第二章雷暴及其起電

1、第二章第二章雷暴及其起電雷暴及其起電雷暴云是閃電的主要產(chǎn)生源，按照Winnetal(1974)的探空結(jié)果，當(dāng)云中局部電場超過約400kVm時(shí)，就能發(fā)生閃電放電。因此，在討論閃電之前，本章將簡要概述雷暴的發(fā)展及其電荷結(jié)構(gòu)，并闡述雷雨云起電機(jī)制的一些基本概念和相關(guān)的現(xiàn)象。有關(guān)細(xì)節(jié)可參閱下面提到的一些專著或文獻(xiàn)。2.1雷暴的形成雷暴的形成典型的雷暴云是具有強(qiáng)烈上升氣流和下沉氣流的（積雨）云。這種云垂直伸展較高，如高聳陡山，頂部可呈砧或鬃狀；底

2、部較暗，時(shí)有懸球狀結(jié)構(gòu)。單個(gè)積雨云的主體水平尺度在幾公里到20公里左右。雷暴云的發(fā)展與熱氣團(tuán)在不穩(wěn)定環(huán)境中的對(duì)流抬升有關(guān)。例如，當(dāng)?shù)乇肀惶柤訜釙r(shí)，部分能量將轉(zhuǎn)移給低層大氣并加熱地表附近的空氣。被加熱后的低層暖濕空氣密度減小，在不穩(wěn)定的垂直大氣中逐步上升。由于氣壓隨高度降低，因而空氣在上升過程中不斷膨脹，并將內(nèi)部的熱能轉(zhuǎn)化為勢能，從而導(dǎo)致溫度下降。如果氣團(tuán)繼續(xù)上升，冷卻的結(jié)果將使水汽凝結(jié)到漂浮在空氣中的固態(tài)凝結(jié)核上，由此形成了氣團(tuán)內(nèi)部雜

3、亂無章的小水滴，這就是“云”。由于這種云由液態(tài)水滴組成，稱為暖云?？諝馍仙?，云四周較稠密的干冷空氣將下沉，從而形成了以環(huán)型的上升氣流和下沉氣流為特征的對(duì)流單位體（見圖21）。上升氣團(tuán)的垂直滲透高度受大氣穩(wěn)定度、周圍空氣混降落中的雨滴遇到更冷的空氣（例如從逆溫層降落），它們達(dá)到地面時(shí)可以成為小冰粒。云中溫度高于零度或在負(fù)溫區(qū)只有過冷水滴的云被稱為暖云或過冷云；包含固、液兩態(tài)的云叫做混合云。一般情況下，雷暴的發(fā)展要經(jīng)過初始發(fā)展、成熟和消散

4、三個(gè)發(fā)展階段。在初始發(fā)展階段即上述的積云階段，積云內(nèi)部為上升氣流，且降水開始發(fā)生。當(dāng)上升氣流上升到某一高度時(shí)，積云不再上浮，這個(gè)高度通常在對(duì)流層頂附近，大約為10~15km，這時(shí)候雷暴單體達(dá)到它的成熟階段。在這一階段，被聚集的雨水迅速降落到地面，形成陣雨，并拌隨著一股冷的下沉氣流。在下沉氣流中，雨在云底下方被蒸發(fā)而連續(xù)冷卻，此時(shí)的空氣比原先上升時(shí)的空氣更冷。由于單體的上升氣流靠暖濕空氣而支持，而下沉氣流將阻止上升氣流的發(fā)展，因此雷暴云單

5、體最終將因?yàn)檫@些下沉氣流切斷了暖濕空氣的供應(yīng)而進(jìn)入消散階段。同時(shí)，這股冷氣流能抬升鄰近周圍的濕潤空氣，因而可能觸發(fā)新的單體形成。這個(gè)過程可以重復(fù)幾次，整個(gè)雷暴的壽命可持續(xù)1~2個(gè)小時(shí)（Brooks，1925；Magono，1980）。在這時(shí)段內(nèi)雷暴按所在高度層的高空風(fēng)向移動(dòng)16~32km。與這三個(gè)發(fā)展階段相應(yīng)的地面天氣情況也各不相同。在開始的發(fā)展階段，暖濕氣流緩慢地輻合；在成熟階段降水造成的冷空氣下沖形成一條微尺度冷鋒，在下沉空氣的前沿

6、線上，氣溫和風(fēng)發(fā)生突然的改變；在消亡階段，下沉氣流的冷堆消散，風(fēng)也減弱。除了由大尺度鋒系（這種鋒系一般在常規(guī)天氣圖上可以分析）引起的雷暴以外，地面的情況又逐漸回到雷暴發(fā)展前的樣子。通常，人們把水平尺度在25~250km范圍內(nèi)的上述天氣現(xiàn)象和天氣系統(tǒng)稱為中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS），它介于大尺度（250~2500km）和小尺度（2.5~25km）系統(tǒng)之間，特指強(qiáng)風(fēng)暴等有組織的雷暴或?qū)α飨到y(tǒng)。強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)常常帶來嚴(yán)重的災(zāi)害、雷暴、暴雨、大風(fēng)、龍卷