李國(guó)梁 李俊 李享

（1 湖北省防雷中心，武漢 430074；2 湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢 430074）

0 引言

雷電災(zāi)害給國(guó)家安全和人民生命造成重大威脅，研究雷電發(fā)生的環(huán)境條件，為雷電預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)雷電的預(yù)報(bào)進(jìn)行了許多研究分析，Xu[1]在研究用于雷電預(yù)報(bào)的雷達(dá)回波后得出，回波強(qiáng)度40 dBz的部分達(dá)到—10℃高度，且回波頂高超過(guò)9 km，云體很快發(fā)生閃電；Liu等[2]在研究熱帶和亞熱帶多個(gè)雷暴形成時(shí)的雷達(dá)回波發(fā)現(xiàn)，單體回波中40 dBz以上回波的頂高必須高于7 km；王洪霞等[3]指出，負(fù)地閃出現(xiàn)在40 dBz的回波發(fā)展區(qū)域內(nèi)，而正地閃出現(xiàn)在強(qiáng)度為30 dBz左右的風(fēng)暴后部。由于雷電的發(fā)生除了與天氣系統(tǒng)有較大關(guān)聯(lián)外，還存在較大的地域差異[4-5]。本文通過(guò)對(duì)2014年8月30—31日湖北省強(qiáng)雷電天氣特征進(jìn)行分析，旨在為建立湖北雷電的預(yù)報(bào)方法提供基礎(chǔ)和指標(biāo)，為雷電預(yù)警預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 閃電實(shí)況統(tǒng)計(jì)

2014年8月30—31日，湖北省總閃電次數(shù)36747次，其中正閃1742次，負(fù)閃35005次，而武漢、荊門(mén)、隨州、孝感總閃電次數(shù)25137次（其中，正閃1228次，負(fù)閃23909次，閃電強(qiáng)度≥100 kA的有2279次，強(qiáng)度在50～100 kA的有9948次），占全省總閃電次數(shù)的73.2%。30日20時(shí)—31日11時(shí)全省總閃電次數(shù)30628 次，平均2041.9 次/h。資料來(lái)源于湖北省二維閃電定位資料，從湖北省2014年8月30—31日閃電活動(dòng)分布圖（圖1）可知，這次強(qiáng)雷電過(guò)程，閃電頻次大、位置和時(shí)間非常集中，閃電主要發(fā)生在武漢北部和荊門(mén)北部、隨州南部、孝感北部區(qū)域，從湖北省2014年8月30—31日各小時(shí)閃電次數(shù)圖（圖2）可知，時(shí)間主要集中在30日20時(shí)—31日11時(shí)期間，且電流強(qiáng)度大。閃電頻數(shù)和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于有閃電資料以來(lái)同期歷史平均值[6-8]。在閃電發(fā)生時(shí)段全省伴有大范圍降水，強(qiáng)降水主要區(qū)域和時(shí)間與閃電發(fā)生區(qū)域和時(shí)間基本一致。

圖1 湖北省8月30—31日閃電活動(dòng)分布圖Fig. 1 Lightning activity distribution in Hubei Province on August 30 and 31

圖2 湖北省8月30—31日各小時(shí)閃電次數(shù)圖Fig. 2 Lightning frequency in Hubei Province on August 30 and 31

2 大氣環(huán)境特征分析

8月30—31日，500 hPa歐亞大陸中高緯維持兩槽兩脊形勢(shì)，貝加爾湖附近有穩(wěn)定西南—東北向長(zhǎng)波槽，從貝湖槽底部不斷有短波槽分裂東移南下，副熱帶高壓呈東西帶狀穩(wěn)定控制了30°N以南地區(qū)，588dagpm西脊點(diǎn)在105°E以西地區(qū)；850 hPa有西南渦沿著江淮切變線(xiàn)東移；從衛(wèi)星云圖（圖3）可知，中尺度系統(tǒng)在低槽云系底部前沿開(kāi)始發(fā)展東移，并逐漸增強(qiáng)，冷云罩面積增大，云頂亮溫下降，幾個(gè)中尺度云團(tuán)合并發(fā)展，在鄂中上空形成橢圓形的MCC；從武漢探空站的T-lnp得知，鄂中K指數(shù)維持在36～40℃，對(duì)流有效位能（CAPE）維持在2200～2500 J/kg（圖4）。

強(qiáng)大的副熱帶高壓給長(zhǎng)江中下游提供了必要的熱力和水汽條件，短波槽引導(dǎo)冷空氣與副高外圍暖濕氣流在長(zhǎng)江中下游地區(qū)交匯，干冷和暖濕氣流在長(zhǎng)江中下游劇烈碰撞，850 hPa有西南渦沿著江淮切變線(xiàn)東移，為這次強(qiáng)對(duì)流雷電天氣過(guò)程提供環(huán)流條件。中尺度系統(tǒng)出現(xiàn)在低槽底部與副熱帶高壓外圍、干冷和暖濕氣流劇烈交匯的地方，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的形成。K指數(shù)和對(duì)流有效位能指標(biāo)表明，鄂中地區(qū)具有強(qiáng)的不穩(wěn)定能量累積，為本次強(qiáng)天氣的發(fā)生創(chuàng)造了充足的不穩(wěn)定條件。中低層風(fēng)垂直切變存在并增強(qiáng)，加上中層的西南暖濕氣流，容易使上升氣流發(fā)生傾斜，有利于對(duì)流形成的降水脫離出上升氣流，而不至于因拖帶作用減弱上升浮力[9-13]，而且風(fēng)的垂直切變可增加中層干冷空氣的吸入，加強(qiáng)風(fēng)暴中的下沉氣流和冷空氣的外流，通過(guò)強(qiáng)迫抬升使流入的暖濕空氣更強(qiáng)烈上升，對(duì)流的加強(qiáng)更容易產(chǎn)生雷電。

3 雷達(dá)產(chǎn)品分析

由于雷暴云內(nèi)的起電與其中的微物理過(guò)程息息相關(guān)，可以使用天氣雷達(dá)觀測(cè)云中粒子的形態(tài)特征，確定雷暴云的位置、移動(dòng)方向及傳播速度[14-16]。為了尋找雷達(dá)資料與閃電發(fā)生的關(guān)系，將閃電發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)與雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行匹配分析，根據(jù)雷達(dá)資料變化情況，將8月30日19:30和19:42，8月31日02時(shí)、05時(shí)、08時(shí)、11時(shí)雷達(dá)產(chǎn)品演變圖進(jìn)行分析。

3.1 雷達(dá)反射率因子的分析

通過(guò)對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度的大小，強(qiáng)回波中心，強(qiáng)回波區(qū)的產(chǎn)生、發(fā)展以及移動(dòng)的方向和速度進(jìn)行分析，可以做出對(duì)強(qiáng)對(duì)流單體的預(yù)報(bào)和追蹤。圖5是湖北省雷達(dá)組合反射率演變圖，紅色區(qū)域?qū)儆趶?qiáng)回波區(qū)域，往往是雷暴云的中心[17-18]，從圖5可以看到，8月30日19:30在荊門(mén)和隨州西北方向出現(xiàn)兩個(gè)較強(qiáng)回波區(qū)域，回波強(qiáng)度在40 dBz以上，荊門(mén)局部達(dá)到45 dBz以上（荊門(mén)初次閃電時(shí)間為19:55），之后強(qiáng)回波逐漸向東南方向移動(dòng)，強(qiáng)回波區(qū)域有所增大，19:42隨州局部達(dá)到45 dBz以上（隨州初次閃電時(shí)間為20:01），8月31日02時(shí)，強(qiáng)回波區(qū)域繼續(xù)向東南方向移動(dòng)，到當(dāng)日05時(shí)，強(qiáng)回波區(qū)域移動(dòng)到京山、安陸、大悟一線(xiàn)，并形成連成一體的強(qiáng)回波區(qū)域，同時(shí)遠(yuǎn)安北部有強(qiáng)回波形成，到當(dāng)日08時(shí)強(qiáng)回波到達(dá)孝感、黃陂、新洲一線(xiàn)，遠(yuǎn)安北部強(qiáng)回波逐漸南移到遠(yuǎn)安南部，到11時(shí)強(qiáng)回波減弱消失，僅有秭歸有強(qiáng)回波生成。根據(jù)閃電發(fā)生時(shí)間和回波強(qiáng)度的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，在雷暴發(fā)生前，該區(qū)域回波強(qiáng)度大部分在40 dBz以上，且最大回波強(qiáng)度≥45 dBz，從圖5也可看出，強(qiáng)回波所在區(qū)域，降水量增大，閃電次數(shù)明顯增加。

3.2 回波頂高的分析

圖3 8月30日20時(shí)—31日14時(shí)中尺度系統(tǒng)活動(dòng)演變圖Fig. 3 Activities for mesoscale system diagram from 8 pm, August 30, to 2 pm, August 31

圖4 8月30日20時(shí)、31日08時(shí)K指數(shù)和對(duì)流有效位能圖Fig. 4 K index and convection effective potential energy at 8 pm, August 30, and 8 am, August 31

回波頂高是在≥18 dBz反射率因子被探測(cè)到時(shí)，以最高仰角為基礎(chǔ)的回波頂高度[19]。一般回波頂高上升越高，代表對(duì)流發(fā)展越為旺盛。圖6為湖北省8月30—31日回波頂高演變圖，紅色區(qū)域即為對(duì)流發(fā)展最旺盛的區(qū)域。8月30日19:30在十堰和隨州、遠(yuǎn)安等地回波頂高大于9 km，局部達(dá)到17km以上，并逐漸向東南方向移動(dòng)，回波頂高逐漸上升，區(qū)域有所擴(kuò)大，并到達(dá)隨州和荊門(mén)西北部，8月31日02時(shí)，回波頂高高值區(qū)域繼續(xù)向東南方向移動(dòng)，到05時(shí)，回波頂高高值區(qū)域移動(dòng)到京山、安陸、大悟，并形成連成一體的大區(qū)域，同時(shí)遠(yuǎn)安北部回波頂高上升，08時(shí)回波頂高高值區(qū)域到達(dá)麻城、黃陂、新洲一線(xiàn)，巴東、遠(yuǎn)安北部回波頂高上升，11時(shí)回波頂高下降，秭歸回波頂高上升。對(duì)比圖5中高反射率區(qū)域發(fā)現(xiàn)，對(duì)流發(fā)展旺盛區(qū)域與回波頂高高值區(qū)域相吻合，一般都是雷暴云的中心區(qū)域，且回波頂高區(qū)域中心的移動(dòng)與回波強(qiáng)度區(qū)域中心移動(dòng)相吻合。從圖6中可以看出，在雷暴發(fā)生前，其周?chē)妆┰频幕夭敻叽蟛糠衷? km以上，最大回波頂高達(dá)到17 km。

圖5 8月30日19:30和19:42，31日02時(shí)、05時(shí)、08時(shí)、11時(shí)雷達(dá)回波(dBz)Fig. 5 Radar echo (dBz) at 7:30 pm and 7:42 pm, August 30, and 2, 5, 8, 11 am, August 31

3.3 垂直液態(tài)水含量分析

關(guān)于云內(nèi)起電機(jī)制的假說(shuō)有很多，但無(wú)一例外地都要求云中必須有充足的水汽，云中含水量對(duì)云內(nèi)電荷的分離和累積的貢獻(xiàn)是不可忽視的，也是閃電發(fā)生的一個(gè)重要條件[20]。

圖7中的粉紅色區(qū)域?qū)儆谝簯B(tài)水含量較高的區(qū)域，8月30日19:30在十堰和隨州、遠(yuǎn)安等地液態(tài)水含量大于6 kg/m2，局部達(dá)到20kg/m2，并逐漸向東南方向移動(dòng)，液態(tài)水含量逐漸上升，區(qū)域有所擴(kuò)大，并到達(dá)隨州和荊門(mén)西北部，8月31日02時(shí)，高液態(tài)水含量區(qū)域繼續(xù)向東南方向移動(dòng)，到05時(shí)，高液態(tài)水含量區(qū)域移動(dòng)到京山、安陸、大悟，并形成連成一體的大片區(qū)域，同時(shí)遠(yuǎn)安北部液態(tài)水含量上升，08時(shí)高液態(tài)水含量區(qū)域到達(dá)孝感、黃陂、新洲一線(xiàn)，巴東、遠(yuǎn)安北部液態(tài)水含量上升，11時(shí)液態(tài)水含量下降，秭歸液態(tài)水含量上升。正好與閃電降水區(qū)域相吻合，從圖7中可以看出在雷暴發(fā)生前，區(qū)域的液態(tài)水含量大部分在6 kg/m2以上，最大液態(tài)水含量達(dá)到20 kg/m2。

4 結(jié)論

1）貝湖槽冷空氣與長(zhǎng)江中下游暖濕氣流交匯，同時(shí)中低層風(fēng)速增強(qiáng)，垂直風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)，加之低層有西南渦沿著江淮切變線(xiàn)東移，為這次強(qiáng)雷電天氣的發(fā)生準(zhǔn)備了充足的不穩(wěn)定條件。

2）中尺度系統(tǒng)首先在低槽云系底部前沿開(kāi)始發(fā)展，隨著低槽云系東移，中尺度系統(tǒng)發(fā)展增強(qiáng)，幾個(gè)中尺度云團(tuán)合并發(fā)展，冷云罩面積增大，云頂亮溫下降，為這次強(qiáng)雷電天氣發(fā)生提供了中尺度環(huán)境。

圖6 8月30日19:30和19:42，31日02時(shí)、05時(shí)、08時(shí)、11時(shí)回波頂高(km)Fig. 6 Echo top high (km) at 7:30 pm and 7:42 pm, August 30, and 2, 5, 8, 11 am, August 31

3）通過(guò)常規(guī)天氣資料能夠了解大尺度環(huán)境背景與層結(jié)的穩(wěn)定；衛(wèi)星資料在時(shí)間和范圍上有提前量和廣域性，有助于宏觀地了解中尺度系統(tǒng)的基本情況；雷達(dá)資料有助于比較具體地了解天氣系統(tǒng)的發(fā)展和移動(dòng)趨勢(shì)；大氣電場(chǎng)資料能直觀反映雷電發(fā)生前的電場(chǎng)變化；閃電定位資料能夠證實(shí)閃電發(fā)生的具體位置。

4）雷電發(fā)生時(shí)間及區(qū)域與雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)域的位置相吻合，與高云頂高度區(qū)域相吻合。當(dāng)區(qū)域回波強(qiáng)度大部分在40 dBz以上、回波頂高大部分在9 km以上，且最大回波強(qiáng)度≥45 dBz、最大回波頂高達(dá)到17km時(shí)，發(fā)生雷電的可能性較大。

5）水汽輻合和不穩(wěn)定狀況是雷雨天氣發(fā)生的重要要素，當(dāng)K指數(shù)≥36，最大值達(dá)到40和垂直液態(tài)水含量≥6 kg/m2，最大值達(dá)20 kg/m2時(shí)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的雷電預(yù)報(bào)有明確的指標(biāo)作用。

閃電定位儀的實(shí)時(shí)性、雷達(dá)探測(cè)的精確性、衛(wèi)星探測(cè)的廣域性，雷達(dá)回波圖能看到云底及云層的垂直分布，云圖對(duì)于云頂分布的直觀性，這些資料的相互配合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，對(duì)中小尺度雷電天氣的分析和預(yù)報(bào)就能提供較全面的信息。多種觀測(cè)手段的加入，幫助我們多方面了解天氣系統(tǒng)的實(shí)況，更準(zhǔn)確地分析其特征。衛(wèi)星資料與雷達(dá)資料的結(jié)合分析，在時(shí)間和空間上做到了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以有效地對(duì)雷電的發(fā)生做出可靠的預(yù)報(bào)預(yù)警。

盡管上述的分析初步揭示出大氣探測(cè)資料對(duì)災(zāi)害性天氣過(guò)程中雷電的預(yù)警和預(yù)報(bào)方面具有一定的參考價(jià)值，然而，對(duì)雷電活動(dòng)特征的全面認(rèn)識(shí)還需要積累更多的典型個(gè)例和足夠的大氣電場(chǎng)儀網(wǎng)絡(luò)，相信隨著強(qiáng)對(duì)流天氣分析個(gè)例的增多，人們對(duì)雷電參數(shù)在強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)預(yù)報(bào)中的運(yùn)用將有更深的認(rèn)識(shí)。

圖7 8月30日19:30和19:42，31日2時(shí)、5時(shí)、8時(shí)、11時(shí)垂直液態(tài)水含量（kg/m2）Fig. 7 The vertical liquid water content (kg/m2) at 7:30 pm and 7:42 pm, August 30, and 2, 5, 8, 11 am, August 31