第五章雷暴云

第五章雷暴云第一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五云类云型云色伴随出现的天气卷云丝条状，片状，羽毛状，钩状，砧状白晴卷层云丝幕状，有晕乳白晴或多云，北方冬天可能下雪卷积云细鳞片状，成行，成群排列整齐，像微风吹拂水面而成的小波纹白晴，有时小雨，大风高层云均匀成层，如幕布灰白或灰阴，有时下小雨高积云云块较小，扁圆形、瓦块状，乘波状排列白或暗灰晴，多云或阴层积云云块较大，条状，片状或圆状，较松散；成群、成列或波状排列灰白或深灰晴，多云或阴，有时下小雨（小雪）雨层云低而漫无定形，如烟幕，云底常伴有碎雨云暗灰连续性雨雪积云底部平坦，顶部凸起，如山峰灰白，浓淡分明晴，少云或多云积雨云比积云浓厚，庞大，像高山顶部模糊，底部阴暗，云底很低。乌黑多云或阴，有雷阵雨，伴有大风雷电，有时产生冰雹，龙卷等第二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五以上各类云都能带电，但能形成闪电的灾害云是积雨云，也称雷暴云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第三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五5.2雷暴云概况雷暴是发展旺盛的强对流现象，是伴有强风骤雨、雷鸣闪电的积雨云系统的统称。雷暴的出现带来强降水、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。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。雷暴活动的时空分布雷暴云的主要特点第四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五雷暴的活动规律—地区性和季节性低纬度多于中纬度，中纬度多于高纬度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，多出现在下午第五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

秃积雨云

第七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五鬃积雨云

第八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五冰雹龙卷风第九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五一、雷暴云产生的条件

一般而言，雷暴诞生在暖湿不稳定的空气中，而有利产生雷雨的条件如下：1.地面因日射而增暖2.高空因辐射而冷却3.地面因平流而增暖4.高空有冷空气平流5.下层有暖空气平流6.水平向辐合7.地形举升8.锋面举升雷暴释出的能量极为可观，据估计，一次发展的雷雨相当于十枚投掷于广岛的原子弹爆发所产生的能量，此能量的主要来源于水气凝结释出潜热。第十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五根据雷暴中出现的单体的数目和强度可分为三类

1、单体雷暴:只有一个单体组成，强度弱，范围只有5~10km，寿命短，只有十几分钟2、多单体雷暴：有一连串有序的不同发展阶段的雷暴单体组成，每一单体都经历三个发展阶段。3、超级单体雷暴：强度大，更持久，能更造成强烈的灾害天气的中尺度雷暴。二、雷暴分类第十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

1、单体雷暴

（air-massthunderstorm）由大气的强对流现象形成的一个单独雷雨胞，具有完整的雷暴组织，云顶高度10~15公里，直径由约2~3公里到8~10公里都有，上升气流最旺盛时可达到每秒30公尺，普通则在每秒5~15公尺之间，上升气流以离地3000~10000公尺最为显著第十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五雷暴的形成发展过程形成阶段成熟阶段消散阶段第十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五形成阶段从淡积云发展为浓积云，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，也无降水第十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五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。第十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五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，这时会观测到雷雨云电场的阻尼振荡，这一现象叫EOSO，即雷暴结束时的震荡第十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五雷暴单体内部环流第十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五Squalllinethunderstorm第十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五2、多单体雷暴（multicellstorms）一连串相继发生的单细胞雷暴组合成的雷暴，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：由多次观测结果统计有利于多单体雷暴发生的条件有：ａ.积雨云的云底风速很小，使气流运动且不受摩擦力限制。ｂ.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ｃ.垂直风切很大。第十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五多单体雷暴内部环流第二十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五多单体雷暴的移动

与周围风场的平均风向关系密切，但多单体雷暴所占据的范围较广，其运行还会受制于单体生成发展的方向各个单体受平均风向导引而移动，但通常每15~30分钟就会在图中雷暴下方发展出新个体，所以整个多单体雷暴的移动会偏向平均风向（即个别单体移动方向）的右方。第二十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五3、超级单体雷暴（supercellstorm）1）形成超级单体雷暴的条件：

ａ.强烈的不稳定度ｂ.很强的平均云底环境风（10m/s）ｃ.强烈的风切

d.云层上方向顺转是指更加强大、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。第二十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五超级单体内部环流第二十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五supercellstorm第二十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五三、雷暴云的移动移动或平流：风暴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：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。自传播过程：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。第二十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

按雷暴形成时不同的大气条件和地形条件，雷暴可分为：

1）热雷暴2）锋雷暴（暖锋雷暴、冷锋雷暴）3）地形雷暴此外，也有人把冬季发生的雷暴划为一类，称为冬季雷暴。四、雷暴的分类（二）第二十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

1）热雷暴：

是在天气温暖时，在几乎是静止的很热和均一的气团内发生的。雷云是因下层空气受热或上层空气受冷发生强烈的上下对流作用而致的，往往决定于局部的条件，例如地形、温度和湿度等。

在大陆中，夏季常常有这样的雷暴，它出现在闷热、无风和晴朗的夏天的午后。而下层空气受热的作用在个别的高处和小山上又特别明显，因而这种地方出现的热雷暴也特别多。

这些雷暴伴有强烈的暴雨，发展得很快，下得很急，往往还带有冰雹和无数的闪电，但雷暴的分布极不均匀第二十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

2）锋雷暴：

是在两个大的气团移动时，在界面上，也就是在冷气团和暖气团相遇的锋面上发展起来的。这时冷空气总在暖空气下面，排挤暖而湿的空气，并把它抬升起来，于是那个地方的天气就急剧地变化。按照冷暖空气流动的情况，可以把锋分做两类：

暖锋雷暴冷锋雷暴第二十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五⑴暖锋雷暴：当暖空气流动到原有冷空气区域时，暖空气沿着冷空气斜坡往上升，在上升过程中产生变冷凝结作用产生的雷暴。因为暖空气沿着冷空气的斜坡慢慢往上爬，作用并不剧烈，雷暴的强度一般不大。但这种雷暴分布的范围广，持续时间较长，雨量较多，常以暴雨形式出现，下雨时多半在夜间。⑵冷锋雷暴：当强冷空气流像楔子一样侵入原来较轻而暖湿的气团时所形成的雷暴是，也叫做寒潮雷。由于冷空气往往来势很猛烈，它比前一种雷暴来得猛烈，是雷雨中最强烈的一种，常在短时间内成为特大暴雨，因而危害最烈。第二十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五3）地形雷暴由于地形关系，某些地区特别容易产生雷雨。例如在山岭地区，当暖空气经过山坡被强迫上升时，在山地迎风的一面空气沿山坡上升，到一定高度变冷而形成雷云；但到了山脉背风的那一面，空气沿山坡下沉，温度升高，雷雨消散或减弱。特别是在滨海的山岳地带，近海的一面山坡上便常易有雷雨发生，这是由于海风潮气特重的缘故。第三十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五干雷暴这种雷暴发生时只落下几滴雨，甚至没有雨，却伴随着强烈的台风，大气的带电作用已达到极端状态，所以干雷暴的破坏力特别强大。思考题：试解释成都秋季夜雷暴的类型及成因。？第三十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五一、云雾粒子荷电情况

云雾粒子电荷大小不仅取决于云雾类型、云雾的发展阶段和云雾的不同部位，以及云雾的微观和宏观条件等因素。有如下特点：云雾粒子电荷绝对值在10-20C-10-15C，负电荷一般大于正电荷。对流云中云粒子荷电绝对值一般偏高。云雾粒子电荷绝对值与云雾粒子半径有关，云雾粒子荷电值与其半径呈正相关。5.3云雾粒子的电荷第三十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五云雾粒子电荷绝对值与半径的关系：

大量观测结果表明，云雾粒子电荷绝对值一般与云雾粒子半径呈正相关.云雾粒子的半径愈大，其电荷绝对值也愈大;反之亦然。观测表明云雾粒子电荷与半径间的关系为：有观测表明，云雾粒子电荷与半径成正比：有观测表明，云雾粒子电荷与半径的平方成正比：第三十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五积雨云中的云滴电荷绝对值比积云和层云中的大1-2数量级。对流较弱的层积云和积云中，云滴相对电荷谱分布函数近似呈正态分布，云中大气近似为电中性。在对流旺盛的积雨云中，云滴相对电荷谱分布函数偏离正态分布，表明云中大气荷电第三十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五5.4云中大气电结构一、云中大气电场和大气体电荷分布类型1.无规则电荷分布2.正单极性电荷分布3.正双极性电荷分布4.负单极性电荷分布5.负双极性电荷分布6.多极性电荷分布

其中2+3约为50%,4+5约为40%1+6为10%第三十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五二、层状云中的大气电结构若忽略云中大气水平电场分量，云中大气电场与云中体电荷密度的关系为：E(z)是云中大气垂直电场，其方向向下为正，向上为负。第三十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五基辅、塔什干等地飞机观测到的层状云中电场结果层状云中云层越厚，电场越强，雨层云的电场强度最强第三十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五三、层积云、高层云和高积云中的电场垂直分布第三十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第三十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五高层云不同发展阶段云中的电场廓线第四十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五降雨降雪第四十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五雨层云中电场的高度分布第四十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五四、雷达0℃层亮带和电结构在雷达RHI工作方式下，雨层云雷达回波存在0℃层亮带。由于在0℃层以下，降水粒子溶化，产生很大的反射，出现回波亮带。0℃层亮带处电场也发生明显的突变。第四十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五0℃层亮带在2.65km的高度上，在这一高度上雪转变为雨，电场迅速下降，由弱的正电场变为强的负电场。第四十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五在雨层云中雨滴转变成雪时，电场由负极性变为正极性，与无论在云内还是云外无关。第四十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五五、积云不同阶段和高度的电场和电流第四十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五5.5雷暴云电结构一、偶极或三极结构

一般来讲，雷暴云的上部带正电荷，下部则带负电荷。因而雷暴的电荷结构是典型的电偶极子，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。第四十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第四十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第四十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五负电荷中心位于-10oC~-20oC之间第五十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五在偶极结构雷暴中，下部小正电荷区一般不参与放电雷暴云电荷分布的三极结构下部小正电荷区较强，并参与放电过程。如我国甘肃、青藏高原地区等。第五十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五实际雷暴云中，电荷分布是很复杂的。除了雷暴的主正、负电荷区和底部的小正电荷区外，电荷结构可能会发生倾斜，也可能呈现多偶极形式，而且，不同地区的雷暴特征也不完全一样雷暴云电荷结构的实际探测一般采用三种方式：①利用闪电电场变化的多站地面观测来拟合闪电源的位置，从而来推断云中与闪电放电有关的云电荷分布②火箭或气球携带电场仪穿云观测利用在云内测量到的电场变化，通过高斯定理来估计云中的电荷结构。③飞机穿云观测第五十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

第一种方法得到雷暴电荷分布经典模式——典型的偶极电荷分布

第五十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五反极性电荷结构：

雷暴云中部是主正电荷区，上部为负电荷区。第五十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五二、雷暴云产生的电场雷暴云在地面产生的电场一直是用来衡量雷暴强弱的一个重要参量。第五十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五单极性电荷分布时的电场空间的电荷与地下的部分构成偶极子云带电时静电场偶极子模式第五十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五双极性电荷分布时的电场：对于离云荷电中心电场为零的距离D0为对于D0又称电场的反转距离。它仅与荷电中心高度有关。第五十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第五十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五多极性电荷分布时的电场：第五十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五整个雷暴过程地面电场均为(或主要为)正电场

整个雷暴过程地面电场均为（或主要为）负电场雷暴当顶时地面电场为正电场，之后电场转变为负电场，整个变化波形呈波浪形雷暴类型第六十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五2008.9.24的雷暴过程第六十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第六十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五风暴云的EOSO现象电荷分布的变化：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。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，云中荷电符号发生反转，最后留下负电荷；E、与D类似最后留下正电荷。第六十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五三、雷暴电场与电荷结构可以根据电场波形变化特征来反演雷暴电和结构第六十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五具有偶极结构雷暴云产生的电场具有三极结构雷暴云产生的电场第六十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五四、近地面电晕离子对雷暴地面电场的影响通常雷暴可在地面产生几kV/m的电场，而在自然尖端如灌木、草丛等各种接地的突出尖端上的电场将比环境电场大几十乃至几百倍。当环境地面电场超过一定的阈值，一般为几kV/m时，自然尖端上便发生电晕放电，从而向空间释放离子，形成厚达几百米的空间电荷屏蔽层并影响地面电场

第六十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五地面和440

m，600

m高度上的雷暴电场测量结果第六十七页，共