金花石蒜工笔画:“雷”是怎么形成的,春冬两季能形成雷雨天气吗?

来源:百度文库 编辑:高考问答 时间:2024/05/03 10:44:58
尤其是在我国的中北部地区,夏秋两季的雷雨天气较多,春秋两季会产生“雷电”吗?在哪些地区,为什么?

雷雨,在常见的自然现象中,可以说是最动人心魄的了。闷热的夏天的午后,天空里堆积起大块的云。一霎时,气温突然下降,狂风、骤雨、闪电、响雷,跟着都来了,有时候还夹着冰雹。使人烦躁的天气不一刻工夫就变得清凉、爽快、舒适。等到雨一停,风也息了,云也消了。青天经雨洗过,显得格外明亮。夕阳照在湿淋淋的大地上——好一个晚晴天!
在闷热的夏天,雷雨好像是大自然给人们的一种调剂,一种思典。原来夏季里,太阳正对着北半球,直晒的阳光使地面上的水蒸发得比别的季节都快。贴近地面的空气因为温度增高,能够包容更多的水蒸气。虽然这样,要是没有风,在贴近地面的空气中,水蒸气很快就达到饱和了,也就是说,空气包容不下更多的水蒸气了。这时候,地面上的水不再继续蒸发。咱们身上又黏又湿,随你怎样扇扇子,汗水总不得干。咱们感到昏闷,热得喘不过气来。
在这闷热的当儿没有一丝儿风,可是你别以为空气沉滞着,一丝儿也不动,贴近地面的空气正在猛烈地往上升。温度增高,水蒸气增多,都使得空气的密度减小,也就是通常说的变“轻”了。变轻了的空气就得往上升。可是高空中并不像地面上那样热,原来贴近地面的比较热的空气一边往上升,一边渐渐凉下来,大约每升高100米,温度降低10℃。空气凉了,就包容不了原先那么多的水蒸气了,一部分水蒸气不得不折离出来,凝结成小水点。我们在地面上看,天空里起云了。
这些小水点怎么不马上落下来成为雨呢?这些小水点太小了,是上升的空气托住了它们,不让它们往下落。在闷热的夏天的午后,从地面上升的空气力量非常大,不但托住了小水点,还把小水点不断地往高处推,于是云越堆越高。这样生成的云样子很特别——在闷热的夏天的午后经常可以看到——底脚几乎是平的,上面重重叠叠,好像积雪的山峰,好像大理石砌成的城堡,在阳光的照射下,明暗特别分明。这样的云,在气象学上有个特别的名词,叫做积云。它的底脚大约离地面2000米,这就是说,从地面上升的比较热的空气升到那样高,所包含的水蒸气就大量地凝结成小水点了。它的顶可能离地面1万多米。那样高的高空非常冷,温度在水的冰点以下,积云如果越堆越高,咱们可以看到它的顶部向外伸展开来,样子好像铁匠打铁用的砧,四周还出现雪白的纱巾一样的薄云,那就是水蒸气结成的冰花。
别瞧积云像高高的山峰似的,模样儿挺宁静,它里面却在剧烈地翻腾。小水点并成了比较大的水滴开始往下落,从地面上升的空气还一个劲儿地向上冲,两者猛烈地摩擦,于是都带上了电:上升的空气带着负电,下降的水滴带着正电。渐渐地,积云的顶部,负电越积越多;底部,正电越积越多。地面受了积云底部的正电的感应,也带上了负电。
惊心动魄的场面马上开始了:先是一阵吹得倒人的大风,紧跟着就是弹丸大的雨点。大颗的水滴终于冲破了上升的空气的阻挡,从云端里直掉下来。下层的热空气给雨一淋,骤然冷却,骤然收缩,向地面直压下来,狂风因而常常赶在雨点之前来到。这时候,天空里树枝状的电光一闪一闪,跟着来的是隆隆的雷声。闪电有的发生在云块和地面之间,有的从一块积云的顶部一直贯穿到底部,也有的发生在两块积云之间。给闪电穿过的空气立刻猛烈爆炸。闪电要是离咱们很近,咱们眼前一亮,紧接着听到一声清脆的霹雳;要是离咱们远,电光闪过之后,还得待一会儿,咱们才听到雷声。这是因为声音的传播速度比光的速度慢。有时候,雷声隆隆的,拖得很长,好像车轮在云端里碾过,那是云块、山岭和地面把雷声来回反射的缘故。
雷雨有时候夹着冰雹。冰雹出现在地面上特别热、空气上升的力量特别强、高空中又特别冷的时候。积云的顶部伸展到温度在冰点以下的高空中,一部分水滴本来已经凝结成冰珠了。这些冰珠从高空里落下来,来不及化,又被猛烈上升的空气推了上去,到了高空中,它的外边又凝上一层冰。这样落下来又推上去,冰珠一层又一层地越裹越大,终于冲破了上升的空气的阻拦,从高空中直掉下来,这就是冰雹。有时候冰雹比鸡蛋还大,往下掉的劲儿又猛,会砸坏庄稼、树木、房屋,砸伤人畜。亏得不是每一场雷雨都下冰雹。
雷雨在夏天最常见,可是不一定夏天才有。含水蒸气较多的下层空气猛烈上升,都可能造成雷雨。有时候,高空中过分冷,而贴近地面的含水蒸气较多的空气比高空的空气“轻”多了,于是就猛烈上升。夜间海洋上的雷雨大多是这样形成的。冬天,从北方来了强大的冷空气团,把贴近地面的含水蒸气较多的空气推到了高空中,也可能形成雷雨。在高山向风的一面,带着水蒸气较多的风让高山给挡住了,沿着山坡直往上升,也会造成一场雷雨。在夏天,发生雷雨的原因大多是气温太高,空气中包含的水蒸气太多。由这种原因造成的雷雨,通常叫做热雷雨。
常见的热雷雨开始在午后3点到5点之间,这段时间正是一天中最间最热的时候。不消一个钟头,雨住了,风息了,闪电和响雷也没有了,云推开了,或者竟消散了,东方的天空里还可能出现一条美丽的彩虹。
雷雨不但下的时间短,面积也不会大,因为它是由局部地面的空气上升造成的。一场雷雨,下着雨的地带通常只有三五十千米长,十几千米宽。界限分明也是雷雨的特点。有时候只隔一条河,这一岸下着大雨,那一岸仍旧是大太阳,所以谚语说:“夏雨隔爿田。”有时候,一场雷雨好像才过去又回来了。实际不是这么回事,而是另一场雷雨又跟着来了。
雷雨的时间虽然短,面积也不大,可是雨量很大。在陆地上,夏天的雷雨几乎占到全年雨量的1/3。庄稼人非常看重雷雨。你可曾想到,在咱们闷热得喘不过气来的时候,田里的庄稼早已发蔫了,它们又热又渴,都垂下了脑袋,希望痛痛快快冲一回凉,喝一个够。可是就因为雨量过于集中,在山区和河谷地带,雷雨会造成山洪暴发,冲毁公路、铁路、桥梁、农田、村庄,甚至淹死人畜。闪电有时会击毙人畜,引起火灾;但比起骤雨来,闪电造成的灾难毕竟小得多。
从整个地球表面来说,雷雨的次数多得惊人,据说每天有4.4万多场。在任何时间内,都有1800场雷雨正在进行,大多下在热带。我国雷雨最多是广东的北部南岭一带,因为那边的气候热而潮湿,南岭又挡住了含水蒸气比较多的海风。沿海和华南一带也比较多,黄河以北就少了,甘肃宁夏一带气候干燥,雷雨更少些,可是下起来常夹带冰雹。
在闷热的夏天,咱们都希望来一阵雷雨,而往往如愿以偿。这并非天意。热由于温度太高,闷由于湿度太大。温度高湿度大,正是雷雨形成的两个主要条件。

雷定义为伴随闪电而产生的声辐射。广义而言,雷与雷暴周围大气的所有流体动力学性质有关。雷可分为两部分。一是人耳可以听到的声能量,称为雷声,二是次声,频率低于人耳能够听到的雷声,通常在几十赫兹以下。一般认为这两种雷所对应的物理机制不同。可以听到的雷声被认为是加热的闪电通道的迅速扩张而引起的,而次声则被认为是当闪电使云中的电场迅速减少时储存在雷暴云静电场中的能量转换而产生的。
实际上有关雷的研究大部分都是早期的工作,有关的评述可以参考Uman(1987),Hill(1977,1979),Few(1974,1975,1981)的有关著作。本书只给出较粗略的描述。
雷声及其产生机制
对于雷的描述已经有两千多年的历史,但是直到1963年Malan(1963)才第一次使用现代术语描述了近处雷电发出的声音。之后Latham(1964), Nakano and Takeuti(1970)以及Uman and Evans(1977)都对雷声进行了实际测量。对雷声的普遍描述是:当闪电打在距观测者100m以内时,出现的声音首先为“咔”声,然后象抽鞭子般的噼啪声,最后变成雷特有的持续隆隆声。Malan(1963)认为“咔”声是由地面向上的主连接先导放电造成的。噼啪声由离观测者最近的回击通道部分产生的冲击波所引起。隆隆声则来自于弯曲放电通道的较高部位。而当闪击点离观测者数百米远时,在第一声炸雷(clap)发生之前,人耳听到的第一声类似于撕布的声音,这种声音持续近一秒钟,接着出现响亮的炸雷。这种撕布的声音起源于(1)垂直的放电通道,其长度与距观测者距离相仿。(2)由地面向上的多个连接先导过程。Hill(1977)曾经从Remillard( 1960)总结出的有关雷的十二条事实中选择了其中 最主要的七个:
(1) 云地闪电通常产生最响的雷。
(2) 在超过十英里左右的距离外偶尔才能闻雷。
(3) 用看到闪电与听到第一次雷声之间的时间间隔可以估计闪击距离。
(4) 大气湍流能减小雷的可闻度。
(5) 紧接强烈雷鸣之后,常有倾盆大雨。
(6) 雷声的强度似乎一地不同于另一地。
(7) 当隆隆声持续时,雷的音调变深沉。
众所周知,由于声音在空气中的传播速度约为330m/s,而光的传播速度为3×108m/s,通道发展速度在105m/s以上。因此,利用声音与光到达观测者的时间差可以大致估算距观测者最近的闪电通道离开观测者的距离。例如,如果到达观测者的声光差为10s,则距观测者最近的闪电通道离开观测者的距离为330m/s×10s=3.3km。这种方法在野外观测中是经常使用的。
那么,雷是如何形成的呢:普遍接受的雷声成因理论认为,人耳可以听到的雷声起源于闪电通道的初始迅速膨胀引发的高压冲击波,它在远距离上退化成为声波。对回击通道的光谱分析认为,在不到10μs的时间内回击通道温度将达到30000K。由于没有足够的时间使得通道的粒子浓度发生显著改变,因此通道的压力将由于温度的升高而迅速增加。在前5μs内平均的通道压力可以达到10个巴。这样一个通道过压将会导致强烈的冲击波使得通道迅速膨胀。
Abramson等(1947)最先从理论上指出,当气体中发生火花击穿和增温时,则会出现等离子体的突然膨胀,并伴有冲击波。在此基础上,发展了一种解析方法来解这种沿无限窄的线源、瞬时释放能量的理想情况下的流体动力学问题。这种解析方法随后又被Drabkina(1951)推广到在击穿通道中逐渐聚集能量的情况。以后这一理论又被Braginskii( 1958)进一步推广并应用到闪电的情况。Sakurai(1953)和Lin( 1954)给出了沿无限窄线源瞬时释放能量的类似的解析解。
完善描述闪电通道的增长要涉及许多因素,例如辐射传输、主回击电流前通道中的初始条件、输人电流的时间分布、通道等离子体中电能向热能的转换、通道的耗损等物理特性以及通道的长度和弯曲情况等几何特性。虽然Troutman(1969),Colgate 和McKee(1969),Hill(1971),Plooster(1971a)以及Few(1969,1981)都曾尝试着论述了更接近闪电通道情况的通道增长问题,但是至今所有的处理方法都只考虑初始能量在圆柱体中对称分布的情况,还没有模拟真实的弯曲闪电通道的尝试。不过,对有限大小的线源,所有的结果都证实了当闪电通道每单位长度中聚集极高的能量时,要产生过压强冲击波。
Few(1969,1981)提出,雷的功率谱具有球对称的膨胀冲击波特征。假定行为如同“点源”的一小段通道的平均长度等于3/4倍通道的特征半径R0,则R0=(En/πP0)1/2,这里En是每单位长度通道中的能量耗散,P0是环境压力。功率谱极大值的频率fm=0.63C0(P0/E),这里C0是声速。
虽然对闪电产生的冲击波的传播尚未进行足够的实验,但Holmes et al.(1971a), Dawson et al.(1968)以及Uman et al.(1970)对实验室长火花放电产生的冲击波衰减进行了测量,实验基本上证实了上述Few的冲击波理论。
与产生上述可听见雷声的热通道机制不同,次声可能与闪电使云电荷的分布改变后引起的云内静电场的张弛有关(Few, 1985)。实际上到目前为止,尽管对这两种过程的产生机理有物理模式进行描述,但是这两类机制的直接证据是什么,这两类机制对观测到的雷的压力变化的贡献如何等等,仍然没有解决。
利用雷声对闪电通道的重构
如果不在一条直线上的三个或三个以上的话筒同时记录到了一次雷声的主要特征,则可以利用到达每一个话筒的声光差来确定声源的位置。通常有两种不同的方法。比较准确的方法是线状跟踪法(ray tracing),它可以给出一次雷声事件中的多个声源点,从而可对闪电的放电通道进行重构。这种方法中,话筒之间距离相对较近,一般为几十米。利用声波的主要特征到达每一个话筒的时间差可以确定入射声波的方向,再利用闪电到达话筒阵的声光差对方向射线进行数学回归则可以确定放电源的位置。使用这一方法对闪电放电通道的重构技术可以参看Few and Teer(1974), Nakano(1976)和MacGoman et al.(1981)的文章。
声定位的另一种方法被称为雷测距(thunder ranging),这种方法中三个话筒相距较远,一般在公里量级,测得的位置一般误差较大。按照Few(1981)的理论,声信号到达相距100m以上距离的两个话筒时由于传播路径的不同将变为不相关的,但是一些粗略的特征在相距公里量级的两个话筒上仍然具有相关性。对于炸雷而言,到达一个测站的声光差可以用来确定一个可能源位置的球面。三个话筒得到的三个球面相交的点则是炸雷发生位置。

云之间的摩擦,一部分失去电子带正电,另一部分的到点子带负电,电荷累积到一定程度,两部分与之间发生放电现象,或者与地面上的物质之间发生的放电。激起的空气波就是雷声。
春秋也会产生,但是由于春秋两个季节的空气对流运动比夏秋两个季节缓慢一些,不会产生很剧烈的雷雨天气.

云层的摩擦