第二章雷暴及其起电

第二章 雷暴及其起电 雷暴云是闪电的主要产生源，按照Winn et al (1974)的探空结果，当云中局部电场超过约 400 kV/m 时，就能发生闪电放电。因此，在讨论闪电之前，本章将简要概述雷暴的发展及其电荷结构，并阐述雷雨云起电机制的一些基本概念和相关的现象。有关细节可参阅下面提到的一些专著或文献。 2 .1 雷暴的形成 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。例如，当地表被太阳加热时，部分能量将转移给低层大气并加热地表附近的空气。被加热后的低层暖湿空气密度减小，在不稳定的垂直大气中逐步上升。由于气压随高度降低，因而空气在上升过程中不断膨胀，并将内部的热能转化为势能，从而导致温度下降。如果气团继续上升，冷却的结果将使水汽凝结到漂浮在空气中的固态凝结核上，由此形成了气团内部杂乱无章的小水滴，这就是“云”。由于这种云由液态水滴组成，称为暖云。 空气上升后，云四周较稠密的干冷空气将下沉，从而形成了以环型的上升气流和下沉气流为特征的对流单位体（见图 2-1）。上升气团的垂直渗透高度受大气稳定度、周围空气混 合后的稀释度以及摩擦力三个因素的制约。如果对流能够继续进行，则将发展成为几公里厚的旺盛积雨云，并可以大于10 m/s 的垂直速度上升。在气流上升过程中，由于各种原因导致水滴增长，所形成的水滴可分为两种类型：一是半径为10~100 µm 的小 水滴（ 云滴），它 保 持 悬 浮 状 态 ，并随 气流而 上升； 另 一种是雨滴，它 的尺 寸 较 大，并具 有 等 于或 大于上升气流（ 5~ 10 m/s） 的相 对下 降 速度。这 些 雨滴的半径为0.1~ 1 mm，有 的甚 至 可达 4 mm。每 千 克 空 气中一般 有 0.1~ 1 g的液 态 水含 量 。具 有 强 大上升气流而 且 发展旺盛的积状 云云体 和 云高 不 停 地 增长，直到 它 们 遇 到 大气中的热稳定层才终止。稳定的平流层常限制了大多数雷暴发展的最终高 度。当上升云体 遇 到 稳定层时，其垂直运动往往要发生偏转，并将失去积状 云的外貌，而 呈现为环型扁平状 云顶。 在云中的负温区，大气中另 一种冰核开始起作用。水汽在其上凝华或 过冷水滴在其上冻结形成冰晶，进而...