第五章雷暴云

第五章雷暴云第一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五云類云型云色伴隨出現(xiàn)的天氣卷云絲條狀，片狀，羽毛狀，鉤狀，砧狀白晴卷層云絲幕狀，有暈乳白晴或多云，北方冬天可能下雪卷積云細(xì)鱗片狀，成行，成群排列整齊，像微風(fēng)吹拂水面而成的小波紋白晴，有時小雨，大風(fēng)高層云均勻成層，如幕布灰白或灰陰，有時下小雨高積云云塊較小，扁圓形、瓦塊狀，乘波狀排列白或暗灰晴，多云或陰層積云云塊較大，條狀，片狀或圓狀，較松散；成群、成列或波狀排列灰白或深灰晴，多云或陰，有時下小雨（小雪）雨層云低而漫無定形，如煙幕，云底常伴有碎雨云暗灰連續(xù)性雨雪積云底部平坦，頂部凸起，如山峰灰白，濃淡分明晴，少云或多云積雨云比積云濃厚，龐大，像高山頂部模糊，底部陰暗，云底很低。烏黑多云或陰，有雷陣雨，伴有大風(fēng)雷電，有時產(chǎn)生冰雹，龍卷等第二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五以上各類云都能帶電，但能形成閃電的災(zāi)害云是積雨云，也稱雷暴云云是大氣中閃電的重要載體，但并非所有的云都行形成閃電第三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五5.2雷暴云概況雷暴是發(fā)展旺盛的強(qiáng)對流現(xiàn)象，是伴有強(qiáng)風(fēng)驟雨、雷鳴閃電的積雨云系統(tǒng)的統(tǒng)稱。雷暴的出現(xiàn)帶來強(qiáng)降水、大風(fēng)、光、強(qiáng)電場和強(qiáng)電流、雷（次聲）、瞬變電磁脈沖輻射、無線電噪聲等。一方面它可造成洪澇災(zāi)害，另一方面也以強(qiáng)電流、強(qiáng)電場造成人類生命財產(chǎn)的損失。雷暴活動的時空分布雷暴云的主要特點(diǎn)第四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五雷暴的活動規(guī)律—地區(qū)性和季節(jié)性低緯度多于中緯度，中緯度多于高緯度同緯度山地多于平原，內(nèi)陸多于沿海一年當(dāng)中雷暴多出現(xiàn)在夏季，其次是春季和秋季一天當(dāng)中，多出現(xiàn)在下午第五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五第六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五

禿積雨云

第七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五鬃積雨云

第八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五冰雹龍卷風(fēng)第九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五一、雷暴云產(chǎn)生的條件

一般而言，雷暴誕生在暖濕不穩(wěn)定的空氣中，而有利產(chǎn)生雷雨的條件如下：1.地面因日射而增暖2.高空因輻射而冷卻3.地面因平流而增暖4.高空有冷空氣平流5.下層有暖空氣平流6.水平向輻合7.地形舉升8.鋒面舉升雷暴釋出的能量極為可觀，據(jù)估計，一次發(fā)展的雷雨相當(dāng)于十枚投擲于廣島的原子彈爆發(fā)所產(chǎn)生的能量，此能量的主要來源于水氣凝結(jié)釋出潛熱。第十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)雷暴中出現(xiàn)的單體的數(shù)目和強(qiáng)度可分為三類

1、單體雷暴:只有一個單體組成，強(qiáng)度弱，范圍只有5~10km，壽命短，只有十幾分鐘2、多單體雷暴：有一連串有序的不同發(fā)展階段的雷暴單體組成，每一單體都經(jīng)歷三個發(fā)展階段。3、超級單體雷暴：強(qiáng)度大，更持久，能更造成強(qiáng)烈的災(zāi)害天氣的中尺度雷暴。二、雷暴分類第十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五

1、單體雷暴

（air-massthunderstorm）由大氣的強(qiáng)對流現(xiàn)象形成的一個單獨(dú)雷雨胞，具有完整的雷暴組織，云頂高度10~15公里，直徑由約2~3公里到8~10公里都有，上升氣流最旺盛時可達(dá)到每秒30公尺，普通則在每秒5~15公尺之間，上升氣流以離地3000~10000公尺最為顯著第十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五雷暴的形成發(fā)展過程形成階段成熟階段消散階段第十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五形成階段從淡積云發(fā)展為濃積云，10~15min云中都是上升氣流，云底為輻合上升運(yùn)動，上升速度初期一般不超過5m/s，濃積云階段可達(dá)15~20m/s云中電荷正在集中，但并未發(fā)生閃電，也無降水第十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五成熟階段濃積云發(fā)展到積雨云，15~30min，云中為上升氣流，云頂發(fā)展很高。云頂出現(xiàn)冰晶結(jié)構(gòu)，上升速度增加，雨滴出現(xiàn)，產(chǎn)生降水，出現(xiàn)下沉氣流。-20℃高度以上，云中以冰晶雪晶為主，以下冰晶與過冷水滴共存，出現(xiàn)雷電對大多數(shù)雷暴云中，正電荷位于云上部，負(fù)電荷位于下部。第十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五消散階段上升氣流減弱雷雨減弱并逐漸消失，云體瓦解，云頂留下一片卷云下沉氣流使云下部的負(fù)電荷外移，使云上部的正電荷現(xiàn)露出來，這時會觀測到雷雨云電場的阻尼振蕩，這一現(xiàn)象叫EOSO，即雷暴結(jié)束時的震蕩第十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五雷暴單體內(nèi)部環(huán)流第十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五Squalllinethunderstorm第十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五2、多單體雷暴（multicellstorms）一連串相繼發(fā)生的單細(xì)胞雷暴組合成的雷暴，通常有30個以上的單體。在其中發(fā)展、成熟、消散，每個單體約有30~45分鐘的生存時間，而約5~10分鐘的間隔就有一個新的單體開始發(fā)展。多單體雷暴形成的條件：由多次觀測結(jié)果統(tǒng)計有利于多單體雷暴發(fā)生的條件有：ａ.積雨云的云底風(fēng)速很小，使氣流運(yùn)動且不受摩擦力限制。ｂ.大氣處于高度熱力不穩(wěn)定，空氣易產(chǎn)生快速的上升下降氣流ｃ.垂直風(fēng)切很大。第十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五多單體雷暴內(nèi)部環(huán)流第二十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五多單體雷暴的移動

與周圍風(fēng)場的平均風(fēng)向關(guān)系密切，但多單體雷暴所占據(jù)的范圍較廣，其運(yùn)行還會受制于單體生成發(fā)展的方向各個單體受平均風(fēng)向?qū)б苿?，但通常?5~30分鐘就會在圖中雷暴下方發(fā)展出新個體，所以整個多單體雷暴的移動會偏向平均風(fēng)向（即個別單體移動方向）的右方。第二十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五3、超級單體雷暴（supercellstorm）1）形成超級單體雷暴的條件：

ａ.強(qiáng)烈的不穩(wěn)定度ｂ.很強(qiáng)的平均云底環(huán)境風(fēng)（10m/s）ｃ.強(qiáng)烈的風(fēng)切

d.云層上方向順轉(zhuǎn)是指更加強(qiáng)大、持久，更能發(fā)生強(qiáng)烈災(zāi)害性的天氣狀態(tài)，超級單體雷暴有高度組織化的內(nèi)部環(huán)流，其傳播方式不再是離散式而是連續(xù)的運(yùn)動，故比多單體雷暴具有更大的整體性。第二十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五超級單體內(nèi)部環(huán)流第二十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五supercellstorm第二十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五三、雷暴云的移動移動或平流：風(fēng)暴在其發(fā)展的整個生命期內(nèi)受氣流的吹動而沿平均風(fēng)方向移動的過程。強(qiáng)迫傳播：一個對流雷暴云團(tuán)受某種外界強(qiáng)迫機(jī)制（鋒、中緯度氣旋輻合帶、海陸風(fēng)、熱帶氣旋、重力波）持續(xù)再生的過程，這種強(qiáng)迫機(jī)制尺度通常要比對流風(fēng)暴大。自傳播過程：指雷暴可以自行再生，或在同一系統(tǒng)中產(chǎn)生類似的雷暴單體。第二十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五

按雷暴形成時不同的大氣條件和地形條件，雷暴可分為：

1）熱雷暴2）鋒雷暴（暖鋒雷暴、冷鋒雷暴）3）地形雷暴此外，也有人把冬季發(fā)生的雷暴劃為一類，稱為冬季雷暴。四、雷暴的分類（二）第二十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五

1）熱雷暴：

是在天氣溫暖時，在幾乎是靜止的很熱和均一的氣團(tuán)內(nèi)發(fā)生的。雷云是因下層空氣受熱或上層空氣受冷發(fā)生強(qiáng)烈的上下對流作用而致的，往往決定于局部的條件，例如地形、溫度和濕度等。

在大陸中，夏季常常有這樣的雷暴，它出現(xiàn)在悶熱、無風(fēng)和晴朗的夏天的午后。而下層空氣受熱的作用在個別的高處和小山上又特別明顯，因而這種地方出現(xiàn)的熱雷暴也特別多。

這些雷暴伴有強(qiáng)烈的暴雨，發(fā)展得很快，下得很急，往往還帶有冰雹和無數(shù)的閃電，但雷暴的分布極不均勻第二十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五

2）鋒雷暴：

是在兩個大的氣團(tuán)移動時，在界面上，也就是在冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)相遇的鋒面上發(fā)展起來的。這時冷空氣總在暖空氣下面，排擠暖而濕的空氣，并把它抬升起來，于是那個地方的天氣就急劇地變化。按照冷暖空氣流動的情況，可以把鋒分做兩類：

暖鋒雷暴冷鋒雷暴第二十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五⑴暖鋒雷暴：當(dāng)暖空氣流動到原有冷空氣區(qū)域時，暖空氣沿著冷空氣斜坡往上升，在上升過程中產(chǎn)生變冷凝結(jié)作用產(chǎn)生的雷暴。因為暖空氣沿著冷空氣的斜坡慢慢往上爬，作用并不劇烈，雷暴的強(qiáng)度一般不大。但這種雷暴分布的范圍廣，持續(xù)時間較長，雨量較多，常以暴雨形式出現(xiàn)，下雨時多半在夜間。⑵冷鋒雷暴：當(dāng)強(qiáng)冷空氣流像楔子一樣侵入原來較輕而暖濕的氣團(tuán)時所形成的雷暴是，也叫做寒潮雷。由于冷空氣往往來勢很猛烈，它比前一種雷暴來得猛烈，是雷雨中最強(qiáng)烈的一種，常在短時間內(nèi)成為特大暴雨，因而危害最烈。第二十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五3）地形雷暴由于地形關(guān)系，某些地區(qū)特別容易產(chǎn)生雷雨。例如在山嶺地區(qū)，當(dāng)暖空氣經(jīng)過山坡被強(qiáng)迫上升時，在山地迎風(fēng)的一面空氣沿山坡上升，到一定高度變冷而形成雷云；但到了山脈背風(fēng)的那一面，空氣沿山坡下沉，溫度升高，雷雨消散或減弱。特別是在濱海的山岳地帶，近海的一面山坡上便常易有雷雨發(fā)生，這是由于海風(fēng)潮氣特重的緣故。第三十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五干雷暴這種雷暴發(fā)生時只落下幾滴雨，甚至沒有雨，卻伴隨著強(qiáng)烈的臺風(fēng)，大氣的帶電作用已達(dá)到極端狀態(tài)，所以干雷暴的破壞力特別強(qiáng)大。思考題：試解釋成都秋季夜雷暴的類型及成因。？第三十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五一、云霧粒子荷電情況

云霧粒子電荷大小不僅取決于云霧類型、云霧的發(fā)展階段和云霧的不同部位，以及云霧的微觀和宏觀條件等因素。有如下特點(diǎn)：云霧粒子電荷絕對值在10-20C-10-15C，負(fù)電荷一般大于正電荷。對流云中云粒子荷電絕對值一般偏高。云霧粒子電荷絕對值與云霧粒子半徑有關(guān)，云霧粒子荷電值與其半徑呈正相關(guān)。5.3云霧粒子的電荷第三十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五云霧粒子電荷絕對值與半徑的關(guān)系：

大量觀測結(jié)果表明，云霧粒子電荷絕對值一般與云霧粒子半徑呈正相關(guān).云霧粒子的半徑愈大，其電荷絕對值也愈大;反之亦然。觀測表明云霧粒子電荷與半徑間的關(guān)系為：有觀測表明，云霧粒子電荷與半徑成正比：有觀測表明，云霧粒子電荷與半徑的平方成正比：第三十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五積雨云中的云滴電荷絕對值比積云和層云中的大1-2數(shù)量級。對流較弱的層積云和積云中，云滴相對電荷譜分布函數(shù)近似呈正態(tài)分布，云中大氣近似為電中性。在對流旺盛的積雨云中，云滴相對電荷譜分布函數(shù)偏離正態(tài)分布，表明云中大氣荷電第三十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五5.4云中大氣電結(jié)構(gòu)一、云中大氣電場和大氣體電荷分布類型1.無規(guī)則電荷分布2.正單極性電荷分布3.正雙極性電荷分布4.負(fù)單極性電荷分布5.負(fù)雙極性電荷分布6.多極性電荷分布

其中2+3約為50%,4+5約為40%1+6為10%第三十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五二、層狀云中的大氣電結(jié)構(gòu)若忽略云中大氣水平電場分量，云中大氣電場與云中體電荷密度的關(guān)系為：E(z)是云中大氣垂直電場，其方向向下為正，向上為負(fù)。第三十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五基輔、塔什干等地飛機(jī)觀測到的層狀云中電場結(jié)果層狀云中云層越厚，電場越強(qiáng)，雨層云的電場強(qiáng)度最強(qiáng)第三十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五三、層積云、高層云和高積云中的電場垂直分布第三十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五第三十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五高層云不同發(fā)展階段云中的電場廓線第四十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五降雨降雪第四十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五雨層云中電場的高度分布第四十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五四、雷達(dá)0℃層亮帶和電結(jié)構(gòu)在雷達(dá)RHI工作方式下，雨層云雷達(dá)回波存在0℃層亮帶。由于在0℃層以下，降水粒子溶化，產(chǎn)生很大的反射，出現(xiàn)回波亮帶。0℃層亮帶處電場也發(fā)生明顯的突變。第四十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五0℃層亮帶在2.65km的高度上，在這一高度上雪轉(zhuǎn)變?yōu)橛?，電場迅速下降，由弱的正電場變?yōu)閺?qiáng)的負(fù)電場。第四十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五在雨層云中雨滴轉(zhuǎn)變成雪時，電場由負(fù)極性變?yōu)檎龢O性，與無論在云內(nèi)還是云外無關(guān)。第四十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五五、積云不同階段和高度的電場和電流第四十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五5.5雷暴云電結(jié)構(gòu)一、偶極或三極結(jié)構(gòu)

一般來講，雷暴云的上部帶正電荷，下部則帶負(fù)電荷。因而雷暴的電荷結(jié)構(gòu)是典型的電偶極子，偶極子的帶電區(qū)直徑為幾公里量級。除了這兩個主電荷區(qū)外，在雷暴云的底部還可有一個小的正電荷區(qū)。對于夏季雷暴，主正電荷區(qū)的海拔高度一般為10~16km，而負(fù)電荷區(qū)的海拔高度為6~10

km。第四十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五第四十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五第四十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五負(fù)電荷中心位于-10oC~-20oC之間第五十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五在偶極結(jié)構(gòu)雷暴中，下部小正電荷區(qū)一般不參與放電雷暴云電荷分布的三極結(jié)構(gòu)下部小正電荷區(qū)較強(qiáng)，并參與放電過程。如我國甘肅、青藏高原地區(qū)等。第五十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五實際雷暴云中，電荷分布是很復(fù)雜的。除了雷暴的主正、負(fù)電荷區(qū)和底部的小正電荷區(qū)外，電荷結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生傾斜，也可能呈現(xiàn)多偶極形式，而且，不同地區(qū)的雷暴特征也不完全一樣雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的實際探測一般采用三種方式：①利用閃電電場變化的多站地面觀測來擬合閃電源的位置，從而來推斷云中與閃電放電有關(guān)的云電荷分布②火箭或氣球攜帶電場儀穿云觀測利用在云內(nèi)測量到的電場變化，通過高斯定理來估計云中的電荷結(jié)構(gòu)。③飛機(jī)穿云觀測第五十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五

第一種方法得到雷暴電荷分布經(jīng)典模式——典型的偶極電荷分布

第五十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五反極性電荷結(jié)構(gòu)：

雷暴云中部是主正電荷區(qū)，上部為負(fù)電荷區(qū)。第五十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五二、雷暴云產(chǎn)生的電場雷暴云在地面產(chǎn)生的電場一直是用來衡量雷暴強(qiáng)弱的一個重要參量。第五十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五單極性電荷分布時的電場空間的電荷與地下的部分構(gòu)成偶極子云帶電時靜電場偶極子模式第五十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五雙極性電荷分布時的電場：對于離云荷電中心電場為零的距離D0為對于D0又稱電場的反轉(zhuǎn)距離。它僅與荷電中心高度有關(guān)。第五十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五第五十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五多極性電荷分布時的電場：第五十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五整個雷暴過程地面電場均為(或主要為)正電場

整個雷暴過程地面電場均為（或主要為）負(fù)電場雷暴當(dāng)頂時地面電場為正電場，之后電場轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電場，整個變化波形呈波浪形雷暴類型第六十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五2008.9.24的雷暴過程第六十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五第六十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五風(fēng)暴云的EOSO現(xiàn)象電荷分布的變化：由于云內(nèi)氣流、降水和環(huán)境風(fēng)場對云體的作用，云內(nèi)的電荷分布會發(fā)生變化，云中電荷改變將導(dǎo)致云放電類型的差別。A、傾斜的正、負(fù)電極/平流卷云砧；B、雙極性電荷分布的云，降水將云底的負(fù)電荷帶走；C、發(fā)展階段為正的雙極性電荷分布，消散階段云下負(fù)電荷隨下沉氣流外流到云外；D、由于降水和冰粒的相互碰撞以及上升和下沉氣流的作用，云中荷電符號發(fā)生反轉(zhuǎn)，最后留下負(fù)電荷；E、與D類似最后留下正電荷。第六十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五三、雷暴電場與電荷結(jié)構(gòu)可以根據(jù)電場波形變化特征來反演雷暴電和結(jié)構(gòu)第六十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五具有偶極結(jié)構(gòu)雷暴云產(chǎn)生的電場具有三極結(jié)構(gòu)雷暴云產(chǎn)生的電場第六十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五四、近地面電暈離子對雷暴地面電場的影響通常雷暴可在地面產(chǎn)生幾kV/m的電場，而在自然尖端如灌木、草叢等各種接地的突出尖端上的電場將比環(huán)境電場大幾十乃至幾百倍。當(dāng)環(huán)境地面電場超過一定的閾值，一般為幾kV/m時，自然尖端上便發(fā)生電暈放電，從而向空間釋放離子，形成厚達(dá)幾百米的空間電荷屏蔽層并影響地面電場

第六十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期五地面和440

m，600

m高度上的雷暴電場測量結(jié)果第六十七頁，共