一朵中等强度雷暴云 携带一座小型核电站的能量

风电壳体、桥架|

雷暴云造成的闪电，危害着各行业生产和人民生命财产安全。 图片来源于网络
又是一年春末夏初，春暖花开的同时，高影响天气也进入多发季。像雷暴，往往伴随着雷雨大风、冰雹等强对流系统出现，破坏性、影响性极强。
近日，有媒体报道，印度研究人员应用一座渺子（μ子）望远镜设施，测出发生于2014年的历史上最高一次雷暴云电势，比此前测得云电势最高纪录高10倍。什么是雷暴云，发生雷暴云后对人们的生产和生活将会带来怎样的影响，对其电势监测又有什么意义？就这些问题，记者采访了相关专家。
云地闪电 严重危害百姓生活
“气象概念上，伴有闪电的积雨云就可称为雷暴云。”国家气象中心强天气预报中心高级工程师蓝渝在接受记者采访时说，孤立的雷暴云叫做雷暴单体，其水平尺度约十几公里，多个雷暴单体成群成带地聚集在一起则会组成中尺度对流系统，是造成暴雨、冰雹、雷雨大风和龙卷风等灾害性天气的重要系统。
蓝渝介绍，雷暴云的出现是对流系统生成的重要指征和表现。由雷暴云造成的闪电，特别是云地闪电，对工业生产、电器领域、百姓生活有着方方面面的危害，中国平均每年就有百人以上因云地闪电直击而死亡，而造成的直接间接经济损失则不计其数。除此之外，强盛的对流系统则是造成短时暴雨、雷暴大风、冰雹、龙卷风等各类极端强对流灾害天气的罪魁祸首，直接危害各行业生产和人民生命财产安全。
据了解，典型的雷暴云是具有强烈上升气流和下沉气流的积雨云。这种云垂直伸展较高，如高耸的陡山，顶部可呈砧或鬃状；底部较暗，时有悬球状结构。单个积雨云的主体水平尺度在几公里到20公里左右。雷暴云的发展与热气团在不稳定环境中的对流抬升有关。
“超级单体雷暴具有强烈上升气流和下沉气流对流活动，相比普通雷暴单体其具有更长的生命史，也具备更大的破坏力。”蓝渝告诉记者，在美国，得克萨斯、堪萨斯、科罗拉多位于龙卷风走廊地带。每年春季，来自于墨西哥湾的湿热空气，与来自加拿大和落基山脉的干冷空气相遇，较易形成超级单体雷暴。由于伴随深厚、持续旋转的上升气流，其外观与圆形飞船相似，其具备的强“旋转性”也是导致龙卷风形成的重要因素，成熟的超级单体雷暴所造成的对流性大风常常会刮倒树枝电缆，随之而来的暴雨冰雹也会破坏道路建筑，伤害力巨大。
监测系统 最新空间定位逼近米量级
“雷暴云顶部一般较高，云的上部常有冰晶。在空气对流活动中，冰晶、水滴的碰撞、破碎等物理过程，使云中产生电荷。”蓝渝说。
云中电荷的分布较复杂，经典的雷暴云电荷结构，上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间或者云内与地面之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电。这就是常见的闪电，闪电的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。一个中等强度雷暴云的功率可达1万千瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中，由于放电通道中温度骤增，伴随发出强烈的闪光，而空气受热后体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的爆炸轰鸣声，这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。
“由于较强闪电，特别是云地闪电，对人们生命安全、家电设备、高精仪器等都可能造成极大影响，因此一直以来科学家们对闪电开展了全方面的探测和研究。”蓝渝介绍，目前对于雷暴云中放电（闪电）的观测，主要是通过对闪电造成的各频段电磁辐射进行遥测，从而科学计算出闪电放电强度信息（电势、电流）、放电定位和传播速度。当前主流定位观测设备能以微秒量级的时间分辨率、百米量级的空间定位精度对闪电放电的详细过程进行定位观测，最新的系统时间分辨率可以达到数十纳秒量级，空间定位精度逼近米量级。
此外，科学家还通过开展“人工引雷”试验，通过人工引导闪电击中专业探测设备的方式，实现对闪电电流、电势强度等信息的直接测量，收集一手资料，这也是判断雷暴云闪电放电强度的重要依据。
至于渺子望远镜，蓝渝表示，其主要应用于宇宙射线的观测，目前并不是观测闪电的主流设备。“应该指出，虽然闪电的产生与发展过程中会伴随产生各频段高能射线，但其与宇宙射线的相似性以及此观测方法应用的科学合理性，目前还并未得到科学界的普遍认可。”蓝渝说。
预报预警 雷暴云监测意义重大
蓝渝表示，雷暴云是形成强对流性极端天气的基本必要条件，因此，一定程度上讲，对雷暴云的监测是目前强对流灾害天气预报预警业务的基础与根本。
以我们常见的飞机飞行为例，当发展旺盛的雷暴云顶达到1万米时，云中上升、下降气流的垂直速度每秒可达20米至30米，并伴有强烈的乱流。如果飞机不慎进入云中，强烈的气流会造成飞机中度以上颠簸，如果气流极为强烈，甚至可以使飞机的飞行高度在瞬间上升或下降几十米至几百米。这时，由于飞机的剧烈震动，飞机上的仪表指示往往滞后，不能准确地反映飞机瞬间的飞行状态，因此飞行员的操作稍有不慎，就会导致飞行事故发生。
当然，对飞机造成最大威胁的还是雷暴云中的闪电。监测发现，当闪电发生时，雷暴云中的电场强度可达到每米2万伏特以上，可以想象20万安培的电流所形成的一条温度达1.5万至2万摄氏度的狭长区域，无疑是飞机的禁区，飞机一旦进入，轻则无线电罗盘失灵、电源损坏，重则机毁人亡。
“不仅如此，对闪电活动特征本身的了解，对冰雹和龙卷风这类强对流灾害天气也有一定的指示意义。”蓝渝说，一方面，闪电是雷暴云内的物理现象，也是强对流活动生成发展的重要表征。空气剧烈的上升下沉活动，看不见摸不着，人们难以直接观测，但闪电，特别是云地闪电的发生，已有多种方法可以实现实时的高精度遥测定位。因此，对闪电的精密观测，为气象工作者第一时间捕捉对流活动、判断对流强度等重要信息提供了第一手资料。
另一方面，闪电活动的变化是果，反应的是雷暴云内对流剧烈程度、电荷结构等物理过程特征，例如闪电的频繁程度（闪电密度）、平均放电电流强度、放电极性比例及这类量值在时间上的变化特征等精细化要素，在预报和预警业务中对及时判断雷暴云中对流活动强度变化、判断如冰雹和龙卷风这类强对流灾害天气的发生，有一定的指示意义。通常意义上，对流单体产生的闪电活动越剧烈，其产生灾害性天气的可能性越高。
蓝渝认为，目前，通过数值模式对天气物理过程开展模拟，在此基础上进行未来预报，已经成为预报业务的重要技术手段。对雷暴机理认识的加深，定量化的闪电放电过程将作为一种大气电学物理参量，参与到数值模式计算中，有利于完善其对各类对流活动的模拟方案优化，带来更加精细更加可信的分析预报产品。