大氣環境因子與雷電產生的關系

張可嘉 　王文斌

摘 要 利用北京地區閃電定位系統的觀測資料，結合探空資料，分析并得到335 d（182 d有雷電，153 d無雷電）的大氣環境因子與雷電產生的關系。結果表明，對流有效位能與雷電產生有比較好的相關性，而中層濕度與雷電產生的相關性不明顯，從而明確雷電產生的預報指標。本研究對華北地區雷電探測與雷暴預報有參考價值。

關鍵詞 對流有效位能；中層濕度；雷電產生

中圖分類號：P427.3 文獻標志碼：B 文章編號：1673-890X（2015）18--02

1 選取資料

本文使用的探空資料來自北京觀測站（39.56°E，116.17°N）每日08：00、20：00 （北京時間，下同）的探空。選取的表征大氣不穩定度的參數主要有400～700 hPa平均濕度和對流有效位能（CAPE），使用08：00與20：00的探空資料分別計算以上參數。在探測區域內，以閃電數量、演變過程及分布狀態為依據，并與天氣實況向結合做好相關的記錄工作，確實發生閃電活動的雷暴過程；針對觀測無閃電記錄及少量、散亂的閃電觀測，通常我們認為是沒有閃電活動[1]。經過以上劃分，并與資料的準確性與完整性相結合，在試驗期的3 a終一共找出無閃電活動過程153個及有閃電活動過程182個。

2 大氣環境因子與雷電產生的相關性分析

2.1 400～700 hPa平均相對濕度

在強對流天氣系統中，雹粒與冰晶之間相互碰撞與摩擦，導致增溫，同時當水滴凍結時釋放出潛熱，產生溫差起電機制。當水滴凍結時，冰殼內部溫度為0 ℃，而冰殼外部為低于零度的室外環境溫度，這就產生了溫差。冰中有一小部分分子處于電離狀態，有H+和OH-，并且其濃度隨著溫度升高增加很快，溫度高的地方離子多，它們就會向溫度低的地方遷移，而H+的遷移率比OH-的要高得多，所以就形成熱端為負離子，冷端為正離子，而冰晶在運動中會有冰刺脫落，而使得形成大的帶負電冰殼和小的帶正電的冰刺，隨著不停的冰殼向下運動，冰刺向上運動，使得云上部帶正電，下部帶負電，當云-地電場達到一定值時，就會產生云對地的放電[2]。所以云中相對濕度是溫差起電產生的必要條件，對雷電產生的作用至關重要。

有閃電活動與無閃電活動的400～700 hPa中層濕度值具有較大的范圍。對于無閃電活動而言，其平均濕度為47.97%，與其相對應的有閃電活動的平均濕度為57.53%，能夠看出，400～700 hPa的平均相對濕度值與閃電活動之間并不具備較好的相關性。但是，在濕度UW<30%以下，無閃電活動的幾率明顯較高，有28.10%的無閃電活動和5.9%的有閃電活動出現在這個范圍，預報無閃電發生的概率為81.13%。而無閃活動和有閃活動的最大值分別是98.4%和98.69%，所以說并不是相對濕度越大，產生雷電的幾率越大，可能是在某個范圍內與相對濕度呈正相關，另外有閃活動產生時的濕度最小值為9.55%，說明其起電機制可能不屬于碰撞起電或者溫差起電。

2.2 對流有效位能

氣塊從云底上升到云頂的對流有效位能CAPE：CAPE=Tv，env和Tv，ad分別是探空得到的實際環境溫度和從云底沿可逆濕絕熱線上升對應的溫度，表示在不計摩擦的情況，氣塊的不穩定能量，等于單位質量氣塊由Zcb（云底高度）上升到Zct（云頂高度）時動能的增量。不穩定能量的大小決定著云中對流的強度，對流的強度在云中起電過程中不可或缺，能量越大，自由電荷量就越大，從而促使云地電場大小達到指定值產生放電。對流深厚程度高，就會在云中聚集大量的正負離子，更容易產生云與云，云內，云與地之間的放電活動。

通過對流有效位能的CAPE分析，可以發現，當使用CAPE=400為一個判別點時，在無閃電活動中，有73.79%位于CAPE<400的情況下；在有閃電活動中，有61.60%出現在CAPE>400的情況下。對應的，可以得出在CAPE>400時，出現閃電活動的幾率為74.04%；在CAPE<400時，不出現閃電活動的幾率為61.29%。這與Solomon等的研究分析結果相似。在他們研究的12個雷暴中，有7個CAPE的值超過了400，其中6個產生了閃電（有閃電活動的幾率為85.71%），而另外5個低于這個值的雷暴中，只有2個產生了閃電（無閃電活動的幾率為60%）。

2.3 其他大氣環境因子

2.3.1 沙氏指數SI

SI=T500-Ts

T500為500 mbar上的實際溫度，Ts為氣塊從850 mbar開始，沿干絕熱線抬升到凝結高度，然后再沿濕絕熱線抬升到500 mbar的溫度。Ts越大，表示這段高度上的濕度越大，水滴與云滴的碰撞愈強烈，冰晶的溫差起電愈頻繁，從而為云放電提供更多的電荷。SI>0，表示穩定；SI<0，表示不穩定，且愈小愈不穩定。

2.3.2 氣團指標K

K=[T850-T500]+[Td]850-[T-Td]700，其中，[T850-T500]為850 mbar與500 mbar的實際溫度差，850 mbar與500 mbar對應的高度正好是雷暴云產生區域，這個差值決定了兩個高度之間對流強度，溫度差越大，對流越強烈，產生雷電的幾率越大。[Td]850為850 mbar的露點，露點的高低與空氣中水汽含量多少有關。空氣中水汽含量多，露點就高；水汽含量少，露點就低。[T-Td]700為700 mbar的溫度露點差，露點溫度與當時氣溫結合起來還能表示空氣的潮濕程度，露點與實際氣溫之差越小，說明空氣濕度越接近飽和程度，即空氣越潮濕，反之，越干燥。[T-Td]700越小，表明700 mbar高度上濕度越大，也對應了濕度影響雷電產生的結果。綜合3個變化量可知：K值大，說明底層暖濕，中層濕度層厚，高層冷，因此K值越大，越不穩定。

3 對流上限的海拔高度Z

對流上限指的是對流所能達到的最大高度。通過自由對流高度的狀態曲線繼續向上延伸，并再次和層結曲線相交之點所在的高度，就是對流上限，也就是經驗云頂。隨著云頂增高，底部氣溫越冷，底部和頂部溫度差越大，對流愈強烈，閃電、雷鳴更加頻繁。云頂較低的云，冰晶濃度小，碰撞起電和溫差起電都不能很好的進行，不能提供足夠的電荷是放電活動產生。

參考文獻

[1]郭鳳霞，張義軍，言穆弘，等.環境溫濕層結對雷暴云空間電荷結構的影響.高原氣象，2004，23（5）：6782683.

[2]郭鳳霞，張義軍，郄秀書，等.雷暴云不同電荷結構數值模擬研究.高原氣象，2003，22（3）：2682274.

（責任編輯：趙中正）