强对流天气
王奉安
明明上一秒还晴空万里，下一秒就乌云蔽日、天降大雨。夏季，人们经常能遇到这样的天气情况。仅近期就出现多起，如：6月1日下午，黑龙江省尚志市出现龙卷风和冰雹强对流天气，造成1死16伤，4个乡镇受灾。5月13—17日，强对流天气过程引发的风雹和暴雨洪涝灾害，造成湖北的武汉、黄石、十堰等15市44县近100万人受灾，死亡10人，农作物受灾约8.5万公顷，直接经济损失6.13亿元……
这其实是强对流天气在作怪，它也是天气预报里的常客。什么是强对流天气？为什么它会造成如此严重的危害？
垂直运动 乃是祸根
在气象学上，强对流天气是指发生突然、移动迅速、天气剧烈、破坏力极强的灾害性天气，主要有飑线、龙卷风、冰雹、雷雨大风、短时强降水和雷暴。强对流天气常发生在对流云系或单体对流云块中，其空间尺度较小，一般水平范围在十几千米至二三百千米，通常小于200千米，有的水平范围只有几十米至十几千米。其生命史短暂并带有明显的突发性，持续时间约为一小时至十几小时，短的仅有几分钟。当强对流天气来临时，经常伴随着电闪雷鸣、暴风骤雨等恶劣天气。
造成强对流天气的根本原因是空气强烈的垂直运动。最典型的就是夏季午后的强对流天气：白天天气晴好，太阳辐射强，近地面气温迅速升高，致使大气处于不稳定状态。近地面的空气受热后膨胀，在浮力作用下上升。当上升到一定高度时，由于气温下降，空气中的水蒸气凝结成水滴。在水滴下降过程中，如果遇到更强烈的上升气流，会继续被携升。如此反复，小水点逐渐变成大水滴，直至高空气流再也无力承托，最终下降成雨。
细心的人会发现，夏季雷雨的水滴较大，不像春雨那样绵绵不绝。这是因为雨点大小主要是由空气中的水汽含量和云中垂直运动的强烈与否决定的。水汽含量越高，垂直运动越强，雨点越大。夏季，空气中的水汽含量很丰富，而且地面温度较高，空气的对流运动强烈，所以夏日的雨点更大。
当然，各类强对流天气形成的物理过程不完全相同，但跟下垫面的动力和热力作用的影响关系很大，而且强对流天气是以大尺度天气系统为背景的，大尺度天气系统会决定中小尺度天气系统的生成、发展和移动过程。比如，梅雨期间，大范围的冷暖空气交汇形成“梅雨锋雨带”，如果配合地形等有利条件就会在局地产生暴雨。
强对流天气的另一个大的背景是全球气候状况。全球气候变暖将导致强对流天气出现的频率增多、强度增大，造成的影响则更为显著。
需要说明的是，强对流天气在我国各地出现的季节不一样，南方要比北方来得早。2月份，当北方还是冰天雪地的时候，南方的强对流天气已经粉墨登场了。以广东为例，春、夏、秋三季都可能出现强对流天气，一年四季都可见短时强降水。龙卷风一般发生在春夏过渡季节或夏秋之交，以前者居多；飑线多发生在春夏过渡季节冷锋前的暖区中，台风前缘常有飑线出现，以3～9月居多；冰雹大多出现在冷暖空气交汇激烈的2～5月，也可在盛夏伴随强烈而持久的雷暴降落。
身手不凡各有“绝活”
强对流天气引发的六大类灾害，各个身手不凡，各有各的“绝活”。
飑线
飑线是突然发生的风向突变、风力突增的强风现象，沿飑线可出现雷暴、暴雨、大风、冰雹和龙卷风等剧烈的天气现象，它往往是一条雷暴带或积雨云带。
飑线是由地形起伏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。其形成和发展除与天气形势有密切关系外，地方性条件也起着重要的作用。飑线多发生在傍晚至夜间，常出现在雷雨云到来之前或冷锋之前，在春、夏季节的积雨云里最易发生。潮湿不稳定的气层能助长其强烈发展。当飑线即将出现时，天气闷热，风向不定或多吹偏南风。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。
飑线从生成到消亡可以分为三个不同的阶段。最初的3～5小时，风力可达6级左右，并伴有雷雨。随后的一两个小时，风向突变、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℃以上，此时的狂风暴雨破坏力极大。最后是消散阶段，风力减小、雷雨强度降低、气压渐降、气温渐升，天气转好。
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产生的强烈的旋风，其风力可达12级以上，常与雷暴、冰雹和暴雨等强对流天气系统“结伴而行”。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。
雷雨云是龙卷风的母体。在雷雨云里，空气剧烈扰动，上下层空气的温差悬殊，由此形成空气对流，龙卷中心的气压也因此变得很低。在气压梯度力的作用下，四周气压较高的空气向龙卷中心流动，当它未流到中心时就围绕着中心旋转起来，从而形成空气的涡旋。雷雨云中这个气压很低的巨大的旋转涡流就是形成龙卷风的关键所在。这些旋转的气流延伸到地面的叫“陆龙卷”，延伸到海面的叫“海龙卷”或“水龙卷”。我国民间对龙卷风还有些俗称，例如“龙吸水”“龙摆尾”“龙倒挂”等。龙卷风出现时，往往不只一个，有时从同一块积雨云中可以出现两个甚至两个以上的“象鼻”漏斗云柱。
龙卷风的水平范围小，直径平均为二三百米，只有极少数的直径才能达到1000米以上。它的寿命也很短，往往只有几分钟到几十分钟，最多不超过几小时。其移动速度平均为15米每秒，最快的可达70米每秒；移动路径的长度大多在10千米左右，短的只有几十米。它造成破坏的地面寬度只有一两千米。
龙卷风号称地球上最快、最猛的强风，夹带着无穷的威力。1896年，美国圣路易斯的龙卷风夹带的松木棍竟把1厘米厚的钢板击穿。1919年发生在美国明尼苏达州的一次龙卷风，使一根细草茎刺穿一块厚木板；一片三叶草的叶子像楔子一样被深深嵌入了泥墙中。龙卷风往往使成片庄稼、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。只要置身它方圆1平方千米以内，就会有致命的危险。
更可怕的是龙卷风内部的低气压。这种低气压可以低到400百帕甚至200百帕，而一个“标准大气压”是1013百帕。所以，在龙卷风扫过的地方，低气压犹如一个特殊的吸泵，往往把它所触及的水和沙尘、树木等吸卷而起，形成高大的柱体。
当龙卷风扫过建筑物顶部或车辆时，由于它的内部气压极低，使得建筑物或车辆内外出现强烈的气压差，顷刻间就会使建筑物或车辆发生“爆炸”。如果龙卷风的爆炸作用和巨大的风力共同施展威力，那么它们所产生的破坏和损失将是惊人的。如果龙卷风经过居民住宅区，天空中便飞舞着砖瓦、断木等碎物，这些个头不大、速度很快的碎物威力很大，哪怕只是小小一粒石子，也会变身为高速飞行的“枪弹”，伤人损物。
世界各地都能发生龙卷风，其中美国是出现龙卷风最多的国家，被称为“龙卷之乡”。我国的龙卷风主要发生在江苏、广东、湖北、安徽、湖南、山东和黑龙江等省份，其中以江苏和广东最多，年均龙卷风分别为5.5个和4.8个，江苏省高邮市则是我国的“龙卷风之乡”。
由于龙卷风的发生与强烈雷暴的出现密切相关，所以龙卷风一般在暖季出现，春夏季是龙卷风的多发季节，4—8月出现的龙卷风个数占全年的92%。但在没有雷暴的寒冷季节里，只要具备强烈的对流，也可以出现龙卷风。龙卷风在白天、夜间都能生成，但大部分发生在午后。
冰雹
冰雹是从强烈发展的积雨云中降落下来的固态降水物。在气象学中，把直径在5毫米以上的固态降水物称为冰雹。冰雹的形状不规则，大小不等，多数呈椭球形或球形，小的如绿豆、黄豆，大的似栗子、鸡蛋，特大的冰雹比柚子还大。冰雹带来的最大影响就是对农业的危害，大田作物和蔬菜、水果、花卉等较为脆弱的经济作物在冰雹天气中所受的危害尤为巨大。此外，冰雹损坏房屋、造成人畜伤亡的案例也不少见。
关于冰雹的知识，我们曾在2020年8月的杂志中有过详细的介绍。
冰雹和雨、雪一样都是从云里掉落的，只有发展特别强盛的积雨云，云体十分高大，云中有强烈的上升气流，云内有充沛的水分，才会产生冰雹。这种云也被称为冰雹云。
由于下降速度迅猛，冰雹的破坏力极大。据测算，当雹块从几千米高空落下时，直径2厘米、重3.8克的圆形雹块的落地速度会达到20米每秒。一场冰雹甚至能够降下3亿立方米以上的冰。如此高速、大量的雹块对房屋建筑、农作物、人畜等必然会造成毁灭性的打击。
我国是个冰雹多发的国家，除海南、广东、湖南、湖北、福建、台湾、江西等南部省份冰雹较少外，各地每年都会受到不同程度的雹灾。
雷雨大风
雷雨大风是指在出现雷雨天气时，平均风力在6级或以上、阵风在8级或以上的天气现象。当雷雨大风发生时，乌云滚滚，电闪雷鸣，狂风与强降水“联手”，有时还伴有冰雹，风速极大。但是它涉及的范围不大，一般只有几千米至几十千米。
雷雨大风的生命史极短，它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，其中心温度比四周低，下沉气流极为明显；雷暴高压前部为暖区，暖区有上升气流。于是，在下沉气流与上升气流之间，存在一条狭窄的风向切变带，这就是雷雨大风的发生处。它经过某地时会带来极强烈的暴风雨。如果雷雨大风发生在单一气团内部，往往是因局地受热不均引起的。
需要指出的是，雷雨大风也可以是台风天气的表现形式，“台风眼墙”带来的暴风雨如果有雷电活动的话，也可以被称为雷雨大风。这种雷雨大风相比普通的雷雨大风而言，生命史更长一些，强度和破坏力也更大。
短时强降水
短时强降水是指短时间内降水强度较大，降水量达到或超过某一量值的天气现象，通常是指1小时内某地的降水超过20毫米。但是对这一量值的规定，各地气象台（站）不尽相同。夏季产生的短时强降水（即对流雨），有时还会伴有大风、雷暴、冰雹甚至龙卷风等恶劣天气。短时强降水天气一般持续时间较短，在北方地区的夏日午后出现较多。
要强调的是，短时强降水和暴雨不是一回事，二者之间是有区别的。首先，从基本概念区分：短时强降水通常是指1小时内某地的降水量超过20毫米；暴雨是指24小时累积降水量达到50毫米或以上。短时强降水不一定形成暴雨，同样，暴雨过程也不一定包含短时强降水。
长时间的对流降水很容易形成暴雨，但是有些暴雨过程并没有对流天气过程参与，这类暴雨过程对应的云系被称为层状云。由于其与更大水平尺度、更持久的上升运动对应，往往持续时间很长，控制范围很大，被称为“大尺度运动过程”。因此，在大气含水量相当的情况下，层状云的降水强度一般每小时只有几毫米，但由于降水时间长，累积降水量同样可以形成暴雨、大暴雨。
虽然短时强降水不一定形成暴雨，但是因“列车效应”形态的短时强降水过程往往会导致暴雨，甚至大暴雨。具体来讲，当排列成串的多个对流云团依次经过某地时，每一朵积雨云即对流单体都会产生短时强降水，但其降水量不一定会达到暴雨标准。如果将这些对流云团产生的降水量累积起来，就会构成暴雨甚至大暴雨级别。因此，“列车效应”是短时强降水与暴雨之間重要的联系桥梁。
雷暴
雷暴是伴有雷击和闪电的局地对流性天气。当天空乌云密布、雷雨云迅猛发展时，一道夺目的闪光突然划破长空，接着传来震耳欲聋的巨响，这就是闪电和打雷，亦称为雷电。雷属于大气声学现象，是大气中小区域强烈爆炸产生的冲击波形成的声波，闪电则是大气中发生的火花放电现象。
当大气层结不稳定时，易产生强烈的对流，云与云、云与地面之间的电位差达到一定程度后就会发生放电现象，有时雷声隆隆，耀眼的闪电划破天空，因此雷暴天气总是与发展强盛的积雨云联系在一起。
在雷雨云中，闪电和雷声本来是同时发生的，但由于它们在大气中的传播速度相差很大，因此人们总是先看到闪电而后听到雷声。光每秒钟走30万千米，而声音只能走340米，所以闪电几乎是在空气中放电的一瞬间就传到我们眼里，雷声则需要经过一段时间才能传到我们耳朵里。
闪电的最常见形式是线状闪电，偶尔也可出现带状、球状、串球状、枝状、箭状等。有一种球状闪电，小如核桃，大如排球，从空中落下后发出红色、黄色、黑色或银灰色光芒，在低空飘荡，类似鬼魂，还能钻入门窗；有时转悠一阵又飞往别处，有时会炸裂房屋引起火灾。
一次闪电过程历时约0.25秒，在如此短时间内，窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能，因而形成强烈的爆炸，产生冲击波，然后形成声波向四周传开，这就是雷声或者说“打雷”。
雷暴的水平范围为几千米到几十千米，伸向高空的高度可达15千米；持续时间约为几分钟到几十分钟，通常伴有阵雨、大风，有时也伴有冰雹或龙卷风。雷暴能变幻出各种神秘莫测的怪异景象。排列整齐的一队羊群，雷电可能有规律地间隔击毙其中的一部分。
全球从南纬60°到北纬80°都有雷暴活动，其中以热带最多，温带地区在春夏季节更容易出现雷暴。另外，从雷暴的分布来看，陆地多于海洋，陆地雷暴多出现在午后，海洋中的则多发生在暖海流水域上空，并以夜间居多。
我国沿海发生的雷暴以海南省最多，平均每年出现100多天。随着城市的发展，建筑物和家电的增多，城市中出现雷电的情况越来越频繁。根据上海市气象部门的统计，上海市自20世纪70年代以来年平均雷暴日达50天，比30年前上升了30个百分点，属于多雷地区。
积极防御 不可小觑
近年来，在气候变化的大背景下，极端天气呈现出多发的迹象，局地强对流天气也更为极端。例如，2018年7月16日，北京密云西白莲峪在1小时之内的降水量高达117毫米，4小时的降水量达 288.7毫米，为历史罕见。
由于引发强对流天气的对流系统的发展具有较强的局地性和突发性，要想做到精准预报难度较大，因此，公众要养成随时关注预报的意识，特别是在强对流天气多发的季节和地区。中国气象局的专家提醒：以前那种“头天晚上看预报，第二天管一天”的习惯需要调整，要学会通过各种媒介，第一时间关注气象部门短时临近时段的预报预警。尤其是有出行计划时，更需要加大关注频次。
除了要注意关注相关预报预警，公众也应该在发生强对流天气时尽量减少户外活动。如已在室外，应注意防范高空坠物和雷击，远离高压线、大树、棚架、广告牌及危房，尽快到就近的安全区域躲避，比如进入抗风能力较强并具有防雷措施的建筑；关闭家中所有门窗，预防雷电直击侵入；注意用电安全，远离危险电源、天线、铁丝网、金属门窗等带电设备和金属装置；提前收好放置于阳台、窗外的易坠落物品。遇强降水、冰雹天气，不要强行涉水，户外人员要及时到安全的场所暂避；临水、临坡、临崖居民更要密切关注天气变化，主动采取防灾避险措施；山区受强对流天气影响，产生山洪、泥石流等次生灾害的概率较高，在可能发生强对流天气的时候，人们应尽量避免前往这样的危险地区。相关水域水上作业和过往船舶应采取回港规避或者绕道航行等应对措施。
危害惊人 预测应对
由于强对流天气的破坏力很强，所以国际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。随着人民生活水平的提高和经济建设的发展，因强对流天气的发生而造成的损失也更加严重，相关的气象预报就显得尤为关键。
2020年10月13日是国际减少灾害风险日。世界气象组织在当日发布了主题为“从早期预警转向早期行动”的《2020年气候服务状态报告》。报告指出，在过去的50年里，全球共发生1.1万多起由天气、气候和水导致的灾害，造成了200万人死亡和3.6万亿美元经济损失；虽然其间每一场灾难的平均死亡人数下降了1/3，但有记录的灾难数量增加了5倍，经济损失增加了7倍。报告称，由于气候变化的原因，极端天气和气候事件的发生频率、强度及严重性有所增加。数据显示，全球1/3人口仍未被气候预警系统充分覆盖。2018年，全球约有1.08亿人因风暴、洪涝、干旱和野火等灾害需要国际人道主义援助。据估计，到 2030年，这一数字将增加近50%，每年的成本约为200亿美元。报告强调，气候预报有必要从预测天气状况转向预警天气演变状况，包括应注重预报天气影响，以便民众和企业能够根据预警及早采取行动。
事實上，全球的天气预警系统非常不完善。世界气象组织138个成员或地区提供的数据显示，只有40%的成员拥有多灾害早期预警系统。目前，仅有75个成员或地区有能力提供基于天气影响的预测服务。许多发展中国家预警系统的传播能力很弱。目前，全球尚无足够能力将预警转化为早期行动，在最不发达国家尤其如此。
临近预报 难度不小
除了预警系统不完善以外，我们在强对流天气的监测和邻近预报方面也面临不小的困难。由于强对流天气系统的中小尺度特性，因此强对流天气预报特别关注监测和临近预报。但也正是由于其具有局地性强、发展迅速等特点，强对流天气具有极高的预报难度，并且对于天气雷达、气象卫星、闪电探测仪、自动气象站等具备高时空分辨率的数据的使用，提出了很高的要求。
从技术角度来说，先进的数值预报模式的逐步使用和多普勒天气雷达网的逐步完善，为强对流天气的短时预报和临近预报提供了最佳的预报手段和预报方法。目前，我国建立了由全国中期天气预报模式、中尺度数值天气预报模式、全球集合预报系统、热带气旋路径数值预报模式、沙尘暴数值模式等组成的数值天气预报业务体系，发展了精细到乡镇的气象预报系统和灾害性天气短时临近预报系统。不过，现在的模式预报产品中并没有直接针对强对流天气的预报产品，因此需要预报员及时跟踪最新的雷达回波图。
当前，对强对流天气的预报可以提前数小时到数天，主要是可能性预报。相对精准的预报提前量则只有几分钟到几十分钟，而这已接近精准预报预警能力的“天花板”。以龙卷风为例，由于龙卷风的尺度非常小，这就意味着龙卷风被气象观测站捕捉的概率小。从监测预报角度来说，目前无论是国内还是国外，对于龙卷风的监测都是很困难的。龙卷风的预报预警是世界性难题。
针对4月下旬以来我国强对流天气活跃的情况，前不久，中国气象局下发通知，要求从加强强对流天气实况监测分析、强化短临预报预警和科技支撑、做好应急联防联控和预警信息发布、完善业务流程等方面发力，进一步强化强对流天气监测预报预警服务工作，切实发挥气象防灾减灾第一道防线作用。该通知同时要求强化强对流天气科技支撑，推进强对流天气监测预报预警的科学研究，发展自动识别预警技术和短时临近预报算法，制定预警指标体系，加快科技成果向预报业务转化。