雷、闪电和... 雪

科学家研究涉及雷雪的冬季风暴,以查明可能发生大雪的地点


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编者注:本文最初发表于2009年3月4日。我们重新发布这篇文章是因为在过去几天袭击东海岸的风暴期间,纽约市观测到了雷雪。

自从尼尔·斯图尔特看到“雷雪”这种天气现象(具有雷声闪电的不寻常组合)以来,已经超过30年了——确切地说是在1978年暴风雪期间。 美国国家气象局(NWS)的气象学家当时10岁,住在波士顿附近。 他说,这场风暴“在气象界很有名”,并影响了他的职业道路——两天内在地面上倾倒了27英寸(67厘米)的雪。 然而,最大的降雪发生在持续六个小时的雷雪风暴期间,这场风暴在六个小时内降下了一英尺的雪。

斯图尔特说,看到雷雪降下来“就像观看雪堆积的延时电影,因为它下得太快了”。

雪暴期间的雷声和闪电与普通的暴风雪不同; 它非常罕见——根据 1971 年新南威尔士州的一项研究,观测到的暴风雪中,只有不到 1% 的暴风雪会释放雷雪。 但古代中国记录表明,对这种现象的记录观测可以追溯到公元前 250 年,这些记录由大气科学家王保贯(现任威斯康星大学麦迪逊分校)于 1980 年翻译。

今天,研究人员对雷雪的预测价值感兴趣。 密苏里大学大气科学副教授帕特里克·马基特表示,一项为期 30 年的降雪研究发现,当在暴风雪期间观察到闪电时,在闪光发生后 113 公里范围内,至少有 86% 的可能性会降下 15 厘米的雪。 研究人员正试图确定产生雷雪所需的大气条件组合,以帮助他们更好地预测大雪——他们将大雪定义为至少以每小时 7.5 至 10 厘米的速度降下 20 厘米的雪——并在危险天气来临之前发布警告,让人们有时间做好准备、躲避和离开道路。 (国家公路交通安全管理局估计,2007 年有超过 800 人死于与雪有关的交通事故。)

当雷雪风暴期间闪电闪烁时,通常已经太晚了,无法让当地居民为即将到来的雪盲做好准备。 马基特说:“如果我们谈论的是雷雪的观测,那么预测价值大约在几分钟到几小时之间。”


雷雪风暴与夏季雷暴有一些共同特征。 在这两种情况下,相对温暖的空气区域都会导致水分凝结成云。 然后形成温度梯度,较高处的空气较冷,靠近地球表面的空气较暖。 如果相对温暖的空气开始上升,湍流会导致一些水分子失去电子,而另一些水分子则获得电子,从而在大气中形成电荷,从而导致电气化(以闪电的形式释放)以及空气的突然加热和膨胀。 科学家认为,雷雪是独特的,因为由于零度以下的温度,过冷液态水、冰晶和较大的冰颗粒之间的相互作用也会产生闪电。 在这两种类型的风暴中,雷声都是由闪电过热的空气快速冷却和收缩产生的声波引起的。

在美国,雷雪最有可能形成于山区,如落基山脉(这要归功于海拔突然变化引起的暖气团)以及相对温暖和大型水域附近,如五大湖。 雪需要寒冷的环境、形成云的充足水分和上升的空气; 当添加第四个要素时,雷雪就会出现:热不稳定,这是通过添加相对温暖的空气产生的。 (马基特估计,当暖空气向上移动以产生所需的湍流时,温度需要每 1.6 公里海拔至少降低 4 摄氏度。 纽约州立大学奥斯威戈分校的助理气象学教授斯科特·斯泰格最近发现,在五大湖(伊利湖和安大略湖)下游地区,每年大约有六次雷雪风暴,其中大部分发生在 11 月和 12 月。

他说:“这些风暴不会移动,因此它们可以在一天内倾泻多达七英尺[两米]的雪。 “它们是非常强烈的暴风雪,但它们非常局部。”

当雷雪发生在远离山区和湖泊的地方时,其热源并非位于地面附近,而是在 10,000 英尺(3,000 米)以上的高度。 正是这些不太频繁的事件——在人口更稠密的大平原和美国东北部地区,例如 1978 年的暴风雪期间——这种类型的风暴最有可能造成破坏。 斯图尔特说,在 3 月 1 日袭击佐治亚州、南卡罗来纳州和北卡罗来纳州部分地区的雷雪风暴期间,每小时降雪量为 5 至 7.6 厘米,这在该国该地区极为罕见。 哈茨菲尔德-杰克逊亚特兰大国际机场报告称,当天中午前后一个多小时的能见度仅为 402 米左右,佐治亚州北部部分地区因潮湿的大雪而停电,他补充道。

马基特上个月加入了一个由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校风暴追踪研究人员组成的团队,该团队使用各种雷达来检查风暴云内部发生的情况以引起降雪。 该团队正在调查印第安纳州、伊利诺伊州和威斯康星州多个地点的 атмосферные условия。 场磨仪是一种测量地面附近电场的设备,将用于确定上方云层中是否积累了带电冰粒子。 该团队计划明年乘坐 NWS 飞机飞入暴风雪,并投放装有温度计、气压计和其他设备的包裹,这些设备就像气象气球一样,将在下降过程中测量温度。 如果该团队在其研究期间遇到雷雪,它或许能够确认产生雷雪所需的条件,从而使此类冰雪风暴更容易预测。

斯图尔特说:“提前一些时间,[无论是]几个小时甚至一两天,我们都可以看到一场大型风暴,并预测哪些地区会出现极端降雪。”

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