一次強雷電天氣特征分析

李國梁 李俊 李享

（1 湖北省防雷中心，武漢 430074；2 湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢 430074）

0 引言

雷電災害給國家安全和人民生命造成重大威脅，研究雷電發生的環境條件，為雷電預報提供參考依據，具有重要的現實意義。目前，國內外專家學者對雷電的預報進行了許多研究分析，Xu[1]在研究用于雷電預報的雷達回波后得出，回波強度40 dBz的部分達到—10℃高度，且回波頂高超過9 km，云體很快發生閃電；Liu等[2]在研究熱帶和亞熱帶多個雷暴形成時的雷達回波發現，單體回波中40 dBz以上回波的頂高必須高于7 km；王洪霞等[3]指出，負地閃出現在40 dBz的回波發展區域內，而正地閃出現在強度為30 dBz左右的風暴后部。由于雷電的發生除了與天氣系統有較大關聯外，還存在較大的地域差異[4-5]。本文通過對2014年8月30—31日湖北省強雷電天氣特征進行分析，旨在為建立湖北雷電的預報方法提供基礎和指標，為雷電預警預報提供參考依據。

1 閃電實況統計

2014年8月30—31日，湖北省總閃電次數36747次，其中正閃1742次，負閃35005次，而武漢、荊門、隨州、孝感總閃電次數25137次（其中，正閃1228次，負閃23909次，閃電強度≥100 kA的有2279次，強度在50～100 kA的有9948次），占全省總閃電次數的73.2%。30日20時—31日11時全省總閃電次數30628 次，平均2041.9 次/h。資料來源于湖北省二維閃電定位資料，從湖北省2014年8月30—31日閃電活動分布圖（圖1）可知，這次強雷電過程，閃電頻次大、位置和時間非常集中，閃電主要發生在武漢北部和荊門北部、隨州南部、孝感北部區域，從湖北省2014年8月30—31日各小時閃電次數圖（圖2）可知，時間主要集中在30日20時—31日11時期間，且電流強度大。閃電頻數和強度遠大于有閃電資料以來同期歷史平均值[6-8]。在閃電發生時段全省伴有大范圍降水，強降水主要區域和時間與閃電發生區域和時間基本一致。

圖1 湖北省8月30—31日閃電活動分布圖Fig. 1 Lightning activity distribution in Hubei Province on August 30 and 31

圖2 湖北省8月30—31日各小時閃電次數圖Fig. 2 Lightning frequency in Hubei Province on August 30 and 31

2 大氣環境特征分析

8月30—31日，500 hPa歐亞大陸中高緯維持兩槽兩脊形勢，貝加爾湖附近有穩定西南—東北向長波槽，從貝湖槽底部不斷有短波槽分裂東移南下，副熱帶高壓呈東西帶狀穩定控制了30°N以南地區，588dagpm西脊點在105°E以西地區；850 hPa有西南渦沿著江淮切變線東移；從衛星云圖（圖3）可知，中尺度系統在低槽云系底部前沿開始發展東移，并逐漸增強，冷云罩面積增大，云頂亮溫下降，幾個中尺度云團合并發展，在鄂中上空形成橢圓形的MCC；從武漢探空站的T-lnp得知，鄂中K指數維持在36～40℃，對流有效位能（CAPE）維持在2200～2500 J/kg（圖4）。

強大的副熱帶高壓給長江中下游提供了必要的熱力和水汽條件，短波槽引導冷空氣與副高外圍暖濕氣流在長江中下游地區交匯，干冷和暖濕氣流在長江中下游劇烈碰撞，850 hPa有西南渦沿著江淮切變線東移，為這次強對流雷電天氣過程提供環流條件。中尺度系統出現在低槽底部與副熱帶高壓外圍、干冷和暖濕氣流劇烈交匯的地方，有利于強對流天氣的形成。K指數和對流有效位能指標表明，鄂中地區具有強的不穩定能量累積，為本次強天氣的發生創造了充足的不穩定條件。中低層風垂直切變存在并增強，加上中層的西南暖濕氣流，容易使上升氣流發生傾斜，有利于對流形成的降水脫離出上升氣流，而不至于因拖帶作用減弱上升浮力[9-13]，而且風的垂直切變可增加中層干冷空氣的吸入，加強風暴中的下沉氣流和冷空氣的外流，通過強迫抬升使流入的暖濕空氣更強烈上升，對流的加強更容易產生雷電。

3 雷達產品分析

由于雷暴云內的起電與其中的微物理過程息息相關，可以使用天氣雷達觀測云中粒子的形態特征，確定雷暴云的位置、移動方向及傳播速度[14-16]。為了尋找雷達資料與閃電發生的關系，將閃電發生的時間和地點與雷達產品進行匹配分析，根據雷達資料變化情況，將8月30日19:30和19:42，8月31日02時、05時、08時、11時雷達產品演變圖進行分析。

3.1 雷達反射率因子的分析

通過對雷達回波強度的大小，強回波中心，強回波區的產生、發展以及移動的方向和速度進行分析，可以做出對強對流單體的預報和追蹤。圖5是湖北省雷達組合反射率演變圖，紅色區域屬于強回波區域，往往是雷暴云的中心[17-18]，從圖5可以看到，8月30日19:30在荊門和隨州西北方向出現兩個較強回波區域，回波強度在40 dBz以上，荊門局部達到45 dBz以上（荊門初次閃電時間為19:55），之后強回波逐漸向東南方向移動，強回波區域有所增大，19:42隨州局部達到45 dBz以上（隨州初次閃電時間為20:01），8月31日02時，強回波區域繼續向東南方向移動，到當日05時，強回波區域移動到京山、安陸、大悟一線，并形成連成一體的強回波區域，同時遠安北部有強回波形成，到當日08時強回波到達孝感、黃陂、新洲一線，遠安北部強回波逐漸南移到遠安南部，到11時強回波減弱消失，僅有秭歸有強回波生成。根據閃電發生時間和回波強度的相關性統計分析，在雷暴發生前，該區域回波強度大部分在40 dBz以上，且最大回波強度≥45 dBz，從圖5也可看出，強回波所在區域，降水量增大，閃電次數明顯增加。

3.2 回波頂高的分析

圖3 8月30日20時—31日14時中尺度系統活動演變圖Fig. 3 Activities for mesoscale system diagram from 8 pm, August 30, to 2 pm, August 31

圖4 8月30日20時、31日08時K指數和對流有效位能圖Fig. 4 K index and convection effective potential energy at 8 pm, August 30, and 8 am, August 31

回波頂高是在≥18 dBz反射率因子被探測到時，以最高仰角為基礎的回波頂高度[19]。一般回波頂高上升越高，代表對流發展越為旺盛。圖6為湖北省8月30—31日回波頂高演變圖，紅色區域即為對流發展最旺盛的區域。8月30日19:30在十堰和隨州、遠安等地回波頂高大于9 km，局部達到17km以上，并逐漸向東南方向移動，回波頂高逐漸上升，區域有所擴大，并到達隨州和荊門西北部，8月31日02時，回波頂高高值區域繼續向東南方向移動，到05時，回波頂高高值區域移動到京山、安陸、大悟，并形成連成一體的大區域，同時遠安北部回波頂高上升，08時回波頂高高值區域到達麻城、黃陂、新洲一線，巴東、遠安北部回波頂高上升，11時回波頂高下降，秭歸回波頂高上升。對比圖5中高反射率區域發現，對流發展旺盛區域與回波頂高高值區域相吻合，一般都是雷暴云的中心區域，且回波頂高區域中心的移動與回波強度區域中心移動相吻合。從圖6中可以看出，在雷暴發生前，其周圍雷暴云的回波頂高大部分在9 km以上，最大回波頂高達到17 km。

圖5 8月30日19:30和19:42，31日02時、05時、08時、11時雷達回波(dBz)Fig. 5 Radar echo (dBz) at 7:30 pm and 7:42 pm, August 30, and 2, 5, 8, 11 am, August 31

3.3 垂直液態水含量分析

關于云內起電機制的假說有很多，但無一例外地都要求云中必須有充足的水汽，云中含水量對云內電荷的分離和累積的貢獻是不可忽視的，也是閃電發生的一個重要條件[20]。

圖7中的粉紅色區域屬于液態水含量較高的區域，8月30日19:30在十堰和隨州、遠安等地液態水含量大于6 kg/m2，局部達到20kg/m2，并逐漸向東南方向移動，液態水含量逐漸上升，區域有所擴大，并到達隨州和荊門西北部，8月31日02時，高液態水含量區域繼續向東南方向移動，到05時，高液態水含量區域移動到京山、安陸、大悟，并形成連成一體的大片區域，同時遠安北部液態水含量上升，08時高液態水含量區域到達孝感、黃陂、新洲一線，巴東、遠安北部液態水含量上升，11時液態水含量下降，秭歸液態水含量上升。正好與閃電降水區域相吻合，從圖7中可以看出在雷暴發生前，區域的液態水含量大部分在6 kg/m2以上，最大液態水含量達到20 kg/m2。

4 結論

1）貝湖槽冷空氣與長江中下游暖濕氣流交匯，同時中低層風速增強，垂直風切變增強，加之低層有西南渦沿著江淮切變線東移，為這次強雷電天氣的發生準備了充足的不穩定條件。

2）中尺度系統首先在低槽云系底部前沿開始發展，隨著低槽云系東移，中尺度系統發展增強，幾個中尺度云團合并發展，冷云罩面積增大，云頂亮溫下降，為這次強雷電天氣發生提供了中尺度環境。

圖6 8月30日19:30和19:42，31日02時、05時、08時、11時回波頂高(km)Fig. 6 Echo top high (km) at 7:30 pm and 7:42 pm, August 30, and 2, 5, 8, 11 am, August 31

3）通過常規天氣資料能夠了解大尺度環境背景與層結的穩定；衛星資料在時間和范圍上有提前量和廣域性，有助于宏觀地了解中尺度系統的基本情況；雷達資料有助于比較具體地了解天氣系統的發展和移動趨勢；大氣電場資料能直觀反映雷電發生前的電場變化；閃電定位資料能夠證實閃電發生的具體位置。

4）雷電發生時間及區域與雷達強回波區域的位置相吻合，與高云頂高度區域相吻合。當區域回波強度大部分在40 dBz以上、回波頂高大部分在9 km以上，且最大回波強度≥45 dBz、最大回波頂高達到17km時，發生雷電的可能性較大。

5）水汽輻合和不穩定狀況是雷雨天氣發生的重要要素，當K指數≥36，最大值達到40和垂直液態水含量≥6 kg/m2，最大值達20 kg/m2時，對強對流天氣的雷電預報有明確的指標作用。

閃電定位儀的實時性、雷達探測的精確性、衛星探測的廣域性，雷達回波圖能看到云底及云層的垂直分布，云圖對于云頂分布的直觀性，這些資料的相互配合，取長補短，對中小尺度雷電天氣的分析和預報就能提供較全面的信息。多種觀測手段的加入，幫助我們多方面了解天氣系統的實況，更準確地分析其特征。衛星資料與雷達資料的結合分析，在時間和空間上做到了優勢互補，可以有效地對雷電的發生做出可靠的預報預警。

盡管上述的分析初步揭示出大氣探測資料對災害性天氣過程中雷電的預警和預報方面具有一定的參考價值，然而，對雷電活動特征的全面認識還需要積累更多的典型個例和足夠的大氣電場儀網絡，相信隨著強對流天氣分析個例的增多，人們對雷電參數在強對流天氣短時預報中的運用將有更深的認識。

圖7 8月30日19:30和19:42，31日2時、5時、8時、11時垂直液態水含量（kg/m2）Fig. 7 The vertical liquid water content (kg/m2) at 7:30 pm and 7:42 pm, August 30, and 2, 5, 8, 11 am, August 31