有些雷暴雨同其它雷暴雨一起形成巨大的混合雷暴雨,倾泻出令人难以置信的雨量,常常带来灾难性的后果。
每年春天,当太阳开始一年一度的北国旅行之际,大气层也紧紧相随:逐渐地从冬季气旋——其暴风雪可持续数日在千百万平方英里的广阔天地里驰骋——向夏季雷暴雨过渡。典型的雷暴雨仅能持续—两个小时,覆盖几十平方英里的面积。气象学家近来发现,虽其来势凶猛,但向雷暴雨的转变只不过是大气层季节性变化的开始。随着太阳的继续北行,不仅雷暴雨日趋频繁,而且暴雨也开始携手合作,形成强烈的,有时是很猛烈的混合雷暴雨,或称之为暴雨群。这些混合雷暴雨多数情况下比单独的雷暴雨更为强烈,可波及中西部数州的领域。以前文献所记录的雷暴雨中找不到混合雷暴雨的发展模式。东起俄亥俄山,西到洛基山,南至墨西哥湾,北达美国——加拿大边境都是混合雷暴雨大显身手的场所。
典型的雷暴雨形成于一天中最热的时候。当它那来自太阳热的能源因日落西山而戛然中止之时,它也就随之销声匿迹了。混合雷暴雨虽形成的时间与之相同,但日落之后却愈演愈烈。当靠近地面的空气才刚开始冷却,新的雷云就接二连三地出现了,并且与以前的雷云共结联盟,形成更多的暴雨云。午夜之前,从天边到头顶数千平方英里的天幕上电光闪闪,此起彼伏,宛如大型夜总会的频闪灯光;从高耸的云层里破门而出的冰雹,倾盆大雨,再加上龙卷风和没完没了的隆隆雷鸣,显示着混合雷暴雨正在不断增长的力量。
混合雷暴雨的发现得力于电子计算机和人造卫星这两项技术的发展。凭借这些技术气象学家才能在70年代进行定期的研究。通过人造卫星,气象学家第一次看到了组成所谓“天气”的旋动云团;利用高速电子计算机才使研究者完成了对确定产生云层的大气环流性质所必须进行的大量计算。有关地球云层覆盖的人造卫星图像,虽然15年前就有了,可是,直到70年代中期才出现了红外增强图像。这些在海拔24,000英里高度拍摄的图像,不仅使气象学家看见了云层,而且还使他们了解到云层顶部的温度分布。这些资料的重要性就在于:在大气圈内云层的低处(海拔5000 ~ 10,000英尺)比50,000英尺以上的高处更为温暖。雷暴雨扩展到很高的空中,其顶部比大多数其它类型的云层要寒冷得多。因此,这项新技术有助于科学家们识别雷暴雨云。
人造卫星图像还表明:混合雷暴雨趋于形成近环状的结构,比单独的雷暴雨要大千百万倍。电子计算机对这些混合雷暴雨附近的气流推算也显示出它们是作为一个有组织的统一体在行动,而不是孤立的、单个的单位。显然,混合雷暴雨是一种独特的天气现象。
得出这个结论以后,科学工作者们在1978和1979年对混合雷暴雨进行了系统的研究。结果使研究者们大吃一惊:混合雷暴雨并不是罕见现象,这两年的春夏之际在美国约观察到60次混合雷暴雨。同时发现,混合雷暴雨也具规律性的生命周期。
典型的混合雷暴雨在下午两三点钟开始时,只是一结构松散的强烈雷暴雨群。以后,经过一个迄今还不清楚的过程,生机勃勃的雷暴雨同新形成的雷暴雨相结合,逐渐由结构松散的暴雨群向由雷暴雨、冰雹和稳定的阵雨组成的紧密结构转变。随着这个体系的不断扩张,大约大午夜到第二天凌晨两点达到最高潮。然后渐次减弱,最后在日出后几小时内寿终正寝。平均来讲,从生到死,混合雷暴雨的寿命仅约12 ~ 18小时,与持续几天甚至数周的飓风和冬季暴风雪相比,的确是短暂而仓促的一生。这种短促的生命周期正是以前它未被发现的主要原因之一。
在出现人造卫星之前,气球探测仪仅在大气层里每天取样两次,一般在下午六点一次,早上六点一次。下午六点混合雷暴雨还没完全形成,到早上六点它们已快命归黄泉了。因而观察网难以收集到成熟的混合雷暴雨的样品。况且在混合雷暴雨发展的典型地区的近20个州的范围内仅有约25个气球发射站。所以,即使在某次观察时正好有混合雷暴雨存在,也没有机会找到那么多气球去采样,也就不可能清楚地记录到混合雷暴雨的规模和物理特征。
科学家们早就认识到雷暴雨主要由浮力驱动,靠水分从气体冷凝成液体时释放出的热量所支持。当大气深层(典型的为30,000 ~ 40,000英尺)的温度和湿度能够把比周围空气密度小(因而浮力更大)的低层气团托浮上举的时候,雷暴雨就开始了。气团一经托浮上举,就会不断地上升到很高的地方。在这个过程中,湿度是非常重要的因素。当气团上升时,周围的气压下降,于是气团就膨胀变冷。如果没有水分冷凝,气团就会迅速地变冷,而其越冷,与周围的气体相比密度就越大,最后会停止上升。相反,如果气团中水分充足,气团的冷凝引起气态水分冷凝成微小的水滴。冷凝时释放的热量使气团变热,有助于减小密度,气团就能继续上升。只要气团密度比周围空气密度小,浮力就会加速气团的上升,通常其上升的速度为每小时25 ~ 50英里。最后,气团升到大气层密度较小的区域时,速度减慢,最终就不再上升了。一场雷暴雨就是由许多这种气团的持续不断的演替所组成:一些气团刚开始向上升移,另一些则已到达了顶部。这所有的汇合在一起于是形成了巨厚的云层。由这些不断演变的气团里冷凝出来的水,降下来,就成了我们所说的雨。
在混合雷暴雨的初始阶段,单个的雷暴雨特别强烈,而且比“典型”雷暴雨的位置要高得多。大多数“前混合期”的雷暴雨在大气层10英里以上的高空,其向上的风速超过每小时100英里。哺育这些暴雨的空气通常温暖而异常湿润——致使云层中的湿润空气上升时冷凝释放出巨大的热量。科学家们认为:以后这种热量使大雷暴雨周围的空气变热,进而使整个含雷暴雨区域上空的空气都变得异常温暖。他们进一步指出:实际上整个雷暴雨区域上方的空气都将开始上升,形成更多的雷暴雨,释放出更多的热量,从而使更大的区域变温暖,以后又形成更多的雷暴雨,不断地往返重复,壮大起来。就这样,最初的一小群雷暴雨产生出一个放大系统,最后成长为巨大的混合雷暴雨。
混合雷暴雨有时能造成不容忽视的危害。仲夏季节,它们常常带着铺天盖地的大雨,几乎通宵达旦地浪迹于美国中部的麦田和谷地。如果这些雨量在每年适当的时候发放出来,可以提高农作物产量。可是,这类混合雷暴雨的巨大威胁就在于它们的量大得让人瞠目结舌,这些异乎寻常的巨大降水,造成突发性的洪水泛滥,使得居民丧生,导致成百万美元的财产损失。例如,1977年夏天,宾州约翰斯城和密苏里州堪萨斯城的混合雷暴雨造成的突发性洪水造成了100多人死亡,这些暴雨群雨量之大,覆盖面积之广是非常惊人的,有人把一场大型混合雷暴雨同一场飓风的雨量作了比较(由于历史的原因,气象学家们把飓风称之为“Cadillaes of rainmakers”)。1980年8月11日上午7点结束的艾伦飓风——有案可查的五次最大的飓风之一——在约155,000平方英里的面积上平均降雨量为2.9英寸。而1978年5月7日的混合雷暴雨24小时里穿越了美国南部六州,覆盖面积达575,000平方英里,如果把其调整到受艾伦飓风影响的同样面积的土地上,则其平均降雨量竟达5.8英寸。
这些混合雷暴雨还给航空业带来危害,特别对于一些小型飞机。因为混合雷暴雨是巨大的,缓慢移动的圆形群体,与通常雷暴雨天气系统的狭窄条带大不相同。小飞机的飞行员可能把这误认为是单独的雷暴雨而试图绕过或穿过去,并没想到自己会被暴雨吞没,从而身遭不测。同样,当混合雷暴雨正在形成发展时,其扩展异常迅速、缓慢飞行的飞机也会被暴雨群吞噬。这对于通常在地面上空2000 ~ 8000英尺高处(大气层的这部分对于雷暴雨的迅速发展最为敏感)飞行的小飞机飞行员最为严酷。激烈的雷暴雨有时还会酿成商业喷气式飞机的悲剧。1977年4月北乔治亚南方航空公司的飞机坠毁就属此例。
混合雷暴雨还以更为微妙的方式影响商业航空业。穿过混合雷暴雨有一股巨大的上升气流——是通常雷暴雨上升气流的100 ~ 1000倍。这气流可上升到商业喷气式飞机的飞行高度(34,000 ~ 39,000英尺)。这样的高度上气流扩散与喷气式飞机的气流相互作用,形成了沿混合雷暴雨南边的弱风区和北边的异常强风区。如果东西向横穿美洲大陆的飞行取道北边,飞机就会多耗费燃料,导致成本过高。(相反,取道南边也许会节省燃料。)
我们对混合雷暴雨的了解才刚刚起步,但考虑到混合雷暴雨潜在的破坏性,应该潜心研究数年,这样使气象学家们能找到一种可靠的方法,以预测、预告混合雷暴雨的发生。
(Natural History,1983年7月)