雷暴

雷暴（thunderstorms）指由于强积雨云引起的伴有雷电活动和阵性降水的局地风暴，在地面观测中仅指伴有雷鸣和闪电的天气现象。雷暴是对流旺盛的天气系统，所产生的天气现象叫做对流性天气。^[1][2][3][4]其实质是一部分带有电离子的云层对另一部分带异种电荷的云层或大地迅猛的放电。^[5][6]雷暴常发生于中低纬度地区春季和夏季的下午和晚上。^[7]

雷暴有一般雷暴与强雷暴之分。通常把只伴有阵雨的雷暴称为一般雷暴，把伴有龙卷、强风（或下击暴流）、大雹块、暴洪、雷击等灾害性天气现象之一的雷暴叫作强雷暴。^[1]雷暴通常影响范围较小，发展速度快，持续时间短，很少超过两个小时。^[2][8]其生命周期包括积云阶段（cumulus stage）、成熟阶段（mature stage）和消散阶段（dissipating stage）。根据雷暴云体形成数目和强度可以将雷暴分成单体雷暴（又称气团雷暴）、多单体雷暴以及超级单体雷暴。按雷暴形成时不同的大气条件和地形条件，可将雷暴分为热雷暴、锋面雷暴和地形雷暴。锋面雷暴可分为暖锋雷暴和冷锋雷暴两种。此外，也有人把冬季发生的雷暴划为一类，称为冬季雷暴。^{[1][9][10][11]}

强雷暴是一种灾害性天气，雷电会引起雷击火险，大风和冰雹会毁坏建筑和农作物，局部地区暴雨可能引起山洪暴发、泥石流等地质灾害。同时，雷暴也能带来大量降水，受雷击的空气每年能产生数亿吨氮肥，随雨水渗入土地。^[7][9]

太阳加热地球表面，使地表的空气变暖，热空气带着大量的水汽上升到高空，将热量从地表传递到大气的上层。随着热空气的上升，它所含的水蒸气开始冷却，释放出热量，凝结并形成积雨云。一般来说，云的上部以正电荷为主，中下部多为负电荷，它们之间存在的电位差让积雨云内部产生放电现象，从而出现闪电 ，闪电产生的高温又会使空气和水滴急剧膨胀，出现雷暴天气。雷暴的形成通常需要三个元素：湿气、上升的不稳定空气以及提升力。^[6][12]

单体雷暴的生命周期分为积云阶段（也称发展阶段或形成阶段）、成熟阶段和消散阶段。多单体雷暴的每一个单体雷暴亦分为上述三个阶段。^[1][9][11]

积云阶段是雷暴生命周期的第一个阶段，即从初生的积云发展为浓积云，此阶段一般需10~15min，其主要特征是上升气流贯穿于整个云体。^[1][13]在积云阶段，云中包含的空气全部为上升湿气，云体越高则上升气流越强，初期积云中上升气流的速度一般不超过5米/秒，在后期发展强盛的浓积云中，上升气流速度可达15~20米/秒。在云的侧缘，大量外界空气被挟入，形成挟卷现象。由于上升气流速率很大，所以在冻结高度上方，可能存在过冷却雨滴，易发生积冰现象，该区域可能会对飞机对飞行安全造成威胁。^[14][11]

成熟阶段是雷暴生命周期的第二个阶段，在此阶段，云内上升运动加强，从浓积云发展到积雨云，成熟阶段可以持续15~30min，其主要特征是开始产生降水，并且由于降水物的拖曳作用产生了下沉气流。^[1][13]在下沉气流上方，上升气流仍贯穿云体。成熟阶段云中物态复杂。一般来说，0℃等温线至-20℃等温线之间的区城主要由过冷水滴、雪花及冰晶纽成，而冰晶是从-10℃附近开始出现并随高度逐渐增多的。到了冻结高度，由于过冷水大量冻结而释放潜热（80卡/克），使云顶突然向上发展。云顶到达对流层顶附近后向水平方向铺展，于是形成了云砧。^[13][11]

消散阶段是雷暴生命周期的最后一个阶段，其特征是下沉气流占据了云体的主要部分。^[13]当成熟阶段的降水在整个云中发展时，下沉气流不断扩大范围，发展到消散阶段时，下称气流几乎扩展到整个云体。这时由于失去了过饱和上升气流的来源，云滴就不能再增大，降水就此很快停止，云体瓦解消散，不久会蒸发消失。^[11][1][14]

雷暴活动具有地区性和季节性，通常低纬度多于中纬度，中纬度多于高纬度，全球的雷暴很大一部分都发生在低纬度热带地区。这是由于低纬度地区终年高温多雨，光照充足，暖湿空气常处于不稳定状态，一年四季都易形成雷暴。中纬度温带地区四季都会出现雷暴，但春夏两季更容易发生雷暴，春夏季时，由于近地层大气的温度和湿度都增加，导致大气层结不稳定，再加上经常有天气系统活动，因此雷暴较多。高纬度地区气温和湿度都比较低，大气较稳定，不容易形成雷暴。^[15][16][7]在同纬度地区，一般山地发生雷暴的次数多于平原，内陆多于沿海。^[15][7]

由一个积雨云单体构成的雷暴，称为单体雷暴（single-cell storms），其范围小，只有5~10km，强度弱，生命只有几十分钟，属于小尺度天气系统。^[1][17][18]

多单体雷暴（multicell storms）由一连串不同发展阶段的雷雨云单体组成，属于中尺度天气系统。在气象卫星观测的增强红外云图上可以见到多个冷云中心，有时还可以看到几个雷暴单体的合并过程。^[1][17][18]其中呈带状分布的雷暴或者积雨云称为飑线。^[19]

超级单体雷暴（supercells）指强度大、持续时间长，能造成更为强烈的灾害性天气的超级大单体雷雨云，超级单体的尺度可以达到20~40km，有着高度组织化和十分稳定的内部环流，属于中尺度天气系统。^{[1][17][19][18]}超级单体雷暴与风的垂直切变有密切关系，它一般发生于下面条件下：①发生在强不稳定的大气中；②云内有强烈的上升运动，上升速度多达10m/s以上；③环境风随高度升高而顺转；④有强的环境风的垂直切变。^[1]

雷暴生成后，会受到大气气流的吹送，也能自我传播，同时还受天气系统和自然地理条件的影响，这些因素共同影响雷暴的移动。^[20][21][22]

雷雨云在其发展的整个生命期内受环境气流的影响，沿环境平均风方向移动，方向与700毫巴^[注1]层的风向大体一致。^[20][21]

雷雨云发展过程中，云体前部边界不断形成新的雷暴单体，后部云体逐渐消散，这种云体新陈代谢的现象叫作雷暴的传播。^[21]如果雷暴处在风速和垂直切变不大的环境中，其传播方向不定，新的雷暴单体在旧的雷暴周围随机形成，此时雷暴的移动是不规则的。^[20][21]如果雷暴处在有一定风速，垂直切变不大的风场中，则其移动或多或少受到风速影响，但仍会不规则地改变移动方向和速度。当有下沉气流存在时，其传播主要向前，移动方向和云内风向大致一样，移动速度大于云内风速。^[20]

伴随天气系统出现的雷暴，其移动与天气系统的移动基本相同。中国广大地区属于西风带，天气系统通常由西向东或由西向东南移动，雷暴多由西或西北移动向东或东南。^[20]

江、河、湖、海及山脉等地理条件对雷暴的移动有一定影响。在江河湖海地区，由于热力作用，白天通常有下降气流存在，雷暴移动到此强度会减弱。白天常沿河岸移动，很少越过河（湖），锋面雷暴可越过河，但强度会减弱，在夜间水面的热力作用会起相反作用，雷暴经过时反而会增强。当雷暴接近山脉时，受山脉阻挡时会顺山脉移动，有时在山区打转寻找出口，转到山口时会迅速移出。此外，雷暴爬山时会增强，下山时会减弱。^{[23][20][21][22]}

如果是伴随天气系统出现的雷暴，地形不能从根本上改变其移动，此类雷暴一般都能越过山水，仅会在山脉的背风侧和冷水面上暂时减弱或消失，待移开后又可以重新发展。^[20][15][23]

由于雷暴灾害涉及面广，发生速度快，因此雷暴监测和预报显得尤为重要，而且发生雷灾后的抢救善后工作也用得上雷暴探测技术。1897年和1902年，英国人H.H.霍夫特（H.H.Hoffert）和德国人B.瓦尔特（B.Walter）开始使用胶卷移动照相法开始观测雷电。^[24]1926年，弗龙·博伊斯（Vermnon Boys）发明了高速旋转式相机，时间分辨率可达微秒量级，提高了闪电观测的精度，从而得到闪电的结构和发展过程。^[25]20世纪70年代末，美国成功研制雷电定位系统，开始对雷电的发展过程和参数进行大范围遥测，为许多行业提供了有效雷电预警。^[24]随着科技发展，目前雷暴的监测方法主要有：目测、照相、电场仪、闪电计数器、光谱仪、脉冲电压记录仪、卫星闪电探测器、声探测器、雷达探测等。^[26][27][28]中国已经建立了包括实时监测、临近预警和短期潜势预报的强对流天气预报业务，初步实现对雷暴、短时强降水、雷暴大风和冰雹的监测、预警以及72h内的潜势预报。^[29]

在雷暴短时预报方面，主要是利用中尺度观测系统、雷达、卫星和雷暴定位系统等观测资料以及数值预报模式产品。由于对雷暴认识的不足，雷暴的预报还没有非常成熟的业务系统。虽然通过研究找到了许多雷暴临近的预警指标，但没有任何一个指标能在各种情况下都提供非常精确的预报。因此需要利用不同传感器的观测资料在雷暴探测中具有互补性的特点，结合不同探测资料，综合开展雷暴预警预报。^[30][31]美国的研究发现，当只用雷达资料或只用闪电资料时，预报准确率为74%，而采用综合资料时的预报准确率为85%。^[30]

雷暴日

雷暴日指一年中该地区发生雷暴的日子，在一天内，只要听到雷声一次及以上即算一个雷暴日，而不论该天雷暴发生的次数和持续时间。雷暴日越多，则表示该地区雷暴活动越强，反之则越弱。^[32][21]

雷暴日又分为月雷暴日、季雷暴日和年雷暴日。月雷暴日指一个月内的雷暴天数，单位为天，反映的是一月内雷暴活动的强弱程度；季雷暴日指一个季度内的雷暴天数，单位为天；年雷暴日指一年中的雷暴天数，单位为天，它能可靠地反映全年雷暴的活动。所有雷暴日都不能反映一天中雷暴发生频次和雷暴持续时间。^[21][32]

雷闪频数

一些科学家认为用雷暴日表征某地区的雷暴活动强弱程度不够准确，用雷闪频数，即1000平方千米范围一年共发生的闪击数来描述雷暴活动更为准确。该参数更适用于航天、航海、通讯等领域，但其观测方法只能借助于无线电，而不能用耳朵听。大量观测数据表明，一个地区的雷暴日和雷闪频数成线性关系，因此两种统计方法并无矛盾。^[32]

平均雷暴日

平均雷暴日分为平均月雷暴日、平均季雷暴日和平均年雷暴日。平均月雷暴日指月雷暴日的多年平均结果，单位为天，它进一步反映全年各个月份雷暴活动强弱程度的多年平均情况。平均季雷暴日和平均年雷暴日分别指季雷暴日的多年平均结果和年雷暴日的多年平均结果，单位为天。平均年雷暴日反映一个地区雷暴活动日的多年平均情况，更接近实际，在雷暴气候统计中和雷电防护中常被使用。^[21][32]

雷暴时

雷暴时指某一个小时内发生过雷暴，中国大部分地区一个雷暴日大约为 3 个雷暴时。雷暴时分日雷暴时、月雷暴时、季雷暴时和年雷暴时。分别指该日、月、季、年中发生雷暴的时数，单位为时。^[21][32]

平均雷暴时

平均雷暴时分为平均日雷暴时、平均月雷暴时、平均季雷暴时、平均年雷暴时，分别指日、月、季、年雷暴时的多年平均结果，单位为时。其中平均月雷暴时比月雷暴时更可靠地反映了全月雷暴活动多少的多年平均情况。^[21][32]

逐时年雷暴时

逐时年雷暴时指一天中某一小时内在全年中的雷暴时数，单位为时，根据一天24小时逐时年雷暴时的观测资料，可表征全年雷暴活动的日变化。^[21][32]

平均逐时年雷暴时

平均逐时年雷暴时指逐时年雷暴时的多年平均结果，单位为时；根据一天24小时平均逐时年雷暴时的观测资料，可表征全年雷暴活动的日变化的多年平均结果。^[21][32]

雷暴月、年雷暴月

雷暴月指该月中发生过雷暴，而不论该月发生过多少天雷暴；年雷暴月是一年中雷暴月数，单位为月。^[21][32]

平均雷暴月

平均雷暴月指年雷暴月的多年平均结果，单位为月；它概略地反映了全年雷暴活动月份多少的多年平均情况。^[21][32]

雷暴季节

雷暴季节指一年中雷暴所发生的月份，而不论在这些月份中雷电发生的天数。如某地某年雷暴发生于4、6、7、8、9月，则雷暴季节为4月、6—9月。而不能为4—9月，因为5月没有雷暴出现。雷暴季节表示的是一年中雷暴活动发生的月份，粗略地反映全年雷暴活动的分布情况。^[21][32]

平均雷暴季节

平均雷暴季节指雷暴季节的多年平均结果，近似为平均初雷暴所在月份至平均终雷暴所在的月份。平均雷暴季节能大概反映全年雷暴活动的年内分布和强弱程度的多年平均情况。^[21][32]

雷暴持续时期

雷暴持续时期指一年中初雷日期与终雷日期之间的天数，单位为天。雷暴持续期仅表示一年中可能发生雷暴的持续天数，而不表示一年中雷暴可能发生多少天。所以有的地方在不同年份有相近的雷暴持续期，但一年中雷暴发生的天数差异较大。^[21][32]

平均雷暴持续时期

平均雷暴持续时期是雷暴持续期的多年平均结果，单位为天。平均雷暴持续期表示一年中可能发生雷暴的平均持续天数，它反映雷暴活动的多年平均结果。^[21][32]

其他参数

除以上参数外，还可以取平均月雷暴时与平均月雷暴日之比、平均季雷暴时与平均季雷暴日之比、平均年雷暴时与平均年雷暴日之比等作为雷暴活动的参量。^[21][32]

全世界平均每分钟约有2000个雷暴在形成，其中很大一部分发生在热带地区。每天大约有4.5万个雷暴发生，全球每年发生的雷暴数超过1600万个，这些雷暴每秒放出100次闪电闪击地球，雷电会引起雷击火险，全球每年因雷击造成的人员伤亡超过一万人。20世纪末，雷电灾害被联合国列为对人类生活影响最严重的十大自然灾害之一。中国是雷电灾害频繁发生的地区，根据中国气象局雷电防护管理办公室1998—2001年各年的《全国雷电灾害典型实例汇编》统计，每年发生的雷电灾害有近万次，造成的人员伤亡有1000~2000人，直接经济损失达几十亿到上百亿元人民币。^[16][33][6]雷暴还常常伴有大风、暴雨以及冰雹和龙卷等灾害性天气，影响飞机、导弹等安全飞行，干扰无线电通信，摧毁建筑物、农作物、输电和通讯线路的支架、电杆、电气机车等。局部地区暴雨可能还会引起山洪暴发、泥石流等地质灾害。^[34][7][9]

雷电可以净化大气环境，发生雷电时，强烈的光化学作用会使空气中的部分氧气发生化学反应，生成具有杀菌作用的臭氧。^[35]雷雨过后，1cm3空气中所含的负氧离子数目可达1万多个，而在晴天的闹市区，负氧离子的数目只有几十个，负氧离子对人体健康非常有利。^[34][36]雷暴产生的闪电还可以制造化肥，氮和氧是空气的主要成分，在平常温度下两者不易结合，只有当温度很高时氮和氧才能合成二氧化氮，雷暴天气中的闪电可以提供氮和氧化合生成二氧化氮所需的温度，二氧化氮溶解在雨水里变成浓度很低的硝酸，它一落到土壤中，马上就和其他物质化合，变成氮肥。^[34][7]

全球雷暴相当于一个发电机，上连接电离层，下连接导电地面，雷暴不断向电离层充电，维持了全球电路的平衡。^[37]此外，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。^[38][39]

2020年4月29日，在北美“中尺度对流系统”雷暴热点地区，出现世界最长单次闪电，其水平距离为768±8公里，相当于北京与烟台之间的距离。这一新纪录比之前的纪录709±8公里长了近60公里。^[40][41][42]

2020年6月18日，在乌拉圭和阿根廷北部上空雷暴中，探测到单次闪电的最长持续时间记录，长达17.102±0.002秒。而此前记录的最长巨型闪电的持续时间为16.73秒。^[41][42]

当雷暴发生时，尽可能地留在室内，在室外工作的人应该找地方躲避。在室内时人体最好离开可能传来雷电侵入波的线路和设备1.5m以上，尽量暂时不用电器，最好拔掉电源插头；不要打电话；不要靠近室内的金属设备如暖气片、自来水管、下水管；要尽量离开电源线、电话线、广播线，以防止这些线路和设备对人体的二次放电。^[7][43][44]

如果雷暴发生时正在户外进行水上运动，应赶快离开水面找地方躲避。不要站立在海拔比较高的地方，远离导电性高的物体。树木或桅杆容易被闪电击中，应尽量远离。闪电击中物体后，电流会经地面传开，因此不要躺在地上，潮湿地面尤其危险。应该蹲着并尽量减少与地面接触的面积。同时还要避免接触天线、水龙头、水管、铁丝网或其他类似金属装置。^[7][43]