强对流天气

强对流天气是指出现短时强降水、雷雨大风、龙卷风、冰雹和飑线等现象的灾害性天气，它发生在对流云系或单体对流云块中，在气象上属于中小尺度天气系统, 强对流天气是发生在对流云系或单体对流云块中，在气象上属于中小尺度天气系统。这种天气的水平尺度一般小于200公里，有的仅有几公里。这种天气破坏力很强，它是气象灾害中历时短、天气剧烈、破坏性强的灾害性天气，天气剧烈、破坏性强的灾害性天气。

强对流天气世界上把它列为仅次于热带气旋、地震、洪涝之后第四位具有杀伤性的灾害性天气。强对流天气是气象学上所指的发生突然、移动迅速、天气剧烈、破坏力极大的灾害性天气，主要有雷雨大风、冰雹、龙卷风、局部强降雨等。强对流天气发生于中小尺度天气系统，空间尺度小，一般水平范围大约在十几公里至二三百公里，有的水平范围只有几十米至十几公里。其生命史短暂并带有明显的突发性，约为一小时至十几小时，较短的仅有几分钟至一小时。强对流天气来临时，经常伴随着电闪雷鸣、风大雨急等恶劣天气，致使房屋倒毁，庄稼树木受到摧残，电信交通受损，甚至造成人员伤亡等。

强对流天气是以大尺度天气系统为背景，大尺度天气系统影响或决定着中小尺度天气系统的生成、发展和移动过程，而中小尺度天气系统又对大尺度天气系统有反馈作用。广东省强对流天气的特点主要表现以下几个方面：

(1)发生早、结束迟广东的强对流天气一般2月开始发生，至9月以后逐渐减少，个别年份可提前在1月出现，推迟至10～12月结束。

(2)强度大、破坏性强广东的强对流天气与其它地区强对流天气一样，具有垂直方向速度大、突发性强、破坏力大的特点，如出现强对流天气时，一些过程的瞬时风速达12级或以上，甚至超过100米/秒。

(3)出现频繁，水平尺度小，生命史短强对流天气是广东各种自然灾害中出现次数最多的一种灾害性天气，大风、飑线、冰雹和龙卷风出现均较频繁，例如，有的年份，一天内竟降冰雹4次，最长降雹时间可持续半小时；有的月份，全省可出现持续多日降雹。强对流天气的水平尺度小，一般小于200公里，有的仅几公里。生命史短，一般仅几小时至几十小时。此外，它还有气象要素梯度大以及非地转平衡、非静力平衡的基本特征。对流天气易于在某些特定的地区形成和发展，如山脉两侧、海陆边界、湖泊周围、沼泽地带等等，因此，各类强对流天气形成的物理过程是不完全相同的，这与下垫面的动力和热力作用的影响有很大的关系。

局部地区强对流天气范围大次数频繁的主要原因，是由于今年南下的冷空气异常活跃，频繁南下的冷空气比较潮湿而且十分不稳定，这种湿暖的大气在盛夏炎热的午后，会产生强烈的垂直运动而导致出现强对流天气。另外，北方地区高空受较强西北气流控制，白天天气晴好，太阳辐射强，近地面气温升高迅速，而位于华北地区的低涡相对稳定，常常引导冷平流南下，在部分地区形成了上冷下暖的不稳定大气层，使得这些地区容易产生强对流天气。强对流天气的另一罪魁祸首是全球气候变暖。

广东的强对流天气全年都可能出现，雷雨大风多发生在春、夏、秋三季，冬季较为少见。短时强降水一年四季都可见，也以春、夏、秋三季为多。

龙卷风一般发生在春夏过渡季节或夏秋之交(4～10月)，以前者居多。飑线多发生在春夏过渡季节冷锋前的暖区中，台风前缘也常有飑线出现，以3～9月居多。冰雹在广东省大多出现在冷暖空气交汇激烈的2～5月份，也可在盛夏强烈而持久的雷暴中降落。

(一)飑线气象上所谓飑，是指突然发生的风向突变，风力突增的强风现象。而飑线是指风向和风力发生剧烈变动的天气变化带，沿着飑线可出现雷暴、暴雨、大风、冰雹和龙卷等剧烈的天气现象，它是一条雷暴或积雨云带。飑线是受起伏地形和热力分布不均而产生的动力作用和热力作用的综合结果。它的形成和发展除与天气形势有密切关系外，地方性条件也起着极其重要的作用。它常出现在雷雨云到来之前或冷锋之前，春、夏季节的积雨云里最易发生。潮湿不稳定气层能助长飑线的强烈发展。当它即将出现时，天气闷热，风向很乱或多偏南风。当强冷空气入侵时，地面冷锋前部的暖气团中，或低压槽附近，大气存在不稳定层结，此时最易形成飑线天气。飑线多发生在傍晚至夜间。
飑线从生成到消亡可分为三个阶段：

(1)初生阶段，一般经历3～5个小时，有6级左右大风，并伴有雷雨。

(2)全盛阶段，历时1～2小时，风向突然改变，风速骤增，常由8级猛增至12级以上，气压急剧上升，温度剧降，短时间会降低10°C以上。这阶段发生的狂风暴雨，破坏力很大。

(3)消散阶段，历时2小时左右，风力减小，雷雨强度降低，气压渐降，气温渐升，天气渐好。

(二)龙卷风

龙卷风是一种强烈的、小范围的空气涡旋，是由雷暴云底伸展至地面的漏斗状云(龙卷)产生的强烈的旋风，其风力可达12级以上，最大可达100米/秒以上，一般伴有雷雨，有时也伴有冰雹。它是大气中最强烈的涡旋现象，影响范围虽小，但破坏力极大。它往往使成片庄稼、成万株果木瞬间被毁，令交通中断，房屋倒塌，人畜生命遭受损失。龙卷风分为陆龙卷和海龙卷。出现在陆地上的龙卷称为陆龙卷，出现在海面上的龙卷称为海龙卷。它旋转力很强，常把地表面上的水、尘土、泥沙等卷挟而上，从四面八方聚拢成管状，有如“龙从天降”，因而得名龙卷。

陆上龙卷风外围多为泥沙；海上龙卷外围多为海水。海上的这种龙卷群众也叫它“龙吸水”。龙卷风是在极不稳定天气下由空气强烈对流运动而产生的，其形成和发展同飑线系统等没有本质上的差别，只是龙卷风更严重一些。它的形成和发展必须有大量的能量供应，因而需要有强烈对流不稳定能量的存在。它与热带气旋性质相似，只不过尺度比热带气旋小很多。在形成和发展时，由于空气对流，使龙卷中心的气压变得很低，在气压梯度力的作用下，四周气压较高的空气就向龙卷中心流动，当它未流到中心时就围绕着中心旋转起来，从而形成空气的旋涡。龙卷风的水平范围很小，直径从几米到几百米，平均为250米左右，最大为1千米左右。在空中直径可有几千米，最大有10千米。极大风速每小时可达150千米至450千米，龙卷风持续时间，一般仅几分钟，最长不过几十分钟，但造成的灾害是很严重的。广东是我国龙卷风多发区之一，一年四季都会发生，从时间上看，以春末夏初为多，从地区上看以沿海地区最多，内陆较少。

(三)冰雹

冰雹是从雷雨云中降落的坚硬的球状、锥状或形状不规则的固体降水。常见的冰雹大小如豆粒，直径2厘米左右，大的有像鸡蛋那么大(直径约10厘米)，特大的可达30多厘米以上。冰雹是由于冰晶或雨滴在对流的积雨云中几上几下翻滚凝聚而降落的固体降水。它通常是产生在系统性的锋面活动或热带气旋登陆影响过程中，但也有局部性的。冰雹一般多出现在春夏之交；要产生10厘米的大雹，必须要有50米/秒以上的上升气流运动(一般产生雷雨的积雨云上升运动仅10米/秒左右)。这样强的上升运动，完全靠大气不稳定的能量释放而获得。所以降雹的一个必要条件是空气中存在极不稳定的大气层，不稳定层越厚，越是利于降雹。在积雨云内，0°C层以下的云层由水滴组成，0°C层以上的云层由过冷却水滴组成，再高一些的云层则由过冷却水滴与雪花和冰晶等混合组成。如果积雨云中上升气流时强时弱，当上升的冷却水滴与上空的冰晶或雪花相碰，过冷水滴就冻成冰雹的核心。冰雹形成后，或因上升气流减弱，或因其重量较大而下降，当它降到0°C层以下后，又有一部分水滴粘于其上，这时若上升气流增强，它又被带到0°C层以上的低温区，雹核表面的水又被冻成冰，当上升气流再也托不住时，它便落到地面，成为冰雹。

(四)雷雨大风

雷雨大风，指在出现雷、雨天气现象时，风力达到或超过8级(≥17.2米/秒)的天气现象。有时也将雷雨大风称作飑。当雷雨大风发生时，乌云滚滚，电闪雷鸣，狂风夹伴强降水，有时伴有冰雹，风速极大。它涉及的范围一般只有几公里至几十公里。雷雨大风常出现在强烈冷锋前面的雷暴高压中。雷暴高压是存在于雷暴区附近地面气压场的一个很小的局部高压，雷暴高压中心温度比四周低，下沉气流极为明显，雷暴高压前部为暖区，暖区有上升气流，就在这个下沉气流与上升气流之间，存在着一条狭窄的风向切变带，其为雷雨大风发生处，它过境时带来极强烈的暴风雨。如果雷雨大风发生在单一气团内部，那么它常常是由于局地受热不均引起。雷雨大风的生命史极短。

(五)短时强降水

短时强降水是指短时间内降水强度较大，其降雨量达到或超过某一量值的天气现象。这一量值的规定，各地气象台站不尽相同。

(六）雷暴强对流天气往往又会带来雷暴，当大气中的层结处于不稳定时容易产生强烈的对流，云与云、云与地面之间电位差达到一定程度后就要发生放电，有时雷声隆隆、耀眼的闪电划破

天空，常伴有大风、阵性降雨或冰雹，因此雷暴天气总是与发展强盛的积雨云联系在一起。由于雷暴的发生发展与积雨云联系在一起，从雷暴云的出现到消失，它有很强的局地性和突发性，水平范围只有几公里或十几公里，在时间尺度上也仅有2－3小时，因此，这种中小尺度天气系统在预报上有一定的难度。强雷暴是一种灾害性天气，雷电会引起雷击火险，大风刮倒房屋，拔起大树，果木蔬菜等农作物遭冰雹袭击后损失严重，甚至颗粒无收，有时局地暴雨还会引起山洪爆发、泥石流等地质灾害。

强对流天气灾害大体上可将其归纳为风害、涝害、雹害。强对流天气发生时，往往几种灾害同时出现，对国计民生和农业生产影响较大。飑线、龙卷风和雷雨大风最突出的气象要素之一是强风。尽管飑线的水平尺度小，但在其影响的范围内都将发生强大的风、雨灾害，可导致树木折倒，房屋掀翻，瓦砾飞行，人畜受伤受害，庄稼倒伏。由于各类强对流天气有各自的发生季节和发生特点，农业生产为户外作业，又是根据季节来安排的，所以强对流天气对农业生产中的各类作物的危害不尽相同。上述的洪涝风、雹是强对流天气灾害中影响农业生产的主要几种危害。强对流天气对农业生产的直接危害是外力摧毁庄稼，间接危害是由内涝诱发和传播病虫害致庄稼减产甚至绝收。随着人民生活水平的提高，经济建设的发展，因强对流天气的发生而造成的损失也就更加严重。强对流天气灾害与强对流天气的类型、其影响的范围和持续时间是密切相关的。

由于强对流天气突发性强，成灾种类多，破坏力大，常造成严重灾害，目前尚无有效办法人为削弱及防治，因此要采取预防为主、防救结合的策略。

1、建立抗灾夺稳产的农林牧结构和措施
(一)建立抗灾夺稳产的农林牧结构。在多强对流天气灾害发生的地方，特别是山区需大力种草种树，封山育林，绿化荒山，增加森林覆盖率，做好水土保持，减少水土流失，有可能减少空气的对流作用，以减轻强对流天气灾害的发生，农区增加林牧业比重，并增加种植抗强对流天气灾害和复生力强的作物比例；在强对流天气灾害多发区，多种根茎类作物。在关键生育期错开强对流天气灾害多发时段。成熟作物要及时抢收。

（二）对于防风：植树造林，绿化环境，巩固建筑物，以防雷雨大风、龙卷风等风害，改变生态环境，防止土壤沙漠化，保护水源，疏导沼泽。

(三)作物受灾后需及时采取补救措施。强对流天气灾害发生后，作物除遭受机械损伤外，还有许多间接危害，因此，应根据不同灾情，不同作物，不同生育期的抗灾能力等，及时采取补救措施。

(四)培育优良的抗强对流天气灾害的作物品种，提高作物抗灾能力。

2、提高强对流天气的预报水平和加强对强对流天气系统的理论研究
(一)提高强对流天气的预报水平首先要对强对流天气的产生和移动作好预测预报，可利用气象雷达监测，加强气象台、站联防来预报强对流天气的发生，监视它的活动，还可利用地球同步卫星连续拍摄的云图照片，对强对流天气发生、发展、移动及消亡进行探索、追踪，配合天气形势图分析，有助于判断强对流天气出现地区的预测预报，从而可提高强对流天气的预报水平；及时发布预报信息，以便在强对流天气出现以前采取必要的防御措施。

(二)加强对强对流天气系统的理论研究工作如加强对强对流天气成因的机理研究，加密监测强对流天气网点，更新监测手段；建立防灾减灾计算机指挥系统，尽快应用于抗灾救灾工作，提高应变能力，对影响本省的强对流天气灾害进行系统整理，并建立强对流天气数据库和灾情库，及时为领导决策和采取措施提供准确的灾情资料。

3、建立、健全防灾系统

（一）当发现强对流天气将发生时及时发出警报。迅速将强对流天气可能出现的预报传达至各有关地区、有关单位；通过广播、电视、高频电话等及时传递。

（二）兴修水利，清理沟渠，疏通水道整治脏、乱、差，以防强降水造成内涝积水。

（三）人工消雹：防雹的主要措施是消雹，使形成雹块的云层减薄或消散，阻止云中酝酿成雹和小雹长成大雹。方法有二种：一是将碘化银或碘化铅等催化剂通过地面燃烧或飞机播撒方式投入到成雹的积雨云中，增加积雨云中的雹胚，使其形成小雹，不易长成大雹。二是爆炸，采用高射炮、火箭、炸药包等向成雹的积雨云轰击，引起空气的强烈振动，使上升气流受到干扰，从而抑制雹云的发展，同时也能增强云中云滴间碰并的机会，使一些云滴迅速长成雨滴降落。

强对流天气发生时，瞬时大风容易造成树木折断和房屋倒塌，进而造成人员伤亡。在飑线系统或者有龙卷风以及其他大风出现时，公众要远离易折断的树木、广告牌以及危房等。此外，要加强对雷电的防范，不要呆在空旷的环境中，应躲避到有避雷设施的建筑物里；如果在室外，有车的话要尽量在车内躲避。

强对流天气的动力来源

 中国   北京  王一况
雷暴、龙卷风、冰雹等现象通常发生在没有强冷空气侵入的午后至午夜，此前因为没有搞清这些现象的动力来源，气象学家把这些现象归结于风切变、大气不稳定，又被认为是自然界未解之谜，现在公布它们的成因。

1、云的凝聚力：在大尺度范围内，云团内微小水滴、冰晶之间的万有引力要比它们与N2、O2分子之间的引力大，一个几十~几百万立方公里的云团所包含的液态水、固态水可能达到几百万~数亿吨，在空中这些水的万有引力仅次于地球的重力。水滴和水蒸气中的H2O分子处于相互交换的亲和状态，产生了凝聚力，云团表面就像被一层棉絮包裹，可以阻止N2、O2分子的任意侵入，凝聚力使云可以长时间聚而不散。

2、云体重力势能的转化：云团受浮力和垂直向上的阻力而漂浮移动，午后云团的顶部被阳光加热，使其有上升的趋势，底部遇到了低密度的暖湿空气，使其加快了下降的趋势，如果云团是由柔韧的物质组成，它可以收缩水平尺度、拉伸垂直尺度，但它不是，再加上惯性作用使其无法在水平方向收缩，于是在云团内部出现了负压，有了吸引气体进入的趋势，因为云顶气压低、密度小不易满足云团扩大体积的需要，所以从云团底部吸入空气的机会更多，一旦气流进入，云团的顶部上升、底部下降，就会释放出重力势能。进入云体内部气流的流速很小，其动能不足以表达重力势能，在科里奥利力——地转偏向力诱导下，气流盘旋而上，使大多数旋转轴都垂直于水平面，其线速度代表的动能恰好表达了云团释放的重力势能，以满足能量守恒定律。

3、旋转体的能量：旋转的气体在云团内部形成了形似纺锤的旋转体，旋转体壁的线速度和离心力最大，会阻止壁外的气体进入，使气体只能从旋转体的旋转轴进入。一个几百~几十万立方公里的云团大约含有几百万~数亿吨液态水、固态水，除去中部高度变化不大的液态水、固态水之外，顶部 、底部的液固态水的质量大约有几十万~上千万吨，借助亲合力它们随云顶上升、云低下降，升降的高差可达几百米~上千米，可释放几亿~上千亿千焦耳的势能，这相当于几百~几万吨TNT炸药——小于或大于1颗原子弹的能量。

4、旋转轴垂直的旋转体：以往观测者误认为旋转体的旋转轴是水平的，因为雷达回波图都像是水平置放的鱼雷。问题就出现在这里：如果从各个方向观测，旋转体的投影都是鱼雷状，正说明其旋转轴是垂直的。还可以这样证明：a、在旋转体的正下方或在正上方去探测，其雷达回波一定是圆形，而非鱼雷状状。b、所有产生冰雹的强对流云团的雷达回波都像是水平放置鱼雷，而产生冰雹的必要条件就是旋转轴必须是垂直于水平面，否则就不可能产生冰雹。

5、旋转轴水平的旋转体、双龙卷：

当云团上下沿水平方向的速度差较大时，旋转体的旋转轴趋近于水平方向， 沿着旋转轴方向观测，旋转体的雷达回波图更接近于圆形；垂直于旋转轴方向观测旋转体的雷达回波图就像直立置放的鱼雷。此时位于旋转体两端的旋转轴都可以大量进气，它们的旋转方向恰好相反，进气口彼此靠近而不会像绳子那样相互缠绕，这就是极其罕见的双龙卷。双龙卷以及旋转轴接近水平的旋转体不可能产生冰雹，因为冰晶不可能在旋转轴长时间驻留而生成冰雹，特别是双龙卷。

下面那张图里面的灰线：表示了云团内部的旋转体、进气口、吸管；黄线表示旋转轴。

 

6、旋转体的制冷效应与强对流：旋转体是高效率的制冷机或热泵，由于其内部降压，所以体内降温；低密度的水蒸气被富集到体壁，体壁的水蒸气被外部的高气压约束，被压缩、升温，热水蒸气沿着体壁盘旋上升。热气体的上升使云顶被加热而迅速抬高，这部分云体急剧膨胀、降温、冷凝，冷却了的云体沿着纺锤体外侧迅速下降。在云顶升高、云底下沉与纺锤体扩大体积之间，是个正反馈过程，加快了云团释放重力势能的速度。所以被解释为“强对流天气”。利用气体动能学可以计算热泵的温差。

7、龙卷风：如果云团的底部比较低，在旋转体的旋转轴下出现伸出于云外的、末端呈尖角状的吸管，吸管内向上运动的气流蕴含着可观的动能，吸管壁积蓄和传递转动惯量，一旦尖角接触地面、进气口被封闭，吸入空气的质量骤减，转动惯量驱使吸管急剧增加转速，而惯性力使吸管上部的气流还在持续向上，吸管底部的压力差、风速在一瞬间达到了极大值，这很像水锤效应。

8、冰雹、飑线和小尺度暴雨： 
如果云团底部比较高、在降雨之前已经产生了旋转体，它使云团底部吸入的气体降温、冷凝出水滴，变成冰粒、积累变大。在转动惯量的作用下，温度低、密度高、质量大的物质——包括低温的O2、N2分子、水滴，冰粒被富集到旋转体的轴线上，反复翻腾冻结成冰雹，直到这些冰雹的重力大于上升的风力才坠落到地面。
如果旋转轴稍有倾斜，那些大小不一的冰雹可能就是在这种云团内形成的。
如果云团旋转轴很接近垂直，容易筛选出尺度接近的大冰雹。
因为冰雹产生于旋转体的轴线，所以它们分布在一条线上。
如果没有或产生的冰雹很少、很小，在冰雹没有落地之前就全部融化，就是小尺度暴雨。

9、风切变的原理：随着转动惯量、惯性力的耗尽，旋转体就会崩解，随后旋转体内的冷空气盘旋着向下倾泻，在北半球，在旋转体东出现西南风，西出现东北风，南出现西北风，北出现东南风，在旋转体正下方冷气从头顶吹到脚。由于云团所处的高空风力比地面大，旋转体下泄的冷空气还包含了高空的风力，也就是它还把高空的风力带到了地面，所以风力就更加强大。如果你处在下泄的冷空气的正前方，面向旋转体，最先会感到风从左前方吹来，不久又会感到风从右面吹来。

10、龙卷风的测算：龙卷风的尺度小、寿命短，出现的几率小，要想全面测量它的所有数据十分困难，至今可能还没有获得一个龙卷风的全部数据。一个新的物理学说会对龙卷风的精确观测起到决定性的作用，这就是“气体动能学”，请点击链接查阅有关公式。

11、云的起电——水的蒸发以及起电机与热电效应：

a、当水分子从海洋、湖泊、河流、植被蒸发时，水蒸气分子的动能或温度比它逃逸出的水体低，于是水蒸气分子从水体中夺得了电子。部分带负电荷的水蒸气分子会被氧分子夺取电子，形成当地的负氧离子。其余水蒸气分子携带其负电荷上升到高空形成云，于是云获得了-q1的负电荷，地球获得了+q1的正电荷。

b、云体内出现了旋转体，它是几十亿年前就被大自然创造出来的天然起电机；无数微小水滴、冰晶、冰粒具有比单一水体大的多的总表面积；因为静电荷总是存在于物体的表面，所以这些水滴、冰晶、冰粒具有极大的电容量，可以储存可观的静电荷。在等高线，当旋转体壁的线速度为50m/s时，旋转体内的温度就比旋转体外的温度低3.5K，此外旋转体从云底吸入气体的温度比云体高处气体的温度高，经过旋转体的筛选，密度最小、温度最高的水蒸气被富集到旋转体壁，沿着旋转体壁盘旋上升，与墙壁外更冷的冰晶、冰粒接触，墙壁内热水蒸气丢失电子、上升到云顶抵消那里已有的负电荷，形成云顶的+q2正电荷；墙壁外冷冰晶、冰粒获得电子，下沉到云底形成-q2的负电荷，这是起电机起电。-q2与云体已有的负电荷-q1相加，形成云底-(q1+q2)的负电荷。所以云的上部带正电+q2，下部带负电-(q1+q2)，地球带正电+q1，这些推论与气象探测的结果完全吻合。

c、雷电的发生是电容减少、电位差的迅速增加：在下大雨之前，微小水滴、冰晶、冰粒相互凝聚，合并成的大水滴表面积大为缩小，也就是大水滴的电容量减少，根据电容器的电压、电量与电容量的关系v=q/c，电容量减少使云体高处与低处的电位差极度增加，当电位差达到击穿电压之后，闪电发生了。通常随之会出现大雨滴降雨。

d、没有雷电的云体以及降水：在海上刚刚形成不久的云体来不及产生旋转体或只产生了微量的旋转体，除去蒸发起电的电荷之外，它们没有起电机产生更多的电荷，所以没有雷电，同理包括台风在内的热带气旋也没有雷电。冷暖空气碰撞或对流产生的连绵春雨、秋雨（毛毛雨）以及冬季降雪，缺失起电的条件以及电位差增加的条件，极少有雷电。

e、云体切割地球磁场起电假说存在这样的问题：

e1、根据右手定则：向西移动的云体上面出现正电、下面是负电，而向东移动上面是负电、下面是正电，这与云体无论是向东或西移动，其高处都带正电、低处带负电，而地面带正电的布局不符。

e2、早春、深秋、冬季云体也都切割磁力线，却极少出现雷电，这证明在磁场强度十分微弱的条件下，云体的运动速度不能克服引力使正负离子分离，很难产生足够的电势或电位差。

e3、金星的一天相当于地球的234日，其自传速度和磁场都远小于地球，而它的雷电却非常强烈，所以金星云体是起电机起电而非磁场切割。

e4、无法解释水体、植被附近负氧离子浓度很高的原因。

[1] 网易 http://tech.163.com/05/0404/10/1GG49DPO0009153T.html
[2] 中国农业信息网 http://www.agri.gov.cn/gndt/t20070718_854448.htm