曹彥超，韓 晶，路亞奇，楊智強(qiáng)

（慶陽(yáng)市氣象局，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

雷暴是積雨云云中、云間或云地之間的放電現(xiàn)象，其瞬時(shí)高電壓、大電流和強(qiáng)電磁輻射等物理效應(yīng)對(duì)建筑、電力、林業(yè)和交通等行業(yè)造成了嚴(yán)重威脅[1-3]。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球因雷暴造成的直接損失超過(guò)10億美元[4-6]，雷暴的活動(dòng)特征和環(huán)境條件分析對(duì)預(yù)防雷暴災(zāi)害具有重要意義。

近些年來(lái)， 關(guān)于雷暴的研究主要集中在雷暴日數(shù)的時(shí)空分布及相關(guān)物理量分析[7-9]。 鞏崇水等[10]發(fā)現(xiàn)中國(guó)年均雷暴日數(shù)的地理分布可分為東南高發(fā)區(qū)、西南高發(fā)區(qū)、東北次高區(qū)和西北低發(fā)區(qū)，雷暴夏季多、冬季少。 王寶鑒等[11]認(rèn)為1991—2011 年甘肅進(jìn)入少雷暴期， 其中夏季雷暴日數(shù)減少的趨勢(shì)最為明顯。 楊曉霞等[12]對(duì)比分析了山東內(nèi)陸和半島雷暴大風(fēng)的環(huán)境物理量特征，認(rèn)為溫、濕等氣候差異是造成環(huán)境物理量差異的主要原因。 柳志慧等[13]根據(jù)環(huán)流特征將雷暴分為巴爾喀什湖低槽型、急流型、西北氣流型和溫度槽型， 通過(guò)指數(shù)判斷和定量化入型進(jìn)行過(guò)程預(yù)報(bào)。王延慧等[14]根據(jù)地閃密度、地閃強(qiáng)度等10 個(gè)影響因子建立了新疆雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型。同時(shí)也有研究表明， 地形和地貌是影響雷暴空間分布的主要因子[15-19]。 但對(duì)雷暴等中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的變化規(guī)律研究仍顯不足。

隴東位于甘肅省最東部黃土高原地帶， 轄平?jīng)鍪袞|部和慶陽(yáng)市共12 個(gè)縣（區(qū)），東倚子午嶺，北靠羊圈山，西接六盤山[20]，雷暴空間分布差異大，年際變化也非常明顯。 為了解隴東雷暴的活動(dòng)特征及影響因素，利用2009—2018 年臺(tái)站觀測(cè)資料，對(duì)隴東出現(xiàn)次數(shù)最多的兩類夏季雷暴時(shí)空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分析了地形、環(huán)境物理量和環(huán)流形勢(shì)等環(huán)境條件對(duì)這兩類雷暴變化的影響。

1 研究區(qū)概況

隴東平均每年出現(xiàn)44.1 次雷暴過(guò)程，其中46%影響范圍超過(guò)3 站。東南部的正寧雷暴日數(shù)最多，年平均為23.6 d，西南部的鎮(zhèn)原最少，只有18.8 d。 正寧、慶城和環(huán)縣是雷暴頻率最高的區(qū)域，分布在東南至西北的狹長(zhǎng)地帶， 東北和西南兩側(cè)明顯較少（圖1）。 夏季雷暴占全年總雷暴日數(shù)的68.5%～74.7%。

圖1 隴東年均雷暴日數(shù)空間分布（單位：d）

2 資料與方法

雷暴觀測(cè)數(shù)據(jù)使用西峰、環(huán)縣、華池、慶城、鎮(zhèn)原、合水、寧縣和正寧8 個(gè)基本氣象站的人工觀測(cè)資料， 其中2009—2013 年取自全球地面天氣報(bào)，2014—2018 年取自WS 重要天氣報(bào)。 平均場(chǎng)分析使用水平分辨率為0.25°×0.25°的ECMWF-ERA5 再分析資料， 植被覆蓋率使用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)的2018 年中國(guó)年度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集。

將36°N 以南定義為隴東南部， 包括西峰、鎮(zhèn)原、合水、寧縣、正寧5 站，36°N 以北定義為隴東北部，包括環(huán)縣、華池、慶城3 站；6—8 月定義為夏季；24 h（20—20 時(shí)）內(nèi)某測(cè)站出現(xiàn)雷暴，該站記錄一個(gè)雷暴日；隴東全境任意測(cè)站出現(xiàn)雷暴，記錄一次雷暴過(guò)程；日降水量不足5 mm 定義當(dāng)日雷暴為干雷暴。

所用物理量包括700 和500 hPa 的相對(duì)濕度（RH700、RH500，單位：%）、經(jīng)向風(fēng)分量（v700、v500，單位：m/s）、700 與500 hPa 溫差（△T75，單位：℃）、500 hPa 24 h 變溫（△T24， 單位：℃）、850 hPa 溫度（T850，單位：℃）、K 指數(shù)（K，單位：℃）、700 hPa 比濕（q700，單位：g/kg）、對(duì)流有效位能（CAPE，單位：J/kg）、總指數(shù)（TT，單位：℃）、2 m 溫度距平（TJP，單位：℃）。

顯著性是雷暴發(fā)生臨近時(shí)刻某個(gè)對(duì)流參數(shù)值與其對(duì)應(yīng)時(shí)段的氣候平均值的差， 用來(lái)表示其相對(duì)于當(dāng)月氣候平均值變化的顯著性[21]，計(jì)算方法如下：

式中，x'為無(wú)量綱后的值，xi為第i 次觀測(cè)值，Maxxi為排除野值后的觀測(cè)量極大值。

3結(jié)果與分析

3.1 雷暴類型

2009—2018 年共出現(xiàn)275 次夏季雷暴過(guò)程，根據(jù)環(huán)流背景進(jìn)行歸類分析， 其中249 次具有明顯的偏北氣流型或低槽影響型雷暴特征， 占夏季雷暴總次數(shù)的90.5%，其他類型的雷暴所占比例不足10%。

3.1.1 偏北氣流型

偏北氣流型雷暴共出現(xiàn)165 次， 占夏季雷暴的60%，以分散性干雷暴為主。 500 hPa 中緯地區(qū)為西高東低的環(huán)流形勢(shì)（圖2a）， 東北地區(qū)多有冷渦發(fā)展，貝加爾湖至隴東地區(qū)受明顯偏北氣流控制，高空冷平流強(qiáng)盛，△T24超過(guò)-3 ℃。 低空700 hPa 至近地面有偏南氣流發(fā)展，并伴有0～2℃正變溫。 高、低空氣溫和溫度平流的明顯差異使大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定，地形抬升和超低空的風(fēng)速輻合、 風(fēng)向切變均能觸發(fā)對(duì)流天氣。 個(gè)例分析表明，TJP、△T75、△T24和K 指數(shù)的顯著性平均值超過(guò)0.5（表1），說(shuō)明雷暴日大氣層結(jié)不穩(wěn)定度高，其中地面氣溫、垂直溫差和高空冷平流強(qiáng)度起到主導(dǎo)作用。

表1 雷暴個(gè)例日物理量顯著性特征均值

3.1.2 低槽影響型

低槽影響型雷暴共出現(xiàn)84 次， 占夏季雷暴的30.5%， 其影響范圍廣， 且多伴有明顯降水過(guò)程。500 hPa 甘肅河?xùn)|有西風(fēng)帶低槽東移， 隴東位于槽前（圖2b）。700 hPa 有低空急流發(fā)展，冷暖空氣交匯形成經(jīng)向切變線，切變線前部RH700在80%以上，并有0～2 ℃的正變溫。 低空強(qiáng)盛的暖濕輸送使大氣趨于不穩(wěn)定，并積聚了大量不穩(wěn)定能量，槽前正渦度平流和低空風(fēng)切變動(dòng)力抬升不穩(wěn)定大氣， 產(chǎn)生雷暴和降水過(guò)程。 個(gè)例分析表明，TJP、q700、TT、K 指數(shù)和CAPE 的顯著性平均值超過(guò)0.5，說(shuō)明雷暴日大氣不穩(wěn)定度高，其中低空溫度、濕度和不穩(wěn)定能量是主導(dǎo)因素。

圖2 偏北氣流型（a）、低槽影響型（b）兩種雷暴中尺度模型

3.2 雷暴日數(shù)月變化

隴東多數(shù)站點(diǎn)夏季雷暴日數(shù)為單峰分布，7 月明顯多于6、8 月， 單月平均最大值出現(xiàn)在正寧的8月，為5.6 d，最小值出現(xiàn)在鎮(zhèn)原的8 月，為2.4 d（圖3）。 低槽影響型雷暴日數(shù)的月變化與總數(shù)的變化規(guī)律明顯不同，其站點(diǎn)平均值為逐月增加的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在8 月， 并且每個(gè)月北部地區(qū)發(fā)生頻率均高于南部地區(qū)。 偏北氣流型雷暴日數(shù)的月變化與總數(shù)的變化規(guī)律非常相似， 除西峰外多數(shù)站點(diǎn)為單峰分布，最大值出現(xiàn)在7 月，其中6、7 月北部地區(qū)發(fā)生頻率多于南部地區(qū)，8 月略少于南部地區(qū)。偏北氣流型雷暴日數(shù)整體多于低槽影響型， 南部地區(qū)6、7、8 月偏北氣流型雷暴日數(shù)所占比例分別為65.5%、63.7%和57.2%， 所占比例逐月下降， 北部地區(qū)則分別為63.4%、69.8%和50.9%，7 月所占比例最高，8 月環(huán)縣、 慶城和鎮(zhèn)原3 站偏北氣流型雷暴發(fā)生頻率迅速降低，所占比例減少至50%以下。

圖3 6—8 月隴東雷暴分布特征

3.3 雷暴日數(shù)年變化

對(duì)2009—2018 年兩類雷暴的日數(shù)進(jìn)行站點(diǎn)間兩兩相似性分析，每個(gè)月每類雷暴共需要進(jìn)行28 次對(duì)比。結(jié)果顯示，6、7 月兩類雷暴相關(guān)系數(shù)，高于0.4所占比例均超過(guò)80%，各站雷暴日數(shù)的年際變化趨勢(shì)一致性非常高。 8 月偏北氣流型雷暴站點(diǎn)間相關(guān)系數(shù)低于0.4 的占21.4%，其中2009—2014 年分布較混亂，2014—2018 年變化趨勢(shì)趨于一致； 低槽影響型雷暴相關(guān)系數(shù)低于0.4 的達(dá)到71.4%， 站點(diǎn)間差異最大。

夏季各月的年均雷暴日數(shù)均有明顯的變化周期。 2010、2013 和2017 年的6 月，2011、2015 和2017 年的7 月，2010、2015 和2018 年的8 月偏北氣流型雷暴日數(shù)達(dá)到峰值，變化周期為3～4 a。2012 和2017 年的6 月，2011、2013 和2018 年的7 月，2009、2013、2015 和2018 年的8 月是低槽影響型雷暴日數(shù)的峰值，變化周期為3～4 a（圖4）。 7、8 月雷暴日數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.58，變化趨勢(shì)和波動(dòng)周長(zhǎng)相對(duì)接近，與6 月差異較大。 6、7、8 月偏北氣流型雷暴各年日數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.9、2.2、1.7 d， 低槽影響型分別為0.8、0.8、0.6 d， 低槽影響型雷暴的年際變化幅度明顯小于偏北氣流型。

圖4 隴東雷暴年際分布特征

3.4 環(huán)境影響因素分析

3.4.1 物理量氣候因素

圖5 給出了夏季6 種物理量在35°～37.25°N 的旬平均值隨緯度—時(shí)間的變化情況， 格點(diǎn)值為旬內(nèi)每個(gè)時(shí)次當(dāng)前緯度106°～108.75°E 相應(yīng)ECMWFERA5 資料的平均值。 6 月上旬K 指數(shù)在30 ℃以下，v700為偏北風(fēng)，濕度條件較差、大氣穩(wěn)定性較強(qiáng)，低槽影響型雷暴發(fā)生頻率低。6 月中旬v700由北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)， 到7 月中下旬發(fā)展到最強(qiáng)， 平均風(fēng)速超過(guò)2.5 m/s，進(jìn)入8 月后逐漸降低至2 m/s 以下。 對(duì)流層低層的偏南風(fēng)攜帶著大量的水汽， 也伴隨著能量的輸送，7 月上旬和8 月中下旬700 hPa 隴東南部地區(qū)RH700出現(xiàn)了70%以上極大值， 北部地區(qū)相對(duì)較差，但也同時(shí)達(dá)到了濕度條件的峰值，K 指數(shù)在7 月下旬至8 月上中旬達(dá)到了36 ℃以上的極大值。8 月上中旬大氣不穩(wěn)定度和低空濕度均發(fā)展到最強(qiáng)盛的階段，v500逐漸轉(zhuǎn)為北風(fēng)后， 西風(fēng)帶槽系活動(dòng)趨于頻繁，低槽影響型雷暴發(fā)生頻率達(dá)到峰值。

圖5 106°～108.75°E 平均旬物理量緯度—時(shí)間剖面

7 月下旬之前， 隴東大部分地區(qū)v500以1.2 m/s以上的偏北風(fēng)為主， 強(qiáng)盛的偏北氣流有利于高空冷平流的發(fā)展，6 月下旬和7 月中旬各緯度的垂直溫度差△T75同時(shí)達(dá)到最大值， 北部地區(qū)最大可達(dá)12.8 ℃以上，大氣的熱力不穩(wěn)定度明顯上升。由于隴東地區(qū)位于黃土高原高海拔地區(qū)，850 hPa 高度已經(jīng)接近地面， 因此可以用850 hPa 溫度的變化近似表示近地面溫度的變化。 7 月中旬隴東大部T850超過(guò)25.8 ℃，偏北氣流型雷暴發(fā)生頻率達(dá)到峰值。 由于6、7 月北部地區(qū)的△T75和T850均明顯高于南部，北部地區(qū)發(fā)生偏北氣流型雷暴發(fā)生頻率明顯高于南部地區(qū)。 8 月中旬開(kāi)始，T75和T850迅速下降，偏北氣流型雷暴出現(xiàn)的頻率也隨之出現(xiàn)了斷崖式的下降，使8 月成為偏北氣流型雷暴出現(xiàn)頻率最低、 所占比例也最低的月份。

對(duì)隴東（35°～37.25°N，106°～108.75° E）范圍內(nèi)所有格點(diǎn)物理量平均值進(jìn)行逐月逐年統(tǒng)計(jì)。 結(jié)果顯示，6、7 月偏北氣流型雷暴日數(shù)與T850、v500呈明顯負(fù)相關(guān)，與△T75呈明顯正相關(guān)（表2），這和個(gè)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。 與RH850為明顯負(fù)相關(guān)，原因可能是天氣干燥時(shí)云系相對(duì)較少， 陽(yáng)光直射地表使近地面大氣迅速升溫，有利于偏北氣流型雷暴的發(fā)生。7 月偏北氣流型雷暴日數(shù)與RH500和v700也為負(fù)相關(guān)，這也與晴空有利地面升溫有關(guān)。 6、7 月低槽影響型雷暴日數(shù)與RH500和v700為明顯正相關(guān)，和個(gè)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。 7 月低槽影響型雷暴日數(shù)還與RH500和v700呈明顯正相關(guān)，與△T75呈明顯負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)? 月南風(fēng)急流強(qiáng)盛， 高能暖平流和濕層厚度發(fā)展的高度較高，低槽東移激發(fā)能量產(chǎn)生雷暴，并伴隨暴雨等明顯降水過(guò)程。 8 月偏北氣流型雷暴和低槽影響型雷暴與挑選的任何物理量相關(guān)性絕對(duì)值均≤0.4，原因是西太平洋副熱帶高壓脊線北抬至30°N 后，隴東850 hPa 平均相對(duì)濕度高達(dá)66.7%， 平均溫度為21.2 ℃，平均垂直速度為-0.04 m/s，潮濕高溫且以上升氣流為主的低空環(huán)境有利于對(duì)流天氣的發(fā)展，地形抬升、 局地受熱不均等不可控因素引發(fā)雷暴的比重上升，雷暴的局地性明顯加強(qiáng)，各項(xiàng)物理量對(duì)雷暴預(yù)報(bào)的敏感度都不高。

表2 夏季雷暴日數(shù)與物理量的相關(guān)關(guān)系

3.4.2 地形地貌小氣候因素

地形地貌對(duì)雷暴的分布有不可忽視的作用。 隴東東臨子午嶺林區(qū)， 植被的蒸騰作用使林區(qū)成為區(qū)域內(nèi)高濕中心，700 hPa 平均相對(duì)濕度超過(guò)66.2%，同時(shí)對(duì)大氣垂直運(yùn)動(dòng)和潛熱通量的發(fā)展非常有利[22]。低槽影響型雷暴對(duì)穩(wěn)定度因子和濕度敏感，正寧測(cè)站距離子午嶺林區(qū)不足20 km（圖6），林區(qū)氣候的影響使正寧成為雷暴高發(fā)中心。 隴東中北部地區(qū)屬半干旱氣候，植被覆蓋率低，裸露的地表使白天迅速升溫，慶城縣及其以北的子午嶺以西、馬家大山以東地區(qū)出現(xiàn)了明顯的地面日均最高氣溫高值區(qū)，其中慶城站平均氣溫為28.4 ℃，比整個(gè)區(qū)域站平均值偏高1.1 ℃。 偏北氣流型雷暴對(duì)地面溫度敏感度高， 慶城站雷暴頻繁發(fā)生與白天的高溫天氣密切相關(guān)。由于慶城站位于馬蓮河與蒲河交匯處，平均相對(duì)濕度為65.4%， 對(duì)低槽影響型雷暴的發(fā)生也較為有利。 環(huán)縣屬干旱氣候，植被覆蓋率不足0.35，相對(duì)濕度在63%以下，北部地區(qū)低于60%，不利于低槽影響型雷暴的發(fā)生。但由于境內(nèi)以丘陵、山脈和川道為主要構(gòu)成地形，環(huán)縣測(cè)站海拔高度為1 256 m，其西側(cè)馬家大山最高可達(dá)2 089 m， 地形復(fù)雜且垂直落差大，地形抬升條件良好[23]，由于測(cè)站處于中部高溫區(qū)邊緣，比區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)最高平均氣溫偏高0.9 ℃，較高的氣溫和地形強(qiáng)迫使偏北氣流型雷暴發(fā)生頻率較高。

圖6 隴東地區(qū)地形（a）、植被覆蓋率（b）、700 hPa 相對(duì)濕度（c）及平均最高氣溫（d）分布

4 結(jié)論

利用ECMWF-ERA5 再分析資料及常規(guī)觀測(cè)資料分析了甘肅隴東2009—2018 年夏季雷暴活動(dòng)特征，同時(shí)篩選對(duì)雷暴活動(dòng)影響顯著的物理量因子，結(jié)合地形及植被覆蓋率對(duì)影響雷暴時(shí)空分布變化的環(huán)境條件進(jìn)行討論，得出以下結(jié)論：

（1）隴東年均雷暴日數(shù)為18.8～23.6 d，其中夏季雷暴占全年雷暴日數(shù)的68.5%～74.7%， 年均雷暴日數(shù)超過(guò)22 d 的高發(fā)區(qū)主要分布在東南至西北的狹長(zhǎng)地帶。

（2）根據(jù)500 hPa 環(huán)流特征，隴東雷暴主要分為偏北氣流型和低槽影響型。 偏北氣流型占夏季雷暴日數(shù)的60%，以分散型干雷暴為主，天氣特征為西高東低的環(huán)流形勢(shì)，較大的垂直溫差、高空冷平流強(qiáng)度和近地面高溫對(duì)雷暴發(fā)生具有顯著影響； 低槽影響型占夏季雷暴日數(shù)的30.5%， 多伴有明顯降水過(guò)程，天氣特征為西風(fēng)帶低槽東移，較高的低空溫度、濕度和較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量具有顯著影響。

（3）夏季雷暴總?cè)諗?shù)為單峰分布，7 月發(fā)生頻率最高，其中低槽影響型雷暴日數(shù)呈逐月增加趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在8 月，偏北氣流型雷暴日數(shù)為單峰分布，最大值出現(xiàn)在7 月。 這兩種類型的雷暴更容易出現(xiàn)在隴東北部地區(qū)。 偏北氣流型雷暴日數(shù)整體多于低槽影響型， 其中南部地區(qū)偏北氣流型雷暴日數(shù)所占比例6 月最高，逐月遞減；北部地區(qū)7 月比例最高，8月最低。

（4）各站雷暴日數(shù)年際變化趨勢(shì)在6、7 月一致性較高，8 月差異較大。 月雷暴日數(shù)有3～5 a 的變化周期，其中7、8 月同步性較好，與6 月有較大偏差。偏北氣流型雷暴日數(shù)的年際變化幅度明顯大于低槽影響型。

（5）雷暴的月變化與主導(dǎo)因素物理量的月變化以及緯度差異明顯相關(guān)。 6、7 月偏北氣流型雷暴日數(shù)的年變化與T850、v500和RH850等物理量呈負(fù)相關(guān)，與△T75呈正相關(guān)； 低槽影響型雷暴日數(shù)與RH850和v700等物理量呈正相關(guān)。 8 月沒(méi)有與兩類雷暴日數(shù)相關(guān)性較好的物理量。

（6）正寧受子午嶺林區(qū)影響顯著，氣候濕潤(rùn)、空氣垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展旺盛，有利于低槽東移型雷暴發(fā)生發(fā)展；受氣候干旱、植被覆蓋率低影響，隴東中部地區(qū)平均最高氣溫出現(xiàn)高值區(qū)， 慶城最高氣溫偏高1.1 ℃，有利于偏北氣流型雷暴的發(fā)展，同時(shí)，由于河流過(guò)境，濕度條件相對(duì)較好，對(duì)低槽影響型雷暴發(fā)生也較為有利；環(huán)縣屬干旱氣候，濕度條件差，不利于低槽影響型雷暴發(fā)展，但地形復(fù)雜、垂直落差大，抬升條件好，最高氣溫高，有利于偏北氣流型雷暴發(fā)生發(fā)展。