多普勒天气雷达原理与应用4强对流风暴及其雷达回波特征课件

不稳定绝对不稳定：温度递减率大于干绝热递减率；温度递减率介于干绝热和湿绝热之间。水汽条件

风暴的发展要求低层有足够的水汽供应。风暴常形成于低层有湿舌或强水汽辐合的地区。据统计，超级单体和多单体风暴的形成要求比普通单体风暴有更大的低层水汽含量。对流有效位能CAPE

对流有效位能CAPE 指气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分，是风暴潜在强度的一个重要指标。在T-logP图上，CAPE正比于气块上升曲线（状态曲线）和环境温度曲线（层结曲线）从自由对流高度（LFC）至平衡高度（EL）所围成的区域的面积。CAPE数值的增大表示上升气流强度及对流发展的潜势增加。最大垂直速度

气块在特定环境中绝热上升的最大垂直速度Wmax理论上取决于CAPE向动能的转换程度。CAPE和Wmax的关系表达式如下：

Wmax＝(2CAPE)1/2抬升机制 短波槽、高空急流、锋面、干线等造成的中尺度垂直环流。雷暴出流边界（阵风锋）、海陆风边界和其他边界层辐合线，以及中尺度地形和重力波等。 雷暴倾向于在边界层辐合线附近，特别是两条辐合线的相交处生成。2019年4月22日冷空气爆发（合肥雷达）Examples-nontopographicConvectivestormoutflowboundariesOngoingMCSFrontalboundaryOrganizedordisorganized?地形的抬升作用

垂直风切变是指水平风速（包括大小和方向）随高度的变化,环境水平风向风速的垂直切变的大小往往和形成风暴的强弱密切相关。一般来说，在一定的热力不稳定条件下，垂直风切变的增强将导致风暴进一步加强和发展。垂直风切变垂直风廓线及其对对流风暴的作用

垂直风切变、切变矢量和速度矢图

垂直风切变矢量示意图

垂直风切变是指水平方向的风速随高度的变化。在给定的层次中，切变风矢指的是高层和底层风矢量之差，切变风矢可以在所有风场资料层上绘出。速度矢图是由切变风矢组成的。

风矢及其相关的速度矢图

相对地面速度矢图（ground-relativehodograph）

相对风暴速度矢图风暴相对速度矢量的涡度的分解。 其中h为水平涡度，s为流线方向涡度，c为垂直流线方向涡度，S为风切变矢量。

风暴相对螺旋度

（storm-relativehelicity）

Brandes于1989年提出风暴相对螺旋度，它是衡量螺旋度的一个具有明确意义的物理量。相对风暴螺旋度反映了一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环境涡度的多少，其量值反映了旋转沿运动方向运动的强弱。 风暴相对螺旋度取决于风暴相对气流沿流线方向的涡度，而这些因子又取决于低层垂直风切变的强度和方向以及风暴的运动。其表达式为：螺旋度的几何意义

它与速度矢图中两个层次之间的风暴相对风矢量所扫过的区域的面积成正比，通常情况下，两个层次是指地面和可观察到风暴入流的顶即LFC高度，实际应用时，气流的入流层大约是指0-2km或0-3km间的层次。0～3km高度内风暴相对螺旋度的示意图。其中H3为3km高度上的水平涡度矢，S3为3km高度上的风切变矢，VSRO为地面风暴相对速度。问题与挑战

全国只有124个探空站，每天观测两次（08和20点），其时空分辨率远远不能满足强对流天气分析的需要。解决办法：1）增加14点探空；2）快速数据融合系统左图：08时，右图：13时时间：2019年8月17日，上海宝山探空站（58362)图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大，如K指数有31.0增大到38.0，SI指数有-0.3减小至-2.8，CAPE也由2967增大至5742，对流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。充分挖掘现有设备潜力也应能改进预报效果左图：08时，右图：13时时间：2019年9月21日，上海宝山探空站（58362)图的左侧为计算的物理量，可以发现08时和１３时相差很大，如K指数有25.0增大到34.0，SI指数有2.9减小至0.8，CAPE也由332增大至6871，对流凝结高度明显下降等等。这些都表明有利于强对流天气的发生。0-2km水汽辐合通量6雷暴的分类普通单体与超级单体单单体风暴、多单体风暴、超级单体风暴、飑线积云生命史三阶段Adissipatingmulticellstorm©2019C.Doswell经典超级单体风暴风暴运动

风暴运动是平流和传播的合成运动风暴的平流

由于风暴由流动的气流组成，因此，风暴具有平流运动，其中单个风暴单体是随着风暴承载层（对流层中层）的平均风方向而平流的。风暴的传播 风暴的传播是指在风暴某侧由新生单体所引发的风暴运动。传播常常为新上升气流发展的方向。 多单体风暴的传播是不连续的，即新生单体以一系列离散过程周期性地发展。 超级单体风暴的传播可视为连续的（或者可以认为上升气流泡连续脉动)。4.1.5.3

平流和传播的相对重要性有组织的多单体风暴的风暴平流、传播和风暴运动的关系示意图风暴中的对流单体沿平均风方向向东北平移（V），风暴总体的运动方向（C）向东，因为新生单体周期性地出现于风暴的南侧（P）。 当环境为强气流控制时，风暴运动主要取决于平流， 而当环境气流较弱时，风暴运动主要取决于传播。

7中气旋与超级单体风暴中气旋超级单体风暴的分类

中气旋是指尺度小于10km的涡旋，满足或超过一定的旋转（切变）、垂直伸展和持续性判据。

定义1：垂直涡度大于等于10-2s-1，垂直伸展超过风暴垂直尺度的1/3，持续2个体扫。

定义2：将中气旋分为弱、中、强三个等级，旋转速度的要求如图所示，其他要求同上。

中气旋定义中气旋模拟图及实例中气旋模型--蓝金组合涡旋对于识别中气旋，最好使用风暴相对速度图（右）而不是基速度图（左）。超级单体风暴的分类经典超级单体风暴强降水超级单体风暴弱降水超级单体风暴经典超级单体ClassicSupercellsIsthisreally“classic”?ClassicSupercellsSupercellairflowmodelLemon&Doswell,1979SUPERCELLTheWERIstheregionofweakechobeneaththeslopingechooverhang(>45dBZ)PersistslongerthanitwouldtakeforhydrometeorsabovetheWERtofalltogroundAfterLemon,1980钩状回波的各种变形经典超级单体风暴©2019C.DoswellCLsupercell-frontflankCLsupercell-rearflankAsupercellstorm0.51.53.54.3长沙（上）和常德（下）雷达径向速度图经典超级单体例子32019年7月27日反中气旋超级单体（常德SB雷达）2019年7月27日反中气旋超级单体（常德SB雷达）强降水超级单体HPSupercell©2019C.Doswell©1977C.DoswellHighPrecipitationSupercellStorm-25May1977High-Precipitation(HP)SupercellsLowermid-levelandanvil-relativeflow.Interactionswithotherstorms–“seeding”,morestormscanoccurwithweakcaps.Typicallyassociatedwithweakertornadoes,butcanproducesignificanttornadoes.Moreofaseverewind,hail,andflashfloodingthreat.强降水超级单体例子2强降水超级单体例子2宽广的钩状、逗点状和螺旋状的回波表明强降水包裹着中气旋。前侧