发雷暴来说,有了水汽和不稳定能量是不够的,所谓的雷暴三要素正是包括水汽,不稳定能量,动力条件这三点,雷暴的抬升/触发因素有很多;包括切变线、冷/暖锋、热力环流、地形因素形成的辐合线、干线等,有部分论文指出雷暴甚至可以由重力波触发

楼主 1a2b465  发布于 2020-05-06 07:46:00 +0800 CST  
超级单体风暴的分裂与选择性加强
①风暴分裂的机理: 我们在前面已经了解了垂直风切变在超级单体风暴形成中的作用;而现在我们正式介绍一下超级单体风暴的演变机理--分裂和选择性加强;首先,当垂直风切变≧15m/s,最好≧20m/s时会产生显著的水平涡度。由雷暴的上升气流将水平涡度转化为垂直涡度并扭曲为一个气旋-反气旋对。由于气旋-反气旋对与环境风相互作用会在涡度最强的风暴中层产生低压扰动并促使风暴分裂,而降水的拖拽作用会加快风暴分裂的过程。
②选择性加强的机理:对于选择性加强,首先我们需要借助风矢端图(螺线图)来判断:当风向随高度顺转显著时,即速度矢端图低层为明显气旋性曲率时,则上升气流向右侧移动靠近气旋性涡旋一侧,低压扰动位于高压扰动之上。这种情况则有利于气旋性超级单体加强,反气旋性风暴受到抑制,在反气旋风暴受抑制很强时有时候甚至只能观测到气旋性右移风暴。而反之则有利于反气旋性超级单体加强。对于北半球的风暴来说,观测到的绝大多数风暴分裂过程都是气旋性右移风暴加强的。而当速度矢端低层为一条直线时,气旋和反气旋式风暴会同等发展
下图为超级单体风暴分裂和选择性加强的示意图,并举例了2007年7月9日河北南部超级单体的分裂过程雷达图




楼主 1a2b465  发布于 2020-05-06 08:50:00 +0800 CST  
⒊强对流风暴的回波特征
⒊1 普通对流单体的回波特征
这个应该没有什么好说的,夏季午后最常见的热雷雨就已经足以能反应出这种雷暴的回波特征,其在雷达图上最大反射率因子区域通常位于对流单体的中心。反射率梯度不大。这是因为其通常发生在较弱的垂直风切变背景下,上升气流垂直,普通对流单体的最大反射率因子强度通常在50dbz左右,部分情况下也可以超过60dbz,反射率因子的大小通常与风暴内部的粒子相态有关
如下图就是一个普通对流单体


楼主 1a2b465  发布于 2020-05-06 09:18:00 +0800 CST  
3.2多单体雷暴的雷达回波特征
多单体雷暴的雷达特征有多种,其中发生不同强度垂直风切变背景下的多单体风暴回波特征不同,若多单体风暴发生在较弱的垂直风切变背景下,雷达回波上体现雷达特征较为松散(图二),当其中一个对流单体减弱后会促使其他对流单体发展,而当垂直风切变强度增加时,多单体风暴的组织化也会随之加强,相比起垂直风切变较小背景下的多单体,结构更加紧密,并且生命史也会更加长久,如果多单体继续发展,最后可能会发展成超级单体风暴并造成更大的灾害,结构紧密的多单体风暴最大特征是低层存在反射率因子高梯度区,反射率因子普遍也比较高,除此之外有时在雷达剖面上会体现出低层WER(弱回波区),这表明低层存在较强的上升气流。这里另外提出多单体风暴的一种特殊形态--脉冲风暴,从雷达剖面上来看雷达回波通常从6-9km的中层开始发展,最大反射率因子一般≧50dbz,缘由可能和强cape背景下的强上升运动和0度层以上的粒子相态有关。



楼主 1a2b465  发布于 2020-05-06 09:41:00 +0800 CST  
⒊3 飑线 弓形回波的雷达特征
对于飑线来说,有国内学者定义国内飑线雷达回波特征为:
①40dbz以上的回波的长宽比为5:1
②40dbz以上的回波的长度不小于100km
③在雷达上线性对流可以是连续的,也可以是断裂的,至少整体看上去整个线性对流是准连续的
④在速度图上体现为风向风速的辐合区,或在前侧存在辐散型流场
飑线后侧有广泛的层状云降水区域,一般在后侧的层状云降水区域有≧40dbz的回波区域存在被称为次级强回波区
除了飑线以外,另一种造成极端大风天气的中尺度系统也是值得注意的,这就是弓形回波,弓形回波的雷达回波特征恰如同其名,在雷达图上体现为弓形,反射率因子梯度很高,后侧有后侧入流缺口(RIN),并在速度图上可观测到显著的后侧入流急流.(RIJ),这种对流风暴演变模式有很多,可以镶嵌在大范围飑线内,也可以由超级单体转变而来,值得注意的是弓形回波的两侧有时会存在气旋-反气旋涡度中心,可以产生雷暴大风和龙卷。
图下为2017年7.9北京飑线和2011.4.29山东济南的弓形回波



楼主 1a2b465  发布于 2020-05-06 10:02:00 +0800 CST  

楼主:1a2b465

字数:6363

发表时间:2020-05-06 02:54:00 +0800 CST

更新时间:2020-08-15 19:56:14 +0800 CST

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