八 天氣系統及特徵(三)
雷暴及龍捲風
雷暴是伴隨暴雨、閃電、打雷、陣風以至龍捲風及雹暴的不穩定天氣,成因是大氣潮濕及不穩定。普通大氣因為層結穩定(溫度隨高度下降率6.5度/千米,低於乾空氣的9.8度/千米),故穩定。
在潮濕的環境下,當空氣上升至高空,便會液化或固化成水滴或冰粒,釋放潛熱,而潛熱又使對流中心加熱,維持空氣上升的狀態。冷暖空氣交會或逆濕度層,都能提供雷暴形成的不穩定條件。此外,暖空氣在冷空氣之下、地表加熱、海洋氣流遇上熱地面,也會使大氣不穩定。
空氣上升是導致潛熱在高空釋放的原因。空氣可透過冷暖鋒抬升、受山地影響強迫抬升、地表加熱、海陸風等因素抬升。
當環境的溫度隨高度下降率增加至10度/千米以上,乾濕空氣都易被抬升,大氣便開始變得不穩定。溫熵圖中,有乾空氣和濕空氣溫度隨高度下降曲線兩種:水份飽和的空氣沿濕空氣曲線向上走。
雷暴區存有數種不穩定:
對流不穩定:穩定的大氣可以同時存有乾濕空氣,一種在另一種之上。當一併被抬升時,兩種空氣接不同溫度下降曲線作降溫。抬升後,氣團總體的溫度隨高度下降率便可由負數(逆溫)變為正數,而且甚大。這樣,大氣就由低層的穩定變為高層的不穩定。此外,此不穩定也可由地形抬升引起。
對稱不穩定:雖然空氣在垂直方向是穩定,但在斜向方向不穩定。如空氣被斜向移位,便有可能產生雨雲。此現象常在中緯鋒面系統出現。
當大氣被抬升,非水穩壓的狀態便出現。在對流中,會出現高壓中心和低壓中心。如有垂直風切變,高低壓的位置便會改變。
晴空也會出現積雨雲,但壽命短,通常未及發展就和周圍的空氣混和而消散。塔狀積雲則出現在較不穩定的大氣中,大氣受到上述多種因素影響而出現抬升運動,因此降雨機會較大。
在暖而沒有冰的雲,塔狀積雲內的水滴互相碰撞,再吸附周圍的水分子,逐漸增大,表面積也增大,結果增加水滴碰撞及吸附的機會,結果在惡性循環下,形成大雨。在水滴下降時,會慢慢蒸發,並吸收周圍的熱。因此,雨雲下的溫度會逐漸下降,產生冷空氣團。冷空氣團向下沉,並向外擴散,使周圍的暖空氣抬升,形成局地的鋒面,產生新的雨雲。而最初形成的那個雨雲則因水氣供應斷絕而逐漸消散。
如果水滴進入高空低於攝氏0度的地方仍不結冰,那些水被稱為過冷水。若它們遇上冰粒,會立刻固化,並快速釋出潛熱,提供更多潛熱讓雨雲發展。
此外,如兩個雨雲合併,過程中的下沉冷空氣,會促使其中一個鄰近積雲急速發展,而這是積雨雲(Cb)發展的跡象。積雨雲伴隨暴雨和雷暴。橫向尺度由數公里至百多公里不等,垂直高度可至二十公里,即穿破對流層頂到達平流層。生存期小則不足一小時,多則數小時。垂直空氣運動速度通常為1至
雷暴的生命周期如下:
形成塔狀積雲(需時15分鐘):少數積雲匯聚而成一系統,地面氣壓稍降,暖濕空氣向系統集結,上升流由數米/秒升至約
成熟時期(約15分鐘至半小時):水氣在上升過程液化,甚至固化,而這些水/冰粒的體積不斷增大,直至空氣再也承受不了它們的重量,開始下墜。空氣被下降的雨/冰帶向下方,而下沉的空氣速度愈來愈快;同時,雨在下沉的過程中局部蒸發,使空氣變冷。冷空氣著地後,與周圍的暖空氣相遇形成局地鋒面,當這些鋒面經過某地時,會引起強陣風。在此階段,雷雨最為頻密和強大。高空的垂直風切變使下沉氣流區不致和上升氣流區相撞,有助維持積雨雲的強度。
消散時期:上升氣流最終被下沉氣流取代,水氣和熱能供應被切斷,雨的強度下降,最後,下沉氣流也減弱。
以下是雷暴的種類:
單體雷暴:由地表加熱或鋒面局部形成的雷暴,較弱且維持的時間短(20分鐘),很快因自己產生的下沉氣流而消散。
多體雷暴雲團:由數個積雨雲組成,而每個雲團正經歷生命周期不同的時期。新雲團不斷產生以取代消散中的雲團,使雷暴持續數小時。可產生小型雹暴和龍捲風,在地面造成突發水浸。
多體雷暴雲團線(颮線,squall line):由很多積雨雲體連成一線而成的陣風線。陣風一邊向外圍擴展,一邊使外圍的暖空氣抬升,造成新積雨雲,並造成新一輪陣風。隨著新的雲體形成和舊的消亡,同時受到高空風影響東移,颮線通常看來就像向東南方向移動。颮線產生強而具破壞力的陣風,以及中型雹暴及龍捲風。
超級雲體(supercell):比上述的雷暴破壞力更大,上升氣流不但強,還會旋轉,能產生強烈龍捲風。
大尺度對流複合體(mesoscale convective complex,MCC):大而具破壞力,面積達100000平方米,雲頂溫度極低(攝氏零下52度)。
強烈雷暴的特徵如下:不穩定及短命的箭狀雲(overshoot),頂部在平流層;在對流層頂,橫向伸延的砧狀雲;與乾濕空氣冷卻速度不同有關的乳狀積雲;在積雨雲內部的上升氣流──在雷達上,被顯示為弱回波區。直接觀測上,可看到懸垂雲團。
懸垂雲團是雹暴的先兆。此外,颮線前的強下沉氣流,也是特徵之一:常造成微下擊暴流(microburst),可造成航空意外。
雹暴:過冷水在空中遇到冰粒或固體微粒後瞬間凝固,然後在強烈氣流中不斷撞擊其他水粒子而增大,直至體積過大,重量過大而下墜。
閃電:是兩點電位勢差極大的地方之間放電的過程,分為五種:雲內閃電;雲間閃電;雲對地;地對雲;同步閃電。閃電機制如下:首先,普通天氣的電場使空中的水粒子極化。當大型水滴遇上細小水滴時,局部中和並繼續下降,結果造成正電荷的小水滴和負電荷的大水滴分開。其次,當冰粒的溫度下降至某臨界點,可出現電荷反轉,使雲團內較高處呈正電荷,低層的冰粒呈負電荷。最後,雲底的負電荷可吸引雲下面的正電荷粒子,再吸引其他粒子,使電場增大,直到某臨界,空氣變成導體,帶電粒子的導引便開始形成並繼續向下擴展,直至在低空與起面距離甚小時,地面也發展出帶電粒子導引,向上發展並最後與空中的導引重合,造成「返回閃電」──肉眼通常可見。
龍捲風:來自西班牙文(tronada),意指雷暴。龍捲風最初由超級雲體向下伸展,在抵達地面前,為煙囪狀。中心氣壓甚低,氣壓梯度遠比熱帶氣旋為高,造成比熱帶氣旋更強的風力。尺度由
形成龍捲風的條件是暖濕空氣及強垂直風切變。龍捲的的強度分類為藤田--皮爾森龍捲強度等級,由F0 至F5,風力和破壞力遞增。影響香港的龍捲風通常為F0級,即中心風力只達到暴風水平。龍捲風周圍伴隨著上升及下沉氣流。
龍捲風的結構如下:中層外圍──由於角動量守恆,風速在接近中心時增強;中層中心──空氣轉動速度極快且跟從旋轉氣流平衡;低層近中心,風力由橫向流動轉為垂直流動;低層近邊界,橫向流動的空氣遇到地面,產生很多擾動;在高空,空氣沿著龍捲風中心旋轉。