馮景瑜 徐昌龍 趙 晶 張瑩瑩

（延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001）

1 引言

雷電災(zāi)害是聯(lián)合國劃定的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一。延邊地區(qū)的雷電天氣最早出現(xiàn)在3月，最晚出現(xiàn)在11月。其中出現(xiàn)在5—9月的雷電占90%～97%，可見10月出現(xiàn)在延邊州的雷電是非常少見的。隨著氣象事業(yè)的不斷發(fā)展，氣象工作者對(duì)于雷暴的研究取得了極大的進(jìn)展[1-8]。孫哲等[9]對(duì)春季和夏季兩次雷暴天氣的大氣結(jié)構(gòu)和地閃特征進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)春季雷暴動(dòng)力抽吸作用明顯，而夏季雷暴熱力作用明顯。于波[10]等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大氣的不穩(wěn)定條件和水汽條件都具備時(shí)，那么在早晨大氣相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)候，需要特別注意對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制。陳濤等[11]對(duì)一次南方春季雷暴天氣的環(huán)境場特征進(jìn)行了分析。舒國勇等[12]發(fā)現(xiàn)地形輻合疊加在移入的切變系統(tǒng)上，促成了弱對(duì)流向強(qiáng)對(duì)流的演變；并且由于觸發(fā)高度的不同，可將雷暴分為經(jīng)典雷暴和高架雷暴[3]。

本文主要利用探空資料、ECMWF逐1 h再分析資料（水平分辨率為0.25°×0.25°）和延吉多普勒雷達(dá)反射率因子資料。分析發(fā)現(xiàn)2021年10月和11月出現(xiàn)的兩次雷暴天氣與邊界層高溫高濕而產(chǎn)生的夏季雷暴有較大區(qū)別，因此探討兩次“高架雷暴”天氣過程的特點(diǎn)，以期為今后同類天氣事件的分析、監(jiān)測、預(yù)報(bào)和預(yù)警提供有益線索和思路。

2 “高架雷暴”的天氣特點(diǎn)和天氣形勢配置

2.1 天氣特點(diǎn)

2021年10月3日早晨到夜間（簡稱“10·03”雷暴），延邊地區(qū)出現(xiàn)了小到中雨天氣，3日05時(shí)降水從延邊地區(qū)西部開始，截至11時(shí)，全州大部分地方均出現(xiàn)小雨，最大降水出現(xiàn)在汪清縣廟溝村，為10.5mm。期間在敦化、安圖、龍井、延吉等地均伴有雷電天氣出現(xiàn)。雷電出現(xiàn)時(shí)，大部分地方地面氣溫不足10℃。

2021年11月7日20時(shí)—9日08時(shí)（簡稱“11·08”雷暴），延邊地區(qū)出現(xiàn)明顯雨雪天氣過程，琿春、圖們、汪清個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了暴雨。8日14—15時(shí)，龍井、延吉、圖們、琿春等縣（市）有雷電天氣出現(xiàn)，此時(shí)地面氣溫10～13℃。此前在10月以后延邊地區(qū)極少出現(xiàn)雷電，尤其地面氣溫較低，且“10·03”雷暴出現(xiàn)在早晨，出現(xiàn)熱對(duì)流的可能性較小，因此兩次過程雷暴的預(yù)報(bào)難度較大。

2.2 天氣形勢配置

從高空影響系統(tǒng)來看，“10·03”雷暴中延邊地區(qū)位于500hPa低渦前部較平直的偏西氣流處。700hPa延邊地區(qū)位于低渦東南部，10月3日06時(shí)其上空的偏西急流轉(zhuǎn)為西南急流，且延邊地區(qū)位于急流出口區(qū)，出口區(qū)風(fēng)速由20m/s減為16m/s，這一時(shí)刻與降水開始時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，至08時(shí)，延邊地區(qū)位于急流軸線處。850hPa延邊地區(qū)始終為一致的西南氣流，且從05時(shí)開始，延邊地區(qū)位于西南急流出口區(qū)，且風(fēng)速輻合逐漸增強(qiáng)，可見低空西南急流發(fā)展加強(qiáng)的過程不僅對(duì)應(yīng)降水的開始，同時(shí)也與雷電現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。925hPa上，延邊地區(qū)受偏南或東南氣流影響，且氣流逐漸增強(qiáng)，11時(shí)之后氣流逐漸減弱，12時(shí)后轉(zhuǎn)為偏南或西南氣流。超低空的東南氣流影響時(shí)間與本次雷暴天氣的時(shí)間一致，說明本次雷電成因是低層冷空氣之上的暖濕空氣的對(duì)流，具有高架雷暴的特點(diǎn)。

“11·08”雷暴中，13—15時(shí)延邊地區(qū)位于500hPa冷渦前部，冷渦有-32℃的冷中心相配合。700hPa為較一致的偏南急流。850hPa和925hPa均為東南急流影響，且在延邊東部和南部出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)速輻合。

地面形勢上，“10·03”雷暴中，延邊地區(qū)處于地面冷高壓后部，受冷空氣和輻射降溫影響，地面氣溫較低，為延邊高架對(duì)流的產(chǎn)生起到了冷墊的作用，且05時(shí)風(fēng)場上，延邊地區(qū)出現(xiàn)一條西南—東北向的中尺度輻合線，為降水的發(fā)生和對(duì)流的發(fā)展提供了動(dòng)力條件。而“11·08”雷暴中，11月8日13時(shí)，延邊地區(qū)位于暖鋒前的冷空氣一側(cè)，因此兩次雷暴天氣均為高架雷暴。

分析延吉站的探空資料發(fā)現(xiàn)，“10·03”雷暴中10月2日20時(shí)，低層存在弱逆溫層，逆溫層頂在925hPa以下，近地面風(fēng)向隨高度增加逆轉(zhuǎn)，即邊界層內(nèi)有冷平流，隨著近地面偏東風(fēng)的增強(qiáng)，至3日08時(shí)，逆溫層未被破壞，且逆溫層頂已經(jīng)升至925hPa以上。另外，K指數(shù)從2日20時(shí)的14℃增加至08時(shí)的31℃，且θse500-θse850＜0，表明大氣層結(jié)存在弱對(duì)流不穩(wěn)定。同時(shí)延吉站上空具有強(qiáng)的風(fēng)垂直切變，因此具有對(duì)稱不穩(wěn)定，有利于對(duì)流的發(fā)展和暖濕氣流源源不斷地輸送到發(fā)展中的對(duì)流云團(tuán)中。在“11·08”雷暴中，11月8日08時(shí)，低層出現(xiàn)逆溫，逆溫層頂在900hPa附近，近地面為東北風(fēng)，說明近地面有弱冷空氣侵入。另外假相當(dāng)位溫從900hPa到700hPa變化不大，同時(shí)風(fēng)隨高度變化較大，因此仍具有對(duì)稱不穩(wěn)定。

由此可見，兩次過程中低層存在逆溫層，近地面有冷墊，低層是絕對(duì)穩(wěn)定的大氣層結(jié)，邊界層沒有高溫高濕的不穩(wěn)定能量積累，不利于地基雷暴發(fā)生，這說明兩次雷暴天氣均為高架雷暴。

3 雷達(dá)資料分析

從雷達(dá)圖像上可以看到，“10·03”雷暴中在10月3日05時(shí)前后，降水回波從延邊西部開始生成；06時(shí)40分（圖1a）前后回波逐漸發(fā)展加強(qiáng)，反射率因子達(dá)到40～45dBz；07時(shí)10分（圖1b）對(duì)流回波連成線狀，并繼續(xù)向東移動(dòng)；07時(shí)30分（圖1c）前后經(jīng)過延吉，此時(shí)回波強(qiáng)度減弱至40dBz左右，強(qiáng)回波高度達(dá)8km，而0℃層高度為3.15km，仍然出現(xiàn)雷電。在“11·08”雷暴中，反射率因子最強(qiáng)僅達(dá)35dBz，強(qiáng)回波高度僅達(dá)3km左右，0℃層高度為2.226km，在14時(shí)前后，延邊南部仍然出現(xiàn)雷電。兩次過程中盡管回波強(qiáng)度較弱，但云頂高度很容易達(dá)到-20～-10℃的凍結(jié)層高度，此高度大量過冷卻水凍結(jié)成冰晶，容易導(dǎo)致溫差起電[13]，所以出現(xiàn)了雷電。

圖1 2021年10月3日06時(shí)40分（a）、06時(shí)58分（b）、07時(shí)27分（c）延吉雷達(dá)1.5°仰角反射率因子（單位：dBz）

4 “高架雷暴”發(fā)生的大氣垂直結(jié)構(gòu)特征

4.1 鋒生作用及風(fēng)隨高度變化

從沿129.5°E鋒生函數(shù)的垂直剖面上可知，“10·03”雷暴中3日05—07時(shí)（圖2a）延吉附近800hPa以下有鋒生區(qū)，且鋒生作用逐漸增強(qiáng)，鋒生中心強(qiáng)度超過70×10-10K·m-1s-1。在“11·08”雷暴中，11日8日14時(shí)（圖2c）強(qiáng)鋒生區(qū)也位于800hPa以下，且鋒生中心強(qiáng)度超過70×10-10K·m-1s-1，兩次過程中鋒生過程導(dǎo)致的熱力直接環(huán)流的上升支也是雷暴天氣可能的觸發(fā)機(jī)制。從風(fēng)的緯向（42.87°N）垂直分布（圖2b、圖2d）上可以看出，兩次過程中延吉上空從地面到700hPa風(fēng)向顯著順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有利于雷暴天氣的形成；另外0—6km風(fēng)切變大于20m/s，屬于強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，在一定程度上反映了兩次過程中存在較強(qiáng)的動(dòng)力不穩(wěn)定，有利于高架對(duì)流的發(fā)生。

圖2 2021年10月3日07時(shí)（a）和11月8日14時(shí)（c）沿129.5°E剖面的鋒生函數(shù)（陰影，單位：K·m-1s-1）、流線和溫度（等值線，單位：℃），10月3日07時(shí)（b）和11月8日14時(shí)（d）沿42.87°N風(fēng)的垂直分布

4.2 散度和渦度平流

抬升條件是雷暴發(fā)生發(fā)展的重要條件之一。從散度場的垂直剖面看出，“10·03”雷暴中10月3日06時(shí)，延邊地區(qū)僅900hPa以下有氣流輻合，至08時(shí)（圖3a）低層輻合增強(qiáng)至700hPa，輻合中心位于850hPa附近，700hPa以上為氣流的輻散?？梢?，低層輻合、高層輻散特征明顯，有利于上升運(yùn)動(dòng)。由渦度平流的垂直剖面看出，06時(shí)之后延邊上空正渦度平流逐漸增強(qiáng)，500hPa以下為正渦度平流；08時(shí)（圖3c）至11時(shí)大值中心位于800hPa附近，有利于上升運(yùn)動(dòng)，與散度場分析一致。

同樣在“11·08”雷暴中，11月8日14時(shí)（圖3b）延邊地區(qū)800hPa以下為氣流輻合，輻合中心位于900hPa附近，800hPa以上為氣流輻散。從渦度平流（圖3d）來看，43°N附近800hPa以下為正渦度平流，大值中心位于900—800hPa，900hPa以下正渦度平流較弱，800hPa以上為負(fù)渦度平流。可見雷暴從發(fā)展到成熟過程中，具有低層輻合增強(qiáng)，正渦度平流增強(qiáng)，高層輻散的特征。

圖3 2021年10月3日08時(shí)（a）和11月8日14時(shí)（c）沿129.5°E的散度（單位：10-5s-1）垂直分布，10月3日08時(shí)（b）和11月8日14時(shí)（d）沿129.5°E渦度平流（單位：10-6s-1）垂直分布

4.3 垂直速度和相對(duì)濕度

從垂直速度和相對(duì)濕度的垂直剖面上來看，“10·03”雷暴在10月3日08時(shí)（圖4a）前后42°N～44°N的800～600hPa有-1.8Pa·s-1的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，在900hPa附近有-0.6Pa·s-1的次上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)和次上升運(yùn)動(dòng)區(qū)相對(duì)濕度在80%以上。強(qiáng)上升區(qū)的下方略偏南方向（42°N附近）有0.6 Pa·s-1的下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，位于900hPa以下，次上升運(yùn)動(dòng)區(qū)說明冷空氣墊對(duì)高架對(duì)流的抬升作用比較弱，此區(qū)域與逆溫層的高度相當(dāng)，與邊界層冷空氣墊相關(guān)。“11·08”雷暴中，11月8日14時(shí)（圖4b）前后在42°N～44°N的900～700hPa有-2.4Pa·s-1的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，在900hPa以下上升運(yùn)動(dòng)較弱，相對(duì)濕度最強(qiáng)達(dá)90%以上。在強(qiáng)上升區(qū)的下方略偏南方向有0.3Pa·s-1的下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)。

圖4 2021年10月3日08時(shí)（a）、11月8日14時(shí)（b）沿129.5°N剖面的相對(duì)濕度（陰影，單位：%）和垂直速度（黑線，單位：Pa·s-1）

通過以上分析可知，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)與西南急流、弱對(duì)流不穩(wěn)定和正渦度平流的強(qiáng)迫以及強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有密切關(guān)系。同時(shí)逆溫層以下的冷空氣對(duì)高架雷暴具有抬升觸發(fā)作用。

5 大氣不穩(wěn)定條件分析

5.1 溫度平流

“10·03”雷暴中，10月3日06時(shí)，沿129.5°E溫度平流的垂直剖面上，42°N—43°N從地面至900hPa為弱冷平流控制，800hPa附近為暖平流中心，700hPa有冷中心，這樣“上下冷，中間暖”的結(jié)構(gòu)，說明早晨的對(duì)流是在逆溫層頂發(fā)展起來的。至08時(shí)（圖5a），延吉上空地面至900hPa已轉(zhuǎn)為暖平流，900—700hPa為逐漸增強(qiáng)的冷平流，在垂直方向上轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧侠湎屡钡牟环€(wěn)定結(jié)構(gòu)，促進(jìn)不穩(wěn)定層結(jié)的維持。

“11·08”雷暴中，11月8日14時(shí)（圖5b），700hPa以下均為暖平流控制，但暖平流維持在900hPa附近，強(qiáng)暖中心與中低層的西南急流相對(duì)應(yīng)，700hPa以上為冷平流，同樣形成了“上冷下暖”的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖5 2021年10月3日06時(shí)（a）和11月8日14時(shí)（b）沿129.5°E溫度平流的緯度—高度剖面（單位：℃）

5.2 對(duì)流性不穩(wěn)定和上升運(yùn)動(dòng)分析

分析θse和垂直速度沿129.5°E經(jīng)向垂直剖面圖可以看到，在“10·03”雷暴中，延邊地區(qū)700hPa以下的等θse線呈垂直狀較密集分布，即對(duì)流層中下層鋒區(qū)較明顯。在鋒區(qū)南側(cè)為θse高值區(qū)，是暖濕空氣聚集區(qū)，空氣團(tuán)中具有豐富的水汽和能量；鋒區(qū)北側(cè)為θse低值區(qū)，為干冷空氣，可阻擋暖濕空氣向北擴(kuò)散，導(dǎo)致低層輻合加強(qiáng)。同時(shí)延邊地區(qū)上空，在900hPa附近和800—700hPa存在著對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，在這一位置對(duì)應(yīng)著上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，且伸至700hPa附近。至07時(shí)（圖6a），對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)仍然維持，而上升運(yùn)動(dòng)區(qū)已伸至300hPa以上，11時(shí)之后，不穩(wěn)定層結(jié)減弱，且上升運(yùn)動(dòng)層降低?！?1·08”雷暴中，11月8日13時(shí)開始42°N～44°N假相當(dāng)位溫等值線逐漸增密，能量鋒區(qū)變強(qiáng)，14時(shí)（圖6b）在925hPa以下，假相當(dāng)位溫隨高度變化不大。但從上升運(yùn)動(dòng)來看，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長，這與“11·08”雷暴的降水強(qiáng)度較大密切相關(guān)。

圖6 2021年10月3日07時(shí)（a）和11月8日14時(shí)（b）假相當(dāng)位溫和垂直速度剖面疊加（實(shí)線為假相當(dāng)位溫，單位：℃；陰影為垂直速度，單位：Pa·s-1），10月3日07時(shí)（c）和11月8日14時(shí)（d）沿129.78°E的濕位渦垂直剖面（單位：PVU）

由此可見，“10·03”雷暴的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，在適當(dāng)?shù)奶龣C(jī)制作用下，能將不穩(wěn)定能量釋放出來，有利于上升運(yùn)動(dòng)向高層發(fā)展。雷暴天氣出現(xiàn)時(shí)，上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展高度可伸至對(duì)流層上層，對(duì)流不穩(wěn)定為上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展提供了動(dòng)力和熱力條件，促使云體高度增高和雷電的產(chǎn)生。“11·08”雷暴的大氣層結(jié)接近中性，但是上升運(yùn)動(dòng)仍然較強(qiáng)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)不僅對(duì)應(yīng)著強(qiáng)對(duì)流的出現(xiàn)，同時(shí)也對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水時(shí)段。

5.3 對(duì)稱性不穩(wěn)定條件分析

對(duì)稱性不穩(wěn)定是一種中尺度不穩(wěn)定，且濕位渦小于零是大氣發(fā)生條件性對(duì)稱不穩(wěn)定的條件[2]。分析濕位渦經(jīng)向（129.5°N）垂直剖面可以看到，雷暴發(fā)生過程中，“10·03”雷暴中，42°N—44°N在850—700hPa存在一個(gè)濕位渦小于零的區(qū)域，10月3日06—08時(shí)（圖6c），負(fù)值中心逐漸增強(qiáng)，08時(shí)800hPa附近的負(fù)值中心強(qiáng)度為-0.6PVU（1 PVU=10-6m2·K·kg-1·s-1）左右，說明在延邊地區(qū)上空存在對(duì)稱不穩(wěn)定，700hPa以上有一相對(duì)的穩(wěn)定層，這一穩(wěn)定層的存在有利于低層逆溫層的維持，為雷電的發(fā)生提供了充分的能量積累，同時(shí)中尺度不穩(wěn)定中心與低空急流的發(fā)展相對(duì)應(yīng)，為雷電的產(chǎn)生提供了有利條件。在“11·08”雷暴中，900—800hPa存在一個(gè)濕位渦小于零的區(qū)域，且在11月8日14時(shí)（圖6d）負(fù)值中心強(qiáng)度達(dá)-1.6PVU，在這一區(qū)域的假相當(dāng)位溫仍較為陡立，且θse/P≤0，大氣層結(jié)接近中性，有利于條件對(duì)稱不穩(wěn)定的發(fā)生。

6 結(jié)語

（1）兩次雷暴天氣均出現(xiàn)在冷渦背景下，配合中低層西南急流、超低空偏東氣流，以及地面偏東風(fēng)形成的冷空氣墊的共同影響下，形成的低層冷空氣之上的暖濕空氣的對(duì)流。兩次過程分別出現(xiàn)在冷高壓的后部、暖鋒前的冷空氣中，中低層存在逆溫層，近地面有冷墊，低層是絕對(duì)穩(wěn)定的大氣層結(jié)，邊界層沒有高溫高濕的不穩(wěn)定能量積累，不利于地基雷暴發(fā)生，這說明兩次雷暴天氣均為高架雷暴。兩次過程雷達(dá)回波強(qiáng)度較弱，但云頂高度達(dá)到-20～-10℃的凍結(jié)層高度。

（2）鋒生過程導(dǎo)致的熱力直接環(huán)流的上升支是兩次雷暴天氣可能的觸發(fā)機(jī)制。強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，在一定程度上反映了兩次過程中存在較強(qiáng)的動(dòng)力不穩(wěn)定，有利于高架對(duì)流的發(fā)生。

（3）雷暴發(fā)展過程中，具有低層輻合增強(qiáng)、正渦度平流增強(qiáng)、高層輻散的特征，輻合中心位于800—900hPa附近。另外，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)與西南急流和正渦度平流的強(qiáng)迫以及強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有密切關(guān)系。同時(shí)逆溫層以下的冷空氣對(duì)高架雷暴具有抬升觸發(fā)作用。

（4）兩次雷暴天氣的發(fā)生具有對(duì)流不穩(wěn)定和對(duì)稱不穩(wěn)定共同作用和僅對(duì)稱不穩(wěn)定作用下產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)差異?！?0·03”雷暴的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)，在適當(dāng)?shù)奶龣C(jī)制作用下，能將不穩(wěn)定能量釋放出來，有利于上升運(yùn)動(dòng)向高層發(fā)展。雷暴天氣出現(xiàn)時(shí)，上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展高度可伸至對(duì)流層上層，對(duì)流不穩(wěn)定為上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展提供了動(dòng)力和熱力條件。同時(shí)在逆溫層以上出現(xiàn)了濕位渦小于零的區(qū)域。因此“10·03”雷暴是在對(duì)流不穩(wěn)定和對(duì)稱不穩(wěn)定共同作用下產(chǎn)生的。“11·08”雷暴的大氣層結(jié)接近中性，但是上升運(yùn)動(dòng)仍然較強(qiáng)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)不僅對(duì)應(yīng)著強(qiáng)對(duì)流的出現(xiàn)，同時(shí)也對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水時(shí)段。同時(shí)中性的大氣層結(jié)，更有利于對(duì)稱不穩(wěn)定的出現(xiàn)，在800—900hPa的濕位渦小于零。因此“11·08”雷暴是在對(duì)稱不穩(wěn)定的作用下產(chǎn)生的。