雷暴天气为何如此暴躁

　　出品：科普中国

　　制作：蒋如斌（中国科学院大气物理研究所）

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　高温过后，全国多个地方出现雷暴天气，发生短时强降水和频繁的闪电，一些强雷暴天气过程甚至持续好几个小时。有市民拍摄到多段罕见且壮观的闪电现象，闪电瞬间照亮天空，黑夜仿如白昼。

　　人类自古以来对雷电（亦作闪电）的巨大威力心存敬畏，最开始，人们从神话、艺术的角度对雷电添加了诸多朴素的理解，认为其是由专司打雷和闪电的天神——“雷公电母”所造就，而西方传说中也有“雷神”这一角色手持巨锤击出雷电。

　　18世纪中叶，著名的富兰克林风筝实验后，人们才了解到雷电是大气中的“放电现象”。实际上，雷电在大气中由“雷暴”所孕育，它同时还伴随着密布的乌云和疾风骤雨。

　　左：对流旺盛的雷暴云及其产生的雷电（图片来源：Roger Hill/Solent News & Photo Agency，https://solent.photoshelter.com/gallery-image/Supercell-thunderstorms-by-Roger-Hill/G0000TmSzxhYQMLE/I0000v9XNa9gkirg）

　　右：典型雷暴云内的电荷分布（图片来源：美国亚利桑那大学网络课件，http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring08/atmo336s1/courses/spring13/atmo589/lecture_notes/feb19/feb19.html）

　　雷暴是什么？

　　在大气科学研究中，通常将产生雷电的天气系统过程称为“雷暴”，它是一种局地性强对流天气，发生时可伴随强风、显著的降水以及频繁的雷击（闪电）。

　　大气中的水在不同压强和温度下可呈现气、液、固等相态。水汽遇冷凝结成的小水滴和冰晶，聚合浮中空中成为云，当气流“托”不住云，往下掉落并融化成的水滴即是雨。众所周知，对流层大气的温度随高度递减，在几公里高度上即可降至冰点，所以，湿热空气的对流抬升是形成云和雨的关键。地球表面受太阳辐射加热不均匀、冷气团和暖气团的交汇、气流遇地形阻挡爬升等，都可能形成对流抬升。若水汽充沛、对流旺盛，抬升形成的云可达几到十几公里厚，最终将降下倾盆大雨。

　　在高空零下十几到几十度的环境中，大量水成物粒子发生增长、碰撞、合并、分离等过程，是雷暴云起电的根源——大气对流的不稳定和能量的剧烈变动，使得雷暴系统内部存在复杂的气流运动，水汽凝结而成的小冰晶，随着气流运动和环境温度的变化，将发生花样百出的变身，形成雪晶、雪花、雹（如软雹、小雹粒、冰雹）等等。此外，雷暴中还存在0度以下仍未结冰的“过冷水”。在复杂的气流中，它们之间的“摩擦”无可避免——于是，电就被“擦”了出来。

　　具体而言，在零下十几到几十度的环境中，冰、雪、雹等粒子的身姿体态和大小重量不尽相同，随气流运动的速度也就快慢有别，不同粒子间的碰撞就必然发生！微观上，冰、雪、雹等粒子的碰撞和弹开，会发生细小的电荷转移，使不同粒子携带正、负相反的电荷；宏观上，不同粒子因密度、重量的差别而随气流分层聚集。形象的说，雷暴系统如同一台巨型抽揉摩擦设备，使原本中性的云体不断分离出正、负电荷——雷暴云被充电了！

　　左：云中不同形态的冰晶、雹粒子（图片来源：华盛顿大学云和气溶胶研究克课题组，见专著《Atmospheric Science-An Introductory Survey》）

　　右：水粒子碰撞和弹开形成电荷分离示意图（图片来源：Clive Saunders教授）

　　雷暴云在发展旺盛的过程中逐渐携带大量电荷，就像无处安放的愤怒，时刻等待着被释放，那些刮破天际的一道道闪光，是不同云层之间、或云与地之间电荷瞬间释放的桥梁。作为长距离、高电压、强电流的大气放电，雷电可产生很宽频段的强电磁辐射，覆盖无线电波、可见光乃至X射线和伽马射线频段。雷电通道的高温可达上万度，通道周围被瞬间加热膨胀的空气形成冲击波，发出轰隆隆的雷声。与此同时，雷暴中的上升气流也逐渐托持不住大量的冰、雪、雹等粒子，它们掉落并融化成雨滴，于是我们便看到了“地上雨水哗哗啦啦，天上闪电噼噼啪啪”的景象。少数情况下，过于强盛的对流使雹粒生长太大，掉落至地面的过程中甚至来不及融化，就是我们所见到的冰雹。

　　延伸阅读：长期以来，雷暴云的起电机制是大气电学研究一大难题，以雷暴云内水成物粒子的碰撞、分离为核心的“粒子荷电机制”是目前学界认可度最高的主要起电机制，可进一步细分为“非感应起电机制”（如文中所述）、“感应起电机制”（即在电场中被极化的不同粒子碰撞时，接触部分发生异性电荷中和，弹开后各自携带净余的正、负电荷）、“次生冰晶起电机制”等。已有观测所揭示的雷电活动与云内参量的关系，多支持这类起电机制在雷暴起电中的主导作用。

　　此外，学界对雷暴起电还提出过其他假说，例如粒子的破碎、冻结、融化起电机制，以及与晴天大气电场中自由电荷有关的离子扩散、离子捕获机制等。

　　雷暴天气很“暴躁”，但也有益

　　可能你会觉得，云、雨、电的爱恨纠结，在雷电发生的那一刻就已尘埃落定，但不为人熟知的是，雷电对大气还有更影响深远的物理和化学作用。就全球大气而言，在天气晴的时候，电离层会往地球不断释放大气电流，持续消耗电离层的“电能”，而雷暴和雷电则是维持电离层电位的重要“发电机”，它们通过雷暴云起电（直流）和雷电（交流）给电离层充电。

　　对流层雷电还能在几十到上百公里高度的中层大气激发红色精灵等放电事件。中层大气放电事件，是由对流层雷电所引发的一种瞬态发光现象，一般发生于40-90 km高空，具有红色精灵（Red Sprite）、蓝色喷流（Blue Jet）、巨大喷流（gigantic get）、淘气精灵（Elves）、光晕（Halo）等多种形式。红色精灵是最为常见的中层大气放电事件，通常由强度较大的正极性云对地闪电所诱发。对流层雷电引发的放电能改变这些区域的温度、电子密度等物理状态，并可能威胁在该区域的临近空间飞行器、浮艇等。与此同时，雷暴还是上部对流层大气的“制冷空调”，并输送水汽产生明显的加湿作用。此外，雷电击穿空气的过程中，高温高压下氮气和氧气被完全电离，并进一步形成氮氧化物LNOx，这种氧化物是大地农作物两好的“肥料物质”。所以，雷雨在灌溉大地的同时，还起到“施肥”的作用呢！而留在大气中的氮氧化物，则作为全球氮循环的一部分，对气候变化产生影响。

　　左：雷暴、雷电作为全球大气电路发电机示意图（图片来源：Colin Price教授讲义《The Global Atmospheric Electric Circuit》， https://www.tau.ac.il/~colin/courses/AtmosElec/Global%20Circuit2013.pdf）

　　右：发生于对流层的雷电激发中层大气放电示意图（图片来源：Pasko, V. P., 2003, Atmos. physics: Electric jets, Nature, 423(6943), 927–929, doi:10.1038/423927a）

　　随着研究的推进，人们对云、雨、电在雷暴云中交织的众多科学问题，正在逐步获得较为透彻的理解和认识，将雷电活动与雷暴天气系统不同参量之间的定量关系（包括动力学参量，如水平、垂直方向上的风向、风速及其变化；微物理参量，如冰、雪、雹、过冷水、雨滴等的生消演变和分布状态；降水量等），应用于数值模式中，既可以对强对流、雷暴天气进行预警，也可以对雷电的发生潜势等进行预报，从而提高对雷暴灾害天气的防御能力。

　　参考资料：

　　1. 郄秀书, 张其林, 袁铁, 张廷龙 (2013), 雷电物理学, 科学出版社, 北京.

　　2. Rakov, V. A., & Uman, M. A. (2003). Lightning: Physics and Effects. Cambridge University Press.

　　3.  Williams, E. R. (2001), "The electrification of severe storms." Severe Convective Storms. American Meteorological Society, Boston, MA.

　　4. Pasko, V. P. (2003), Atmos. physics: Electric jets, Nature, 423(6943), 927–929, doi:10.1038/423927a.

　　5. 美国国家宇航局NASA网站资料：《The Hidden Life of Thunderstorms》

　　6. 讲义《The Global Atmospheric Electric Circuit》by Colin Price.