探索对流和雷暴现象

当一个气团被加热时将变得比周围环境轻，正浮力会使气团向上加速运动。只要该气团比周围环境温度高，加速就将维持，称作自由对流。干燥空气只有在不稳定大气下才能发生自由对流，即气温垂直递减率低于绝热递减率。

如果气团包含足够的水蒸气，那么温度的降低将致使水蒸气凝结释放潜热，从而使上升的气团温度升高。即使潮湿气团上升会释放额外的能量，其温度也是随高度升高而降低的，只是降低的速度比干燥气团慢得多，也就是说，比没有相变过程的情况降温速度慢。从统计意义上讲，这时的环境对干燥空气是稳定的，对潮湿空气是不稳定的。自由对流因此把气团从地表附近向上位移，形成对流气柱。为了填补空缺，空气将开始在对流气柱下方汇聚，并最终进入对流气柱，促进已经存在的对流过程。这是雷暴云团生成的原因。自由对流在垂直方向持续进行，直到环境变得对潮湿空气也足够稳定。这种情况通常在到达对流层顶之前不会发生。雷暴云因此可以穿透整个对流层，由于垂直高速运动甚至可以刺入平流层。凝结的水蒸气落地为雨。雨滴与极冷冰晶云团碰撞可以发生冰雹。冰雹颗粒通常会在对流气柱中上下运动数次，并持续长大，直到下降速度大于向上的垂直风速才落到地面。要想使冰雹颗粒达到几厘米直径，云层内的垂直风速需达到50m/s，也就是我们通常所说的强对流天气。

雷暴过程中，极其巨大的能量参与巨量的空气质量再分配过程。地表附近空气的汇聚会在雷暴来临前引起大风。雨滴下降蒸发吸热引起云团内空气降温，而当这股冷气向下俯冲并向云团下方四周扩散时，真正的强大的、湍流激烈的和危险的风才会出现，称作下击暴流。下击暴流发生非常突然。风向从流入雷暴的对流气流到下击暴流瞬间逆转180°，是很多飞机空难的元凶。

通常多个对流胞结合成一个具有共同动力学机制的更大系统单元。中尺度对流系统包括整个系统单元尺度下的涡旋，即数十公里直径。在特殊有利条件下，这种涡旋可以发展成为龙卷风。龙卷风发生几率很低，但破坏性极强，路过之处摧枯拉朽，可扫荡几百米甚至上千米宽，数十公里远。在美国，一年内发生龙卷风次数的记录为1717次（2004年，NOAA)。龙卷风在北欧、东亚和澳大利亚也不少见。令人惊奇的是，英国观测到的龙卷风密度最大，这可能与人口密度和龙卷风可能被记录的可能性有关。(www.xing528.com)

图11-17 全球龙卷风发生概率分布图（NOAA)

雷暴的另一个威胁则是闪电。除了质量，对流云的上升气流同样对大量的电荷进行了再分配。当一极的电荷聚集，将产生强大的电动势。当电动势大于空气电阻时，就会引起突然的电流放电，形成闪电。由于空气电阻很大，电流穿过时很大一部分能量使空气加热直到发光。加热的结果导致气体膨胀，并进而产生声波，这就是我们听到的雷鸣。地对云或云对地的放电触点非常飘忽不定，暴露的风力发电机就是非常良好的目标。