葉磊 張梅 趙定池等

摘要利用華東地區(qū)16個(gè)測站1986～2006年的逐3 h地面觀測資料和08∶00、20∶00探空資料，對該地區(qū)雷暴發(fā)生的時(shí)間分布特征及對流有效位能（CAPE）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，華東地區(qū)雷暴發(fā)生頻數(shù)從北向南呈遞增趨勢；夏季最多，春季次之，秋冬季最少；春夏季午后至傍晚是雷暴的頻發(fā)時(shí)段，午夜至上午是北部地區(qū)雷暴的另一個(gè)高發(fā)期；夏季雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值較大，春季雷暴發(fā)生時(shí)CAPE較??；無雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值遠(yuǎn)小于雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值；干型雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值大于濕型雷暴。

關(guān)鍵詞雷暴；頻數(shù)統(tǒng)計(jì)；對流有效位能

中圖分類號(hào)S429文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）31-160-03

The Statistical Analysis of Thunderstorm Convective Available Potential Energy in East China

YE Lei1， ZHANG Mei2， ZHAO Dingchi3 et al（1. Institute of Meteorology， PLA University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 211101； 2. College of Science， Nanjing Agricultural University， Nanjing， Jiangsu 210095； 3. No.75822 Army of PLA， Guangzhou， Guangdong 510510）

AbstractBy using the 21a （19862006） ground observation and conventional radiosonde data from 16 sites（08∶00， 20∶00） in East China， the time distribution of thunderstorm occurrence and the convective available potential energy （CAPE） while thunderstorms occurred are analyzed. The results show that the thunderstorm frequency showed an increasing trend from north to south； thunderstorms occurred most frequently in the summer， the number in the spring autumn reduced， and it was least in autumn and winter； the thunderstorms occurred up from afternoon to nightfall in spring and summer， another period of occurred up in the northern plains is from midnight to noon； CAPE are larger while thunderstorms occurred in summer and CAPE are smaller while thunderstorms occurred in spring； CAPE of drythunderstorms are larger than CAPE of wetthunderstorms.

Key wordsThunderstorm； Frequency statistics； Convective available potential energy

雷暴是積雨云云體強(qiáng)烈發(fā)展階段所產(chǎn)生的雷電現(xiàn)象，常伴有大風(fēng)、暴雨、冰雹和龍卷等， 是一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣[1]。雷暴天氣在補(bǔ)給作物后期生長所需水分的同時(shí)，陰雨、寡照、大風(fēng)等對作物生長、設(shè)施農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)均造成不利影響，雷擊還可致使農(nóng)作人員、牲畜傷亡，因此提高氣象災(zāi)害監(jiān)測能力是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的保障。但由于雷暴發(fā)生的時(shí)空尺度小、概率低，研究和預(yù)報(bào)的難度比較大。陶詩言等[2]分析指出有位勢不穩(wěn)定層結(jié)是雷暴系統(tǒng)發(fā)生的物理?xiàng)l件之一。描述層結(jié)不穩(wěn)定的指數(shù)很多， 如沙氏指數(shù)、抬升指數(shù)等。相對于其他描述不穩(wěn)定狀態(tài)的指數(shù)，對流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）[3]考慮了整個(gè)大氣的層結(jié)分布，能夠反映大氣的整體不穩(wěn)定度，在雷暴的監(jiān)測預(yù)警中被廣泛應(yīng)用。張建春等[4]利用天津地區(qū)NCEP再分析和實(shí)時(shí)觀測資料計(jì)算2001～2010年5～9月的CAPE，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，雷暴的有無、一般雷暴和雷暴大風(fēng)之間的CAPE均有顯著差異。華東地區(qū)是我國雷暴的頻發(fā)區(qū)域之一。程向陽等[5]對安徽近50年雷暴的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，安徽雷暴發(fā)生的高值區(qū)位于大別山區(qū)和皖南山區(qū)，年均雷暴日數(shù)為45～55 d。但對于華東地區(qū)雷暴的CAPE特征，特別是CAPE對雷暴短時(shí)預(yù)報(bào)的指示意義，在以往的文獻(xiàn)中較少涉及。該研究在統(tǒng)計(jì)華東青島、安慶、福州等站點(diǎn)雷暴發(fā)生頻數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算雷暴天氣CAPE值，分析CAPE的變化規(guī)律，給出雷暴發(fā)生的閾值，為利用CAPE預(yù)報(bào)該區(qū)域的雷暴天氣提供理論基礎(chǔ)。

1資料和方法

1.1資料來源所用資料為中國氣象數(shù)據(jù)科學(xué)共享網(wǎng)提供的1986～2006年常規(guī)觀測資料，選取華東地區(qū)六省一市青島、南京、安慶、福州等共16個(gè)代表性站點(diǎn)。其中地面資料為逐3 h，分別為02：00、05：00、08：00、11：00、14：00、17：00、20：00和23：00，探空資料為08：00和20：00。雷暴事件根據(jù)地面資料中天氣現(xiàn)象中含雷暴的編碼確定，包括編碼為17、29以及91～99的天氣現(xiàn)象編碼，其中，伴有降水的雷暴為濕型雷暴，不伴有降水的雷暴為干型雷暴。

1.2對流有效位能計(jì)算方法Smith[6]將自由對流高度（Free Convection Level，LFC）和平衡高度（Equilibrium Level，EL）之間的層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線所圍面積稱為正面積（Positive Area，PA），在忽略摩擦效應(yīng)和凍結(jié)過程的情況下，PA與LFC到EL間正浮力產(chǎn)生的動(dòng)能大小成正比。對于正面積PA，通常稱為對流有效位能，其計(jì)算公式為：CAPE=∫pLFCpELRd（Tvp-Tve）d ln p，式中，pEL為平衡高度處氣壓；pLFC為自由對流高度處氣壓；Rd為氣體常數(shù)（287.05 J/kg）；Tvp、Tve分別為氣塊和環(huán)境的虛溫；p為大氣氣壓。從幾何意義上說，CAPE正比于熱力學(xué)圖解上的正面積，表征大氣不穩(wěn)定能量。CAPE值越大，發(fā)生對流的可能性越大。

在此利用常規(guī)探空資料，對探空資料進(jìn)行線性內(nèi)插，計(jì)算每10 hPa的氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度，可得溫度、露點(diǎn)溫度層結(jié)曲線；以地面作為氣塊抬升的起點(diǎn)，沿干絕熱線抬升至凝結(jié)高度，再根據(jù)假相當(dāng)位溫守恒計(jì)算狀態(tài)曲線；由層結(jié)（環(huán)境）曲線與狀態(tài)（氣塊）曲線的交點(diǎn)確定自由對流高度和平衡高度；從自由對流高度處開始，進(jìn)行不穩(wěn)定能量積分，至平衡高度處，積分所得量值即為CAPE值大小。

2華東地區(qū)雷暴天氣頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

2.1雷暴發(fā)生頻數(shù)地域分布從1986～2006年華東16個(gè)站點(diǎn)雷暴發(fā)生頻數(shù)分布（圖1）可以看出，華東地區(qū)雷暴天氣的地域性差異明顯，從北向南雷暴天氣發(fā)生頻數(shù)大致呈增加趨勢。江西為雷暴天氣的高發(fā)區(qū)，邵武、贛州、南昌為雷暴天氣發(fā)生頻數(shù)最多的3個(gè)站點(diǎn)，分別為841、806、757次，這是因?yàn)榻魈幱谀戏角业匦味酁樯絽^(qū)，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)展。而華東北部多為平原，雷暴發(fā)生頻數(shù)明顯少于南部地區(qū)，上海、成山頭、青島等站雷暴發(fā)生頻數(shù)均低于300次，分別為230、248、295次。

對華東地區(qū)16個(gè)站點(diǎn)雷暴發(fā)生頻數(shù)各月分布特征進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，以錢塘江為界，北部杭州、上海、南京等8個(gè)站點(diǎn)夏季雷暴發(fā)生頻數(shù)較多，其中，6月份雷暴發(fā)生頻數(shù)較少，7、8月份雷暴發(fā)生頻數(shù)較多；錢塘江以南洪家、衢州、福州等站春季3月份雷暴發(fā)生頻數(shù)已較多，3～8月雷暴發(fā)生頻數(shù)呈增長趨勢，但不顯著，安慶站雷暴頻數(shù)逐月變化與錢塘江以南幾個(gè)站點(diǎn)類似。因此，可將華東地區(qū)劃分為南部和北部2個(gè)地區(qū)，2個(gè)地區(qū)均為8個(gè)站點(diǎn)。

2.2雷暴發(fā)生頻數(shù)逐月演變從1986～2006年華東地區(qū)雷暴發(fā)生頻數(shù)逐月變化（圖2）可以看出，雷暴天氣具有明顯的季節(jié)性，夏季（6～8月份）雷暴天氣頻發(fā)，占全年雷暴發(fā)生頻數(shù)的58.42%，春季（3～5月）雷暴發(fā)生頻數(shù)僅次于夏季，占全年雷暴發(fā)生頻數(shù)的29.87%，秋冬季最少；北部地區(qū)雷暴發(fā)生頻數(shù)呈單峰分布，7月份雷暴發(fā)生頻數(shù)最多，8月份雷暴發(fā)生頻數(shù)接近7月份，以7月為中心，其余月份雷暴頻數(shù)逐漸減少。南部地區(qū)春季雷暴發(fā)生頻數(shù)接近夏季，4月份雷暴發(fā)生頻數(shù)多于5月份，這可能是因?yàn)?月份江淮氣旋多發(fā)，伴有雷暴天氣；5月份隨著副高的北抬，冷空氣活動(dòng)減弱，江淮氣旋的發(fā)生頻數(shù)降低，同時(shí)江淮氣旋移動(dòng)入海路徑北移[7]，伴隨發(fā)生的雷暴頻數(shù)減少。南部地區(qū)2～6月雷暴發(fā)生頻數(shù)明顯大于北部地區(qū)，可見雷暴產(chǎn)生過程中地形抬升作用明顯。

2.3雷暴發(fā)生頻數(shù)逐3 h演變以上分析可知，華東地區(qū)春季和夏季是雷暴頻發(fā)的季節(jié)，從1986～2006年華東地區(qū)春季和夏季雷暴發(fā)生頻數(shù)逐3 h演變（圖3）可以看出，春季南部地區(qū)各時(shí)次雷暴發(fā)生頻數(shù)均明顯大于北部地區(qū)，南部和北部地區(qū)雷暴發(fā)生頻數(shù)均是20：00最多，11：00最少，其他時(shí)次相差不大。夏季午后3個(gè)時(shí)次（14：00、17：00、20：00）雷暴天氣頻發(fā)，發(fā)生頻次分別為959、1 041、1 031次，這主要是因?yàn)橄募疚绾蟮孛孀罡邷囟纫话愠霈F(xiàn)在14：00左右，底層積聚了大量能量，易形成不穩(wěn)定層結(jié)，在高空槽或中低空切變線等系統(tǒng)影響下容易發(fā)生雷暴天氣[8]；在夜間和上午為雷暴的低頻時(shí)段，但其中23：00和02：00雷暴發(fā)生的頻數(shù)相對較多，特別是02：00，發(fā)生頻數(shù)達(dá)343次，這是因?yàn)橐归g云頂?shù)拈L波輻射降溫會(huì)加強(qiáng)大氣的層結(jié)不穩(wěn)定，有利于產(chǎn)生夜間雷暴[9] ；午后3個(gè)時(shí)次（14：00、17：00、20：00）南部地區(qū)雷暴發(fā)生頻數(shù)大于北部地區(qū)，而23：00～次日11：00 5個(gè)時(shí)次北部地區(qū)雷暴發(fā)生頻數(shù)大于南部地區(qū)。鄭淋淋等[10]對我國雷暴日變化特征進(jìn)行分析時(shí)也發(fā)現(xiàn)，華北與江淮平原地區(qū)雷暴發(fā)生頻數(shù)17：00～20：00達(dá)最多，23：00～次日02：00為另一個(gè)高峰，呈多峰型特點(diǎn)；南部地區(qū)主要發(fā)生在傍晚至日落前后（17：00～20：00），呈明顯的單峰型，為山區(qū)和高原地區(qū)雷暴發(fā)生的特點(diǎn)。這與圖3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致，即午夜至上午華東北部雷暴發(fā)生頻數(shù)大于華東南部地區(qū)。

3雷暴天氣CAPE統(tǒng)計(jì)分析

3.1春、夏季雷暴天氣CAPE逐月變化3～8月是華東地區(qū)雷暴頻發(fā)的月份，從3～8月雷暴天氣發(fā)生時(shí)CAPE值的變化（圖4）可以看出，錢塘江以北，夏季7、8月雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值較大，中位數(shù)值分別達(dá)1 400、1 200 J/kg，這是因?yàn)橄募菊w溫度較高，熱對流效應(yīng)明顯，無論有沒有發(fā)生雷暴天氣，計(jì)算出的CAPE值均較高；6月份雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值較小，中位數(shù)值為900 J/kg，這是因?yàn)?月份長江中下游處于梅雨時(shí)期，雷暴多發(fā)但溫度較低，CAPE值較小；春季4、5月雷暴發(fā)生時(shí)CAPE較小，中位數(shù)值分別為500、550 J/kg，這是因?yàn)槿A東地區(qū)4、5月份江淮氣旋頻發(fā)[7]，易產(chǎn)生雷暴，但溫度較低，計(jì)算出的CAPE值也較小。華東南部地區(qū)6、7、8月雷

暴發(fā)生時(shí)CAPE值明顯大于其他月份；南部地區(qū)5月份雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值中位數(shù)約為1 100 J/kg，遠(yuǎn)大于北部地區(qū)5月份CAPE值中位數(shù)，這可能是因?yàn)槟媳本暥炔町愒斐傻?，福建、江西、浙江南?月份冷空氣活動(dòng)相對較弱，受副熱帶高壓影響明顯[1]，溫度相對北部地區(qū)較高，局地?zé)釋α鲿r(shí)有發(fā)生，雷暴發(fā)生時(shí)計(jì)算出的CAPE值相對較高。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

3.2不同類型雷暴天氣CAPE分析Johns等[11]研究總結(jié)了雷暴發(fā)生的3個(gè)基本條件，包括條件不穩(wěn)定、對流層中部或底層的水汽條件以及抬升條件。在此對無雷暴以及是否伴有降水雷暴發(fā)生時(shí)的CAPE進(jìn)行計(jì)算，分析CAPE和水汽在雷暴發(fā)生中的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖5），華東地區(qū)春季北部地區(qū)和南部地區(qū)無雷暴、干型雷暴和濕型雷暴發(fā)生時(shí)中位數(shù)均大致相當(dāng)，分別為0、950、400 J/kg；干型雷暴日CAPE值中位數(shù)均大于濕型雷暴日CAPE值中位數(shù)，表明充足的水汽更有利于雷暴發(fā)生。華東地區(qū)夏季南區(qū)無雷暴、干型雷暴和濕型雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值中位數(shù)分別達(dá)1 000、2 000、1 300 J/kg，均比北區(qū)大，可見夏季山區(qū)與平原相比，不穩(wěn)定能量更易聚集。不同季節(jié)、不同區(qū)域干型雷暴CAPE值中位數(shù)均大于濕型雷暴，濕型雷暴CAPE值中位數(shù)略大于無雷暴天氣，這是因?yàn)榻邓l(fā)生前不穩(wěn)定能量積聚，CAPE值較高，降水過程相當(dāng)于不穩(wěn)定能量釋放過程，降水之后不穩(wěn)定能量釋放，CAPE值計(jì)算較低；濕型雷暴伴有降水過程，計(jì)算出的CAPE值較

小。陳艷等[12]對山東一次典型暴雨過程中CAPE值變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，從暴雨發(fā)生前到暴雨發(fā)生結(jié)束CAPE值變化為先增大后減小。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，濕型雷暴發(fā)生之后，降水將不穩(wěn)定能量釋放得比較徹底，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，雷暴不太容易再次發(fā)生；而干型雷暴發(fā)生后，不穩(wěn)定能量沒有完全釋放，大氣仍然處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不穩(wěn)定能量重新積聚后，比較容易再次發(fā)生雷暴。

4結(jié)論和討論

（1）華東地區(qū)雷暴發(fā)生地域差異明顯，從北向南呈遞增趨勢；季節(jié)性差異明顯，夏季最多，春季次之，秋冬季最少；午后至傍晚是雷暴的頻發(fā)時(shí)段，午夜至上午是北部地區(qū)雷暴的另一個(gè)高發(fā)期。

（2）北部地區(qū)7、8月份雷暴發(fā)生時(shí)CAPE較高，6月份較低，春季最低；南部地區(qū)5～8月份雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值均較高，3、4月份最低。

（3）計(jì)算不同類型雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值發(fā)現(xiàn)，干型雷暴發(fā)生時(shí)CAPE值大于濕型雷暴。伴有降水的雷暴發(fā)生后，雷暴不易再次發(fā)生；不伴有降水的雷暴發(fā)生后，雷暴較易再次發(fā)生。

（4）目前探空資料的間隔為12 h，而一般雷暴單體的生命史為幾十分鐘或幾個(gè)小時(shí)，無法精確獲得計(jì)算雷暴發(fā)生前后大氣層結(jié)詳細(xì)變化特征。該研究所采用的方法難免存在誤差，廖曉農(nóng)等[13]也曾探討過增加14：00探空的必要性。文中結(jié)論是初步的，更多的個(gè)例分析、更長年代的資料、雷暴發(fā)生前后CAPE的計(jì)算和對比方法均是以后工作的方向。

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