广州突发强龙卷！席卷全国的强对流天气为何如此严重？
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4月27日下午，在强对流气团影响下，广州普降中到强暴雨、局部大暴雨，伴有短时大风、强雷电，局地出现强龙卷和直径超过5厘米的冰雹，其中白云区钟落潭镇附近的龙卷风已造成5人死亡、33人受伤。（遇到龙卷风应该怎么办 ）
广州局地出现龙卷风（图片来源：南方都市报）
近一个月以来，中国南方多地遭遇强对流天气，强降雨、强雷电、大风等极端天气频发，造成了严重的人员伤亡和财产损失。强对流天气以一种高强度、高频率，偏向极端性、冲向历史极值的姿态，引发了广大民众的高度关注与警觉，也不禁引人发问：强对流天气究竟是什么？为什么会有如此巨大的威力？
4月28日22时全国雷达拼图 颜色从绿到紫表示降水由弱到强（图片来源：中国气象台）
什么是对流？
了解强对流天气之前，首先要搞清楚什么是对流。
在地球大气的对流层中，气温随高度升高而降低：高度每上升100米，气温下降约0.65摄氏度。因此，在对流层中，大气低层的暖空气易受热上升，而高层的冷空气则冷却下沉。这种由温度差异导致大气发生在垂直方向上的流动就是对流。
在单纯由大气热力差异引起的对流运动中，上升运动和下沉运动在水平方向上存在一定的“错位”，避免了它们在流动过程中相遇“打架”。具体来说，当低层某一区域的空气受热膨胀上升后，会导致高层大气变得“拥挤”。此时，在暖空气上升位置的四周，高层较冷的空气则会下沉至低层填补暖空气留下的“坑位”。
局地对流活动示意图（图片来源：FineArt）
在大气对流活动中，由于气温随高度升高而降低，上升气流携带的水汽在运动过程中会因温度的下降从气态向液态和固态转变，便形成了云雨冰雪等天气现象。这就是所谓“冷暖相遇，就有了雨”。因此，下雨、下雪这种由大气对流运动产生的天气现象，就叫做对流性天气。
强对流天气是怎样形成的？三个条件
那些自带“强”属性的对流天气，如短时强降水、大风、冰雹、龙卷等，则是在大气发生强烈的垂直运动的情况下出现的。大气出现强烈垂直运动并产生剧烈天气现象需要具备以下三个条件：
大气必须呈现低层暖湿、高层干冷的垂直结构。这种结构仿佛一个“头重脚轻”的巨人：低层暖大气密度小则“轻”，高层冷大气密度大则“重”，十分不稳定。而当暖空气在上升过程中遭遇冷空气，便会凝结成水滴，同时释放出潜热，进一步推动低层暖空气的升腾，加剧了大气结构的不稳定性。
大气低层必须有充沛的水汽，为强对流天气过程中云雨的形成提供源源不断的“燃料”。
存在抬升触发机制。可以是地形起伏使得气流进行爬坡运动的动力抬升，也可以是局地受热不均导致的热力抬升，又或是低层大气在水平方向上因速度差异而产生的“相撞”或“追尾”的辐合抬升，这些都能引发对流活动的产生。
地形抬升下的上升运动和云的形成
（图片来源：cultofsea，本文作者汉化）
当大气状态恰好同时满足这三个条件时，强对流天气便如同一个怒火压抑许久的人，情绪极易被引爆，一触即发。然而，由于这三个条件在大气运动过程中往往瞬息万变，难以持久，因此强对流天气的持续时间并不会很长，这就是为什么强对流天气往往来也匆匆，去也匆匆。
从一朵雷暴云认识强对流天气
当大气出现强烈的对流运动时，低层的暖湿空气如同被点燃的火箭般迅速上升并冷却，短时间内便凝结成了深厚且庞大的浓积云。随着云内的小水滴不断地碰撞、合并，变得越来越大，当上升气流再也无力支撑它们的重量时，这些水滴便纷纷坠落，形成了降水。此刻，原本的浓积云已悄然转变为积雨云。
在积雨云中，水滴与冰晶持续碰撞、合并，这样的高度碰撞使云体携带了电荷。随着电荷的不断累积，当电荷差异达到临界点时，电场强度变得异常强大，强大到足以撕裂空气，形成一条放电通道，那便是我们抬头看到的震撼的闪电。而闪电所产生的高温使空气瞬间膨胀，从而引发震耳欲聋的雷声。
电闪雷鸣的雷暴云（图片: Wallup）
人们将这种能够出现闪电和雷暴现象的积雨云称为雷暴云，而雷暴云正是强对流天气诞生的襁褓。强降水、大风、冰雹、龙卷等灾害性天气会在雷暴云的不同位置粉墨登场。
强降水一般发生在雷暴云上升气流的最强区。猛烈的上升运动持续地将低层水汽带入高层，在那里，水汽凝结成液态水，并不断积累。一旦液态水的积累量超越了上升气流的支撑极限，那些累积的水便会如瀑布般倾泻而下。而降水的持续时间和降水量视大气水汽状况而定，持续时间从几分钟到几小时不等。
成熟雷暴云的结构
（图片来源：weathertogether，本文作者汉化）
大风发生在雷暴云后部的下沉气流附近。这股下沉气流的形成，是多种因素共同作用的结果：水凝物的下沉拖曳，中层干冷空气的侵入，以及降水过程中夹卷进雷暴云的干空气发生的强烈冷却。
当这些位于云体后方的中层下沉运动急速冲向地面时，它们仿佛脱缰的野马，迅速向四周扩散，形成威力巨大的阵风。这样的下沉气流，人们形象地称之为“下击暴流”。这“下击暴流”产生的地面风力最大可达15级或更高，造成极强的破坏力。
除此之外，被“下击暴流”带至地面的干冷空气，会在其前方与暖湿空气相遇，形成一道明显的“阵风前沿线”，迫使“阵风前沿线”前方的低层暖湿空气发生倾斜抬升。这种倾斜抬升气流中形成的降水物垂直下落，不仅不易削弱上升气流，反而有助于维持雷暴云的持久存在。人们将以发生强烈阵风为主的强雷暴，称为“飑暴”。
冰雹一般降落在最大降水区附近或“阵风前沿线”后方。雷暴云中冰雹的形成与斜升气流密切相关。当空气中的尘埃或云中的小冰晶这些微小的雹胚，被斜升气流带入中、高层的大气中，会经过一个被称为“过冷水累积区”的地带。一旦这些过冷水滴与雹胚相遇，它们便会迅速冻结，紧紧附着在雹胚上，使得雹胚的体积和质量增大。
紧接着，它们被流出气流抛向雷暴云的前方。大的雹胚被抛得近一些，而小的则被抛得更远。然而，当它们下落后，会再次被斜升气流捕获，开始新一轮的“成长之旅”。
这个过程反复进行，每一次经过过冷水区，雹胚都会变得更大。从微小的小雹粒，到可到拳头般大小的大冰雹，这一过程往往只需短短的4~10分钟。直到最强的上升气流也无法支撑它们的重量时，这些冰雹便会如瀑布般倾泻而下，给大地带来一场冷酷的暴击。人们将那些伴随着严重降雹的强雷暴，称为“雹暴”。
雷暴云中冰雹形成过程示意图
（图片来源：severe-weather，本文作者汉化）
龙卷表现为从雷暴云底伸展出来并达到地面的漏斗状云，在到达地面时引起强烈的旋风。龙卷的形成和强雷暴云中强烈的升降气流有关。当上升气流和下沉气流都非常强烈时，它们之间会产生强烈的切变，这种切变就像两只手快速地“搓”出了一条水平的涡管。
雷暴云中龙卷的形成过程
（图片来源：sciencelert）
流体力学的原理告诉我们，涡管不能在流体内部中断，因此它会倾向于将两端伸向流体的边界面或形成闭合涡管。在云体中，这种水平涡管通常会有将其两端伸向地面的趋势。当涡管的两端伸到云下并接近地面时，就形成了两个旋转方向相反的龙卷风。
值得注意的是，能够产生龙卷风的雷暴云通常比其他的雷暴云更高、更强。这意味着，当我们在天气预报中看到强雷暴云的迹象时，就应该警惕龙卷风的可能发生。
强对流天气的活动特点
在我国，强对流天气常见于春季和夏季，尤以华南、西南地区为多发地。随着春季到来，太阳直射点逐渐北移，北半球地面接收到的太阳辐射能量逐渐增强，气温逐渐回暖，南方地区暖湿气流开始活跃。同时，春季正值大气环流调整之际，冷暖空气活动频繁，一旦相遇，便极易触发对流天气。
今年我国春季的强对流天气呈现出发生偏早、频率偏多、强度偏强的特点。这主要是由于今年春季冷暖空气活动异常活跃，在西南地区东部、江南和华南地区，两者实力相当，处于长期维持反复拉锯的状态，从而导致了强对流天气的频繁发生。
强对流天气能够准确预报吗？
强对流天气由于其突发性和局地性强的特点，给人类的生产生活带来了严重的影响。目前，尽管气象科技在不断进步，但由于强对流天气系统的空间尺度小，气象观测系统的空间分辨率和数值预报模式的网格分辨率往往难以完全捕捉到这些天气系统的细微变化，因此强对流天气的预报预警仍然是世界性的科学难题。
然而，这并不意味着我们完全无法提前预报强对流天气的到来。事实上，经过多年的努力，我国已经拥有了全球最大最密的气象监测网，对强对流天气的监测预报预警能力有了明显提升。现在的预报准确率相比过去已经有了显著的提高，对于重要的强对流天气过程，我们已经能够做到较为准确的预报，并提前一定的时间发出预警信号。例如，近年来我国平均提前发出强对流天气预警信号的时间已经达到了40分钟以上。同时，由于强对流天气瞬时性、局地性强的特征，气象部门通常采取滚动发布预警信号的方式，及时更新报告天气状况。
中国2400多个国家级气象观测站点空间分布
（图片来源：知乎）
“五一”假期将至，各地将迎来新一轮客流高峰，与此同时，全国范围内仍有多地发出强对流天气预警。提醒五一期间有出行计划的朋友们关注预警信号，在强对流天气来临时减少或避免外出，降低安全风险。预祝大家假期平安快乐！
参考材料：
[1] 朱乾根, 林锦瑞, 寿绍文, 等. 天气学原理和方法[M]. 第四版. 北京: 气象出版社, 2007.
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[3] https://www.cma.gov.cn/2011xzt/20120816/2012081601/201208160101/201407/t20140717_252607.html
[4] https://earthhow.com/troposphere/
[5] https://www.clearias.com/insolation-heat-balance/
[6] https://ialert.com/blog/basic-meteorology/the-life-cycle-of-thunderstorms/
[7] https://weathertogether.net/weather-101/convective-clouds/
[8] https://www.severe-weather.eu/learnweather/severe-weather-theory/hail-world-records-the-biggest-heaviest-and-deadliest-hail/
[9] https://www.sciencealert.com/new-evidence-has-turned-our-knowledge-about-tornado-formation-upside-down
[10] https://zhuanlan.zhihu.com/p/479091396
[11] https://tv.cctv.com/2024/04/21/VIDEnvgyrynYM8hFQ00rYArI240421.shtml
[12] https://cultofsea.com/meteorology/clouds-formation-and-ten-different-types-seen-at-sea/
作者：陈可鑫
作者单位：中国科学院大气物理研究所
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