又是一年春末夏初，春暖花開的同時，高影響天氣也進入多發季。像雷暴，往往伴隨著雷雨大風、冰雹等強對流系統出現，破壞性、影響性極強。
近日，有媒體報導，印度研究人員應用一座渺子（μ子）望遠鏡設施，測出發生於2014年的歷史上最高一次雷暴雲電勢，比此前測得雲電勢最高紀錄高10倍。什麼是雷暴雲，發生雷暴雲後對人們的生產和生活將會帶來怎樣的影響，對其電勢監測又有什麼意義？就這些問題，科技日報記者採訪了相關專家。
雲地閃電 嚴重危害百姓生活
「氣象概念上，伴有閃電的積雨雲就可稱為雷暴雲。」國家氣象中心強天氣預報中心高級工程師藍渝在接受記者採訪時說，孤立的雷暴雲叫做雷暴單體，其水平尺度約十幾公裡，多個雷暴單體成群成帶地聚集在一起則會組成中尺度對流系統，是造成暴雨、冰雹、雷雨大風和龍捲風等災害性天氣的重要系統。
藍渝介紹，雷暴雲的出現是對流系統生成的重要指徵和表現。由雷暴雲造成的閃電，特別是雲地閃電，對工業生產、電器領域、百姓生活有著方方面面的危害，中國平均每年就有百人以上因雲地閃電直擊而死亡，而造成的直接間接經濟損失則不計其數。除此之外，強盛的對流系統則是造成短時暴雨、雷暴大風、冰雹、龍捲風等各類極端強對流災害天氣的罪魁禍首，直接危害各行業生產和人民生命財產安全。
據了解，典型的雷暴雲是具有強烈上升氣流和下沉氣流的積雨雲。這種雲垂直伸展較高，如高聳的陡山，頂部可呈砧或鬃狀；底部較暗，時有懸球狀結構。單個積雨雲的主體水平尺度在幾公裡到20公裡左右。雷暴雲的發展與熱氣團在不穩定環境中的對流抬升有關。
「超級單體雷暴具有強烈上升氣流和下沉氣流對流活動，相比普通雷暴單體其具有更長的生命史，也具備更大的破壞力。」藍渝告訴記者，在美國，德克薩斯、堪薩斯、科羅拉多位於龍捲風走廊地帶。每年春季，來自於墨西哥灣的溼熱空氣，與來自加拿大和落基山脈的乾冷空氣相遇，較易形成超級單體雷暴。由於伴隨深厚、持續旋轉的上升氣流，其外觀與圓形飛船相似，其具備的強「旋轉性」也是導致龍捲風形成的重要因素，成熟的超級單體雷暴所造成的對流性大風常常會颳倒樹枝電纜，隨之而來的暴雨冰雹也會破壞道路建築，傷害力巨大。
監測系統 最新空間定位逼近米量級
「雷暴雲頂部一般較高，雲的上部常有冰晶。在空氣對流活動中，冰晶、水滴的碰撞、破碎等物理過程，使雲中產生電荷。」藍渝說。
雲中電荷的分布較複雜，經典的雷暴雲電荷結構，上部以正電荷為主，下部以負電荷為主。因此，雲的上、下部之間或者雲內與地面之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度後，就會產生放電。這就是常見的閃電，閃電的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個中等強度雷暴雲的功率可達1萬千瓦，相當於一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，由於放電通道中溫度驟增，伴隨發出強烈的閃光，而空氣受熱後體積急劇膨脹，從而產生衝擊波，導致強烈的爆炸轟鳴聲，這就是人們見到和聽到的閃電雷鳴。
「由於較強閃電，特別是雲地閃電，對人們生命安全、家電設備、高精儀器等都可能造成極大影響，因此一直以來科學家們對閃電開展了全方面的探測和研究。」藍渝介紹，目前對於雷暴雲中放電（閃電）的觀測，主要是通過對閃電造成的各頻段電磁輻射進行遙測，從而科學計算出閃電放電強度信息（電勢、電流）、放電定位和傳播速度。當前主流定位觀測設備能以微秒量級的時間解析度、百米量級的空間定位精度對閃電放電的詳細過程進行定位觀測，最新的系統時間解析度可以達到數十納秒量級，空間定位精度逼近米量級。
此外，科學家還通過開展「人工引雷」試驗，通過人工引導閃電擊中專業探測設備的方式，實現對閃電電流、電勢強度等信息的直接測量，收集一手資料，這也是判斷雷暴雲閃電放電強度的重要依據。
至於渺子望遠鏡，藍渝表示，其主要應用於宇宙射線的觀測，目前並不是觀測閃電的主流設備。「應該指出，雖然閃電的產生與發展過程中會伴隨產生各頻段高能射線，但其與宇宙射線的相似性以及此觀測方法應用的科學合理性，目前還並未得到科學界的普遍認可。」藍渝說。
預報預警 雷暴雲監測意義重大
藍渝表示，雷暴雲是形成強對流性極端天氣的基本必要條件，因此，一定程度上講，對雷暴雲的監測是目前強對流災害天氣預報預警業務的基礎與根本。
以我們常見的飛機飛行為例，當發展旺盛的雷暴雲頂達到1萬米時，雲中上升、下降氣流的垂直速度每秒可達20米至30米，並伴有強烈的亂流。如果飛機不慎進入雲中，強烈的氣流會造成飛機中度以上顛簸，如果氣流極為強烈，甚至可以使飛機的飛行高度在瞬間上升或下降幾十米至幾百米。這時，由於飛機的劇烈震動，飛機上的儀表指示往往滯後，不能準確地反映飛機瞬間的飛行狀態，因此飛行員的操作稍有不慎，就會導致飛行事故發生。
當然，對飛機造成最大威脅的還是雷暴雲中的閃電。監測發現，當閃電發生時，雷暴雲中的電場強度可達到每米2萬伏特以上，可以想像20萬安培的電流所形成的一條溫度達1.5萬至2萬攝氏度的狹長區域，無疑是飛機的禁區，飛機一旦進入，輕則無線電羅盤失靈、電源損壞，重則機毀人亡。
「不僅如此，對閃電活動特徵本身的了解，對冰雹和龍捲風這類強對流災害天氣也有一定的指示意義。」藍渝說，一方面，閃電是雷暴雲內的物理現象，也是強對流活動生成發展的重要表徵。空氣劇烈的上升下沉活動，看不見摸不著，人們難以直接觀測，但閃電，特別是雲地閃電的發生，已有多種方法可以實現實時的高精度遙測定位。因此，對閃電的精密觀測，為氣象工作者第一時間捕捉對流活動、判斷對流強度等重要信息提供了第一手資料。
另一方面，閃電活動的變化是果，反應的是雷暴雲內對流劇烈程度、電荷結構等物理過程特徵，例如閃電的頻繁程度（閃電密度）、平均放電電流強度、放電極性比例及這類量值在時間上的變化特徵等精細化要素，在預報和預警業務中對及時判斷雷暴雲中對流活動強度變化、判斷如冰雹和龍捲風這類強對流災害天氣的發生，有一定的指示意義。通常意義上，對流單體產生的閃電活動越劇烈，其產生災害性天氣的可能性越高。
藍渝認為，目前，通過數值模式對天氣物理過程開展模擬，在此基礎上進行未來預報，已經成為預報業務的重要技術手段。對雷暴機理認識的加深，定量化的閃電放電過程將作為一種大氣電學物理參量，參與到數值模式計算中，有利於完善其對各類對流活動的模擬方案優化，帶來更加精細更加可信的分析預報產品。（付麗麗）
[ 責編：蔡琳 ]