李雨珊，李力園，余 海，勞小青

(1. 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南 海口 570203 ;2. 海南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，海南 ?？?570203)

閃電是伴隨對流性天氣過程所發(fā)生的一種瞬時放電現(xiàn)象，自然界約有三分之一的閃電會擊中大地，這類閃電被稱為地閃.地閃放電伴隨有大電流、高溫、沖擊波和強電磁輻射等效應(yīng)，會對地面建筑物、森林、電力和電子設(shè)備以及人身安全等構(gòu)成嚴(yán)重威脅.為了提高對對流性天氣和閃電的預(yù)警能力，通常會通過分析雷暴發(fā)生前的環(huán)境因子與雷暴閃電活動之間的關(guān)系來獲知閃電活動的潛勢預(yù)報因子；也可通過研究閃電活動與雷達參量之間的關(guān)系來為雷暴閃電活動的未來發(fā)展趨勢提供預(yù)警參量.為了理解雷暴的熱動力特征和云內(nèi)水成物粒子之間的內(nèi)在聯(lián)系，通常會采用數(shù)值模式來對雷暴進行模擬，從而探討影響閃電活動的內(nèi)在物理機制.

隨著科學(xué)研究的發(fā)展和探測技術(shù)的日益進步，有關(guān)雷暴云閃電的活動特征及其與氣象環(huán)境因子之間的關(guān)系研究取得了一系列的進展，對影響雷暴閃電活動的關(guān)鍵參數(shù)也有了一定的認(rèn)識.鄭棟等[1]通過對大氣不穩(wěn)定參數(shù)與閃電活動的相關(guān)性分析指出，潛在性穩(wěn)定度指數(shù)、對流性穩(wěn)定度指數(shù)、潛在對流性穩(wěn)定度指數(shù)、抬升指數(shù)、對流有效位能(CAPE)和700 hPa相當(dāng)位溫對閃電活動具有較好的潛勢預(yù)報效果，而中層平均相對濕度對閃電活動的預(yù)報效果沒有以上幾個參數(shù)的預(yù)報效果明顯.王潔等[2]對一次強雷暴天氣與大氣環(huán)境場的關(guān)系進行了分析后指出:閃電活動與潛在對流性穩(wěn)定度指數(shù)、抬升指數(shù)、能量場和位勢穩(wěn)定度具有較好的相關(guān)性，但閃電活動最頻繁的區(qū)域與雨量最大的區(qū)域并不對應(yīng)，且強降水的時間滯后于閃電峰值時間.Solomon和Baker[3]在研究新墨西哥州雷暴的時候發(fā)現(xiàn)，對流有效位能值400 J/kg是預(yù)報閃電發(fā)生的一個有用參數(shù).在所研究的12個雷暴中，有7個雷暴的CAPE值超過了400 J/kg，其中6個產(chǎn)生了閃電，而在另外5個低于這個值的雷暴中，只有2個產(chǎn)生了閃電.Peterson等[4]也發(fā)現(xiàn)了在24小時的CAPE和24小時的地閃總數(shù)之間存在著一定的關(guān)聯(lián)，同時最大云高或雷達回波高度和閃電活動有密切的關(guān)系.郄秀書等[5-6]分析了青藏高原地區(qū)的閃電活動特征，給出了高原雷電活動與CAPE和地表熱力學(xué)特征的關(guān)系，并認(rèn)為青藏高原地區(qū)的閃電放電較同緯度地區(qū)和其他低海拔地區(qū)的閃電放電弱，主要是由于高原上的CAPE較小的緣故.Ushio等[7]通過分析TRMM衛(wèi)星測雨雷達和LIS雷暴閃電頻數(shù)的觀測資料發(fā)現(xiàn)，雷暴閃電頻數(shù)與雷暴云云頂高度存在一定的關(guān)系，即閃電頻數(shù)隨雷暴云云頂高度的增加呈指數(shù)增加.Kawasaki等[8]的研究認(rèn)為,雷暴云0 ℃層以上云層的厚度與閃電頻數(shù)之間的關(guān)系比雷暴云高度更適合參數(shù)化方案.Price和Rind[9]認(rèn)為,對流云中閃電活動和上升氣流強度呈正相關(guān)的關(guān)系.Zipser[10]和Petersen等[4]在研究熱帶海洋雷暴時發(fā)現(xiàn),在-10 ℃層，氣流上升速度至少要達到6～7 m/s，閃電活動才能發(fā)生.Jorgensen和LeMone[11]對海洋雷暴的觀測表明,海洋雷暴的上升氣流較弱，這可能是導(dǎo)致海洋雷暴閃電頻數(shù)較低的一個原因.還有一些模式研究也證明了氣流上升速度和水汽條件在雷暴電活動中的重要意義.Miller等[12]利用一個二維模式，對兩個個例進行了模擬，發(fā)現(xiàn)氣流上升的速度和軟雹粒子的密度是影響閃電頻數(shù)的主要因素.言穆弘等[13-14]通過模式研究發(fā)現(xiàn),雷暴電活動在很大程度上依賴云底附近的熱動力學(xué)特性，只有在強上升氣流穿過-20 ℃高度層時才會產(chǎn)生強起電，且發(fā)生在達到最大上升速度后出現(xiàn)回落的時段.張義軍等[15]在模式研究中發(fā)現(xiàn),閃電活動與上升氣流速度之間有很強的相關(guān)性，同時也需要一定密度和大小的云中水成物粒子.

目前，針對區(qū)域內(nèi)一年當(dāng)中首次雷暴(以下簡稱“初雷”)的觀測研究還不多見，初雷預(yù)示了一年中雷雨季節(jié)和強對流性天氣頻發(fā)期的開始，是一年中首次氣象要素和氣候變化的標(biāo)志，理論上其應(yīng)具有一定的指示意義.海南島地處熱帶，屬海洋性氣候，高溫高濕的環(huán)境非常有利于對流活動的發(fā)生和發(fā)展，雷電活動亦十分頻繁，這就為對雷暴的觀測和研究提供了有利條件,不僅有利于理解和確定雷電預(yù)報預(yù)警技術(shù)和關(guān)鍵參數(shù)，而且有助于我們對該地區(qū)雷暴發(fā)生的環(huán)境場有更進一步的認(rèn)識；此外,通過將有關(guān)資料與雷達回波特征進行對比分析，也可以幫助我們更好地確定雷電發(fā)生時的回波閾值.近些年來，很多學(xué)者的相關(guān)研究資料表明[16-21]，利用大氣電場資料能夠有效探測雷暴云在不同階段的特征，從而可幫助業(yè)務(wù)人員判斷和識別雷暴云的影響區(qū)域和未來的發(fā)展趨勢，但卻不能反映雷電發(fā)生的具體方位，閃電定位資料雖能反映雷電的定時與定點實時信息，但其本身除了可以做到實時監(jiān)測地閃的活動情況外，并沒有雷電預(yù)警的能力.而通過對氣象要素的實時監(jiān)測和建立氣象要素與閃電活動之間的關(guān)系后，就可以做到提前預(yù)報，這有助于對雷暴活動的提前預(yù)防;另外,由于雷達可以更為直接地反映雷暴天氣的實況，因此通過建立回波參量與閃電發(fā)生的對應(yīng)關(guān)系，可以提前對雷電的發(fā)生做出短時臨近預(yù)警，若將二者結(jié)合起來則可以更好地滿足業(yè)務(wù)工作的需求.為此，本文綜合利用雷達、閃電定位、氣象探空、地面環(huán)境參量等觀測資料, 從探空結(jié)構(gòu)、天氣形勢、大氣參數(shù)特征及雷達回波演變等角度對其進行了綜合分析，初步探討了初雷活動與各氣象要素之間的關(guān)系、引發(fā)初雷發(fā)生和發(fā)展的環(huán)境條件以及對初雷臨近預(yù)警的著眼點等，旨在為準(zhǔn)確預(yù)報海南島的初雷提供參考依據(jù).

1 資料選取和方法介紹

本文的分析數(shù)據(jù)為2020年2月份的地閃定位數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)(自動氣象站資料和常規(guī)氣象探空).首先，地閃數(shù)據(jù)來自海南省ADTD閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)先通過監(jiān)測地閃輻射的甚低頻信號，再經(jīng)波形判斷后給出閃電信號到達傳感器的精確時間，然后中心定位處理軟件采用時差測向混合定位算法來實現(xiàn)對地閃的定位.在海南島上共裝設(shè)有5個探測基站，如圖1所示，它們分別位于?？凇⑷齺?、東方、瓊海、瓊中五個市縣的氣象站內(nèi)，呈東西南北中分布，站間距在150 km以內(nèi)，該系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)除了用于業(yè)務(wù)工作外，也被廣泛用于研究工作[22-23].

雷達位于海口東北部靠近瓊州海峽的永莊(E110.25°，N20.00°)，雷達工作模式為體掃模式，每次體掃共包含有9層，探測俯仰范圍為：0.5°～19.5°，雷達完成一次體掃過程大致需要6 min.探空站與雷達站的位置一致，每日早晚2次(07:30和19:30)進行探空觀測.另外，還選取了7個區(qū)域的自動氣象站的逐時溫度和濕度資料，這7個區(qū)域分別為臨高、臨高角、澄邁金江、澄邁福山紅光農(nóng)場、澄邁老城高速路、瓊山和海口.

2 資料分析

2.1 首次雷暴的天氣形勢2020年2月13日，海南島西北部出現(xiàn)了首次雷暴天氣過程,通過對雷達資料的初步分析發(fā)現(xiàn)，2020年2月13日共出現(xiàn)了兩次雷暴過程，第一次雷暴過程(以下簡稱雷暴A)出現(xiàn)在13日01：00—14：00時；第二次雷暴過程(以下簡稱雷暴B)出現(xiàn)在13日晚上的21:00時至14日上午的06:00時.

從第一次雷暴過程的天氣形勢圖上看(圖2a)，12日20:00時，我國500 hPa高原東側(cè)和華北各有短波槽活動，貝湖附近有橫槽活動；在925 hPa，南海北部海域有延伸至本島東部的弱切變線，切變線南側(cè)偏南的暖濕氣流有利于水汽和不穩(wěn)定能量向海南島輸送(圖2c)，地面冷高壓東移入海后，海南島轉(zhuǎn)受冷高壓底部東到東南的氣流控制，氣溫開始回升(圖2e)，下暖上冷的不穩(wěn)定層結(jié)有利于雷暴活動的發(fā)生.對于第二次雷暴過程，13日20:00時，500 hPa南支槽逐漸東移，本島處于槽底前西南氣流中，貝湖附近的橫槽轉(zhuǎn)豎并引導(dǎo)冷空氣南下,副高控制南海中南部海域，南支槽位于中南半島一帶，本島受南支槽前西南氣流的控制，具有較好的大尺度抬升條件和大氣不穩(wěn)定條件(圖2b)；925 hPa(圖2d)南海北部海域出現(xiàn)偏南低空急流，風(fēng)速達12 m/s，水汽和不穩(wěn)定能量在本島北部匯合，配合地面減壓(圖2f)，這有利于對流活動的發(fā)生和發(fā)展.

2.2 雷暴個例的雷達回波及閃電活動的特征分析為了對海南島初雷天氣過程有較為清晰的認(rèn)識，這里對這兩次雷暴過程所對應(yīng)的雷達回波和閃電活動特征進行了詳細(xì)分析.

2.2.1 雷暴A的雷達回波演變特征通過對雷暴A的雷達回波分析發(fā)現(xiàn)，2020年2月13日凌晨00：01，在海南島西北部距觀測雷達約150公里處開始有范圍極小的對流云團回波生成，最大回波強度為30 dBZ.01:26時已生成多個對流單體，回波面積有所增大且逐漸向觀測雷達方向靠近，回波強度處于上升趨勢，最大強度增強到45 dBZ(圖3a)；至04:06時，對流云團進一步發(fā)展，回波面積相應(yīng)增大并向東移，最大回波強度達到60 dBZ，為了便于討論，這里將其稱為A1雷暴；同時，海南島西部距觀測雷達約150公里處又有新的小范圍對流云團生成，最大回波強度為35～40 dBZ，這里稱為A2雷暴，隨后發(fā)展東移,也向觀測雷達方向靠近(圖3b)；于07:04左右，A1雷暴與A2雷暴雖未合并，但二者形成近西南—東北走向的帶狀回波，其中，A1雷暴的最大回波強度維持在60 dBZ左右，而A2雷暴的最大回波強度則增強到55 dBZ以上(圖3c).于10:07時，回波帶呈典型的西南—東北走向，A1雷暴與A2雷暴的回波面積變化不大，但A1雷暴的最大回波強度已從60 dBZ減弱至45～50 dBZ，A2雷暴的最大回波強度則繼續(xù)增強,并達到60 dBZ(圖3d)；此后，整個回波帶逐漸進入減弱消散的階段，至13:04時，A1雷暴已遠(yuǎn)離觀測雷達(基本消散)，A2雷暴的回波面積也逐漸減小，強度減弱(圖3e)；至14:01時，雷暴A的過程基本結(jié)束(圖3f)，整個過程持續(xù)的時間較長,達到了14小時.

(a)01:26; (b) 04:06; (c) 07:04; (d) 10:07; (e) 13:04; (f) 14:01

2.2.2 雷暴A的地閃活動特征圖4給出了雷暴A過程的整體地閃頻數(shù)的演變.由圖4可見，雷暴A過程的閃電活動有以下3個特點:1)從1:22開始到8:32，經(jīng)歷了較長時間的低地閃頻數(shù)階段，雖然此期間出現(xiàn)了短暫的活躍期(7:00—7:27)，但最大閃電頻數(shù)只有0.8 fl/min，持續(xù)時間也只有27 min；2)閃電活動最為活躍的階段出現(xiàn)于9:22—12:42，持續(xù)時間超過了3個小時，最大閃電頻數(shù)達到了1.8 fl/min；3)正負(fù)地閃的比例基本相當(dāng)，其中，正閃占總閃的46%，負(fù)閃占總閃的54%，正/負(fù)地閃比例為1∶1.2.

圖4 雷暴 A過程(1:22—14:22)地閃頻數(shù)的時間演變圖

從逐3小時地閃的空間分布來看(圖5)，13日01:22—03:59時，在海南島西北部觀測到了數(shù)量較少的地閃活動，均為正地閃(圖5a)；至06:59時，地閃頻數(shù)雖有所增多，但整體依然保持在0.4 fl/min左右，且伴有少量的負(fù)地閃出現(xiàn)，正/負(fù)地閃的比例為1∶0.6，整體隨雷暴的移動也呈向東移動的趨勢.同時，海南島西南方向的A2雷暴出現(xiàn)，也開始伴有少量的地閃發(fā)生(圖5b)；07:00—09:59時，西南方向的閃電活動逐漸變得頻繁，負(fù)地閃明顯增加，正/負(fù)地閃的比例為1∶1.1(圖5c)；10:00—14:26時，東北方向的A1雷暴有開始減弱的趨勢，閃電頻數(shù)也顯著減少，A2雷暴則維持高頻數(shù)發(fā)展至12：42時，正/負(fù)地閃的比例為1∶1.6，閃電密集區(qū)形成，隨著A2雷暴的閃電活動于13:40時的結(jié)束，整個雷暴A的閃電活動基本結(jié)束(圖5d).整體而言，地閃頻數(shù)的高低與雷達回波的面積大小、強度有著很強的相關(guān)性，地閃隨時間的空間分布基本與雷達回波系統(tǒng)的移動一致.分開來看，A1雷暴雖然發(fā)生得最早，持續(xù)時間最長，但整體閃電頻數(shù)卻不高且以正地閃為主.A2雷暴發(fā)生得較晚，雷暴成熟階段的空間尺度與A1雷暴相當(dāng)，但地閃頻數(shù)相對較高，正/負(fù)地閃頻數(shù)大致相當(dāng)，最活躍階段的地閃基本上都是A2雷暴的貢獻.另外，從A2雷暴成熟階段地閃的空間分布來看，正/負(fù)地閃在空間分布上有明顯的位置差異，這表明A1雷暴與A2雷暴的電荷結(jié)構(gòu)特征存在差異.

2.2.3 雷暴B的雷達回波演變特征雷暴B最初于21:16時在觀測雷達上空西北方向50公里的范圍內(nèi)出現(xiàn)，由單個尺度較小的對流單體組成，但回波強度較強，最大回波強度為40～45 dBZ.21:44時，雷達上空西北50公里內(nèi)及150公里處再次產(chǎn)生新的面積不大的對流單體，東北方向50公里處也有多個面積

不大的對流單體發(fā)展和形成，最大回波強度均在45 dBZ左右(圖略).22:42時，西北方向50公里內(nèi)的對流云團已東移，并與東北方向的對流單體合并成團，最大回波強度迅速增強到60 dBZ(為了便于討論，這里將其稱為B1雷暴)，而西北150公里處的對流云團則繼續(xù)發(fā)展,并向觀測雷達方向靠近(這里稱為B2雷暴)，最大回波強度也增強至55 dBZ以上(圖6a)；23：39時，B2雷暴的回波面積隨對流云團進一步發(fā)展增大并逐漸東移，強度增強，最大回波強度已達到60 dBZ，B1雷暴的回波面積也發(fā)展增大，并開始遠(yuǎn)離雷達測站，向東北方向移動，最大回波強度維持在60 dBZ (圖6b).至次日00:42時，B2雷暴的回波面積持續(xù)擴大并東移，強度維持，而B1雷暴回波區(qū)則已遠(yuǎn)離雷達測站(至100公里處)，強度稍有減弱(圖6c)；02：36時，B2雷暴的回波面積進一步擴大東移，B1雷暴的回波區(qū)則已迅速遠(yuǎn)離雷達測站(減弱至消散，圖6d).04：02時，B2雷暴已有1/2的回波面積移到東北方向，回波面積和強度依然維持發(fā)展并繼續(xù)東移(圖6e)，至06：02時，整個B2雷暴的回波區(qū)基本全部東移至東北方向，此后逐漸進入減弱消散階段，雷暴B過程結(jié)束(圖6f).整個過程對流云團的發(fā)展較為快速，強度較強.

(a) 22:42; (b) 23:39; (c) 00:42; (d) 02:36; (e) 04:02; (f) 06:02

2.2.4 雷暴B的地閃活動特征圖7給出了雷暴B過程整體地閃頻數(shù)的演變，由圖7可見，雷暴B過程的地閃活動有以下4個特點：1) 從21:22～01:22時，地閃頻數(shù)整體較低，平均保持在0.2～0.6 fl/ min，此期間雖有短時峰值出現(xiàn)(如22:22時、23:42時和01:07時的峰值)，但持續(xù)時間很短，且最大地閃頻數(shù)也只有1.2 fl/min；2)雷達回波演變趨勢表明，雷暴于0：00時已明顯進入成熟階段，但地閃活動仍然不活躍；3)01:22～05:52時期間，地閃活動開始變得活躍，整個持續(xù)時間達4個多小時，最大閃電頻數(shù)高達2.4 fl/min；此期間開始出現(xiàn)少量的正地閃，但整個活躍期還是以負(fù)地閃為主；4)05:52時之后，地閃活動出現(xiàn)明顯的減弱，但雷達回波強度減弱的趨勢較慢(圖略).

圖7 雷暴B過程(21:17—06:41時)地閃頻數(shù)的時間演變圖

從逐3小時地閃的空間分布來看(圖8)，13日21:17—23:59時，在海南島的西北，B2雷暴和東北B1雷暴部都觀測到少量的地閃活動，且均為負(fù)地閃(圖8a)；至次日02：59時，B2雷暴的地閃頻數(shù)明顯快速增多，最大頻數(shù)達到2 fl/min左右，閃電密集區(qū)出現(xiàn)，且隨雷達回波的整體東移而東移，于02：36時，B1雷暴的地閃頻數(shù)則隨著B1雷暴回波區(qū)的減弱消散而呈現(xiàn)迅速減少的趨勢，兩個雷暴均伴有少量的正地閃出現(xiàn)，正/負(fù)地閃的比例為1∶20.2(圖8b).03：00—05：59時，西北B2雷暴的地閃活動依然維持高頻數(shù)的態(tài)勢發(fā)展，正地閃稍有增加，正/負(fù)地閃的比例為1∶6(圖8c)；次日06:00時后，B2雷暴已完全東移到東北方向，西北方向則無地閃活動，雷暴B的閃電活動基本結(jié)束(圖8d).整個過程以負(fù)閃為主，負(fù)閃占總閃的91%，而正閃僅占總閃的9%，正/負(fù)地閃的比例為1∶10，這與雷暴A存在較大的差異.

2.3 氣象要素的特征分析

2.3.1 區(qū)域自動氣象站資料為了對2020年海南島西北部首次雷暴發(fā)生時的環(huán)境背景條件進行分析，這里對海南島7個區(qū)域的自動氣象站于整個二月份的溫度和相對濕度資料進行了統(tǒng)計.考慮到背景天氣實況對氣象要素的影響，在此將自動站的資料分為三種，分別為晴天、陰雨天和雷暴天.通過對溫度和濕度日變化的分析發(fā)現(xiàn)，7個站點所對應(yīng)的雷暴天，其日氣溫最大值出現(xiàn)的時間均滯后于晴天日氣溫最大值出現(xiàn)的時間，但與陰雨天日氣溫最大值出現(xiàn)的時間同步或滯后；更為顯著的特征是：雷暴日的氣溫整體要高于晴天和陰雨天的氣溫，特別是在午后，氣溫的增溫趨勢更為明顯且峰值也是最大的.由于7個站的溫度和濕度的日變化特征基本相同，為了說明情況，這里只給出2個區(qū)域自動氣象站(臨高和金江)的結(jié)果，如圖9所示.從濕度的日變化特征來看，雷暴日所對應(yīng)的相對濕度在14:00時之前也是整體高于晴天和陰雨天的相對濕度的，另外，在13:00—16:00的時段內(nèi)，雷暴日所對應(yīng)的相對濕度的遞減變化也明顯大于其他兩種天氣條件的相對濕度的遞減變化.

首次雷暴日溫度和濕度的這種變化特征與雷暴的發(fā)展有何關(guān)系還有待進一步的分析和研究.首先，影響溫度的因素有很多種，但在同一地區(qū)同一時段內(nèi)，除了陰雨天對太陽輻射的遮擋影響外，太陽輻射的差異基本可以忽略不計，按理說晴天的氣溫是最高的，但對于13日(雷暴日)，其氣溫整體偏高,這應(yīng)該是由于受到局地大氣狀況影響的緣故，否則差異不會過于顯著.初步分析認(rèn)為，這很可能是由海洋暖濕空氣平流引起了氣溫升高，同時其攜帶的水汽也使得空氣濕度得到一定程度提高的緣故，這就可以解釋自動氣象站為何相對濕度偏高了.至于午后相對濕度的快速減小,這是由于午后溫度升高造成的,因而造成近地面空氣層的水汽蒸發(fā)加快，從而使得空氣濕度快速減小.從對流的角度分析，近地面溫度的升高會使得近地面溫度的垂直梯度增大，造成大氣的不穩(wěn)定和出現(xiàn)對流抬升的現(xiàn)象，從而使空氣中的水汽向上輸送，這為對流天氣的出現(xiàn)提供了條件，與此同時，近地面的空氣濕度也出現(xiàn)了較快的減小.盡管如此，僅從地面氣象要素很難準(zhǔn)確地判斷對流的發(fā)生，尚需結(jié)合探空結(jié)果來對大氣層結(jié)和對流能量狀況作進一步的深入分析，見本文2.3.2節(jié).

為了進一步地分析兩次雷暴發(fā)生前溫度和相對濕度的狀況，本文統(tǒng)計了雷暴A和雷暴B發(fā)生前2小時整個二月份同時刻的溫度和相對濕度的對比數(shù)據(jù)，如圖10所示.分析發(fā)現(xiàn)，13—15日的氣溫明顯高于其他天同時刻的溫度，而同時段的相對濕度略低于整個月的平均狀況,即在雷暴(12日夜間至13日)活動期間，大氣處于較暖/干的條件下,這是由于溫度的升高首先提升了大氣含水的能力，其次是由于蒸發(fā)水汽向上輸送，從而導(dǎo)致了近地面空氣相對濕度的減小.對于雷暴A，沿海站(如臨高站)12日22:00時的溫度低于22 ℃，而內(nèi)陸站(如金江站)同時刻的溫度卻可以達到24 ℃左右；對于雷暴B，無論是沿海站,還是內(nèi)陸站，13日19:00時的溫度均保持在高值，而相對濕度卻相對適中.

2.3.2 探空資料相較于地面氣象要素的觀測，探空資料更能較好地反映大氣的對流狀況.為了分析2020年2月兩次雷暴所對應(yīng)的大氣層結(jié)特征，對整個2月早上(07:30)和晚上(19:30)的氣象探空資料所反映的大氣層結(jié)參數(shù)進行了統(tǒng)計，由于參量較多，故由表1給出.CAPE是與深對流活動最為密切的能量之一，它敏感地依賴于邊界層空氣的熱動力特性，因此一直被認(rèn)為是與閃電頻數(shù)關(guān)系最為密切的量.Williams[24]通過全球電路和溫度的相關(guān)理論，得出CAPE取決于濕球溫度，且CAPE和濕球溫度的關(guān)系只在熱帶地區(qū)存在.由表1可見，除了12日20：00時和13日、14日以及15日的CAPE較大外，其余天數(shù)的CAPE值都較小，其中，13日19:30的CAPE值達到了1 225.9 J/kg.雷暴A最早發(fā)生于13日零點左右，但12日08：00時的CAPE值接近于零，初步分析認(rèn)為，這是由于該雷暴發(fā)生于海上(雷達站西北150公里左右)，探空站附近的大氣狀況并不能反映雷暴發(fā)生區(qū)域(海面上)的大氣狀況的緣故；而雷暴B由于發(fā)生于探空站附近，因此CAPE能夠較好地反映雷暴發(fā)生時的大氣狀況(大氣積累了足夠的能量).Williams和Stanfill[25]認(rèn)為，云底高度(Cloud Base Height, CBH)能反映有效位能向?qū)α鲃幽艿挠行мD(zhuǎn)化，較高的云底高度有利于垂直氣流的發(fā)展，可使其產(chǎn)生速度較大的垂直上升氣流，從而有利于云中冰相粒子的生長，因此，CBH可以在一定程度上反映閃電活動的強弱.從雷暴日探空計算的CBH來看，其情況基本與CAPE相同，所不同的是，12日19:30的CBH值較大，由此可看出，CBH作為指示對流活動的參數(shù)，其代表性反而比CAPE的代表性更好一些，但13日7:30的CBH值偏小.郭鳳霞等[26-27]通過模式分析發(fā)現(xiàn)，對流有效位能和中層平均相對濕度是影響閃電活動強弱的重要因子，不同的層結(jié)參數(shù)，雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)往往有很大的差異，通過探空計算所得到的中層平均相對濕度(700～400hPa)的最大值(22.7%～78.2%)出現(xiàn)在12日午后至14日，這基本與兩次雷暴過程所對應(yīng)的時間一致.初步分析認(rèn)為，將中層平均相對濕度作為雷暴活動的指示參數(shù)更為合理.從2月的整體情況來看，對流抑制能量(CIN)的絕對值在0～370 J/kg之間，2月3日08：00時、14日08：00時和19：00時、15日08：00時的CIN都在300 J/kg左右，大氣屬于最為穩(wěn)定的范圍；2月12日和13日的19：00時所對應(yīng)的CIN值分別為158.5 J/kg和135.6 J/kg，其余天數(shù)的CIN值都小于82.4 J/kg.對流抑制能量(CIN)意味著大氣中有相對較暖的空氣層覆蓋在較冷的空氣層之上，從而形成了相對穩(wěn)定的區(qū)域.當(dāng)CIN值過大時，則大氣處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，不利于雷暴的產(chǎn)生；相反，當(dāng)CIN值過小時，雖然對流調(diào)整易發(fā)生，但由于下層大氣的不穩(wěn)定能量積累不夠，因此也不易形成對流天氣系統(tǒng)，也就是說，只有當(dāng)CIN值在適中的情況下才容易出現(xiàn)對流性天氣.整個2月只有12日和13日有強對流性天氣出現(xiàn)，這表明兩次雷暴過程所對應(yīng)的CIN值可以較好地反映對流發(fā)生的條件.

表1 ?？谡?月的探空要素

圖11給出了雷暴活動期間，2月12日20：00時和2月13日08：00時、20：00時的溫度對數(shù)壓力圖.由12日20：00時的探空圖(圖11a)可知，K指數(shù)為34 ℃時，0～3 km和0～6 km的垂直風(fēng)切變較大，分別為16.3 m/s和29.8 m/s，850 hPa以下為濕層，中上層較干，具有上干下濕的對流不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，有利于對流活動的產(chǎn)生.13日08：00時(圖11b)，大氣層結(jié)的不穩(wěn)定能量加大，CAPE值增至509.2 J/kg，抬升凝結(jié)高度較低，有利于大氣抬升，但大氣整層較濕，垂直風(fēng)切變較小，總體不利于有組織的對流活動.13日20：00時(圖11c)，CAPE值為1 225.9 J/kg，K指數(shù)為36 ℃，大氣不穩(wěn)定能量相對于13日08：00時的大氣不穩(wěn)定能量明顯增加.溫度和露點層結(jié)曲線呈現(xiàn)喇叭口型，大氣層結(jié)上干下濕，干層深厚，0～3 km和0～6 km的垂直風(fēng)切變分別為14.9 m/s和24.1 m/s，CIN值為135.6 J/kg，這非常有利于雷暴、大風(fēng)等強對流天氣的產(chǎn)生.

3 結(jié) 論

通過對海南島西北部2020年首次雷暴過程中的地閃活動、雷達回波特征以及氣象要素的對比與分析，初步得到了以下結(jié)論：

(1)此次初雷發(fā)生前，海南島受偏南氣流和南支槽的影響，具有充足的水汽和大氣不穩(wěn)定能量，這有利于雷暴天氣的產(chǎn)生.

(2)地閃頻數(shù)與雷達回波面積和強度有著較好的對應(yīng)關(guān)系，其中，雷暴A的回波越強，其閃電頻數(shù)就越高，而雷暴B的閃電頻數(shù)與回波強度的對應(yīng)關(guān)系則不如雷暴A的明顯.

(3)在雷暴發(fā)生日，其氣溫和相對濕度的日變化幅度比其他日期的氣溫和相對濕度的日變化幅度相對要大，日極值出現(xiàn)的時間也滯后，而雷暴發(fā)生前2小時的氣溫和相對濕度與雷暴發(fā)生時的氣溫和相對濕度相比較，它們之間沒有明顯的相關(guān)性.

(4)利用探空資料分別計算了逐次天氣狀況下的CAPE、CBH、中層(700～400 hPa)平均相對濕度以及CIN，由分析可知，CAPE、CBH在指示對流活動時存在一定的不足，相對而言，中層平均相對濕度和CIN在指示對流活動時更為合理.需要指出的是，雷暴活動期間中層平均相對濕度在22.7%～78.2%之間，對流抑制能量在135.6 J/kg～158.5 J/kg之間.而2月14日上午的CAPE值達到了1.042 kJ/kg，其對應(yīng)的中層相對濕度為61.3%，但CIN值過大，達到305.5 J/kg，這表明 CIN值不能過大或過小，同時，即便CAPE值和中層相對濕度達到一定的閾值，在CIN的控制下也很難觸發(fā)對流活動.

(5)對于兩次雷暴個例而言，兩次雷暴屬于連續(xù)發(fā)生，其對應(yīng)的大氣狀況也大致相同，但地閃活動卻存在顯著的差異.雷暴A的正地閃比例較高，達到了46%，而雷暴B則只有9%，這表明二者在電活動特征上存在較大的差異，這可能與云內(nèi)的過程有關(guān).對比雷暴A 12日19:30時的探空和雷暴B 13日19:30時的探空可以發(fā)現(xiàn)，雷暴A對應(yīng)的CBH和中層平均相對濕度都要小于雷暴B的CBH和中層平均相對濕度，這種環(huán)境參量的差異是否是造成地閃活動差異的原因還有待進一步的研究.由分析可知，雷暴A由兩個相對獨立的對流過程組成，雖然它們在發(fā)生時間上有一定的時間差，但二者所對應(yīng)的大氣環(huán)境理應(yīng)基本一致；然而A1和A2所對應(yīng)的正/負(fù)地閃比例差異很大，且A2的正/負(fù)地閃在空間分布上明顯不一致，這表明，在大氣環(huán)流背景的約束下，雷暴的地閃活動也會受自身內(nèi)部機制的作用而表現(xiàn)出較大的差異.Rosenfeld等[28]的分析認(rèn)為，當(dāng)暖云區(qū)較厚時，凝結(jié)的云水在上升過程中通過碰并而增長為雨滴的幾率較大，但一旦降水產(chǎn)生，這些長大的雨滴就難于被輸送到0 ℃層以上的混合區(qū).由表1可知，雷暴A所對應(yīng)的暖云厚度要大于雷暴B所對應(yīng)的暖云厚度，這就意味著雷暴A的混合相區(qū)域的水含量要小于雷暴B的混合相區(qū)域的水含量，從雷達回波強度來看，雷暴A的回波強度確實要略小于雷暴B的回波強度.由二者地閃頻數(shù)的對比(雷暴A的平均地閃頻數(shù)為16.7 fl/h，而雷暴B的平均地閃頻數(shù)為32.5 fl/h)可知，雷暴A的平均地閃頻數(shù)也是小于雷暴B的平均地閃頻數(shù)的，由此可以推斷，混合相區(qū)域水物質(zhì)含量的多少對閃電活動的頻繁程度有一定的影響，除了這一因素外，雷暴A較多的正地閃還可能與雷暴的電荷結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，在以往的研究中，關(guān)于電荷結(jié)構(gòu)對正地閃的影響主要有以下幾個方面，如具有傾斜偶極子電荷結(jié)構(gòu)的雷暴[29]、具有反極性電荷結(jié)構(gòu)[30]、雷暴具有增強的下部正電荷區(qū)[31]及降水的退屏蔽作用[32].

致謝：感謝海南省氣象科學(xué)研究所張廷龍博士對本論文所做的悉心指導(dǎo).