茍阿寧，高正旭，袁延得，王志斌

（1.武漢中心氣象臺，湖北 武漢430074；2.武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢430074；3.青海省氣象災害防御技術中心，青海 西寧810001；4.中國氣象局武漢暴雨研究所，湖北 武漢430074）

雷電一般由對流云帶電形成，是一種瞬時高電壓、大電流、強輻射的災害性天氣現(xiàn)象，嚴重威脅人民生命財產(chǎn)和社會公共安全[1-2]。隨著電子產(chǎn)品增多，人們接觸“電”的概率大大增加，對流過程中遭受雷擊的危險系數(shù)變大，長江中下游夏季不同性質氣團的頻繁交匯往往帶來對流天氣，甚至造成嚴重的強對流天氣，湖北省每年因雷電造成的財產(chǎn)損失難以估量[3]。雷暴是中小尺度的產(chǎn)物，許多學者對對流活動的大尺度環(huán)流背景和中尺度系統(tǒng)進行了大量研究，得出了許多有意義的結果[4-6]。中小尺度的對流是如何激發(fā)出來的？孫繼松等[7]和張家國等[8]對邊界層的中尺度擾動進行了研究。Weckwerth等[9-10]認為大氣的一些邊界層過程，如干線、中尺度鋒面、陣風鋒、冷空氣外流邊界以及地形誘發(fā)等，在對流激發(fā)中起到了重要作用。這些研究為進一步認識對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展機理奠定了良好基礎。

對流活動中閃電的形成機制異常復雜，對流的發(fā)生發(fā)展和局地天氣、氣候、地形、地貌特征等密切相關[11]。隨著近年來天氣雷達、閃電定位系統(tǒng)及大氣電場儀等探測手段的不斷完善，將閃電觀測資料和某些氣象要素結合，用來開展雷電機理及監(jiān)測預報預警方法研究，取得了大量有意義的結果。研究發(fā)現(xiàn)，當雷達回波強度大于40 dBZ時，對應著對流云的發(fā)生發(fā)展[12-13]。Brandon等[14]認為在-10℃層高度處40 dBZ回波強度是預測初次地閃發(fā)生的最佳因子之一。Maribel等[15]研究14個對流單體形成初期雷達反射率因子和閃電活動關系后發(fā)現(xiàn)，單體回波中40 dBZ以上回波頂高必須超過7 km才能發(fā)生閃電。Wiebke等[16]指出，對流云中起電層主要位于-15～-30℃等溫層，超過這個區(qū)域之后不同相態(tài)的水成物粒子將無法在上升氣流的支持下繼續(xù)共同存在。這些研究成果表明，對流系統(tǒng)中閃電的發(fā)生有一定規(guī)律可循，但閃電與對流活動的相關性認識依然十分有限。如Relepez等[17]研究美國佛羅里達州的對流云降水與雷電活動關系時發(fā)現(xiàn)，有時很少或沒有閃電活動卻產(chǎn)生顯著降水，有時有大量閃電發(fā)生降水卻很少。因此，對不同地域閃電與對流之間的復雜關系仍需進行大量研究。

湖北地處中緯度亞熱帶地區(qū)，溫濕條件好，夏季得到的太陽照射較多，有利于形成午后局地對流天氣。雷電不僅僅出現(xiàn)在強對流天氣中，普通對流發(fā)生雷電的概率也很高。而普通對流的天氣形勢、環(huán)境場及雷達特征與強對流天氣有一定區(qū)別，目前針對普通對流是否會產(chǎn)生雷電的相關研究較少，加上預報員對這類對流形成機制認識還不足，易造成空報。那么什么樣的天氣形勢及環(huán)境場配置容易出現(xiàn)對流？最大回波強度超過40 dBZ是否會出現(xiàn)雷電？是否需要發(fā)布雷電預警信號？這一系列問題是雷電預報的難點。例如，2014年6月17和19日鄂西山地先后發(fā)生了兩次對流過程，當時預報員判斷雷電出現(xiàn)的可能性極大并發(fā)布了雷電預警，然而雷電監(jiān)測實況顯示并無地閃出現(xiàn)，這給預報員帶來了困惑和挑戰(zhàn)。為提高預報員對普通對流是否會產(chǎn)生雷電的判斷能力，加深對起電機制的認識，本文通過觀測和實況資料的綜合診斷分析，試圖回答上述問題，并進一步了解中尺度對流系統(tǒng)的觸發(fā)、增強機制，以及伴有雷電的對流結構特征，為預報員解決以上實際問題提供參考。

1 實況特點及預報誤差

使用的雷電觀測資料由湖北省氣象部門ADTDⅡ型全閃定位系統(tǒng)提供。該全閃定位系統(tǒng)于2014年開始運行，建設有19個探測站，全天候無間歇工作，提供實時閃電監(jiān)測資料。該資料包括湖北地區(qū)云閃、地閃發(fā)生的時間、位置（經(jīng)緯度）、極性、陡度、強度、誤差和定位方式等參數(shù)，資料的時間分辨率為0.1μs，網(wǎng)內空間誤差精度小于500 m。雷達資料為湖北8部新一代多普勒天氣雷達組網(wǎng)資料，包括基本反射率、徑向速度和譜寬等基本產(chǎn)品和導出產(chǎn)品，雷達時間分辨率6 min，空間1 km。湖北省全閃定位系統(tǒng)和雷達站點的詳細布網(wǎng)站點如圖1所示。

圖1 湖北省全閃定位系統(tǒng)和雷達站點分布

2014年6月17日和19日午后，湖北西部山區(qū)先后出現(xiàn)了兩次對流天氣。17日13：30（北京時，下同）對流單體在宜昌和保康交界處生成后迅速加強，之后緩慢向東南方向移動。其發(fā)展成熟階段最大回波強度超過60 dBZ，整個對流大約持續(xù)了90 min后消亡。19日14：30對流單體在層狀云前部竹溪、竹山交界處生成后迅速發(fā)展加強，但是對流單體穩(wěn)定少動。其發(fā)展成熟階段最大回波強度超過60 dBZ，持續(xù)了約60 min后消亡。17日對流初生、發(fā)展、成熟至消亡階段沒有地閃出現(xiàn)，僅在成熟階段的14：36出現(xiàn)了一次高度為8.7 km的云閃。19日對流初生、發(fā)展、成熟至消亡階段也沒有地閃出現(xiàn)，在對流成熟階段的14：24和14：36分別出現(xiàn)了高度為2.3 km和7.8 km的云閃，在消亡階段的15：24又出現(xiàn)了一次高度為4.3 km的云閃。閃電監(jiān)測實況表明，兩次對流過程中閃電活動很弱，沒有出現(xiàn)地閃，僅成熟和消亡階段出現(xiàn)零星云閃。

這兩次過程具有明顯的對流性特征，然而對流發(fā)生的范圍較小，維持在γ尺度。全閃定位系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)中僅零星云閃，沒有地閃，表明這兩次過程中雷電黃色預警信號空報。在確認全閃定位系統(tǒng)設備正常及其它資料正確的前提下，17日和19日過程中對流單體出現(xiàn)≥40 dBZ的對流特征，且最強回波達到60 dBZ的情況下未出現(xiàn)地閃的原因是什么？需要進一步分析和探討。

2 大尺度環(huán)境背景

2.1 天氣系統(tǒng)特征

2014年6月16日08時500 hPa高緯是一個兩槽兩脊的環(huán)流形勢，17日08時（圖2a）低槽仍處在鄂西地區(qū)，隨著700 hPa切變東移南壓至鄂東南和江漢平原一帶，鄂西地區(qū)逐漸轉為偏北氣流控制，850 hPa切變主要位于鄂贛交界處。17日14時地面圖上，由于午后近地面加熱作用，全省溫度迅速上升至28～29℃，鄂西北溫度驟升至33～34℃，一條兩側溫差高達5～6℃的地面輻合線生成。19日08時，500 hPa高空圖（圖2b）湖北處在高空低槽前部西南氣流控制下700 hPa和850 hPa西南氣流左側出口處，850 hPa有一條切變線橫在湖北西部，水汽條件充分。19日14時地面圖上地面輻合線生成，輻合線兩側溫差5～6℃，有一支環(huán)境東南風不斷灌入山谷地帶，受午后近地面加熱作用，鄂西北溫度上升至30℃以上，不穩(wěn)定能量集聚。

圖2 2014年6月17日和19日天氣系統(tǒng)配置

從大尺度背景場的系統(tǒng)配置初步診斷，17日過程是在高空弱波動東移，中低層為冷式切變線后部偏北氣流控制下，地面輻合線觸發(fā)的一次午后熱對流過程；19日則是一次南風氣流暖區(qū)中的對流過程。這兩次過程大尺度背景場對對流系統(tǒng)的生成發(fā)展起到了積極作用，尤其地面輻合線的觸發(fā)作用明顯。

2.2 中尺度環(huán)境條件

鄂西北未建設探空站，選擇距離對流發(fā)生最近的上下游兩個探空站（陜西安康站和湖北宜昌站）開展中尺度環(huán)境條件分析。

安康站17日14時（圖3a），邊界層為南風，850 hPa附近有一個弱垂直風切變，600 hPa以下暖平流發(fā)展，高層冷平流，850 hPa以下有淺薄的濕層，整層較干，H0℃≈4.9 km，H-20℃≈7.8 km，K指數(shù)為24℃，CAPE值為742 J/kg。宜昌站14時（圖3b），925 hPa為偏南氣流，850 hPa為偏西氣流，形成一個弱切變，500 hPa以上轉為冷平流，850 hPa以上較干，H0℃≈4.9 km，H-20℃≈8.2 km，K指數(shù)為13℃，CAPE值933 J/kg。19日對流發(fā)生上游的安康站08時已經(jīng)有對流回波出現(xiàn)，08時安康站探空顯示：邊界層偏東風，850～400 hPa為西南風或者偏西風，600 hPa之下風向隨高度順時針旋轉；暖平流發(fā)展，從溫濕度廓線的垂直分布來看，750 hPa以下暖濕，750 hPa以上較干，廓線表現(xiàn)出了一定的“上干下濕”結構，伴有“喇叭口”形狀。此時鄂西北和陜西南部已經(jīng)有對流回波在發(fā)展，K指數(shù)為32℃，CAPE值高達1587 J/kg，不穩(wěn)定能量較強。而此時下游的宜昌站08時未有對流發(fā)展，K指數(shù)為23℃，CAPE值為144 J/kg，850～400 hPa為一致西風，沒有明顯的風向轉變，“上干下濕”結構清楚，H0℃≈5.2 km，H-20℃≈8.4 km，下游處在一個不穩(wěn)定能量集聚階段。14時（圖3c）安康站附近已經(jīng)轉變?yōu)楸容^穩(wěn)定的層狀云降水，由于降水持續(xù)了一段時間，隨著不穩(wěn)定能量的逐漸釋放，“上干下濕”層結遭到破壞，CAPE值下降到0 J/kg，而K指數(shù)依然維持在31℃左右，H0℃≈5.4 km，H-20℃≈8.7 km，此時回波向下游宜昌方向移動，宜昌站（圖3d）的對流有效位能CAPE值達到923.6 J/kg，K指數(shù)為20℃，H0℃≈5.1 km，H-20℃≈8.5 km。

圖3 6月17日、19日安康站和宜昌站14時加密探空曲線

17日14時安康站和宜昌站CAPE值分別達到742、932 J/kg，有一定的不穩(wěn)定能量存在，850 hPa以下濕層淺薄，有南風和西北風的弱切變，850 hPa以上為北風控制，整層都比較干，0～6 km垂直風切變偏弱，不利于對流有組織地發(fā)展。19日對流中層雖有南風發(fā)展，但氣流偏弱，水汽和動力條件較差，限制了對流進一步發(fā)展。由此可見，低層濕層淺薄和0～6 km垂直風切變偏弱是兩次對流未發(fā)展加強的重要原因。

2.3 地面中尺度系統(tǒng)

這兩次對流過程天氣尺度系統(tǒng)動力條件偏弱、熱力不穩(wěn)定、能量較強，初始對流的形成與中尺度地面系統(tǒng)有密切關系。湖北省逐分鐘地面加密觀測資料地面風場、溫度場和中尺度輻合線演變特征如圖4所示。17日13：40（圖4a）對流初生階段，鄂西北午后回暖顯著，對流北側地面溫度上升至34℃，南側溫度較低，為28～29℃，有一條溫差達5～6℃的溫度鋒區(qū)，地面環(huán)境場基本為偏南風，溫度鋒區(qū)附近的襄陽至宜昌北部地區(qū)有風向氣旋式旋轉的中尺度地面輻合線形成。17日14：20（圖4b）對流附近的溫度鋒區(qū)和中尺度輻合線仍然清楚，15時之后隨著地面輻合線消失對流減弱消亡。19日15：05（圖4c）、15：25（圖4d）對流初生地南側有34℃的暖中心，而對流北側竹溪溫度為28℃，溫度梯度較大，溫度鋒區(qū)附近有風向輻合線存在?？梢钥吹剑@兩次對流過程中地面風場和溫度場引起的中尺度系統(tǒng)擾動特征十分明顯。

圖4 湖北省加密地面觀測風場和溫度場（單位：℃）演變

3 閃電的雷達回波特征

3.1 ≥40 dBZ回波結構特征

40 dBZ回波頂高可以作為預測單體中是否發(fā)生閃電的一個重要指標[15]，這兩次對流過程的回波強度遠遠超過了40 dBZ，≥40 dBZ的回波結構特征演變如圖5、圖6所示。

17日13：30 左右，在湖北西部山區(qū)有一塊對流單體生成，初生階段回波強度已超過40 dBZ。13：42（圖5a）對流最強中心增加到55 dBZ，尺度范圍20 km左右的中γ尺度沿著對流移動方向做組合反射率剖面（RCS）發(fā)現(xiàn)，對流頂12 km，40 dBZ回波高度約為7 km（圖5i）。結合安康站14時探空H0℃≈4.6 km，H-20℃≈7.8 km，此刻回波高度已經(jīng)超過了0℃層，且部分強回波已經(jīng)接近-20℃層，對應的垂直積分液態(tài)含水量（VIL）15 kg/m2（圖5e），上升氣流旺盛，RCS沒有明顯的傾斜特征。13：54—14：30（圖5b、5c）組合反射率產(chǎn)品中出現(xiàn)了1～2個像素的60 dBZ回波，高度僅2 km左右，55 dBZ的強回波延展到8 km（圖5j，5k），0℃層以上≥40 dBZ的強回波比例較小，回波基本呈直立狀，略向右傾斜，VIL為15～30 kg/m2（圖5f，5g）。15：12（圖5d）回波斷裂為兩個小單體，RCS中≥40 dBZ的強回波比例較小，45 dBZ的回波高度快速下降到4.5 km（圖5l），右傾特征消失。19日14時宜昌站探空H0℃≈5.1 km，H-20℃≈8.5 km；14：40對流單體在層狀云前部生成后范圍較小，維持在中γ尺度；14：48（圖6a）回波中出現(xiàn)55 dBZ的強回波，RCS（圖6i）中≥40 dBZ回波達到9 km，超過-20℃層，回波呈直立狀，VIL最大為15 kg/m2（圖6e）；15時（圖6b）50 dBZ強回波接近-20℃層，上升氣流增強，但≥40 dBZ的回波所占對流體積的百分比較小（圖6g），有VIL為25 kg/m2的像素出現(xiàn)（圖6f）。15：12（圖6c、6k）下沉氣流出現(xiàn)，60 dBZ的回波及地，50 dBZ的回波高度11 km，VIL（圖6g）為60 kg/m2。15：18（圖6d、6h、6l）≥40 dBZ的回波頂高迅速下降，15：30之后對流減弱消亡。

圖5 2014年6月17日對流演變過程中≥40 dBZ的組合反射率、垂直剖面、垂直積分液態(tài)含水量特征演變

圖6 6月19日對流演變過程中≥40 dBZ的組合反射率、垂直剖面、垂直積分液態(tài)含水量特征演變

由此可見，對流中較強回波所能達到的最大高度可以在一定程度上反映對流的動力和微物理條件[18]，而對流的起電區(qū)域主要位于頂部的-15～-30℃溫度層之間[16]。從上面的分析中可以看到兩次對流過程中≥40 dBZ較強回波高度超過0℃層，甚至-20℃層以上，那么為什么沒有產(chǎn)生雷電呢？從上面分析可見，RCS剖面中回波結構松散，側面說明對流中水汽條件較差，導致冰相粒子較少，雷電起電條件較弱；≥40 dBZ回波在-20℃層以上僅2～3個體掃，17日≥60 dBZ的強回波完全在0℃層以下，19日≥60 dBZ的強回波個別體掃超過0℃層，旺盛的上升氣流發(fā)展高度不夠且持續(xù)時間較短，對流沒有充分發(fā)展壯大，可能形成了一些小的冰晶和霰粒子，但在下降過程中迅速融化，不易產(chǎn)生雷電。以上觀測事實表明，≥40 dBZ回波在-20℃層以上的比例及維持時間、回波結構等與閃電活動密切相關。

3.2 降水強度對閃電的影響

討論一下降水可能對對流起電的影響。17日對流幾乎沒產(chǎn)生降水，19日有弱降水，沒有出現(xiàn)地閃的原因可能是因為降水出現(xiàn)在對流云中后期，主要的起電過程應該是雨滴和冰相粒子碰撞起電，此時雨滴主要攜帶正電荷，在云底形成了一個底部正電荷區(qū)，如果是強降水，可能發(fā)生地閃的概率會很大，但是弱降水雨滴大部分累積在云底了，這種堆積形成的厚電荷層，基本無法擊穿，從而抑制了地閃發(fā)生[19-20]。

3.3 概念模型

根據(jù)上述分析，總結了兩種起電對流組織垂直結構示意圖（圖7）。從圖7a中看到，不利于起電的對流垂直結構中，對流的結構松散，≥60 dBZ強回波高度偏低，對流內的上升氣流較弱，不利于對流內的水凝物粒子上升到足夠高度并產(chǎn)生閃電；對流的垂直剖面呈直立狀，0～6 km垂直風切變較小，相對氣流就不能增強到足以攜帶降水遠離風暴上升氣流區(qū)，降水通過上升氣流降落，進入風暴入流區(qū)，導致上升氣流中水負載明顯增加，最終使得風暴核減弱消失[21]；對流內強回波所占對流體積百分比較少，表明對流的水汽條件偏差，沒有足夠的水汽，而對流起電主要是通過水成物粒子的碰撞分離來完成的。水汽條件較差和弱垂直風切變下松散對流單體難以有組織地發(fā)展，不利于起電。圖7b是有利于起電的對流組織結構，水汽條件充沛，中等到強的垂直風切變使得上升氣流傾斜，使降水質點脫離上升氣流，從而不會因為拖曳作用減弱上升氣流的浮力，新對流單體在有利一側生成，使得風暴有組織地發(fā)展，風暴頂輻散，垂直剖面傾斜特征明顯，上升氣流和下沉氣流長時間共存，使得對流起電區(qū)域水凝物粒子碰撞概率增加。

圖7 兩種起電對流組織結構概念模型

綜合分析發(fā)現(xiàn)，雷達反射率因子強的對流并不意味著雷電發(fā)生概率大，判斷對流中是否出現(xiàn)雷電，除了要考慮環(huán)境條件外，強的反射率因子必須超過0℃層等溫線且持續(xù)時間較長、回波形態(tài)結構有傾斜特性以及≥40 dBZ較強回波在-20℃高度以上的比例和維持時間，都是考慮能否產(chǎn)生閃電的重要預報預警因子。

4 結論和討論

利用湖北省閃電監(jiān)測儀、天氣雷達和自動站逐分鐘加密資料，對湖北6月連續(xù)兩次對流過程雷電預報誤差進行了分析，總結了兩種不同起電機制的對流概念模型，得到以下結論：

（1）這兩次對流過程是在不同的環(huán)流背景下產(chǎn)生的，中尺度地面輻合線觸發(fā)作用顯著。從層結角度來看，這兩次過程均有“上干下濕”的不穩(wěn)定層結，能量條件主要依靠熱力作用產(chǎn)生，但水汽和動力條件偏差，屬于典型的午后熱對流。

（2）對流尺度維持在中γ尺度，水平范圍較小，垂直剖面顯示回波呈直立狀，0～6 km垂直風切變較弱，不利于對流有組織地發(fā)展。對流中≥40 dBZ較強回波雖然超過了0℃層，甚至-20℃層，但≥40 dBZ的回波在-20℃層以上所占比例較小及持續(xù)時間較短，不利于電荷累積產(chǎn)生閃電。

（3）雖然閃電一般發(fā)生在回波強度≥40 dBZ、組合反射率≥45 dBZ、回波頂高≥12 km的具有典型強對流特征的區(qū)域[11]，但從雷電預報預警角度出發(fā)，雷達反射率強的對流并不意味著閃電發(fā)生概率大。判斷對流中是否會出現(xiàn)閃電，不僅要考慮環(huán)境條件，也要考慮強的反射率是否超過0℃層甚至-20℃等溫層且持續(xù)時間較長、回波形態(tài)結構是否傾斜、≥40 dBZ回波在-20℃高度以上的比例和維持時間等重要因子。

（4）降水對對流起電有重要影響。弱降水沒有出現(xiàn)地閃的原因可能是因為主要的起電過程是雨滴和冰相粒子碰撞起電，當雨滴大部分累積在云底、形成無法擊穿的厚電荷層時，出現(xiàn)地閃的概率很低。與此相反，有強降水發(fā)生時地閃的概率會大大增加。