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雷暴
來源:互聯網

雷暴(thunderstorms)指由于強積雨云引起的伴有雷電活動和陣性降水的局地風暴,在地面觀測中僅指伴有雷鳴和閃電的天氣現象。雷暴是對流旺盛的天氣系統,所產生的天氣現象叫做對流性天氣。其實質是一部分帶有電離子的云層對另一部分帶異種電荷的云層或大地迅猛的放電。雷暴常發生于中低緯度地區春季和夏季的下午和晚上。

雷暴有一般雷暴與強雷暴之分。通常把只伴有陣雨的雷暴稱為一般雷暴,把伴有龍卷、強風(或下擊暴流)、大雹塊、暴洪、雷擊等災害性天氣現象之一的雷暴叫作強雷暴。雷暴通常影響范圍較小,發展速度快,持續時間通常不超過2小時。其生命周期包括積云階段(cumulus stage)、成熟階段(mature stage)和消散階段(dissipating stage)。根據雷暴云體形成數目和強度可以將雷暴分成單體雷暴(又稱氣團雷暴)、多單體雷暴以及超級單體雷暴。按雷暴形成時不同的大氣條件和地形條件,可將雷暴分為熱雷暴、鋒面雷暴和地形雷暴。鋒面雷暴可分為暖鋒雷暴和冷鋒雷暴兩種。此外,也有人把冬季發生的雷暴劃為一類,稱為冬季雷暴。

雷暴的能量很大,千分之幾到十分之幾秒的雷電放出的電能,可達到數十億到上千億瓦特,溫度為1萬~2萬攝氏度。強雷暴是一種災害性天氣,雷電會引起雷擊火險,大風和冰雹會毀壞建筑和農作物,局部地區暴雨可能引起山洪暴發、泥石流地質災害。同時,雷暴也能帶來大量降水,受雷擊的空氣每年能產生數億噸氮肥,隨雨水滲入土地。

形成機制

太陽加熱地球表面,使地表的空氣變暖,熱空氣帶著大量的水汽上升到高空,將熱量從地表傳遞到大氣的上層。隨著熱空氣的上升,它所含的水蒸氣開始冷卻,釋放出熱量,凝結并形成積雨云。一般來說,形成雷暴的積雨云發展旺盛,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附、水滴的破碎以及空氣對流等過程使云中產生電荷,云的上部以正電荷為主,中下部多為負電荷,它們之間存在的電壓讓積雨云內部產生放電現象,從而出現閃電。放電過程中,閃道中的溫度驟增,使空氣體積急劇膨脹,從而產生沖擊波,導致強烈的雷鳴。當云層很低時,有時可形成云地間放電,這就是雷擊。雷暴的形成通常需要三個元素:濕氣、上升的不穩定空氣以及提升力。

生命周期

單體雷暴的生命周期分為積云階段(也稱發展階段或形成階段)、成熟階段和消散階段。多單體雷暴的每一個單體雷暴亦分為上述三個階段。

積云階段

積云階段是雷暴生命周期的第一個階段,即從初生的積云發展為濃積云,此階段一般需10~15min,其主要特征是上升氣流貫穿于整個云體。在積云階段,云中包含的空氣全部為上升濕氣,云體越高則上升氣流越強,初期積云中上升氣流的速度一般不超過5米/秒,在后期發展強盛的濃積云中,上升氣流速度可達15~20米/秒。在云的側緣,大量外界空氣被挾入,形成挾卷現象。由于上升氣流速率很大,所以在凍結高度上方,可能存在過冷卻雨滴,易發生積冰現象,該區域可能會對飛機對飛行安全造成威脅。

成熟階段

成熟階段是雷暴生命周期的第二個階段,在此階段,云內上升運動加強,從濃積云發展到積雨云,成熟階段可以持續15~30min,其主要特征是開始產生降水,并且由于降水物的拖曳作用產生了下沉氣流。在下沉氣流上方,上升氣流仍貫穿云體。成熟階段云中物態復雜。一般來說,0℃等溫線至-20℃等溫線之間的區城主要由過冷水滴、雪花及冰晶紐成,而冰晶是從-10℃附近開始出現并隨高度逐漸增多的。到了凍結高度,由于過冷水大量凍結而釋放潛熱(80卡/克),使云頂突然向上發展。云頂到達對流層頂附近后向水平方向鋪展,于是形成了云砧。

消散階段

消散階段是雷暴生命周期的最后一個階段,其特征是下沉氣流占據了云體的主要部分。當成熟階段的降水在整個云中發展時,下沉氣流不斷擴大范圍,發展到消散階段時,下稱氣流幾乎擴展到整個云體。這時由于失去了過飽和上升氣流的來源,云滴就不能再增大,降水就此很快停止,云體瓦解消散,不久會蒸發消失。

分布

雷暴活動具有地區性和季節性,通常低緯度多于中緯度,中緯度多于高緯度,雷暴可以在世界任何地方發生,甚至發生在兩極和沙漠地帶,全球的雷暴很大一部分都發生在低緯度熱帶地區。在中國,雷暴是南方多于北方,山區多于平原,多出現在夏季和秋季,冬季只在南方偶有出現。這是由于低緯度地區終年高溫多雨,光照充足,暖濕空氣常處于不穩定狀態,一年四季都易形成雷暴。中緯度溫帶地區四季都會出現雷暴,但春夏兩季更容易發生雷暴,春夏季時,由于近地層大氣的溫度和濕度都增加,導致大氣層結不穩定,再加上經常有天氣系統活動,因此雷暴較多。高緯度地區氣溫和濕度都比較低,大氣較穩定,不容易形成雷暴。在同緯度地區,一般山地發生雷暴的次數多于平原,內陸多于沿海。

分類

單體雷暴

由一個積雨云單體構成的雷暴,稱為單體雷暴(single-cell storms),其在大氣不穩定,但只有少量甚至沒有風切變時發生,范圍小(5~10km),強度弱,生命只有幾十分鐘(通常不超過1小時),屬于小尺度天氣系統,在平日亦有很多機會看到這種雷暴,因此亦被稱為陣雷。

多單體雷暴

多單體雷暴(multicell storms)由一連串不同發展階段的雷雨云單體組成,是單體雷暴的進一步發展而成的,屬于中尺度天氣系統。在氣象衛星觀測的增強紅外云圖上可以見到多個冷云中心,有時還可以看到幾個雷暴單體的合并過程。其中呈帶狀分布的雷暴或者積雨云稱為颮線。在特定條件下(例如熱帶洋面),多個雷暴可聚合發展為中尺度對流系統(Mesoscale Convective System,MCS)并造成更大范圍的影響,其對流中心有強烈的上升運動,四周則為下沉運動,可形成下擊暴流和颮鋒。

超級單體雷暴

超級單體雷暴(supercells)指強度大、持續時間長,能造成更為強烈的災害性天氣的超級大單體雷雨云,超級單體的尺度可以達到20~40km,有著高度組織化和十分穩定的內部環流,屬于中尺度天氣系統。超級單體雷暴與風的垂直切變有密切關系,它一般發生于下面條件下:①發生在強不穩定的大氣中;②云內有強烈的上升運動,上升速度多達10m/s以上;③環境風隨高度升高而順轉;④有強的環境風的垂直切變。

運動

雷暴生成后,會受到大氣氣流的吹送,也能自我傳播,同時還受天氣系統和自然地理條件的影響,這些因素共同影響雷暴的移動。

沿環境平均風方向移動

雷雨云在其發展的整個生命期內受環境氣流的影響,沿環境平均風方向移動,方向與700毫巴層的風向大體一致。

傳播

雷雨云發展過程中,云體前部邊界不斷形成新的雷暴單體,后部云體逐漸消散,這種云體新陳代謝的現象叫作雷暴的傳播。如果雷暴處在風速和垂直切變不大的環境中,其傳播方向不定,新的雷暴單體在舊的雷暴周圍隨機形成,此時雷暴的移動是不規則的。如果雷暴處在有一定風速,垂直切變不大的風場中,則其移動或多或少受到風速影響,但仍會不規則地改變移動方向和速度。當有下沉氣流存在時,其傳播主要向前,移動方向和云內風向大致一樣,移動速度大于云內風速。

天氣系統和地形影響

伴隨天氣系統出現的雷暴,其移動與天氣系統的移動基本相同。中國廣大地區屬于西風帶,天氣系統通常由西向東或由西向東南移動,雷暴多由西或西北移動向東或東南。

江、河、湖、海及山脈等地理條件對雷暴的移動有一定影響。在江河湖海地區,由于熱力作用,白天通常有下降氣流存在,雷暴移動到此強度會減弱。白天常沿河岸移動,很少越過河(湖),鋒面雷暴可越過河,但強度會減弱,在夜間水面的熱力作用會起相反作用,雷暴經過時反而會增強。當雷暴接近山脈時,受山脈阻擋時會順山脈移動,有時在山區打轉尋找出口,轉到山口時會迅速移出。此外,雷暴爬山時會增強,下山時會減弱。

如果是伴隨天氣系統出現的雷暴,地形不能從根本上改變其移動,此類雷暴一般都能越過山水,僅會在山脈的背風側和冷水面上暫時減弱或消失,待移開后又可以重新發展。

監測及預報

由于雷暴災害涉及面廣,發生速度快,因此雷暴監測和預報顯得尤為重要,而且發生雷災后的搶救善后工作也用得上雷暴探測技術。1897年和1902年,英國人H.H.霍夫特(H.H.Hoffert)和德國人B.瓦爾特(B.Walter)開始使用膠卷移動照相法開始觀測雷電。1926年,弗龍·博伊斯(Vermnon Boys)發明了高速旋轉式相機,時間分辨率可達微秒量級,提高了閃電觀測的精度,從而得到閃電的結構和發展過程。20世紀70年代末,美國成功研制雷電定位系統,開始對雷電的發展過程和參數進行大范圍遙測,為許多行業提供了有效雷電預警。隨著科技發展,目前雷暴的監測方法主要有:目測、照相、電場儀、閃電計數器、光譜儀、脈沖電壓記錄儀、衛星閃電探測器、聲探測器、雷達探測等。中國已經建立了包括實時監測、臨近預警和短期潛勢預報的強對流天氣預報業務,初步實現對雷暴、短時強降水、雷暴大風和冰雹的監測、預警以及72h內的潛勢預報。

在雷暴短時預報方面,主要是利用中尺度觀測系統、雷達、衛星和雷暴定位系統等觀測資料以及數值預報模式產品。由于對雷暴認識的不足,雷暴的預報還沒有非常成熟的業務系統。雖然通過研究找到了許多雷暴臨近的預警指標,但沒有任何一個指標能在各種情況下都提供非常精確的預報。因此需要利用不同傳感器的觀測資料在雷暴探測中具有互補性的特點,結合不同探測資料,綜合開展雷暴預警預報。美國的研究發現,當只用雷達資料或只用閃電資料時,預報準確率為74%,而采用綜合資料時的預報準確率為85%。

相關參數

雷暴日

雷暴日指一年中該地區發生雷暴的日子,在一天內,只要聽到雷聲一次及以上即算一個雷暴日,而不論該天雷暴發生的次數和持續時間。雷暴日越多,則表示該地區雷暴活動越強,反之則越弱。

雷暴日又分為月雷暴日、季雷暴日和年雷暴日。月雷暴日指一個月內的雷暴天數,單位為天,反映的是一月內雷暴活動的強弱程度;季雷暴日指一個季度內的雷暴天數,單位為天;年雷暴日指一年中的雷暴天數,單位為天,它能可靠地反映全年雷暴的活動。所有雷暴日都不能反映一天中雷暴發生頻次和雷暴持續時間。

雷閃頻數

一些科學家認為用雷暴日表征某地區的雷暴活動強弱程度不夠準確,用雷閃頻數,即1000平方千米范圍一年共發生的閃擊數來描述雷暴活動更為準確。該參數更適用于航天、航海、通訊等領域,但其觀測方法只能借助于無線電,而不能用耳朵聽。大量觀測數據表明,一個地區的雷暴日和雷閃頻數成線性關系,因此兩種統計方法并無矛盾。

平均雷暴日

平均雷暴日分為平均月雷暴日、平均季雷暴日和平均年雷暴日。平均月雷暴日指月雷暴日的多年平均結果,單位為天,它進一步反映全年各個月份雷暴活動強弱程度的多年平均情況。平均季雷暴日和平均年雷暴日分別指季雷暴日的多年平均結果和年雷暴日的多年平均結果,單位為天。平均年雷暴日反映一個地區雷暴活動日的多年平均情況,更接近實際,在雷暴氣候統計中和雷電防護中常被使用。

雷暴時

雷暴時指某一個小時內發生過雷暴,中國大部分地區一個雷暴日大約為 3 個雷暴時。雷暴時分日雷暴時、月雷暴時、季雷暴時和年雷暴時。分別指該日、月、季、年中發生雷暴的時數,單位為時。

平均雷暴時

平均雷暴時分為平均日雷暴時、平均月雷暴時、平均季雷暴時、平均年雷暴時,分別指日、月、季、年雷暴時的多年平均結果,單位為時。其中平均月雷暴時比月雷暴時更可靠地反映了全月雷暴活動多少的多年平均情況。

逐時年雷暴時

逐時年雷暴時指一天中某一小時內在全年中的雷暴時數,單位為時,根據一天24小時逐時年雷暴時的觀測資料,可表征全年雷暴活動的日變化。

平均逐時年雷暴時

平均逐時年雷暴時指逐時年雷暴時的多年平均結果,單位為時;根據一天24小時平均逐時年雷暴時的觀測資料,可表征全年雷暴活動的日變化的多年平均結果。

雷暴月、年雷暴月

雷暴月指該月中發生過雷暴,而不論該月發生過多少天雷暴;年雷暴月是一年中雷暴月數,單位為月。

平均雷暴月

平均雷暴月指年雷暴月的多年平均結果,單位為月;它概略地反映了全年雷暴活動月份多少的多年平均情況。

雷暴季節

雷暴季節指一年中雷暴所發生的月份,而不論在這些月份中雷電發生的天數。如某地某年雷暴發生于4、6、7、8、9月,則雷暴季節為4月、6—9月。而不能為4—9月,因為5月沒有雷暴出現。雷暴季節表示的是一年中雷暴活動發生的月份,粗略地反映全年雷暴活動的分布情況。

平均雷暴季節

平均雷暴季節指雷暴季節的多年平均結果,近似為平均初雷暴所在月份至平均終雷暴所在的月份。平均雷暴季節能大概反映全年雷暴活動的年內分布和強弱程度的多年平均情況。

雷暴持續時期

雷暴持續時期指一年中初雷日期與終雷日期之間的天數,單位為天。雷暴持續期僅表示一年中可能發生雷暴的持續天數,而不表示一年中雷暴可能發生多少天。所以有的地方在不同年份有相近的雷暴持續期,但一年中雷暴發生的天數差異較大。

平均雷暴持續時期

平均雷暴持續時期是雷暴持續期的多年平均結果,單位為天。平均雷暴持續期表示一年中可能發生雷暴的平均持續天數,它反映雷暴活動的多年平均結果。

其他參數

除以上參數外,還可以取平均月雷暴時與平均月雷暴日之比、平均季雷暴時與平均季雷暴日之比、平均年雷暴時與平均年雷暴日之比等作為雷暴活動的參量。

危害與益處

危害

全世界平均每分鐘約有2000個雷暴在形成,其中很大一部分發生在熱帶地區。每天大約有4.5萬個雷暴發生,全球每年發生的雷暴數超過1600萬個,這些雷暴每秒放出100次閃電閃擊地球雷電會引起雷擊火險,全球每年因雷擊造成的人員傷亡超過一萬人。20世紀末,雷電災害被聯合國列為對人類生活影響最嚴重的十大自然災害之一。中國是雷電災害頻繁發生的地區,根據中國氣象局雷電防護管理辦公室1998—2001年各年的《全國雷電災害典型實例匯編》統計,每年發生的雷電災害有近萬次,造成的人員傷亡有1000~2000人,直接經濟損失達幾十億到上百億元人民幣。雷暴還常常伴有大風、暴雨以及冰雹和龍卷等災害性天氣,影響飛機、導彈等安全飛行,干擾無線電通信,摧毀建筑物、農作物、輸電和通訊線路的支架、電桿、電氣機車等。局部地區暴雨可能還會引起山洪暴發、泥石流地質災害

益處

雷電可以凈化大氣環境,發生雷電時,強烈的光化學作用會使空氣中的部分氧氣發生化學反應,生成具有殺菌作用的臭氧。雷雨過后,1cm3空氣中所含的負氧離子數目可達1萬多個,而在晴天的鬧市區,負氧離子的數目只有幾十個,負氧離子對人體健康非常有利。雷暴產生的閃電還可以制造化肥,氮和氧是空氣的主要成分,在平常溫度下兩者不易結合,只有當溫度很高時氮和氧才能合成二氧化氮,雷暴天氣中的閃電可以提供氮和氧化合生成二氧化氮所需的溫度,二氧化氮溶解在雨水里變成濃度很低的硝酸,它一落到土壤中,馬上就和其他物質化合,變成氮肥

全球雷暴相當于一個發電機,上連接電離層,下連接導電地面,雷暴不斷向電離層充電,維持了全球電路的平衡。此外,雷暴還是上部對流層大氣的“制冷空調”,并輸送水汽產生明顯的加濕作用。

重大事件

2020年4月29日,在北美“中尺度對流系統”雷暴熱點地區,出現世界最長單次閃電,其水平距離為768±8公里,相當于北京與煙臺市之間的距離。這一新紀錄比之前的紀錄709±8公里長了近60公里。

2020年6月18日,在烏拉圭阿根廷北部上空雷暴中,探測到單次閃電的最長持續時間記錄,長達17.102±0.002秒。而此前記錄的最長巨型閃電的持續時間為16.73秒。

避險指南

當雷暴發生時,盡可能地留在室內,在室外工作的人應該找地方躲避。在室內時人體最好離開可能傳來雷電侵入波的線路和設備1.5m以上,盡量暫時不用電器,最好拔掉電源插頭;不要打電話;不要靠近室內的金屬設備如暖氣片、自來水管、下水管;要盡量離開電源線、電話線、廣播線,以防止這些線路和設備對人體的二次放電。

如果雷暴發生時正在戶外進行水上運動,應趕快離開水面找地方躲避。不要站立在海拔比較高的地方,遠離導電性高的物體。樹木或桅桿容易被閃電擊中,應盡量遠離。閃電擊中物體后,電流會經地面傳開,因此不要躺在地上,潮濕地面尤其危險。應該蹲著并盡量減少與地面接觸的面積。同時還要避免接觸天線、水龍頭、水管、鐵絲網或其他類似金屬裝置。

參考資料 >

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雷暴.中國氣象科普網.2023-02-20

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雷暴天氣的種類及特點.中國國家應急廣播.2023-03-01

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雷暴天氣為何如此暴躁.科普中國.2023-03-23

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WMO對二個巨型閃電記錄進行了認證.世界氣象組織.2023-03-15

768公里!世界氣象組織確認了巨型閃電新記錄.聯合國.2023-03-15

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雷暴天氣安全須知指南.中國氣象科普網.2023-02-20

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