周 華，楊曉玲，陳海貝

1.甘肅省古浪縣氣象局，甘肅古浪 733100；2.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730020；3.甘肅省武威市氣象局，甘肅武威 733000

雷電事件通常是氣體強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，而各類(lèi)的氣體對(duì)流運(yùn)動(dòng)也常常產(chǎn)生各類(lèi)的雷電活動(dòng)，如暴雨、冰雹、龍卷、超級(jí)復(fù)合單體等具有極強(qiáng)對(duì)流特性的雷電活動(dòng)[1]。通常具有雷電頻次較大、地閃量較小、正負(fù)極性地閃率較高的特點(diǎn)，而具有極強(qiáng)降水事件特性的大雷暴活動(dòng)，通常產(chǎn)生以正負(fù)極材料性地閃為主的極強(qiáng)放電特性[2]。存在各種雷陣雨性質(zhì)形成的微物理特征差異，由此形成的能量特征的差異可能是雷電行為特征差異的最重要因素。另外，強(qiáng)降水是作為雷陣雨運(yùn)動(dòng)的一種結(jié)果，其和雷電運(yùn)動(dòng)之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，這對(duì)雷電運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)降水的預(yù)防措施具有較好的借鑒作用[3]。因此，可以通過(guò)雷達(dá)監(jiān)測(cè)、地閃定位系統(tǒng)、高電場(chǎng)技術(shù)測(cè)量等資料和氣象探測(cè)記錄，分析發(fā)生在我國(guó)甘肅省及其周邊地區(qū)的一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程中雷陣雨活動(dòng)特點(diǎn)和的雷電活動(dòng)特點(diǎn)，以期為雷電、降雨的有效預(yù)報(bào)預(yù)警工作提供參考依據(jù)。

1 閃電實(shí)況及資料

2004年7月10日，甘肅省發(fā)生了一次特大降水的天氣過(guò)程，甘肅省所有站降水量都在30 mm以上，個(gè)別測(cè)站6 h最大降水量達(dá)152 mm，為甘肅省當(dāng)日觀測(cè)到的最大降水量。1 h最大降雨量發(fā)生在17:00～18:00，達(dá)到了52 mm。甘肅天氣科學(xué)研究所和中國(guó)氣象局院內(nèi)也對(duì)本次天氣過(guò)程做了記錄，降雨時(shí)段從16:08開(kāi)始，降水強(qiáng)度經(jīng)過(guò)反復(fù)起伏，20:00后全部終止。同時(shí)通過(guò)聽(tīng)到雷聲記錄到的雷電活動(dòng)從15:40開(kāi)始，一直延續(xù)到20:30。一般雷電的開(kāi)始要比降雨早，表明了雷電對(duì)降雨具有一定的早期指示意義。

研究所用資料包括蘭州市氣象局雷達(dá)觀測(cè)PPI資料、ADTD雷電定位系統(tǒng)的觀測(cè)資料、XDDO1大氣平均電場(chǎng)儀觀測(cè)的大氣電場(chǎng)變化資料，以及當(dāng)日降水和雷暴實(shí)況記錄資料[4]。

2 雷暴過(guò)程分析

2004年7月10日甘肅省及其周邊地區(qū)的雷電相對(duì)復(fù)雜。除引起甘肅省大雨的閃電以外，尚有許多雷暴運(yùn)動(dòng)和中標(biāo)對(duì)流系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，大多出現(xiàn)在下午，主要由西北部的山區(qū)的對(duì)流雷陣雨和西北部的大系統(tǒng)雷陣雨所組成，蘭州市區(qū)有較強(qiáng)降雨的雷電與其他雷電混合。通過(guò)7月10日蘭州市氣象局15:00～19:00的部分雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果，解析了這些雷雨活動(dòng)過(guò)程的變化情況，在雷達(dá)圖上，還覆蓋了在雷達(dá)監(jiān)測(cè)時(shí)間5 min左右的地閃數(shù)值，+代表正地閃，-代表負(fù)地閃，蘭州市中心處在雷達(dá)圖上的第四象限靠近原點(diǎn)區(qū)域。

15:01，甘肅省位于西固區(qū)附近的中β（20～2 000 km）規(guī)模性強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)以北120 km區(qū)域內(nèi)，有一些近乎相連的強(qiáng)對(duì)流單體，回波強(qiáng)度是55 dBz，在5 min內(nèi)共檢測(cè)13個(gè)負(fù)地閃，強(qiáng)回波區(qū)的邊緣發(fā)現(xiàn)了閃電，甘肅西部出現(xiàn)了中尺度范圍（2～20 km）的對(duì)流，單體以波浪形排列。各個(gè)時(shí)期的回波強(qiáng)弱有所不同，未監(jiān)測(cè)到地閃。蘭州市一帶出現(xiàn)的小型雷暴單體，產(chǎn)生了大的對(duì)流單體回波強(qiáng)度55 dBz。

15:22，西固區(qū)的雷雨系統(tǒng)面積明顯減少，但雷雨單體較多，雷電頻率也較高。5 min內(nèi)觀測(cè)了45次閃電，全部是負(fù)地閃。與上一時(shí)期比較，正規(guī)模型的回波覆蓋面很大，且處在成熟時(shí)期。檢測(cè)了4個(gè)地閃，全部是負(fù)地閃。蘭州一帶的對(duì)流現(xiàn)象單體強(qiáng)度為50 dBz，蘭州市西南部發(fā)現(xiàn)了3個(gè)明顯的雷陣雨單體，未觀測(cè)到閃電。

16:00，蘭州西固區(qū)處在中β中，系統(tǒng)規(guī)模比上次大，并觀測(cè)到了11個(gè)負(fù)地閃。強(qiáng)回波在向甘肅省移近的同時(shí)，沿順時(shí)針?lè)较蚶^續(xù)移動(dòng)，與距離甘肅西部60 km處的系統(tǒng)有會(huì)合的趨向。表明在雷陣雨復(fù)合單體不斷向甘肅省方向移動(dòng)，整個(gè)體系往前推移，同時(shí)雷電活動(dòng)也明顯增多，5 min共監(jiān)測(cè)到了26次雷電，均為負(fù)地閃。蘭州市附近的單體強(qiáng)化，并繼續(xù)往甘肅省移動(dòng)，監(jiān)測(cè)到了4次的負(fù)地閃。甘肅西部已有部分單體發(fā)展成了中標(biāo)度對(duì)流系統(tǒng)，還有幾個(gè)小雷暴單體，監(jiān)測(cè)出負(fù)地閃。據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)際的天氣預(yù)報(bào)，蘭州市區(qū)將迎來(lái)中到大雨的過(guò)程。

16:21，蘭州西固區(qū)中β系統(tǒng)移動(dòng)沒(méi)有明顯的改變，隨著更強(qiáng)烈的雷暴單體的產(chǎn)生與消亡，強(qiáng)回波的方位出現(xiàn)了改變。甘肅西部的雷電向東南移動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)出6次負(fù)地閃，與東南部的中標(biāo)對(duì)流系統(tǒng)合并，甘肅省的東南部出現(xiàn)了新的強(qiáng)對(duì)流單體，回波強(qiáng)達(dá)到了55 dBz，甘肅省的降雨大部分也是由它所帶來(lái)的。當(dāng)時(shí)天氣實(shí)況記載到了聞雷現(xiàn)象，但缺少地閃觀察的記載。

蘭州西固區(qū)周?chē)恢北３种鴮?duì)流單體持續(xù)生消的態(tài)勢(shì)，地閃活動(dòng)并不明顯。新的雷暴單體是在蘭州新區(qū)周?chē)脑贾谐叨认到y(tǒng)位置建立的。隨著中心地區(qū)強(qiáng)烈的對(duì)流現(xiàn)象單體進(jìn)一步發(fā)展，向北穿過(guò)海淀區(qū)。蘭州一帶的雷暴活動(dòng)繼續(xù)向市中心移動(dòng)，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的中標(biāo)對(duì)流現(xiàn)象系統(tǒng)。共觀測(cè)到了20次以上的地閃，全部為負(fù)地閃，地閃主要分布于強(qiáng)烈的回波邊緣。

17:10，西固區(qū)新的對(duì)流體系在西固區(qū)的東北部生成，共監(jiān)測(cè)到了6次負(fù)地閃。隨著西固區(qū)的東北部新的雷陣雨單體的建立，新的對(duì)流形成單體也在蘭州西南新區(qū)附近形成，整個(gè)蘭州市區(qū)被一中β尺度的系統(tǒng)所包圍，對(duì)應(yīng)天氣實(shí)況記錄降水16:56開(kāi)始下降，西城區(qū)東北方向監(jiān)測(cè)了3個(gè)負(fù)地閃。

17:32，西北地區(qū)開(kāi)始發(fā)展出了一些小中標(biāo)雷暴單體，觀測(cè)到了一些負(fù)地閃，此外，在蘭州新區(qū)周?chē)纬傻膯误w也在發(fā)展，據(jù)實(shí)際的氣象統(tǒng)計(jì)，降雨的強(qiáng)度在17:20后略有減弱，17:33再次上升。甘肅西邊有大的回波區(qū)。35 dBz回波呈現(xiàn)V字形，天氣記錄中的閃電頻率仍較高。在西南約10 km處，出現(xiàn)了2次負(fù)地閃。

17:53，蘭州西固區(qū)和西南部蘭州新區(qū)一帶的對(duì)流單體活動(dòng)更加顯著，閃電頻率也在增多。監(jiān)測(cè)到了9個(gè)負(fù)地閃和1個(gè)正地閃，接地閃電的頻率比前方高。

18:20，蘭州西固區(qū)一帶的許多對(duì)流單體處在強(qiáng)烈的階段。地閃頻率十分高，都是負(fù)地閃，分布在強(qiáng)回波的西端。西北西南部的雷電已發(fā)展成為中標(biāo)體系，包括了許多的對(duì)流單體，并向甘肅移動(dòng)。蘭州新區(qū)一帶也有新的對(duì)流單體產(chǎn)生。蘭州市周?chē)O(jiān)測(cè)到了10次以上的負(fù)地閃。

18:41，西北山岳地區(qū)對(duì)流特別強(qiáng)烈，在距蘭州90～120 km以北的地區(qū)有雷暴復(fù)合體形成，雷電頻率都很高，在雷達(dá)回波區(qū)域監(jiān)測(cè)到了134次地閃。和上次的雷電比較，如果考慮到強(qiáng)烈回波的移動(dòng)方向，雷電分布已經(jīng)超過(guò)了雷電的發(fā)展走向。甘肅地區(qū)的回波規(guī)模依然較大，最大回波強(qiáng)超過(guò)了35 dBz。

上述分析表明，204年7月10日甘肅省內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)強(qiáng)雷陣雨系統(tǒng)。最先在甘肅西北部山區(qū)出現(xiàn)了一種中尺度雷陣雨系統(tǒng)。17:00后，山區(qū)的對(duì)流活動(dòng)更加頻繁，出現(xiàn)了多個(gè)對(duì)流性雷暴單體，并形成大規(guī)模的地閃。另外，西南蘭州新區(qū)附近是甘肅省的對(duì)流系統(tǒng)的主要觸發(fā)源。強(qiáng)對(duì)流單體雷暴活動(dòng)不斷出現(xiàn)，逐漸形成了多個(gè)中等規(guī)模的強(qiáng)雷陣雨γ尺度對(duì)流復(fù)合單體，并不斷聚合為中小規(guī)模的β尺度對(duì)流復(fù)合體向甘肅轉(zhuǎn)移，與蘭州市區(qū)的強(qiáng)雷陣雨系統(tǒng)混合，是造成甘肅省極端強(qiáng)降水雷陣雨的強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，最先是由蘭州市區(qū)附近的產(chǎn)生的，隨后又由西南方向向甘肅發(fā)展的中尺度空氣對(duì)流系統(tǒng)綜合而來(lái)。在16:00左右，又一個(gè)強(qiáng)雷陣雨的復(fù)合單體在中心區(qū)附近重新產(chǎn)生，并與來(lái)自高星的較強(qiáng)單體規(guī)模結(jié)合。雷陣雨的混合情況更利于強(qiáng)降雨的發(fā)生和增加，它也可能成為在多次強(qiáng)降水過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)降水的主要因素。但總的來(lái)說(shuō)，7月10日前，中國(guó)西部地區(qū)出現(xiàn)了多個(gè)單一雷陣雨，之后中國(guó)西北部地區(qū)包含了蘭州市區(qū)出現(xiàn)了多個(gè)系統(tǒng)雷暴。

3 雷暴過(guò)程中的閃電特征分析

2004年7月10日對(duì)天氣過(guò)程的分析結(jié)果表明，當(dāng)日的雷電過(guò)程主要由中國(guó)西北地區(qū)的單體雷陣雨和西南地區(qū)以及甘肅區(qū)一帶的大系統(tǒng)雷陣雨所形成。在對(duì)雷達(dá)與閃電疊加現(xiàn)象的分析中，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)雷電的時(shí)間劃分在這2種地方都是完全不同的，這一點(diǎn)在對(duì)閃電的時(shí)間分類(lèi)中也能夠很明顯地看出。

為了分類(lèi)的方便，以甘肅以北60 km為界，劃分西北山區(qū)對(duì)流雷暴形成的雷電和南部系統(tǒng)雷暴形成的雷電。圖1和圖2分別為上述2個(gè)區(qū)域形成閃電隨時(shí)間變化圖。在西北山區(qū)觀測(cè)到了95次正閃和10 789次負(fù)閃，正地閃僅占了5.04%。閃電出現(xiàn)于17:00～20:00，由西北山區(qū)17:00后形成的雷暴單元引起。在系統(tǒng)性的雷電期間，南部共觀察到了86次正閃和896次負(fù)閃，正地閃僅占了8.76%，大部分都出現(xiàn)在15:00～17:00之間，由西南的中尺度對(duì)流系統(tǒng)所形成。總的來(lái)說(shuō)，甘肅西北地區(qū)對(duì)流單體的數(shù)量遠(yuǎn)高于南方的數(shù)量。關(guān)于雷電活動(dòng)的空間位置，西北地區(qū)的雷電密度最大，暴雨地閃電密度相對(duì)較低。

圖1 甘肅西北部山區(qū)雷暴產(chǎn)生的閃電隨時(shí)間的分布特征

圖2 甘肅南部及蘭州市區(qū)雷暴產(chǎn)生的閃電隨時(shí)間的分布特征

由圖3顯示的電場(chǎng)（包括云閃和地閃）的突然變動(dòng)可發(fā)現(xiàn)，這種系統(tǒng)如同氣象上頻頻發(fā)生的閃電一樣，繼續(xù)產(chǎn)生大量的閃電。然而，在定位系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)到了閃電，閃電主要為云閃。雷達(dá)回波與閃電重疊的分析表明，17:50后地閃在增加，電場(chǎng)變化特別強(qiáng)烈。根據(jù)相應(yīng)的雷達(dá)周期，甘肅雷達(dá)回波區(qū)已明顯超過(guò)上一周期，且強(qiáng)回波區(qū)也不斷下降，說(shuō)明甘肅的雷暴過(guò)程正處在發(fā)展階段，垂直運(yùn)動(dòng)正在增強(qiáng)，雷暴級(jí)別正在擴(kuò)大，初始雷暴單體融合為巨大的復(fù)合體，電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)增強(qiáng)，地閃頻率也相應(yīng)提高[5]。

圖3 2004年7月10日15:00～19:00大氣電場(chǎng)實(shí)測(cè)

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，15:15～15:40顯示為正電場(chǎng)，蘭州市區(qū)西部和西北部發(fā)生了2次單獨(dú)閃電，15:40～17:25顯示為負(fù)電場(chǎng)，17:25～17:45電場(chǎng)的大部分是正電場(chǎng)，與甘肅上空17:32的雷達(dá)回波對(duì)比，電光計(jì)西側(cè)有較長(zhǎng)的強(qiáng)回波區(qū)域，而東北則有較強(qiáng)的次回波區(qū)域，正電場(chǎng)是其聯(lián)合作用的結(jié)果。17:45～18:40，顯示基本負(fù)電場(chǎng)。通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析，在閃電不斷出現(xiàn)、消除、發(fā)展、移動(dòng)、改變等過(guò)程中，當(dāng)閃電離開(kāi)電場(chǎng)測(cè)量時(shí)，電場(chǎng)表現(xiàn)為正值，而當(dāng)電閃經(jīng)過(guò)觀察點(diǎn)附近時(shí)，電場(chǎng)表現(xiàn)為負(fù)值，根據(jù)這個(gè)距離及電場(chǎng)電荷作用機(jī)理，考慮到在甘肅地區(qū)的半徑約20 km區(qū)域內(nèi)只有一條正閃電帶，其余區(qū)域均為負(fù)閃電帶，從而導(dǎo)致甘肅暴雨雷陣雨區(qū)在中部最強(qiáng)的為負(fù)儲(chǔ)備區(qū)，上部有正的儲(chǔ)備區(qū)。

圖4 2004年7月10日15:00～19:00電場(chǎng)1 min平均分布

4 結(jié)論

（1）在此次的大雨過(guò)程中，蘭州市區(qū)雷暴過(guò)程主要是由市區(qū)周?chē)杆侔l(fā)展的雷陣雨復(fù)合單體、西南中標(biāo)系統(tǒng)和高頻雷陣雨單體的混合物。這樣的雷電組合也大大增加了降水效率，是蘭州市區(qū)反復(fù)強(qiáng)降雨的主要因素之一。

（2）區(qū)域的降雨強(qiáng)度變化和相應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)變化，具有一定的一致性。強(qiáng)回波一般對(duì)應(yīng)中強(qiáng)降雨，而弱回波則對(duì)應(yīng)微弱降水或無(wú)降雨。而城市雷電活動(dòng)則大多出現(xiàn)于雷電活動(dòng)中后期，與目標(biāo)回波強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)并不明顯。

（3）閃電活動(dòng)主要發(fā)生在強(qiáng)烈回波周?chē)⒗纂娀顒?dòng)的發(fā)展方向的區(qū)域。暴雨的雷暴發(fā)生區(qū)域的頂部有正電荷區(qū)，底部有強(qiáng)的負(fù)電荷區(qū)。

（4）甘肅西北山區(qū)的雷電主要是由局地強(qiáng)對(duì)流所引發(fā)，產(chǎn)生了大量地閃，甘肅西南平原的雷電則主要為大系統(tǒng)雷電。雷陣雨的單體主要存在于中尺度系中，形成的地閃很少。

（5）閃電出現(xiàn)在降雨過(guò)程前，有助于通過(guò)閃電監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)降雨量。由于數(shù)據(jù)有限，本研究沒(méi)有定量分析閃電特性與降雨強(qiáng)度的關(guān)系。

（6）導(dǎo)致區(qū)域暴雨的雷電底是否有正儲(chǔ)備區(qū)，系統(tǒng)雷暴產(chǎn)生的閃電比局部強(qiáng)對(duì)流雷少，關(guān)于這一點(diǎn)需要更詳細(xì)地研究是受地形的影響，還是受雷暴電荷結(jié)構(gòu)或表面導(dǎo)電率的差異所致。