雷、閃電和... 雪

科學家研究涉及雷雪的冬季風暴,以查明可能發生大雪的地點


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編者注:本文最初發表於2009年3月4日。我們重新發布這篇文章是因為在過去幾天襲擊東海岸的風暴期間,紐約市觀測到了雷雪。

自從尼爾·斯圖爾特看到“雷雪”這種天氣現象(具有雷聲閃電的不尋常組合)以來,已經超過30年了——確切地說是在1978年暴風雪期間。 美國國家氣象局(NWS)的氣象學家當時10歲,住在波士頓附近。 他說,這場風暴“在氣象界很有名”,並影響了他的職業道路——兩天內在地面上傾倒了27英寸(67釐米)的雪。 然而,最大的降雪發生在持續六個小時的雷雪風暴期間,這場風暴在六個小時內降下了一英尺的雪。

斯圖爾特說,看到雷雪降下來“就像觀看雪堆積的延時電影,因為它下得太快了”。

雪暴期間的雷聲和閃電與普通的暴風雪不同; 它非常罕見——根據 1971 年新南威爾士州的一項研究,觀測到的暴風雪中,只有不到 1% 的暴風雪會釋放雷雪。 但古代中國記錄表明,對這種現象的記錄觀測可以追溯到公元前 250 年,這些記錄由大氣科學家王保貫(現任威斯康星大學麥迪遜分校)於 1980 年翻譯。

今天,研究人員對雷雪的預測價值感興趣。 密蘇里大學大氣科學副教授帕特里克·馬基特表示,一項為期 30 年的降雪研究發現,當在暴風雪期間觀察到閃電時,在閃光發生後 113 公里範圍內,至少有 86% 的可能性會降下 15 釐米的雪。 研究人員正試圖確定產生雷雪所需的大氣條件組合,以幫助他們更好地預測大雪——他們將大雪定義為至少以每小時 7.5 至 10 釐米的速度降下 20 釐米的雪——並在危險天氣來臨之前釋出警告,讓人們有時間做好準備、躲避和離開道路。 (國家公路交通安全管理局估計,2007 年有超過 800 人死於與雪有關的交通事故。)

當雷雪風暴期間閃電閃爍時,通常已經太晚了,無法讓當地居民為即將到來的雪盲做好準備。 馬基特說:“如果我們談論的是雷雪的觀測,那麼預測價值大約在幾分鐘到幾小時之間。”


雷雪風暴與夏季雷暴有一些共同特徵。 在這兩種情況下,相對溫暖的空氣區域都會導致水分凝結成雲。 然後形成溫度梯度,較高處的空氣較冷,靠近地球表面的空氣較暖。 如果相對溫暖的空氣開始上升,湍流會導致一些水分子失去電子,而另一些水分子則獲得電子,從而在大氣中形成電荷,從而導致電氣化(以閃電的形式釋放)以及空氣的突然加熱和膨脹。 科學家認為,雷雪是獨特的,因為由於零度以下的溫度,過冷液態水、冰晶和較大的冰顆粒之間的相互作用也會產生閃電。 在這兩種型別的風暴中,雷聲都是由閃電過熱的空氣快速冷卻和收縮產生的聲波引起的。

在美國,雷雪最有可能形成於山區,如落基山脈(這要歸功於海拔突然變化引起的暖氣團)以及相對溫暖和大型水域附近,如五大湖。 雪需要寒冷的環境、形成雲的充足水分和上升的空氣; 當新增第四個要素時,雷雪就會出現:熱不穩定,這是透過新增相對溫暖的空氣產生的。 (馬基特估計,當暖空氣向上移動以產生所需的湍流時,溫度需要每 1.6 公里海拔至少降低 4 攝氏度。 紐約州立大學奧斯威戈分校的助理氣象學教授斯科特·斯泰格最近發現,在五大湖(伊利湖和安大略湖)下游地區,每年大約有六次雷雪風暴,其中大部分發生在 11 月和 12 月。

他說:“這些風暴不會移動,因此它們可以在一天內傾瀉多達七英尺[兩米]的雪。 “它們是非常強烈的暴風雪,但它們非常區域性。”

當雷雪發生在遠離山區和湖泊的地方時,其熱源並非位於地面附近,而是在 10,000 英尺(3,000 米)以上的高度。 正是這些不太頻繁的事件——在人口更稠密的大平原和美國東北部地區,例如 1978 年的暴風雪期間——這種型別的風暴最有可能造成破壞。 斯圖爾特說,在 3 月 1 日襲擊佐治亞州、南卡羅來納州和北卡羅來納州部分地區的雷雪風暴期間,每小時降雪量為 5 至 7.6 釐米,這在該國該地區極為罕見。 哈茨菲爾德-傑克遜亞特蘭大國際機場報告稱,當天中午前後一個多小時的能見度僅為 402 米左右,佐治亞州北部部分地區因潮溼的大雪而停電,他補充道。

馬基特上個月加入了一個由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校風暴追蹤研究人員組成的團隊,該團隊使用各種雷達來檢查風暴雲內部發生的情況以引起降雪。 該團隊正在調查印第安納州、伊利諾伊州和威斯康星州多個地點的 атмосферные условия。 場磨儀是一種測量地面附近電場的裝置,將用於確定上方雲層中是否積累了帶電冰粒子。 該團隊計劃明年乘坐 NWS 飛機飛入暴風雪,並投放裝有溫度計、氣壓計和其他裝置的包裹,這些裝置就像氣象氣球一樣,將在下降過程中測量溫度。 如果該團隊在其研究期間遇到雷雪,它或許能夠確認產生雷雪所需的條件,從而使此類冰雪風暴更容易預測。

斯圖爾特說:“提前一些時間,[無論是]幾個小時甚至一兩天,我們都可以看到一場大型風暴,並預測哪些地區會出現極端降雪。”

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