强对流天气监测预警指标综述

1、强对流天气监测预警综述预报思路和技术流程大冰雹的识别和临近预报雷雨大风的识别和临近预报龙卷风的识别和临近预报短历时强降水的识别和临近预报预报思路和技术流程触发条件水汽条件大气层结稳定度有无？强还是弱 类型？地点时间强对流天气预报思考问题强对流天气气候背景 强对流天气是冷暖空气激烈交绥的结果。一个地区只有在一定的季节才会出现强对流天气。2月 华南地区出现。34月冷暖空气激烈交绥在华南和江南地区。5月，主要为强降雨，江南地区强对流天气仍然频发。进入梅雨期，冷暖空气在长江流域交绥，华南地区强对流天气便很少出现了；中国北方进入强对流天气多发期。7月中旬，北方强对流天气频发；台风和东风带系统也会给华南和

2、江南地区带来强对流天气，9月，全国强对流天气都较少出现。11月次年1月，全国罕见强对流天气。 影响天气系统分析 省（市）天气型低槽冷涡西北气流副高边缘其他统计时间黑龙江冰雹20.050.020.010.01971-2008河南冰雹27.525.040.07.51981-1997吉林强降水39.511.840.87.91991-2007雷雨大风55.039.06.0北京冰雹17.330.434.817.42000-2002雷雨大风25.018.834.321.9强降水32.27.417.942.9雷击42.412.118.227.3山东冰雹43.140.311.94.51985-1997雷雨大风

3、66.024.05.05.01981-1997部分省（市）不同天气型下对流天气出现比例-强对流天气分析与预报 章国才高空低槽型 500 hPa都有低槽，地面有冷锋或静止锋或气旋活动。云图上常有斜压扰动云系(逗点云、气旋波、斜压叶状云)或强烈发展低槽云系；低层暖平流中层冷平流造成对流不稳定，强对流天气产生在冷锋前部暖区内或静止锋锋面附近。这类强对流天气是在冷暖平流造成的对流不稳定条件下，当冷空气南下或静止锋上有波动时发生的。 高空低槽型形势形势特征 (1)500 hPa有低槽，前倾槽时更容易引发强对流天气。低槽常有温度槽配合，一般是温度槽落后于高度槽，槽后的冷平流(有时700 hPa表现得更加明

4、显)是造成对流不稳定的重要原因。 (2)925-700 hPa有低槽或切变线对应，南部常有l2ms西南急流，槽前或切变南侧有较强暖平流，并伴有0高能舌。(3)在地面低压或倒槽中，有锋面活动。在槽前暖平流和高空正涡度平流的共同作用下，地面低压倒槽发展或者在静止锋上新生波动，倒槽内或锋前空气暖湿，常常有明显低于日变化的3h变压，有利于强对流天气的发生。(4)200 hPa常常处在疏散槽前或高空急流入口区的右侧或出口区的左侧辐散区中。 江西低槽一锋面型强对流天气的概念模型图(江西省气象局，2010) 高空低槽型高空冷涡是造成东北、华北和西北地区强对流天气的重要天气系统。冷涡在500hPa反映最明显，

5、700或850 hPa图上有时可分析出，有时表现为宽广低槽区。地面图上常为一条副冷锋，冷锋前有低压或倒槽，有时只有露点锋或中尺度辐合线。冷涡周围地区，冷暖平流明显，冷涡发展的不同时期和冷涡的不同部位，均有冰雹产生，特别是涡后西北气流下，中低层冷平流形成的对流不稳定造成的雷雨大风天气容易漏报。高空冷涡型形势形势特征 500 hPa图上存在低涡中心，低涡中心附近有冷中心或冷槽相配合，低涡西部常常有横槽引导冷空气南下； 850 hPa有低槽、低涡或横槽与500 hPa低涡相配合，其北部有东西向锋区，槽前常常有暖舌； 地面图上有冷锋东移南压，锋前有地面热低压或有地面辐合中心、辐合线等。黑龙江省冷涡降雹

6、的概念模型 (a)冰雹发生在冷涡云系中心附近(b)冰雹发生在冷涡前部的西南气流中(c)冰雹发生在冷涡后部西北气流中(a)(b)(c)黑龙江省冷涡不同位置降雹云图 高空低槽型西北气流型形势500或700 hPa在关注区域内为西北或偏北气流所控制，为冷平流。850 hPa图上关注区域内或上风方地区出现切变线、小低涡之类的低值系统；地面则常出现辐合区。高层冷平流与边界层暖平流的差动温度平流和风切变为强对流天气提供了重要的环境条件。西北气流型下要特别关注垂直温度递减率和垂直风切变，其中任何一项出现超常值时都容易产生强对流天气。当低层湿度条件好时，下层任何扰动、辐合都能造成湿空气的抬升条件，极易生成对流

7、云。 当垂直温度梯度和垂直风切变很大但低层湿度很低时，则只会产生对流性大风而不会出现冰雹天气。 形势特征 (1)500 hPa处于偏北或西北气流中；槽后有明显的冷(干)平流，中层700500 hPa降温明显，伴有大范围的负T24。 (2)低层有暖湿平流。 (3)具有强垂直温度梯度(T850-500很大)，表现出强位势不稳定。 。(4)具有强的垂直风切变。(5)地面一般有冷锋南下，锋前在强对流天气发生前23h常常生成中尺度辐合线，气流在辐合中心和气旋性弯曲处汇聚上升，产生强对流天气。 中层干冷空气侵入造成强烈位势不稳定是这类强对流天气发生的重要条件，地面弱锋面和辐合线是重要触发系统，而强的垂直风

8、切变使得对流发展更加有组织和更强烈。 高空低槽型副高边缘型形势中国东部地区夏季强对流天气的一种主要形势 在副高后部(边缘)型中，强对流天气发生前中高层几乎找不到明显的西风槽。 当500 hPa短波槽携带的弱冷空气沿副高西北侧东移时，迫使副高东移南退，由此引起的动力不稳定以及副高边缘弱冷空气叠加在高温高湿下垫面之上造成的热力不稳定，由边界层的辐合系统引发强对流天气。 云图上表现近东西向云带(或延长线)上在午后有新生对流云团强烈发展。 形势特征 (1)500 hPa目标区受副高脊后的西南气流所控制，低层湿度较大(有时整层湿度大)(丁一Td5。C)，具有对流不稳定条件。(2)短波槽携带的弱冷空气沿副

9、高西北侧东移，对流层中层700400 hPa有弱冷空气影响南下(对应有24 h负变温)，冷暖空气区交汇地区出现强对流天气。 (3)在副高边缘对流层中低层和地面有低值辐合系统存在，触发强降水等强对流天气。 高空低槽型热带低值系统型形势热带低值系统是影响中国南方产生强对流天气的另一种重要的天气系统。这类多数以强降水为主，偶尔有雷雨大风、冰雹。多发生在79月。 (1)东风扰动。在500 hPa上盛行的东风里有明显的风向扰动(包括东风波)或风速扰动。 (2)热带气旋。 (3)赤道辐合带，主要影响华南地区。 (4)其他热带低压。强对流天气发生在热带气旋(低压)经过或热带气旋(低压)倒槽伸向或有东风波或其

10、倒槽影响时；云图上有热带云团活动；尤其是当热带东风波或低压倒槽系统和西风带低值系统相遇(靠近)时，会造成大范围强对流天气。其中热带气旋倒槽和东风波常常在500 hPa上表现更为明显。 形势特征 (1)在500 hPa上有热带气旋、东风扰动、赤道辐合带或其他热带低压之一。 (2)中、低层常有辐合气流或上升运动的低值系统，如东风倒槽。(3)热带低值系统东侧的边界层有一支东南气流，向目标区输送水汽。 (4)地面图上风场常有弱的切变辐合。(5)强对流天气发生在潮湿不稳定的区域内。 高空低槽型高压脊内部低层切变型形势高压(脊)内部并非都是晴好天气，在水汽和辐合条件好的地方也可能产生强降水。 500 hP

11、a在高压(脊)控制下(涡度为负值)，只要散度场表现为高空强辐散，低空弱辐合，又具备不稳定层结且有水汽供应，则同样可能产生局地短历时强降雨天气。形势特征 (1)500 hPa为高压(脊)控制； (2)对流层低层有切变线等低值系统； (3)对流层低层有明显的水汽供应； (4)对流层中低层有冷空气侵入造成对流不稳定。这种形势下常常容易漏报强降水，需要仔细分析对流层中下层的影响系统、水汽供应和不稳定条件。 中小尺度系统强对流天气的产生提供了一种天气尺度的背景，实际触发强对流天气产生的是中尺度系统，因此，应当特别注意分析高空的短波槽，对流层低层的切变线、中尺度低压、气旋性环流(辐合、风速切变等)、干线、

12、地面的辐合线等 重视高中低层的相互作用 在做强对流天气系统分析时，不仅仅要关注500 hPa的天气系统，在500 hPa没有明显的影响系统甚至在副高内部出现强对流天气时，不等于就没有影响系统，强对流天气常常与对流中低层(700、850、925 hPa等)的低值系统相联系，因此，应当特别注意分析对流层中低层的影响系统，例如短波槽、切变线、小低压、低空急流等。 大冰雹是指降落到地面时直径2 Cm的冰雹。 大冰雹识别和临近预报冰雹识别指标 (1)冰雹云的最大反射率因子值 45 dBZ(C波段雷达为40 dBZ)，而且都是高悬回波。强反射率因子高度 -20层高度或H45dBzH0+2.9(km)； (

13、2)高悬回波下存在宽阔的弱回波区或有界弱回波区，是最有效的冰雹预警指标之一；(3)反射率图上出现“V”形缺口、钩状回波，亦是有效的冰雹预警指标之一； (4)VIL密度3.29m3可以作为冰雹预警的临界指标，而VIL密度4.09m3。可以作为较大冰雹(19 mm)预警的临界指标；1个体扫VIL激增10kgm2、达到40kgm2以上也可以作为冰雹的预警指标。由于雷达测高的局限性，建议结合其他指标使用该指标； (5)冰雹常发生在中尺度气旋、大风区(正负最大速度极值在12m/s以上)一侧的风速辐合区内以及辐合系统上和强辐合带上。当中气旋最大厚度2.5 km或维持时间1.5h可以作为产生冰雹充分但非必要

14、条件； (6)S波段雷达反射率图上出现三体散射长钉(TBSS)是产生大冰雹的充分但非必要条件； (7)冰雹云总是存在底层辐合、顶层辐散，但是由于雷达观测本身的局限性，不一定能观测到风暴顶层辐散； (8)冰雹发生概率指数POH虽然空报率高，但是它基本概括了冰雹个例，可以作为一个起报条件； 冰雹指数HI(Hail Index)，HI是风暴反射率因子廓线的垂直热力权重积分，包括冰雹概率POH、强冰雹(直径1.9 mm)概率POSH和最大可能的冰雹尺寸SMEH。POH和POSH是根据0和-20层以上的反射率积分量来判断冰雹潜势。POSH是利用-20 层以上45 dBz反射率因子的垂直积分量。 0和-2

15、0层高度默认设置分别为3.2 km和6.1 km，应每天根据探空资料进行重新设置。重新设置0和-20层高度后冰雹指数的空报情况明显减少。由于它们是根据强的垂直风切变环境下设计的，所以对弱风切变环境下产生的脉冲风暴会高估，而对高原地区的风暴会低估。(9)在雹云快速发展阶段(降雹开始前的2030 min内)，地闪频数存在明显的“跃增”，地闪频数增加速率和降雹的强度存在较好的正相关。雷雨大风识别和临近预报雷暴大风包括龙卷和直线型大风 雷暴大风（不含龙卷风)的识别指标 (1)超级单体中存在深厚的辐合区(DCZ)(2)弓形回波弓形回波前沿(入流一侧)存在高反射率因子梯度区，一般在5km范围内基本反射率强

16、度从20 dBZ增加到50dBZ，并且边界十分光滑； 在弓形回波回波入流一侧存在弱回波区(WER)，回波顶位于弱回波区或高反射率因子梯度区之上，弓形回波的后侧存在弱回波通道或RIN，表明存在强的下沉后侧人流急流； 从速度图上看，带状回波中出现速度大于15m/s的入流速度区域，出现速度模糊区域范围一般与地面出现雷暴大风范围基本一致。它能提前35min预警雷暴大风； 弓形回波对应的既可以是正负径向速度辐合(即风向辐合)，也可以是强的风速辐合，即弓形回波后侧与前沿之间具有很大的风速梯度，从而形成了一条非常强的风速辐合带。如果在37 km的范围内速度差值超过25 ms，则认为MARC将征是显著的，利用

17、MARC预报地面大风的提前时间大约在1030 min。出现中尺度气旋特征亦是地面发生大风的预警指标之一。(3)产生下击暴流的因子 一个迅速下降(一个体扫下降0.7km，1h下降6km)的反射率因子核；强并且深厚的中层径向辐合(39km MARC)；多单体风暴出现高悬强反射率因子，产生下击暴流的反射率因子核往往开始出现在比其他雷暴单体核更高的高度；中层旋转；强烈的风暴顶辐散。(4)阵风锋速度图中风辐合最强处与强度图中阵风锋回波位置相符，并且与风速演变曲线中的峰值有很好对应；回波主体与阵风锋的距离l0km；但是在强的环境不稳定条件下，阵风锋即使远离主回波也会产强风；当VIL值不低于40kgm2时，

18、随后VIL值的快速减小l0kgm2，对预警雷暴大风一般能提前l0min出现；出流边界的叠加，或者出流边界与环境辐合带的叠加可促使边界层辐合上升运动加强，在不稳定大气状态下激发强风暴的形成并维持其发展，产生较为剧烈的强天气；快速移动的单体(移速60kmh)容易产生大风。龙卷风的识别和临近预报 龙卷分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷 龙卷风的识别指标 (1)风暴反射率强度40dBZ，最强回波一般在6km以下。 (2)龙卷风发生前一般都会出现气旋性辐合，0.5旋转速度一般都大于l3 ms。(3)探测到中气旋且底高l km可作为龙卷预警的充分但非必要条件。(4)探测到TVS可作为龙卷预警的充分但非必要条

19、件，然而有时TVS在龙卷产生后出现，因此没有预警时间提前量。(5)出流边界与其他辐合系统相交点上有利于产生龙卷风。 短历时强降水识别和临近预报 短历时强降水是由相对高的降水率持续较长时间造成的 识别指标强降水回波强度的最低阈值低于冰雹的雷达回波。 强降水的回波高度也低于冰雹回波，强降水的回波没有回波高悬的特征。 “列车效应”也是产生强降水的一种机制，即强降水单体先后经过同一地点，导致大的雨量。 雷暴中强烈的电活动与强降雨成正相关，而与闪电一般性降雨对应关系较差； “逆风区”是判识短历时强降水的一个重要指标。短历时强降水就出现在逆风区前沿、径向速度辐合最大的区域。 与强降水密切相关的多普勒速度特

20、征还有气旋式辐合型、中尺度辐合型。 垂直累积液态含水量(VIL)数值的大小对于是否产生小雨、中雨、大雨、暴雨反映并不十分敏感，但是VIL数值大的区域出现大的降水过程的可能性大。 课堂内容复习要点一、多普勒天气雷达基础（探测原理、探测方式）二、雷暴和强对流的环流背景（雷暴发生三条件、垂直风切变对强天气的作用、对流有效位能和对流抑制、边界层辐合线）三、雷暴的分类及其雷达回波特征四、雷达算法介绍（VIL及组合反射率、SCIT算法及冰雹探测算法）五、强天气临近预报（大冰雹有利环境条件、回波特征及临近预警方法）（灾害性雷暴大风的环境条件、主要回波特征和临近预报方法）（短时强降水的临近预报方法）1.雷达波

21、为脉冲波，波束在大气中有5种折射。2.雷达系统由RDA、RPG和PUP构成。3.雷达扫描方式有PPI、RHI和VOL（降水模式VCP21和VCP11，晴空模式VCP31和VCP32）。4.多普勒雷达存在多普勒效应和多普勒两难（距离折叠和速度模糊）。5.多普勒天气雷达基本产品为强度、速度和谱宽。天气雷达分析基础例：=10cm，PRF=1000/s ，由Vmax= *PRF/4，得Vrmax = 25m/s ；由Rmax=C/PRF，得Rmax=150km18:36:58 450hz,300km18:33:31 1000hz,150km距离折叠实例 速度模糊的图像消除速度模糊后的图像速度模糊实例

22、降水模式：使用VCP11或VCP21，相应的扫描方式分别为14/5和9/6。 探测模式晴空模式：使用VCP31或VCP32，两者都使用扫描方式5/10。6.均匀场风向风速风向：对沿径向的速度零点，从中心向该点做直线，在其端点作直线的垂线，垂线从负速度区指向正速度区的方向为该高度上的风向。风速：以该点作等高度面圆环，环上速度极值绝对值的平均值为该高度的平均风速。2022/7/20短临预报中雷达技术的应用457.零速度线特征含义（1）由中心向外环呈直线，温度平流很弱或为零。（2）呈顺时针，有暖平流。呈逆时针，有暖平流（3）与距离圈平行，为辐合/辐散线。（4）呈折线-切变线（锋面）8.正负区面积：某

23、高度上（某距离圈内/间）正区大-辐散，负区大-辐合9.“牛眼”（1）中心两侧的大牛眼-大风速带（急流）（2）径向两侧的小牛眼-中气旋（龙卷）/中反气旋（3）径向上的小牛眼-中辐合/中辐散（下击暴流）10.“逆风区”大负区包围小正区（负包正）-中系统综合体大正区包围小负区（正包负）-中系统综合体2022/7/20短临预报中雷达技术的应用48气块状态曲线层结曲线温度廓线湿绝热线等比湿线气块状态曲线对流凝结高度对流温度自由对流高度正负气块起始高度抬升凝结高度干绝热线干绝热线层结曲线温度廓线2022/7/20短临预报中雷达技术的应用49+ - + -+ - + -暖色 冷色切变示意确定正负区域确定零速

24、度线确定切变线雷达站位置中尺度气旋出现标志着：很可能出现暴雨、冰雹、强风等剧烈天气； 很可能出现龙卷。（）确定雷达站位置；（）找到一对近邻的正负速度区，根据这两个速度区相对雷达站的位置不同，确定其是气旋、反气旋、还是辐合、辐散等。（）根据正负速度区的中心数值来识别其强弱。正负速度值的梯度值越大，则强度越强；反之亦然。 判断中小尺度天气系统的分析步骤（）判断其发展趋势。 低层是辐合性气旋，高层是辐散性反气旋，则系统将发展加强；反之系统将减弱消散。 如果气旋和反气旋既无明显辐合，亦无明显辐散，一般表明中尺度系统已经达到一个相对极值，未来在一个较短的时间内将发生调整。（）用外推法预报其未来至小时内的

25、移向、移速。（1）识别出了中气旋则发布灾害性强风暴警报（2）如果识别出了强中气旋则发布龙卷警报。（注意：在有些情况下，识别出中等强度或弱中气旋就足可以发布龙卷警报。） 与强龙卷相联系的中气旋核特征可能在龙卷发生前20-30分钟出现。发布中气旋警报的准则强对流天气指降到地面上直径超过2cm的冰雹、地面超过17m/s的雷暴大风（许多国家规定为25m/s以上）、任何级别的龙卷和可能造成暴洪的对流性暴雨。极端强对流天气是指5cm直径以上的降雹、33m/s以上的地面瞬时雷暴大风和F2级以上的龙卷。雷暴雷暴由单体组成，根据其雷达回波特征可以划分为:普通单单体风暴多单体风暴线性多单体风暴或飑线超级单体风暴(

26、具有持久深厚中气旋的对流风暴) 根据单体内上升下沉气流可划分为：积云（初始）阶段成熟阶段消亡阶段雷暴生成三要素层结不稳定、水汽和抬升触发机制。层结不稳定和水汽条件是相对独立而各自演变的，二者的结合效应用对流有效位能CAPE和对流抑制CIN最清楚地表达。估计对流有效位能有时需要对探空进行订正 假定气块从地面以预报的午后地面温度和露点绝热上升实现的CAPE。 如果有系统过境，伴随比较明显平流过程（高空干冷平流和低空暖湿平流），需要做定性的订正。CAPE：2500 J/kg，属于很强对流有效位能。雷暴的触发直接触发雷暴的主要是中尺度过程，主要包括锋面干线和边界层辐合线等地面边界中尺度地形导致的抬升以

27、及由于波导效应被限制在对流层中下层的重力波垂直风切变垂直风切变是导致对流具有高度组织性的重要因素通常用0-6km之间的风矢量差的绝对值代表垂直风切变的大小。在中高纬度暖季（4-9月），该风矢量差：20m/s， 属于强垂直风切变。在有些情况下，在大气对流层中下层某两层之间（如925和700hPa之间）的垂直风切变值超过3.010-3s-1，也可以认为是比较强的垂直风切变。产生对流性暴雨的对流系统通常对垂直风切变大小不敏感。其他的如强冰雹、雷暴大风和龙卷产生系统都对垂直风切变大小比较敏感。强冰雹强冰雹的生成需要强和持续一定时间的上升气流。有利于强冰雹生成的环境条件：较大的对流有效位能较强的垂直风切变不太高的0层（可根据最近时次探空确定）同时还需要足够的过冷却水滴高悬的强回波通常要求50dBZ以上的强回波扩展到-20C等温线之上（该高度可根据附近最近时次探空确定）同时0C层到地面的距离原则上不超过5km。在弱垂直风切变条件下的脉冲风暴有时也可产生边际尺度的强冰雹，持续时间通常不高过15分钟当高悬的强回波出现后发出的冰雹预警对于脉冲风暴来说通常都太迟了，因为当警报到用户手里时，冰雹过程已经结束了。强冰雹探测预警主要指标在中等以上垂直风切变条件下，除了高悬的强回波，典型的雹暴还呈现出低层强的反射率因子梯度，入流缺口，弱回波区和中高层回波悬垂，在