【技术·航天】极端天气现象之雷暴云（雷暴云形成条件）

2020年8月2日傍晚，北京上空出现巨大的雷暴云砧，闪电穿梭其中，十分壮观，有的地方闪电持续了将近一个小时。据中央气象台监测，有一块特别强的孤立雷暴单体出现在北京的中部地区，自西向东扫过北京中部地区，它发展得非常剧烈和旺盛，而且它移动的速度非常快，在这个过程中产生了很多的云内之间的闪电，还有云地之间的闪电过程。据专家介绍，云是大气中闪电的重要载体，但并非所有的云都行形成闪电，能形成闪电的灾害云是积雨云，也称雷暴云。每年6到8月都是我国强对流天气最为活跃的时段，特别是7月下旬到8月上旬这段时间，北方主雨季开启，强对流天气更加频繁。

那么，这么强的雷暴云是怎样形成的呢？它具有怎样的结构特征？雷暴天气中的闪电又有什么特征？接下来让我们一一介绍。

2020年8月2日傍晚北京上空的雷暴云砧

雷暴云的形成

雷暴是发展旺盛的强对流现象，一方面它可造成洪涝灾害，另一方面也以强电流、强电场造成人类生命财产的损失。根据雷暴中出现的单体的数目和强度可分为三类：单体雷暴、多单体雷暴、超级单体雷暴。

单体雷暴（air-mass thunderstorm）

单体雷暴只有一个单体组成，强度弱，且范围只有5~10km，寿命短，只有十几分钟。在雷暴云的形成阶段，从淡积云发展为浓积云大约需要10~15min，云中都是上升气流，云底为辐合上升运动，上升速度初期一般不超过5m/s，浓积云阶段可达15~20m/s，云中电荷正在集中，但并未发生闪电，也无降水；在雷暴云成熟阶段，浓积云发展到积雨云，15~30min，云中为上升气流，云顶发展很高，云顶出现冰晶结构，上升速度增加，雨滴出现，产生降水，出现下沉气流，-20℃高度以上，云中以冰晶雪晶为主，以下冰晶与过冷水滴共存，出现雷电对大多数雷暴云中，正电荷位于云上部，负电荷位于下部；在雷暴云消散阶段，上升气流减弱雷雨减弱并逐渐消失，云体瓦解，云顶留下一片卷云，下沉气流使云下部的负电荷外移，使云上部的正电荷现露出来。

单体雷暴云雷暴云的形成发展过程雷暴云的内部环流

多单体雷暴（multicell storms）

一连串相继发生的单细胞雷暴组合成的雷暴称为多单体雷暴，通常有30个以上的单体。在其中发展、成熟、消散，每个单体约有30~45分钟的生存时间，而约5~10分钟的间隔就有一个新的单体开始发展。

多单体雷暴形成的条件：

积雨云的云底风速很小，使气流运动且不受摩擦力限制。 大气处于高度热力不稳定，空气易产生快速的上升下降气 流 垂直风切很大。

超级单体雷暴（supercell storm）

超级单体雷暴是指更加强大、持久，更能发生强烈灾害性的天气状态，超级单体雷暴有高度组织化的内部环流，其传播方式不再是离散式而是连续的运动，故比多单体雷暴具有更大的整体性。

超级单体雷暴的形成条件：

强烈的不稳定度 很强的平均云底环境风（10 m/s） 强烈的风切 云层上方向顺转超级单体雷暴超级单体雷暴及其内部环流

雷暴云的基本特征

活动特征

雷暴的活动规律具有地区性和季节性。低纬度地区多于中纬度地区，中纬度地区多于高纬度地区，同纬度山地多于平原，内陆多于沿海，一年当中雷暴多出现在夏季，其次是春季和秋季，一天当中，多出现在下午。

雷暴云具有平流、强迫传播以及自传播的移动特征。雷暴云的平流发生在其发展的整个生命期内，受气流的吹动而沿平均风方向移动的过程。强迫传播是一个对流雷暴云团受某种外界强迫机制（锋、中纬度气旋辐合带、海陆风、热带气旋、重力波）持续再生的过程，这种强迫机制尺度通常要比对流风暴大。自传播是指雷暴可以自行再生，或在同一系统中产生类似的雷暴单体。

电结构特征

雷暴云的电结构一般分为偶极或三极结构和反极性电荷结构。对于偶极结构而言，雷暴云的上部带正电荷，下部则带负电荷，偶极子的带电区直径为几公里量级，除了这两个主电荷区外，在雷暴云的底部还可有一个小的正电荷区，对于夏季雷暴，主正电荷区的海拔高度一般为10~16km，而负电荷区的海拔高度为6~10 km。而反极性电荷结构终，雷暴云中部是主正电荷区，上部为负电荷区。

雷暴云中的电荷分布

EOSO现象电荷分布的变化

雷暴云的EOSO现象是出现在雷暴云消散阶段的一种雷雨云电场的阻尼振荡现象，也称雷暴结束时的震荡。由于云内气流、降水和环境风场对云体的作用，云内的电荷分布会发生变化，云中电荷改变将导致云放电类型的差别，如下图所示，雷暴云的EOSO现象电荷分布具有以下几种变化特征：

A、倾斜的正、负电极/平流卷云砧；

B、双极性电荷分布的云，降水将云底的负电荷带走；

C、发展阶段为正的双极性电荷分布，消散阶段云下负电荷随下沉气流外流到云外；

D、由于降水和冰粒的相互碰撞以及上升和下沉气流的作用，云中电荷符号发生反转，最后留下负电荷；

E、与D类似最后留下正电荷。

雷暴云的EOSO现象电荷分布的变化

雷暴天气中的闪电

雷暴天气发生时，一般会伴随出现强降水、大风、光、强电场和强电流、雷（次声）、瞬变电磁脉冲辐射、无线电噪声等。雷暴天气中的闪电是最常见的一种现象，雷暴天气中存在云闪、地闪和“天闪”三种类型的闪电现象。

地闪是指打到地上的闪电，云闪指发生在云内或云间的闪电，也就是所有没有打到地上的闪电。平均而言，地闪只占全部闪电的1/3以下，而云闪占2/3以上。闪电的发生与强对流云的发展密切联系，云内的第一个闪电几乎总是云闪，有些雷暴云中的闪电可能全部为云闪，所以云闪的研究和探测很重要，而且云闪信息也更具有强对流发展的预警指示意义。

雷暴云中的云闪

地闪又分为正地闪和负地闪，其中正地闪指把云中正电荷转移到地球的闪电；负地闪指把云中负电荷中和到地球的闪电。一般正地闪发生比例低，仅占全部地闪的10%以下，但是强度大，危害也大。负地闪回击的峰值电流强度一般为几万安培，中和电荷量为几库伦到几十库伦；而正地闪回击电流强度与中和电荷量要大几倍，甚至几十倍。

雷暴云中地闪

发生在雷暴云和电离层之间的放电，叫做中高层大气瞬态发光事件，这里也可以比较形象地简称其为“天闪”，代表性的叫“红色精灵”（Red sprite）。其观测难度很大，一是因为发生时间短、位置又不能预测，很难捕捉到；二是发生高度高，必须在几十公里以外才能观测到，所以仪器灵敏度要求高。因为是光学观测，观测场地附近和光学观测路径上视野要好，不能有强光污染，有雾、霾或强降水都不行。

雷暴云中的“天闪”

作者：石文静