云南致災雷電過程的大氣物理量結構特征*

張騰飛，尹麗云，張杰，許迎杰

(1.云南省氣象臺，云南昆明650034;2.云南省信息中心，云南昆明650034)

雷電是發生在積雨云中的放電、雷鳴現象，由它引發的雷擊災害已成為當今世界一大嚴重的氣象災害［1］，許多學者［2－6］對各地雷暴的氣候特征進行了大量的研究，認為雷暴具有明顯的時空分布特征，各地雷暴年代際、時間和空間上都存在明顯差異。雷雨云伴隨的閃電活動與環境大氣的不穩定能量、抬升動力條件等密切相關，Petersen［7］1996年用探空資料發現CAPE與24 h內的閃電次數存在弱的正相關，2001年進一步分析后表明［8］:CAPE越大、對流負能量(CIN)越小、對流層垂直風切變越弱，會對應越強的閃電密度;Jeffrey B等［9］用探空資料對巴西地區的閃電活動進行分析發現，CAPE大于1 500 J/kg，閃電活動活躍;鄭棟等［10］分析北京大氣不穩定參數與閃電活動的關系后認為，潛在對流性穩定度指數、抬升指數、對流有效位能與閃電活動具有較好的相關性，提出了閃電活動預報診斷指標;賈朝陽等［11］則分析認為山西省北部和南部雷暴影響因子存在明顯的差異。我們的前期研究已表明［12－13］云南雷電災害比較嚴重，為了解云南雷電的形成機制，本文利用NCEP再分析氣象資料中的對流有效位能和垂直速度來診斷分析云南2007年6－9月主要雷電過程形成的大氣熱力不穩定和動力環境條件。

1 資料來源

(1)云南省氣象局雷擊災情收集資料。

(2)云南省閃電定位系統監測的閃電(雷電)資料(主要指云－地之間發生的閃電)，探測資料覆蓋全省。

(3)逐日02:00、08:00、14:00、20:00(北京時，下同)NCEP再分析氣象資料，格距1°×1°，垂直層次21層。

23 次雷電過程及其雷擊災害概況

2.1 雷電過程概況

根據云南省閃電定位系統監測資料統計，2007年全年共發生閃電(地閃，下同)549 003個，6－8月發生閃電占年閃電頻數的72%，是全年閃電頻發時段，尤其以盛夏8月發生的閃電頻數為最高，發生的閃電占年閃電頻數的39%。其中6月24日和7月6日全省共發生閃電總數分別為15 683個和15 597個;而8月20－28日出現了2007年最強的連續雷電過程，其中在8月20日發生閃電14 181個。

圖1分別給出6月24日、7月6日和8月20日20:00－20:00全省3 d 0.1°×0.1°的閃電頻數分布。從圖1a可以清楚地看到，6月24日雷電主要發生在滇中及以東以南地區，高發區域在楚雄、曲靖和昆明地區;7月6日(圖1b)雷電發生區域分布呈南北帶狀，主要在麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河和思茅東部活動，高發區域在楚雄地區;8月20日(圖1c)雷電主要在北部地區活動，其中滇東北雷電發生頻數較高。進一步對雷電活動時段進行統計分析發現，3次過程雷電發生時段比較相似，主要發生在午后到傍晚時段。

圖1 2007年云南3次主要雷電過程0.1°×0.1°的閃電頻數分布

2.2 雷擊災害概況

據氣象災情資料統計，2007年全省共發生雷電災害事件242起，其中造成的人身傷亡事件73起，雷電災害直接導致68人死亡。從各月雷電災害分布(圖2)可以看出，在雷電頻發期間(6－8月)，發生雷電災害事件也最多，3個月內共發生雷災事件150起，占全年總災害數的62%，人員傷亡事件44起，占全年的65%，共造成41人死亡、52人受傷。6月24日、7月6日和8月20日是2007年的3個多雷電日，也是雷擊災害事件的多發日，3 d發生雷擊事件6起，造成了7人死亡、15人受傷，其中6月24日在滇中和滇東發生3起雷擊事件，造成3人死亡、7人受傷;7月6日17:30楚雄地區元謀縣老城鄉那能村委會發生1起雷擊事件，造成2人死亡;8月20日在滇東北的昭通發生2起雷擊事件，造成2人死亡、8人受傷。

圖2 2007年1－12月云南雷擊災害統計

對比分析3次過程的雷電活動和雷擊災害概況發現，雷電活動和導致雷擊災害事件地域差異都較大，但雷擊事件都發生在雷電活動頻發區域內，雷災的發生與雷電頻繁發生密切相關。

下面將對上述導致雷擊災害的3次雷電過程形成的大氣熱力、動力環境條件進行診斷分析研究。

3 致災雷電過程的大氣熱力不穩定物理量結構特征

對流有效位能CAPE是一個從自由對流高度到平衡高度測量自由對流層的累積浮力能垂直積分指數，CAPE反映了積分厚度和浮力。由下式定義:

式中:θ′v表示擾動虛位溫;θvs是大氣中虛位溫的典型值;zc為自由對流高度;ze為平衡高度。CAPE是在自由對流高度之上，氣塊可從正浮力做功而獲得的能量，表示大氣浮力不穩定能的大小，因此CAPE作為氣塊浮力能的垂直積分量對強對流天氣的發生及落區有更好的指示作用，其值越大，表示對流不穩定能量越大，越有利于對流天氣的發生。

圖3是6月24日、7月6日和8月20日雷電發生前或者發生期間14:00和20:00對流有效位能分布。

6月24日14 :00(圖3a)云南處于西部孟加拉灣到緬甸和東部廣西到貴州的高CAPE的包圍之下，除滇西到滇西北和滇西南邊緣外云南大部分區域CAPE保持在200 J/kg以上，并且CAPE分布具有東高西低的特征，滇西地區CAPE小，這些區域對流活動弱，雷電活動幾乎沒有發生，滇中以東以南地區CAPE≥300 J/kg，說明這些區域具有好的對流不穩定能量，尤其東部CAPE等直線比較密集，屬于高CAPE區域，CAPE最高在滇東南，高達1 500 J/kg，這也是6月24日雷電活動和雷擊災害主要發生在滇中以東的原因，雷電最頻發的滇東曲靖附近，CAPE在400～700 J/kg之間，對應14:00－20:00曲靖周圍50 km范圍內發生閃電頻數3 361個，其中16:00－17:00發生閃電高達693個，曲靖地區頻繁的雷電活動導致馬龍縣和陸良縣17:00左右2起雷擊災害事件發生，造成2人死亡、7人受傷;20:00(圖略)全省除滇西北外保持較大的CAPE，高CAPE區域擴大、數值增大，大值區明顯西移，尤其滇西南CAPE由300～400 J/kg增大到700 J/kg以上，滇中到滇東雷電還在持續，滇西南雷電更加活躍，思茅地區墨江站周圍50 km范圍內21:00－24:00發生閃電1 229個，可見隨著CAPE大值區西移，雷電活動區域也逐漸西移。

7月6日14 :00(圖3a)滇東南和滇西北CAPE<200 J/kg，相應這些區域沒有雷電活動發生，除此外全省大部區域CAPE≥200 J/kg，并且形成了一條貫穿云南南北向的比較明顯的CAPE大值帶，存在兩個高CAPE中心，一個在四川南部到云南北部交接處，中心值為900 J/kg，另一個在云南南部思茅與紅河交界處，中心值為1 900 J/kg，雷電活動區域與CAPE≥200 J/kg帶狀區域一致，也呈帶狀分布，雷電頻發區域處在CAPE為300～500 J/kg帶狀內的楚雄地區，其中楚雄地區元謀站周圍50 km范圍內17:00－18:00發生閃電1 111個，這也是頻繁雷電活動直接導致17:30元謀縣發生2人死亡雷擊事件的原因;20:00(圖略)CAPE大值帶范圍擴大，CAPE為500～1 700 J/kg之間，大值區明顯西移，滇西CAPE≥500 J/kg，雷電活動區域也西移，滇西雷電活動開始。

在8月20日14:00(圖3c)和20:00(圖略)對流有效位能分布上，對流有效位能都呈北大南小的分布特征，滇中以南地區CAPE<200 J/kg，其它區域CAPE≥200 J/kg，其中滇東北屬于高CAPE區域，最高達1 000 J/kg，并且CAPE等值線密集。從20日的雷電空間分布也明顯看出雷電活動主要發生在云南北部地區，這些區域CAPE≥200 J/kg，頻繁的雷電活動發生在昆明北部、曲靖北部到昭通南部CAPE在600～900 J/kg之間的區域內，其中曲靖北部的會澤、昭通南部的巧家周圍50 km范圍內16:00－17:00分別發生閃電955個和622個，頻繁的雷電活動也誘發了昭通地區巧家縣和曲靖地區彝良縣造成2人死亡和8人受傷的2起雷擊災害事件，可見頻繁的雷電活動與高CAPE有較好的對應關系，從而在這些區域引發了雷擊災害事件。

圖3 對流有效位能分布(單位:J/kg)

因此只有足夠的對流有效位能條件，才能形成足夠浮力來促進強對流的發展，形成雷暴天氣，產生雷電和引起雷擊災害。雖然云南不同區域雷電發生的對流有效位能條件不太一致，但云南雷電發生的必要條件是CAPE≥200 J/kg，滇西發生雷電時CAPE要在500 J/kg以上，這與特殊的地形和地理位置有關。雷電活動區域與高CAPE區域具有較好的對應關系，一般對流有效位能越大越有利于雷電活動的產生，活躍的雷電活動主要出現在1 000 J/kg≥CAPE≥300 J/kg的區域內。

4 致災雷電過程的大氣動力垂直速度物理量結構特征

垂直速度直接表征對流的強弱。垂直速度在(x，y，p，t)坐標系里為:

式中:p為大氣壓強;dp是大氣壓變化，dt是時間變量;ω為p坐標里表征單位時間大氣壓變化的垂直速度，單位為hPa/s，量級一般在0.001。如果垂直速度為負值表示大氣作上升運動，負值越小，上升運動越強;如果垂直速度為正值表示大氣作下沉運動，正值越大，下沉運動越強。

4.1 雷電發生時700 hPa大氣垂直速度結構特征

圖4是6月24日和8月20日雷電發生前或者發生期間14:00和20:00 700 hPa垂直速度分布。6月24日14:00(圖4a)除滇西和滇東北局部地區外全省大部地區為負垂直速度，表明全省低層以上升運動為主，非常利于強對流天氣的形成和發生，尤其滇東、滇西北和滇西南上升運動強烈，出現了3個負值中心，在滇西北的麗江、滇東的曲靖、滇西南的思茅和西雙版納垂直速度分別為－0.003 5 hPa/s、－0.002 hPa/s、－0.002 hPa/s，午后到傍晚的頻繁雷電活動和雷擊災害就發生在這些強上升運動的區域內，曲靖14:00－20:00發生閃電頻數3 331個，造成曲靖地區2起災害事件的發生，麗江地區的華坪15:00－19:00發生閃電頻數1 170個;20:00(圖略)滇東北繼續為正的垂直速度，滇西到滇西北轉為正垂直速度，出現下沉運動，相應滇西北華坪的雷電活動結束，全省其它地區保持負的垂直速度，滇南到滇東大部垂直速度小于－0.001 hPa/s，上升運動加強，尤其滇東到滇東南垂直速度小于－0.002 5 hPa/s，這些區域雷電活動還在發生，并且雷電頻發區域逐漸南移，24日21:00－25日01:00紅河、思茅分別發生閃電頻數1 063個和1 767個。可見雷電發生在垂直速度小于－0.001 hPa/s的上升運動區內，強的上升運動利于強對流天氣的發生和發展，可以為雷電的形成提供足夠的動力抬升條件。

從8月20日14:00的700 hPa垂直速度分布(圖4b)明顯看出，垂直速度具有北負南正的典型特征，表明云南北部地區為上升運動區，利于強對流天氣的形成和發展，而滇中及其以南地區下沉氣流區對對流天氣的形成和發展不利，8月20日午后到傍晚的頻繁雷電活動和雷擊災害事件正是發生在云南北部垂直速度小于－0.001 hPa/s的上升運動區域內，昭通南部和曲靖北部就是雷電活動的頻繁區域和雷擊災害發生區域;20:00(圖略)云南北部繼續保持負的垂直速度，但北部主要的負垂直速度區明顯西移，滇東北上升運動減弱，而滇西北負垂直速度值變小，表明滇西北北部上升運動加強，麗江地區的華坪附近出現垂直速度為－0.003 hPa/s左右的上升運動中心，相應滇東北的雷電活動基本結束，滇西北的雷電活動更加頻繁，尤其麗江地區20日夜里到21日凌晨出現了強烈的雷電活動，其中華坪站21日04:00－07:00發生閃電頻數1 306個。

圖4 700hPa垂直速度分布(單位:0.01 hPa/s)

4.2 雷電發生時大氣垂直速度的垂直結構特征

為了進一步分析研究雷電發生的大氣垂直速度垂直結構特征，圖5給出6月24日和8月20日14:00垂直速度沿103.5°E雷電頻發區域的垂直剖面。

圖5 垂直速度沿103.5°E垂直剖面(單位:0.01 hPa/s)

從圖5可以看出，2次雷電過程大氣垂直速度的垂直結構比較相似，雷電發生區域自低層向高層都是負的垂直速度，表明存在著深厚的上升氣流，只是8月20日比6月24日大氣上升運動中心位置偏北，正好對應著雷電活動區域位置偏北，發生的雷擊災害事件區域也偏北。

在24日14:00(圖5a)云南境內(23°～27°N)有一條從低層到高層由南向北傾斜的上升氣流，上升氣流上空的較高層為下沉氣流，高低層之間抽吸作用會導致對流的強烈發展，上升氣流比較深厚，一直達到300 hPa高度，并且上升氣流強度強，垂直速度為－0.001～－0.002 hPa/s左右，大氣具有較強的上升運動，深厚和強烈上升氣流的存在會促使水汽凝結增長，為強雷暴云的形成發展提供了足夠的抬升動力條件，而在上升氣流南北兩側(23°N以南和27°N以北)是下沉氣流區，形成了穩定的垂直環流系統，保障了傾斜的上升氣流的維持。

8月20日14 :00(圖5b)的大氣垂直速度同樣具有上述垂直結構特點，在低層到高層由南向北傾斜的上升氣流主要在25°～29°N之間，這也是8月20日云南雷電活動區域偏北的原因，雷電頻發區域從低層到高層保持較強的上升運動，上升速度為0.001～0.003 hPa/s，最強上升運動400～500 hPa，上升速度為0.003 hPa/s，同樣在兩側為南北兩側是下沉氣流區，上升下沉形成的穩定大氣垂直環流結構為雷電的形成提供了有利的抬升動力環境條件。

由此可見，上升下沉氣流之間形成的穩定大氣垂直環流結構、深厚的上升氣流以及中低層上升氣流、高層下沉氣流的結構非常有利于云南雷電的形成和雷擊災害事件的發生，同時在雷電易發區域大氣具有深厚的和較強的上升運動，從低層到高層垂直速度小于－0.001 hPa/s。一方面低層出現上升氣流，而高層出現下沉氣流，高低層之間抽吸作用會導致對流的強烈發展，另一方面上升和下沉兩支氣流的存在形成了穩定大氣垂直環流結構，可有利于大氣上升運動的維持，最后大氣的上升運動加強和傾斜上升氣流的存在又會促使水汽凝結，從而形成了帶有正負電荷的小水滴，就會產生云團對云團和云團對地的放電過程而產生雷電，導致雷擊災害發生。

5 結論

(1)3次過程雷電活動和導致的雷擊災害地域差異較大，但頻繁的雷電活動是導致雷擊災害的主要原因，雷擊事件一般都發生在雷電活動頻發區域，雷災與頻繁發生的雷電密切相關。

(2)雷電活動的發生需要一定的對流有效位能和垂直速度，只有具備足夠的對流有效位能和上升運動條件，才能形成足夠浮力來促進強對流的發展，形成雷暴天氣和產生雷電，導致雷擊災害。

(3)云南雷電發生的必要條件是CAPE≥200 J/kg，并且對流有效位能越大越有利于雷電活動及雷擊災害的發生。雖然雷電活躍程度并非與CAPE值大小一一對應，但活躍的雷電活動主要出現在1 000 J/kg≥CAPE≥300 J/kg的范圍內，與高CAPE區域具有較好的對應關系。

(4)上升下沉氣流之間形成的穩定大氣垂直環流、傾斜深厚的上升氣流以及中低層上升氣流、高層下沉氣流的垂直結構為云南雷電的形成提供了有利的環境動力條件，同時在雷電易發區域從低層到高層大氣具有垂直速度小于－0.001 hPa/s的深厚且較強上升運動，往往上升運動越強烈，產生的雷電活動也會越活躍，雷擊災害也越容易發生。

［1］許鍵明，孫家棟.中國氣象事業發展戰略研究——氣象與國家安全卷［M］.北京:氣象出版社，2004:133－137.

［2］張敏鋒，馮霞.我國雷暴天氣的氣候特征［J］.熱帶氣象學報，1998，14(2):156－162.

［3］李亞麗，杜繼穩，魯繼平，等.陜西雷暴災害及時空分布特征［J］.災害學，2005，20(3):99－102.

［4］鐘幼軍，曹鐵英，宮延平，等.黑龍江雷電活動氣候特征分析［J］.自然災害學報，2007，16(5):79－83.

［5］景元書，申雙和，李明.江蘇省雷暴氣候特征分析［J］.災害學，2000，15(1):27－30.

［6］張宇翔.對城市雷電災害的認識與防護［J］.災害學，2005，20(3):65－67.

［7］Peterson Walter A，Rutledge S，Orville R.Cloud－to－ground lightning observations from TOGA COARE:Selected result sand lightning location algorithms［J］.Mon Wea Rev，1996，124(4):602－620.

［8］Petersen Walter A，Cifelli R，Boccippio D J，et al.Convection and easterly wave structures observed in the eastern pacific warm pool during EPIC－2001［J］.Journal of the Atmospheric Sciences，2003，60(15):1754－1773.

［9］Jeffrey B Halverson，Rickenbach T，Roy B，et al.Environmental characteristics of convective systems during TRMM－LBA［J］.Mon.Wea.Rev，2002，130(6):1493－1509.

［10］鄭棟，張義軍，呂偉濤，等.大氣不穩定度參數與閃電活動的預報［J］.高原氣象，2005，24(2):196－203.

［11］賈朝陽，王盤興，李麗平，等.山西省夏季雷暴的區域性及影響因子分析［J］.自然災害學報，2009，18(2):107－114.

［12］張騰飛，尹麗云，許迎杰，等.2007年5－8月云南省雷電活動特點和致災因子分析［J］.災害學，2009，24(1):73－79.

［13］尹麗云，許迎杰，張騰飛，等.云南雷暴的時空分布特征分析［J］.災害學，2007，22(2):87－92.