边界层环流 热泡（热对流）
地形作用 地形抬升 热力强迫 障碍作用 地表作用 感热/潜热通量 不连续性
平流条件
辐合线 冷锋 阵风锋 海风、湖风 干线
边界交波 边界层水平对流滚 轴云
（Johnson与Mapes，2003）
表11.3 产生风暴的中尺度作用
中小尺度对流系统与其环境条件有密切的关系。 大尺度环境条件不但制约了对流系统的种类与演 变过程；而且还可影响对流系统内部的结构、强 度、运动和组织程度。例如，一般的气团雷暴是 发生在比较少变的天气形势和弱的风垂直切变， 各层水汽含量较大的湿润环境中。而强风暴（如 飑线）则是出现在强的风垂直切变，对流层中层 干、下层湿润的环境中。其结果是内部气流的结 构，对流的强度和传播情况等都有很大的差别。 因而大尺度环境条件对中尺度对流系统起着明显 的制约作用。在这种情况下，有组织的对流系统 在大尺度环境中不是随机发生和分布的，而是发 生在一定的地区和时间内。
11.1 大尺度和中尺度条件的概述
关于强对流系统发生的大尺度天气学条件人们已归 纳很多。早在40年代中期就提出了雷暴发生的三要 素，即丰富的水汽，条件不稳定层结和抬升气块到 凝结高度的启动机制。但这只是一般雷暴发生的条 件。以后在大量研究的基础上，进一步归纳出强风 暴系统发生的天气条件，这可包括：（1）位势不稳 定层结，并常有逆温层存在；（2）低层有湿舌或强 水汽辐合；（3）有使不稳定释放的机制（如低空辐 合区、重力波、密度流、地形等）；（4）常有低空 急流存在；（5）强的风垂直切变；（6）中层有干 冷空气等。上述条件都只是必要条件，即在强风暴 发生发展时往往可以看到这种情况。因而在作预报 时，即使出现这些条件强风暴也不一定发生。
目前在大尺度条件上，虽然有了较多的了解，
但对大尺度条件与中尺度风暴的发展在物理上究竟 有什么联系还不十分清楚，对于两者之间的因果关 系还没有完全弄清楚。例如在强风暴低层出现的辐 合区和风暴上空出现的强风速区有时认为是对流活 动的结果，有时认为是强对流发生发展的原因。
近十几年来，对强对流天气有重要作用的中尺度过 程研究取得了明显的进展。最近Johnson与Mapes 对强天气发生的中尺度前提条件与触发过程进行了 总结。由表11.1，11.2，11.3可见，许多中尺度过 程与强天气有密切关系，从前期的环境条件到触发 因子以及对流对环境的反馈作用都涉及到中尺度过 程，也就是说，大尺度流场主要是建立有利于强天 气的环境条件，而中尺度过程则直接启动强对流系 统，影响它们的演变并通过反馈过程可进一步影响 风暴所处的环境。但应该指出，强风暴系统与大尺 度条件之间的关系在风暴发展的不同阶段其相互依 赖和相互作用的程度是不同的。在风暴发生和初期 发展时期，主要决定于大尺度环境的作用。但是一 旦强风暴组织起来后，对流风暴发展到很高的能量 密度时，大尺度环境条件不但失去了对其制约作用， 反而会受到对流风暴的影响。
局地条件
平流条件
动力条件
辐射
粒子平流下落和相变
微物理
下降气流产生
下降气流，冷空气堆 逆尺度增长
产生
微尺度暴流产生
产生融化的中层辐合
闪电产生
重力流，重力波 影响单体/MCS增长 影响临近对流
冷空气堆过程 单体生成 MCS演变
中尺度气压场
浮力作用 动力作用（风暴分 裂，传播）
动量输送/坡风 强地面风
斜压涡度产生 阵风锋的水平涡度
表11.1 强天气发生的中尺度前提条件
局地条件
边界过程 混合层高度增加 湿层高度增加 沿干线的辐合 夜间逆温，低空急流 形成
地形作用 产生辐合区 发展坡风 风矢端迹改变
地表作用 蒸发、加热 地表不连续性 —土壤湿度 —粗糙度
平流条件
动力条件
平流差异
次级环流
产生逆温
地转调整
失稳
急流
形成深厚干PBL（导致下
击暴流）
辐合线 锋面 干线 海/陆/湖风 山谷风
水汽平流 增加CAPE，降低LFC 局地积云增温
重力流、重力波 冷空气抬升 局地减少条件不稳定 改变垂直切变
中尺度不稳定边界层过程 水平对流滚轴云 惯性振荡（低空急流）
（Johnson与Mapes，2003）
表11.2 强天气的中尺度触发过程
局地条件
涡旋倾斜/伸长
涡旋崩溃
垂直涡度产生
中气旋
（超级单体，MCS中涡旋） 龙卷
（Johnson与Mapes，2003）
11.2 风垂直切变的作用
在1940年代，一般认为风垂直切变阻碍雷暴或积雨 云发展的，因为在切变作用下垂直发展的云向下风 方倾斜，而不能直立。在这种情况下由于对流上升 的路径加长，环境空气混合入对流空气的作用增强。 另外相继的对流空气不容易走相同的路径以形成有 利于以后对流上升的环境。因而通过这些作用使对 流受到抑制。这种看法曾由一些云的观测和雷达回 波观测所证实，所以风垂直切变当时被看作是对积 云的一种“破坏力”，从理论上也得到类似的结果。 郭晓岚根据线性理论研究了迭加在层结流体中切变 气流上的扰动特征，也指出垂直切变对雷暴有抑制 作用。浅井通过数值试验得到，在平行于具有切变 的风的垂直剖面中，对流发展会受到抑制。 Kuettner把“云街”的成因归于风的垂直剖面的曲 率对对流的产生造成动力阻碍作用的结果。
高等天气学系列讲座 单元四：对流和降水天气系统
第十一讲 中小尺度系统发生发 展的天气和环流条件
丁一汇 国家气候中心
对流和降水活动是大气中的主要气象现象之一，它 们是在大尺度条件影响下，主要由中小尺度天气系 统造成的。因而属于中尺度气象学的内容。中尺度 气象学主要是研究25~50km水平尺度的天气现象和 天气系统（又称中-系统）。它介于大尺度（或中尺度，即250~2500km）和小尺度（或中-尺度，即 2.5~25km）系统之间。主要是指强风暴等有组织的 雷暴或对流系统。而对于其中个别雷暴积云单体或 一些孤立的小雷暴则属于小尺度天气系统。中尺度 气象学还包括其它一些天气现象或天气系统的研究， 如山脉背风波、海陆风、锋面中的中尺度结构，强 斜压区，高低空急流中的风速中心，热岛效应和严 重空气污染区等。这些问题也很重要，近年来日益 引起人们的注意。本章只讨论与降水和对流有关的 中尺度天气现象和天气系统。