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强对流天气特征及预报
第六章强对流天气特征及预报
6.1强对流天气时空特征
在气象学上，强对流天气属于中小尺度天气系统，其特点是水平尺度小、生命史短、影响范围小、强度大。
内蒙古强对流天气，通常是指出现短时强降水、雷雨大风和冰雹等灾害性天气。
强对流天气突发性强，破坏力大，是内蒙古的主要灾害性天气之一。
内蒙古位于祖国北疆，地域广阔，达1.18×106km2，天气气候及地形复杂，雷雨大风、冰雹以及伴随的强降水等强对流天气时有发生，特别是6～9月发生的机率很高，且经常几种天气相伴出现，给人民生命和财产、工农业及交通运输造成严重损失。
下面就内蒙古强对流中出现次数最多的雷暴和冰雹天气的时空特征进行分析。
6.1.1雷暴天气时空特征统计分析
本章所使用的资料是1971～2008年内蒙古自治区117站的气象资料。
6.1.1.1地理分布
内蒙古117站的年平均雷暴日分布如图6.1所示。
其特点是：
年平均大于36个雷暴日的区域在东部地区沿大兴安岭山脉呈准南北走向；而在西部地区沿阴山山脉呈准东西走向。
说明多雷暴地区与山脉分布和走向关系较密切。
多雷暴中心，一个在乌兰察布市中部和呼和浩特市北部地区的武川，其中最多地区是丰镇，38年间累计达1514次，年均雷暴日达39.8次；另一个在锡林郭勒盟的多伦，累计达1513次，年均雷暴日达39.8次。
阿拉善盟西部的雷暴最少，其中雅布赖38年间累计为254次，年平均仅6.7次。
图6.1内蒙古117站年平均雷暴日分布
6.1.1.2年际变化
1971～2008年内蒙古共有雷暴118236次（表6.1），全区117站年平均3112次，每站平均26.6次。
1971～2008年期间，1980年最多，达3954次。
2007年最少，有2323次。
最多年份1980年是最少年份2007年次数的1.7倍。
变化趋势见图6.2。
表6.1内蒙古1971～2008年雷暴年际表
年份
次数
平均
年份
次数
平均
年份
次数
平均
年份
次数
平均
1971
3496
29.9
1981
2893
24.7
1991
3304
28.2
2001
2455
21.0
1972
2607
22.3
1982
3684
31.5
1992
3392
29.0
2002
2574
22.0
1973
3906
33.4
1983
3223
27.5
1993
3273
28.0
2003
3124
26.7
1974
3257
27.8
1984
3686
31.5
1994
2962
25.3
2004
2397
20.5
1975
3470
29.7
1985
3862
33.0
1995
2596
22.2
2005
2718
23.2
1976
3377
28.9
1986
3566
30.5
1996
3131
26.8
2006
2581
22.1
1977
3267
27.9
1987
3516
30.1
1997
2411
20.6
2007
2323
19.9
1978
3270
27.9
1988
3564
30.5
1998
2997
25.6
2008
3036
25.9
1979
2865
24.5
1989
2920
25.0
1999
2674
22.9
1980
3954
33.8
1990
3476
29.7
2000
2429
20.8
图6.2内蒙古1971～2008年雷暴年际变化
6.1.1.3季节变化
图6.3为内蒙古雷暴次数随月分布图，由图可见，内蒙古雷暴活动期主要集中在5～9月，占总雷暴日的96.6%，其中6～8月占78.5%。
发生雷暴最多的是7月份，总计36329，每站平均雷暴日达8.2。
6月次之，总计29712，每站平均雷暴日达6.7。
图6.3内蒙古1971～2008年雷暴月变化
6.1.1.4日变化
对全区117个观测站38年资料统计（图6.4），内蒙古雷暴主要集中在13～18时，占总数的67.9%，雷暴在10～20时之间的占94.7%，出现时段在0～6时的雷暴仅占1.8%。
由此可见，内蒙古雷暴高度集中在午后。
图6.4内蒙古1971～2008年雷暴日变化
6.1.2冰雹天气时空特征统计分析
6.1.2.1地理分布
内蒙古117站的年平均降雹日分布如图6.5所示。
其特点是：
年平均大于3个雹日的区域在东部地区沿大兴安岭山脉呈准南北走向；而在西部地区沿阴山山脉呈准东西走向。
说明多雹地区与山脉分布和走向关系较密切。
多雹中心，一个在乌兰察布市中部和呼和浩特市北部地区的武川，年均雹日达5.3；另一个中心在锡林郭勒盟南部的太仆寺旗，达4.3雹日。
这些多雹中心分布大多在山区，其拔海高度约为1500～2000m。
图6.5内蒙古117站冰雹年平均日分布
沙漠地带中阿拉善盟的额济纳十年未出现降雹。
除巴彦诺尔贡和巴彦浩特外，阿拉善盟的其它地区是少雹区。
河套平原大部地区年降雹日少于1天。
兴安盟的扎贲特旗一带地区亦是少雹区，通辽市北部、辽河平原地区，年雹日≤1天。
综上所述，内蒙古冰雹集中在山区（年平均3～6雹日），平原较少（0.5～1雹日），沙漠地区基本无冰雹。
由逐月平均雹日分布图（图6.7）可看到，雹区分布随季节变化不明显，6～9月各月多雹地区仍在大兴安岭和阴山山脉附近；10月，东部大兴安岭的多雹区已消失，西部仍有少量降雹，说明西部的降雹结束期较晚。
6.1.2.2年际变化
若将一天内内蒙古117站中有一站或以上降雹，定为一个雹日，38年共有2889个雹日，年平均雹日为76.0个。
若将一个站有一日降雹统计为一个站日，则共有7793个站日，年平均为205.1个站日。
每站年平均降雹日为1.8个。
1971～2008年期间，1976年降雹最多，达111个雹日、394个站日。
2007年雹日最少，只有33个雹日、46个站日。
由图6.6可见，1993年以后雹日下降明显，而历年站日呈波动下降趋势，1978年为前一周期波谷，站日为253个，之后站日逐渐增多，1982年为波峰，站日为326个，之后下降趋势明显，2007年站日只有46个，是1976年的九分之一。
对图6.6站日和雹日比较可见，站日较雹日下降明显，说明冰雹过程影响范围在减小。
表6.2内蒙古1971～2008年冰雹年际表
年份
雹日
站日
站均
雹日
年份
雹日
站日
站均
雹日
年份
雹日
站日
站均
雹日
年份
雹日
站日
站均
雹日
1971
87
314
2.7
1981
79
217
1.9
1991
79
203
1.7
2001
51
94
0.8
1972
78
196
1.7
1982
106
326
2.8
1992
88
239
2
2002
60
130
1.1
1973
95
344
2.9
1983
83
257
2.2
1993
71
194
1.7
2003
63
114
1
1974
81
202
1.7
1984
92
321
2.7
1994
58
97
0.8
2004
51
80
0.7
1975
104
300
2.6
1985
90
317
2.7
1995
68
146
1.2
2005
59
107
0.9
1976
111
394
3.4
1986
89
262
2.2
1996
69
174
1.5
2006
44
77
0.7
1977
79
258
2.2
1987
88
300
2.6
1997
48
81
0.7
2007
33
46
0.4
1978
82
253
2.2
1988
90
257
2.2
1998
78
179
1.5
2008
57
84
0.7
1979
78
277
2.4
1989
75
183
1.6
1999
70
120
1
1980
103
307
2.6
1990
99
237
2
2000
53
106
0.9
图6.6内蒙古1971～2008年冰雹年际变化
6.1.2.3季节变化
图6.7为内蒙古冰雹站日随月分布图，由图可见，内蒙古3～11月都能发生降雹，但主要集中在5～9月，占总雹日的92.6%，其中又集中于6～7月，占46.9%。
发生冰雹最多的是6月份，平均雹日达17.7，7月次之，5、8、9月年平均都有9～13个雹日。
发生冰雹的高峰（6月）是在内蒙古降雨高峰（7、8月）之前。
这同冰雹的形成特性和副热带高压的季节性进退有密切关系。
图6.7内蒙古1971～2008年冰雹月变化
6.1.2.4日变化
对全区117个观测站38年资料统计（图6.8），内蒙古降雹主要集中在13～17时，占总数的67.9%，降雹在10～20时之间的则占94.7%，出现时段在0～6时的冰雹仅占1.8%。
由此可见，内蒙古降雹高度集中在午后。
图6.8内蒙古1971～2008年冰雹日变化
6.2强对流天气的天气气候分析
6.2.1雷暴的天气气候统计
根据内蒙古117个气象（候）站的记录，选取了2008年71个大范围雷暴过程。
选取标准是一日内内蒙古有10个站或以上有雷暴的过程。
内蒙古地域广阔，天气气候复杂，大范围雷暴天气时有发生，仅2008年就71次，一日内全区范围都有雷暴天气的有37次，占总数的52.1%，仅中部地区有大范围雷暴天气的有58次，占81.7%，东部地区有大范围雷暴天气的有51次，占71.8%。
中部地区或东部地区有大范围雷暴天气的总数是109次。
同一天由同一系统造成大范围雷暴天气的有25次，占总数的35.2%，同一天由不同天气系统造成大范围雷暴天气的有12次，占总数的16.9%。
雷暴的天气型
综合多种天气资料我们将2008年全区大范围雷暴天气划分为四类，见表6.3：
表6.32008年全区大范围雷暴天气分型
天气型
高空槽型
冷涡型
西北气流型
平直西风型
总计
次数
41
33
6
29
109
百分比
37.6
30.3
5.5
26.6
高空槽型
500hPa等压面图上沿35～50ºN，经河西走廊东移的西风带短波槽为高空槽型。
西北气流型
500hPa等压面图上为西北气流，而在低层是低压槽前的西南暖湿气流，这样的高低空形势配置，既造成上冷、下暖的温度差动平流，有利于层结不稳定度的增大，又有低值系统的抬升作用。
冷涡型
500hPa有冷性闭合低压。
冷涡从48ºN以南移过时，就可能产生雷暴。
如果低空条件同西北气流型相似，则雷暴较强。
平直西风型
500hPa等压面图上为平直西风气流，低层温度、湿度较高，层结不稳定度较大，此类天气归为平直西风型。
6.2.2.4冰雹的天气型
表6.5冰雹的天气型
天气型
西北气流
前倾槽
冷涡
后倾槽
次数
28
11
12
1
百分比
54
21
23
2
注：
从全区52个冰雹天气过程站数不少于7站的雹日统计得出
划分冰雹的天气型，既要考虑上干冷、下暖湿的不稳定条件；又要考虑促使不稳定能量释放的动力条件，即低值触发系统。
我们用500hPa、850hPa和地面三层天气图资料，依据温压场和风场以及天气系统的上下配置情况，将内蒙古的冰雹分为四种天气型（见表6.5）。
西北气流型
这是最常见的一种冰雹类型，占总数一半以上。
从雹区上游地区到雹区东侧3个纬距内，500hPa等压面图上为西北气流，而在低层是低压槽前的西南暖湿气流，这样的高低空形势配置，既造成上冷、下暖的温度差动平流，有利于雹区未来层结不稳定度的增大，又有低值系统的抬升作用。
前倾槽型
此型500hPa槽前高压脊明显，500hPa槽线比850hPa槽线前倾2～7个纬距，可看成是西北气流型的特殊情况，区别仅在于850hPa槽前的500hPa西北气流，在冰雹发生前一段时间，尚未到达雹区。
冷涡型
500hPa有冷性闭合低压。
冷涡从雹区以北48ºN以南移过时，就能降雹。
如果低空条件同西北气流型相似，则冰雹较强。
后倾槽型
定义为500hPa槽前暖高压脊明显，850hPa和500hPa槽线重合或后倾。
此型出现大范围降雹的可能性很小。
6.3强对流天气过程的云型特征
卫星云图是大气运动状况的直接表征。
云分析和识别是预报业务流程中重要分析内容。
通常我们是根据云图上云或云区的6个基本特征来识别的，分别为型式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理。
型式是指图像上不同明暗程度的像素点的分布式样。
它们或者散乱分布或者成有组织的分布，即组成一定的型式（结构）。
例如台风和温带气旋中的云常常组成螺旋状结构，锋面、急流、热带辐合带中的云，常常表明为带状云区。
根据云区范围大小，可能识别云的种类、云系和云型以及推论出云形成的物理过程。
本节我们讨论强对流天气过程的典型云型特征。
高空槽型6.3.1卫星云图上常见的云型和云系
为使基层预报员对气象卫星云图识别有一个基本了解，首先介绍几种常见的云型和云系。
带状云系：
一种相对宽而连续的云型称之为云带。
它具有清晰的长轴，长和宽之比为4:
1，且宽度通常大于一个纬距。
属天气尺度云系。
带状云系主要多层云系组成。
涡旋云系：
它是一条或多条不同云量和云类的螺旋云带朝着一公共中心辐合形成的，与大尺度涡旋相联系。
大尺度涡旋的水平范围为600～1500km。
有组织的螺旋线或积云汇合线因与气旋性相对涡度相联系，常称作涡度中心。
云线：
云线由长为三十至几百公里的对流云团组成，宽度小于1个纬距。
它可以出现在中高纬度地区冷锋的附近，也可以出现在热带洋面上。
它们能指示低空风向，而高空急流卷云中的云线，可作为高空风的良好指示。
弧形云线是中尺度对流系统中的重要成员，是雷暴外流的前边缘。
云团：
是产生暴雨和强对流天气的一种重要中尺度系统。
云团由多个大小不等的积雨云、混合性云或积云与层相镶出现的云簇等组成，它们的高空卷云砧连成一片，表现为一片白亮的密实云区。
云团的形状，依赖于对流单体的强度、大尺度流场背景以及产生云团的扰动强度等因子。
它们表现为圆形、准圆形及椭圆形等不同形状，水平范围为几十至几百公里。
按照尺度划分，它们又可以分为中尺度和中间尺度两种；依据它们造成的天气，还可以分成暴雨云团和雷暴云团两种。
逗点云系：
卫星云图上，一种常见的形如逗号的云系称作逗点云系。
它形成和发展的原因是大气的非均匀旋转，即云系的逗号状是由于大气绕着一个中心旋转使云块变形造成的。
我们常见的有：
大尺度逗点云系，次天气尺度。
逗点云系的结构，无论是小尺度涡度逗点云（中层系统），还是大尺度逗点系统（中高层系统），一般情况下均由四部分组成，即后边缘呈“S”形，或者说存在着拐点和相反曲率、逗点尾以及干侵入区。
雷暴天气过程的卫星云图分型
我们查阅分析了2005～2009年区域强对流天气过程的卫星云图资料，结合天气形势提炼出内蒙古几种主要强对流云系特征，并结合典型个例进行分析。
雷暴天气型
划分雷暴的天气型，既要考虑上干冷、下暖湿的不稳定条件，又要考虑促使不稳定能量释放的动力条件，即低值触发系统。
依据高空图和卫星云图将内蒙古雷暴天气分为四种天气型。
冷涡型
蒙古冷涡、贝加尔湖冷涡和东北冷涡（下面统称冷涡）的卫星云图特征颇为相似，只是地理位置不同。
冷涡卫星云图表现为螺旋状的涡旋云系，其特征是：
①在冷涡中心的北部和东部（即西北、东北和东南三个象限内）为分布不均匀的对流单体或宽阔的云区，西南象限为晴空区，云区后边界明显整齐，北部有发散卷云，前边界凹凸不齐。
云区中多为块状密实的积雨云团，边缘清晰，色白而亮，其水平尺度多为200～300km，有些尺度更小。
积雨云团之间为灰色的低云，有时可看到缝隙。
冷涡后部的对流单体沿着冷涡周围的气旋性环流移到冷涡前部发展，或冷涡中心附近的松散云区受低层加热和暖平流作用发展，或冷涡后部西北气流中午后发展对流性云团。
②冷涡云区向南有一条狭窄云带，云带一般伸到30ºN以南，与低纬云带（云区）相接。
这一云带是低纬水汽向北输送的通道，在冷涡发展阶段和强盛期尤为明显。
也是强对流天气发生发展的重要条件。
③冷涡云系有明显的日变化，早晨和上午的卫星云图上，云区颜色明显变灰暗，积雨云团明显变小，亮度减弱，有时只在一片灰色低云区中隐隐约约见到一些白点。
但在午后和傍晚的云图上，云区明显发展，云区范围扩大，颜色变白，尤其是那些在螺旋云系上的小白亮点沿着冷涡后部的西北气流移到高空槽附近或气流由西北转成西南气流时，都可能发展成白亮密实的大块积雨云团，造成强雷雨。
这种日变化是冷涡云系的一个重要特点，对12小时以内的短期和超短期预报有重要意义。
④冷涡云区后部晴空区的长轴方向对云区的移动方向有指示意义。
一般来说，云区的移动方向与晴空区长轴方向相一致。
图6.10和6.11是2008年8月24日08时东北冷涡的500hPa高空图与卫星云图，这次过程中的中尺度对流云团是在天气尺度冷涡云系中，受中尺度辐合系统强迫形成的。
这条云带对应的正是一条来自低纬的水汽输送带。
这条云带主要由有序排列的中尺度对流云团和中尺度对流复合体组成。
从连续的动画显示看，正是这条云系的不断北进，在靠近冷涡中心的西南气流中，形成了大范围的雷暴天气。
西来低槽冷锋在卫星云图上有清楚的云带对应，云带来自新疆，沿中纬东移。
造成雷暴天气，在东移过程中往往与北上的低纬云团或高原东部的低涡云系相合并，加强发展。
图6.122006年8月28日20时500hPa高空图和红外云图
图6.132008年7月6日08时500hPa高空图图6.142008年7月6日08时红外云图
图6.12是2006年8月28日20时一次西风槽云系影响产生大范围雷暴天气的典型卫星云图，从图中可以看到，高空槽云系自新疆沿中纬度东移，其南部一直延伸到青藏高原以南，云系中高原以南有对流云团发展。
主体云系的后边界齐整，表明冷空气具有一定强度，云系前端亦有小的对流带处于发生阶段，表明主云系前部极不稳定。
在高空槽前云系具有垂直于云带的丝缕状，表明高空风速极大，槽前处于强的辐散区中。
高空槽云带在东移过程中，有时如斜压叶状云的发展过程，此类过程多有河套气旋生成，在卫星云图上可以看到在结合处的低槽冷锋云带上有气旋云区生成发展，雷暴多发生在气旋密蔽云区移经的地区或低涡对流云团强烈发展的地区。
西北气流型
西北气流型云系主要是由西来高空槽云系东移演变而来。
在卫星云图上有和斜压叶状云系发展类似的过程。
初期可以看到有一条明显的云带自蒙西山地和新疆东移，初为准南～北向，或东北～西南向。
在东移过程申，其北段移动较快（与冷槽北段的移速较快一致），使冷锋云带逐渐向纬向顺转。
影响内蒙古时，先在内蒙古北部造成分布不均的小雷阵雨，在40ºN附近移动变缓。
云带南端与青藏高原东侧的云带连接，在云带连接部位或在与正涡度区云系靠近部位，变宽变厚并向冷空气一侧凸起，云带明显发展，呈现出明显的气旋波动。
同时，云带南端和青藏高原及低纬度的热带中尺度云团相结合。
在切变线上产生较强的对流云团并沿切变线东北上，在对流云团发展、移动路径上，在内蒙古产生大范围雷暴天气。
平直西风型
平直西风型的云系最重要的演变特征是高空为弱的平直西风，地面高温高湿，上午晴空少云，午后对流云团发展强烈，同时，来源于低纬度副热带高压底部的热带对流云团（台风或印缅季风云团），沿副热带高压向西北发展，又与青藏高原云系合并，形成沿副热带高压外围长距离完整的暖湿输送云带，到达内蒙古中西部地区。
图6.152008年7月20日08时500hPa高空图图6.162008年7月20日08时红外云图
6.4强对流天气雷达特征
短时强对流天气是在有利的天气尺度系统背景下由中尺度系统触发产生的。
这些中尺度系统空间尺度从几公里到几百公里，时间尺度从几分钟到十几小时。
利用常规资料监测、分析和预报均存在较大困难。
尤其是风暴尺度的对流系统，时空尺度小，但产生灾害十分严重。
近几年，我国已经布网了新一代天气雷达，其功能、精度、观测频度都优于早期的数字化天气雷达，能够高频度、高精度捕捉到中尺度对流系统的发生发展过程中三维反射率因子、径向速度和谱宽等信息，为我国开展全新的中尺度天气分析业务奠定了坚实的基础。
反射率因子是与大气中雨滴、云滴、冰粒散射密切相关的物理量，其分布、强度等特征可以揭示大气中发生不同中尺度对流系统类型、每一类型的结构特征、灾害性质和变化规律等。
从多普勒雷达观测到的径向速度图上，可以捕获到激发中尺度对流系统的风速辐合线等不连续线、风暴内γ尺度的中气旋、雷暴外流边界、急流等，为预报员提供了分析中尺度对流系统演变的信息。
6.4.1雷暴天气雷达特征
雷暴在天气雷达强度回波图上的主要特征有大于35dBz的回波区，雷暴体初始大于35dBz的回波面积增长迅速；在速度回波图上的主要特征有“逆风区”。
逆风区
6.4.2冰雹天气雷达特征
强对流天气尤其是冰雹，它出现的范围虽然较小，时间也比较短促，但来势猛、强度大，并常常伴随着狂风、强降水、急剧降温等阵发性灾害性天气过程。
我国是冰雹灾害频发的国家，冰雹每年都给农业、建筑、通讯、电力、交通以及人民生命财产带来巨大损失。
天气雷达是探测冰雹的有力工具，本小节主要介绍冰雹的多普勒天气雷达回波特征。
典型的发展成熟的强对流天气系统具备多方面特征，归纳起来可分为三大类：
一是风暴体外围特征，比如在PPI强度回波图上在其背向雷达一侧，一般存在的“V”型缺口。
二是风暴体形态特征，如“弓形回波”、“人字形回波”等。
三是风暴体结构特征。
对流体内因有强烈的辐合而形成气流入口，有的称之为“V”型槽口，而在PPI速度回波图上底层表现为气旋性辐合，而高层则是辐散。
在适合角度的强度回波剖面图上则有“悬垂”和弱回波区，而且强中心都向“悬垂”一侧倾斜。
在速度回波剖面图上底层表现为辐合，高层是辐散，称之为“风暴辐散顶”，下面就这些特征进行说明。
6.4.2.1冰雹在多普勒天气雷达中的外围特征
典型的发展成熟的强对流天气系统具备多方面特征，其外围特征主要是在PPI强度回波图上在其背向雷达一侧，一般存在“V”型缺口。
“V”型缺口
图6.24赤峰2009年7月12日17时08分仰角依次为0.5度、1.5度
2.4度基本反射率和组合反射率图，箭头所指为“V”型缺口，最大强度70dBz
“V”型缺口是探测冰雹最直接有效的指标。
众所周知，冰雹的增长需要强的上升气流，宽大、强盛而且持久的上升气流能够为冰雹的增长提供有利的条件。
因此，利用多普勒天气雷达观测的上升气流特征可以用来判断冰雹的存在与大小。
2009年7月12日赤峰市遭遇冰雹袭击，所属三个旗县受灾，造成三人死亡，20711亩农作物减产量，其中4576.7亩绝收，损坏房屋1657间，倒塌房屋20间，直接经济损失15924万元。
图6.24为强对流天气系统发展最强时雷达回波图，最大回波强度值为70dBz，此时出现了“V”型缺口（图箭头所示），由于云中大冰雹、大水滴等大粒子对雷达波的强衰减作用，雷达探测时电磁波不能穿透主要的大粒子（冰雹）区，在大粒子（冰雹
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