首先，一场普通的雷暴雨是由若干个彼此相当靠近却又几乎互为独立的“盒形区域”构成的。所以，最好是每次仅仅分析其中的一个盒。所谓“盒形区”指的是一个在水平方向上占据有限面积的区域，而全部基本过程都会在此中发生。通常会有几个盒子靠在一起，而在每一个中所发生的现象又约略相同，尽管可能在时间上有所不同。图9-7以一种理想的方式指示出在雷暴雨的最初阶段这样一个盒子会出现的形态。结果表明：在我们即将描述的条件下，空气中某处会出现普遍的空气上升，越接近顶层速度就越大。当底层的温暖而又潮湿的空气上升时，它会被冷却而其中的水蒸气发生凝结。图中那些小星星代表雪花，而小点点则代表雨，但由于向上冲的气流足够强而这些雨滴和雪花又足够小，因而在这一阶段雪和雨都不会落下来，这是开始阶段，还不是真正的雷暴雨——在这种意义上地面上还未发生过任何变化。当暖空气上升的同时，还会把旁边的空气也吸引过来——这是许多年来一直被忽略的一个要点。于是，不仅下面的空气会升上来，而且还有从侧面来的一定份量的空气。
图9-7 在最初发展阶段中的一个雷暴雨盒［转载自美国商业部气候局报告，1949年6月］
为什么空气会像这样上升呢？正如你们所知道的，高度越高空气就越冷。地面 被太阳晒热，而这些热量再辐射至天空中则要依靠大气高层中的水蒸气，因此，在高空空气是冷的——十分寒冷——较低的地方它较温暖。你可能会说：“那么事情很简单，暖空气比冷空气较轻，因而这个组合在力学上是不稳定的，这样暖空气便会上升。”当然，如果在不同高度空气的温度不同，那它在热力学上是 不稳定的。要是让空气本身无限久地不受影响，则空气全部会达到相同的温度。可是，它并非不受干扰，太阳（在白天）总会向它照射。因此，问题确实不是一个热力学平衡的问题，而是一种力学 平衡问题。假设我们——像在图9-8所示的那样——把空气温度相对地面上的高度做一曲线，在通常情况下，会得到沿一条像图9-8中（a）那样的曲线下降关系，当高度增大时温度下降了。大气怎样才能得到稳定呢？为什么下层的热空气不会简单地上升到冷空气中去？答案是这样的：假如空气上升，压强就会下降，而要是考虑一特定区域里的空气正在上升，则它将绝热膨胀（没有任何热量会进出该区，因为在我们这里所考虑的那么大的尺寸内，将不会有时间让大批热量流动）。于是这个区域里的空气当升高时就会变冷. 像这样的绝热过程会给出一条如图9-8中曲线（b）那样的温度与高度关系。任何从下面升上来的空气比它进入的环境温度 要低 ，这样就没有理由让下层的热空气升上来. 假如真的升起的话，它将冷却到其温度比原来已在该处的空气低，则会比那里的空气重，因而刚好一升上来就要再降落下去了。在一个美好、晴朗的日子里湿度很低，此时大气中存在某个温度下降率，这一般比由曲线（b）所表示的那“极大稳定梯度”要低些。空气是处在一个稳定的力学平衡状态中。
图9-8 大气温度。（a）静态大气；（b）干燥空气的绝热冷却；（c）潮湿空气的绝热冷却；（d）潮湿空气与一些周围空气混合
另一方面，要是我们想起一个里面含有许多水汽的部分空气正在上升，那么它的绝热冷却曲线就将不同。当它膨胀而冷却时，其中的水蒸气将会凝结，而这些正在凝结的水会释放出热量。因此，潮湿空气并不像干燥空气冷却得那么厉害。所以如果比平均湿度高的那种空气开始上升，则其温度将按图9-8（c）那样的曲线下降。它将变得冷一些，但仍比同一高度的周围空气要暖和。如果一个区域中存在温暖的湿空气，并由于某种原因开始上升，则它始终比周围的空气要轻而温暖，所以将继续升高直到升达很高处为止。这就是使雷暴雨盒中的空气上升的机制。
多年来，关于雷暴雨盒的解释就只是这样。但此后的测量结果表明，云层里不同高度的温度并不会像曲线（c）所示的那样高。原因是：当湿空气的“气泡”上升时，它会从其周围捕捉到一些空气，并为这些空气所冷却。温度对高度的关系看来就更像曲线（d），与曲线（c）相比，它与原来的曲线（a）要接近得多。
当上述对流发生了之后，雷暴雨盒的截面看来就像图9-9那样。我们已有了所谓“成熟”的雷暴雨了。在这个阶段，向上冲的气流非常迅猛，一直升达10000～15000m——有时比这还要高得多。具有凝结特点的雷暴雨盒顶部会一直向上爬至高出于一般云端之外，由一股通常约每小时60mile的向上气流来完成。当水汽被带上去而凝结时，它形成了一些迅速被冷却至0℃以下的小水滴。它们本应该凝固，但并不立即凝固——它们已经是“过冷”了的水点。只要不存在足以使结晶过程开始的一些“核”，水及其他液体往往会在结晶之前冷却至凝固点之下。只有当一小块物质、例如一小块NaCl晶体存在时，水滴才会凝成一小冰块。此后平衡是这样建立的，即水滴蒸发而冰晶生长。于是，在某一时刻水会迅速消失，而冰迅速形成。并且，在水滴与冰粒之间也有可能直接相撞——那些过冷的水便粘上冰粒，从而使它突然结晶。所以在云体膨胀的某一时刻会有大的冰粒迅速累积起来。
图9-9 成熟的雷暴雨盒［转载自美国商业部气候局报告，1949年6月］
当这些冰粒足够重时，它们穿过上升的空气开始降落——它们变得太重，以致那向上的气流支持不住。当冰粒落下来时，会连同一点儿空气也带下来，因而就开始了一股向下刮的气流。而足够奇怪的是，很容易看出当这种下刮之风一旦开始了之后，便将继续保持。现在空气正在冲下来！
注意，图9-8中那条代表云里实际温度分布情况的曲线（d），要比适用于潮湿空气的曲线（c）稍微陡些 [1] 。所以，如果有湿空气落下来，则它的温度将按曲线（c）的斜率降落，只要下降得够多，它的温度便会低 于其周围的温度，如图中曲线（e）所指出的。当它一旦那样做时，它的密度便会比周围的空气大，因而将继续迅速下降。你们会说：“那是一种永恒运动。起初你曾争辩说空气应该上升，而当你确已把它升到那里时，却又同样巧妙地争辩说它应该下降”。但它并不是永恒运动。当情况不稳定而暖空气必须上升时，显然就得有某种东西来代替该暖空气。同样确实的是，下降的冷空气会有力地代替那暖空气，但你认识到，那下落的并不是 原来的空气。早期的论据认为有某种特别的云，它上升时并不会挟带旁边的空气，而在上升了之后就又降落下来，这确有某种令人迷惑不解之处。这种论点需要雨来维持那向下的气流——是一个难以置信的论据。一旦我们认识到有不少原来空气会混杂于上升的空气之中，则热力学论据就足以表明原本处于某一高处的冷空气会降落下来。这就解释了图9-9的草图上的那种活跃的雷暴雨形象。
当空气降落时，雨开始从雷暴雨盒的底层降下来。另外，当那相对寒冷的空气降落到地面上时，还会向周围扩展。所以恰好在雨尚未落下之前，就有一小股冷风给我们以大暴雨即将来临的预兆。在暴风雨本身中，会有猛烈而又无规的阵风，而在云层里则有巨大的湍流，如此等等。但基本上是先有一股向上气流，然后才有一股气流向下——一般说来，这是一个十分复杂的过程。
降雨过程开始的时刻也就是强劲的下降气流开始的时刻，实际上，也是电现象发生的时刻。然而，在对闪电进行描述以前，我们可以通过考察在半个钟头至一个钟头以内，雷暴雨盒中发生的情况来结束这个故事。此时，该盒看来就像图9-10所示的那样。向上的气流停止了，因为已不再有足够的暖空气来维持它。降雨继续了一阵子，最后连一些小水滴都落了下来，情况逐渐变得越来越平静——尽管还有一些小冰晶残留在高空中。由于在极大高度上风吹向四面八方，云端通常就会伸展成一块铁砧的形状。雷暴雨盒到了生命的尽头。
图9-10 雷暴雨盒的后一阶段形势［转载自美国商业部气候局报告，1949年6月］