周 華，楊曉玲，陳海貝

1.甘肅省古浪縣氣象局，甘肅古浪 733100；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，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對流運動的產物，而各類的氣體對流運動也常常產生各類的雷電活動，如暴雨、冰雹、龍卷、超級復合單體等具有極強對流特性的雷電活動[1]。通常具有雷電頻次較大、地閃量較小、正負極性地閃率較高的特點，而具有極強降水事件特性的大雷暴活動，通常產生以正負極材料性地閃為主的極強放電特性[2]。存在各種雷陣雨性質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，強降水是作為雷陣雨運動的一種結果，其和雷電運動之間存在明顯的正相關關系，這對雷電運動和強降水的預防措施具有較好的借鑒作用[3]。因此，可以通過雷達監測、地閃定位系統、高電場技術測量等資料和氣象探測記錄，分析發生在我國甘肅省及其周邊地區的一次強降水天氣過程中雷陣雨活動特點和的雷電活動特點，以期為雷電、降雨的有效預報預警工作提供參考依據。

1 閃電實況及資料

2004年7月10日，甘肅省發生了一次特大降水的天氣過程，甘肅省所有站降水量都在30 mm以上，個別測站6 h最大降水量達152 mm，為甘肅省當日觀測到的最大降水量。1 h最大降雨量發生在17:00～18:00，達到了52 mm。甘肅天氣科學研究所和中國氣象局院內也對本次天氣過程做了記錄，降雨時段從16:08開始，降水強度經過反復起伏，20:00后全部終止。同時通過聽到雷聲記錄到的雷電活動從15:40開始，一直延續到20:30。一般雷電的開始要比降雨早，表明了雷電對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觀測PPI資料、ADTD雷電定位系統的觀測資料、XDDO1大氣平均電場儀觀測的大氣電場變化資料，以及當日降水和雷暴實況記錄資料[4]。

2 雷暴過程分析

2004年7月10日甘肅省及其周邊地區的雷電相對復雜。除引起甘肅省大雨的閃電以外，尚有許多雷暴運動和中標對流系統運動，大多出現在下午，主要由西北部的山區的對流雷陣雨和西北部的大系統雷陣雨所組成，蘭州市區有較強降雨的雷電與其他雷電混合。通過7月10日蘭州市氣象局15:00～19:00的部分雷達監測結果，解析了這些雷雨活動過程的變化情況，在雷達圖上，還覆蓋了在雷達監測時間5 min左右的地閃數值，+代表正地閃，-代表負地閃，蘭州市中心處在雷達圖上的第四象限靠近原點區域。

15:01，甘肅省位于西固區附近的中β（20～2 000 km）規模性強對流系統以北120 km區域內，有一些近乎相連的強對流單體，回波強度是55 dBz，在5 min內共檢測13個負地閃，強回波區的邊緣發現了閃電，甘肅西部出現了中尺度范圍（2～20 km）的對流，單體以波浪形排列。各個時期的回波強弱有所不同，未監測到地閃。蘭州市一帶出現的小型雷暴單體，產生了大的對流單體回波強度55 dBz。

15:22，西固區的雷雨系統面積明顯減少，但雷雨單體較多，雷電頻率也較高。5 min內觀測了45次閃電，全部是負地閃。與上一時期比較，正規模型的回波覆蓋面很大，且處在成熟時期。檢測了4個地閃，全部是負地閃。蘭州一帶的對流現象單體強度為50 dBz，蘭州市西南部發現了3個明顯的雷陣雨單體，未觀測到閃電。

16:00，蘭州西固區處在中β中，系統規模比上次大，并觀測到了11個負地閃。強回波在向甘肅省移近的同時，沿順時針方向繼續移動，與距離甘肅西部60 km處的系統有會合的趨向。表明在雷陣雨復合單體不斷向甘肅省方向移動，整個體系往前推移，同時雷電活動也明顯增多，5 min共監測到了26次雷電，均為負地閃。蘭州市附近的單體強化，并繼續往甘肅省移動，監測到了4次的負地閃。甘肅西部已有部分單體發展成了中標度對流系統，還有幾個小雷暴單體，監測出負地閃。據當時實際的天氣預報，蘭州市區將迎來中到大雨的過程。

16:21，蘭州西固區中β系統移動沒有明顯的改變，隨著更強烈的雷暴單體的產生與消亡，強回波的方位出現了改變。甘肅西部的雷電向東南移動時，監測出6次負地閃，與東南部的中標對流系統合并，甘肅省的東南部出現了新的強對流單體，回波強達到了55 dBz，甘肅省的降雨大部分也是由它所帶來的。當時天氣實況記載到了聞雷現象，但缺少地閃觀察的記載。

蘭州西固區周圍一直保持著對流單體持續生消的態勢，地閃活動并不明顯。新的雷暴單體是在蘭州新區周圍的原始中尺度系統位置建立的。隨著中心地區強烈的對流現象單體進一步發展，向北穿過海淀區。蘭州一帶的雷暴活動繼續向市中心移動，產生了強烈的中標對流現象系統。共觀測到了20次以上的地閃，全部為負地閃，地閃主要分布于強烈的回波邊緣。

17:10，西固區新的對流體系在西固區的東北部生成，共監測到了6次負地閃。隨著西固區的東北部新的雷陣雨單體的建立，新的對流形成單體也在蘭州西南新區附近形成，整個蘭州市區被一中β尺度的系統所包圍，對應天氣實況記錄降水16:56開始下降，西城區東北方向監測了3個負地閃。

17:32，西北地區開始發展出了一些小中標雷暴單體，觀測到了一些負地閃，此外，在蘭州新區周圍形成的單體也在發展，據實際的氣象統計，降雨的強度在17:20后略有減弱，17:33再次上升。甘肅西邊有大的回波區。35 dBz回波呈現V字形，天氣記錄中的閃電頻率仍較高。在西南約10 km處，出現了2次負地閃。

17:53，蘭州西固區和西南部蘭州新區一帶的對流單體活動更加顯著，閃電頻率也在增多。監測到了9個負地閃和1個正地閃，接地閃電的頻率比前方高。

18:20，蘭州西固區一帶的許多對流單體處在強烈的階段。地閃頻率十分高，都是負地閃，分布在強回波的西端。西北西南部的雷電已發展成為中標體系，包括了許多的對流單體，并向甘肅移動。蘭州新區一帶也有新的對流單體產生。蘭州市周圍監測到了10次以上的負地閃。

18:41，西北山岳地區對流特別強烈，在距蘭州90～120 km以北的地區有雷暴復合體形成，雷電頻率都很高，在雷達回波區域監測到了134次地閃。和上次的雷電比較，如果考慮到強烈回波的移動方向，雷電分布已經超過了雷電的發展走向。甘肅地區的回波規模依然較大，最大回波強超過了35 dBz。

上述分析表明，204年7月10日甘肅省內出現了多個強雷陣雨系統。最先在甘肅西北部山區出現了一種中尺度雷陣雨系統。17:00后，山區的對流活動更加頻繁，出現了多個對流性雷暴單體，并形成大規模的地閃。另外，西南蘭州新區附近是甘肅省的對流系統的主要觸發源。強對流單體雷暴活動不斷出現，逐漸形成了多個中等規模的強雷陣雨γ尺度對流復合單體，并不斷聚合為中小規模的β尺度對流復合體向甘肅轉移，與蘭州市區的強雷陣雨系統混合，是造成甘肅省極端強降水雷陣雨的強對流系統，最先是由蘭州市區附近的產生的，隨后又由西南方向向甘肅發展的中尺度空氣對流系統綜合而來。在16:00左右，又一個強雷陣雨的復合單體在中心區附近重新產生，并與來自高星的較強單體規模結合。雷陣雨的混合情況更利于強降雨的發生和增加，它也可能成為在多次強降水過程中產生強降水的主要因素。但總的來說，7月10日前，中國西部地區出現了多個單一雷陣雨，之后中國西北部地區包含了蘭州市區出現了多個系統雷暴。

3 雷暴過程中的閃電特征分析

2004年7月10日對天氣過程的分析結果表明，當日的雷電過程主要由中國西北地區的單體雷陣雨和西南地區以及甘肅區一帶的大系統雷陣雨所形成。在對雷達與閃電疊加現象的分析中，可以發現，對雷電的時間劃分在這2種地方都是完全不同的，這一點在對閃電的時間分類中也能夠很明顯地看出。

為了分類的方便，以甘肅以北60 km為界，劃分西北山區對流雷暴形成的雷電和南部系統雷暴形成的雷電。圖1和圖2分別為上述2個區域形成閃電隨時間變化圖。在西北山區觀測到了95次正閃和10 789次負閃，正地閃僅占了5.04%。閃電出現于17:00～20:00，由西北山區17:00后形成的雷暴單元引起。在系統性的雷電期間，南部共觀察到了86次正閃和896次負閃，正地閃僅占了8.76%，大部分都出現在15:00～17:00之間，由西南的中尺度對流系統所形成。總的來說，甘肅西北地區對流單體的數量遠高于南方的數量。關于雷電活動的空間位置，西北地區的雷電密度最大，暴雨地閃電密度相對較低。

圖1 甘肅西北部山區雷暴產生的閃電隨時間的分布特征

圖2 甘肅南部及蘭州市區雷暴產生的閃電隨時間的分布特征

由圖3顯示的電場（包括云閃和地閃）的突然變動可發現，這種系統如同氣象上頻頻發生的閃電一樣，繼續產生大量的閃電。然而，在定位系統中監測到了閃電，閃電主要為云閃。雷達回波與閃電重疊的分析表明，17:50后地閃在增加，電場變化特別強烈。根據相應的雷達周期，甘肅雷達回波區已明顯超過上一周期，且強回波區也不斷下降，說明甘肅的雷暴過程正處在發展階段，垂直運動正在增強，雷暴級別正在擴大，初始雷暴單體融合為巨大的復合體，電場遠遠增強，地閃頻率也相應提高[5]。

圖3 2004年7月10日15:00～19:00大氣電場實測

由圖4可以發現，15:15～15:40顯示為正電場，蘭州市區西部和西北部發生了2次單獨閃電，15:40～17:25顯示為負電場，17:25～17:45電場的大部分是正電場，與甘肅上空17:32的雷達回波對比，電光計西側有較長的強回波區域，而東北則有較強的次回波區域，正電場是其聯合作用的結果。17:45～18:40，顯示基本負電場。通過上述數據分析，在閃電不斷出現、消除、發展、移動、改變等過程中，當閃電離開電場測量時，電場表現為正值，而當電閃經過觀察點附近時，電場表現為負值，根據這個距離及電場電荷作用機理，考慮到在甘肅地區的半徑約20 km區域內只有一條正閃電帶，其余區域均為負閃電帶，從而導致甘肅暴雨雷陣雨區在中部最強的為負儲備區，上部有正的儲備區。

圖4 2004年7月10日15:00～19:00電場1 min平均分布

4 結論

（1）在此次的大雨過程中，蘭州市區雷暴過程主要是由市區周圍迅速發展的雷陣雨復合單體、西南中標系統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，是蘭州市區反復強降雨的主要因素之一。

（2）區域的降雨強度變化和相應的雷達回波強變化，具有一定的一致性。強回波一般對應中強降雨，而弱回波則對應微弱降水或無降雨。而城市雷電活動則大多出現于雷電活動中后期，與目標回波強度的關聯并不明顯。

（3）閃電活動主要發生在強烈回波周圍、雷電活動的發展方向的區域。暴雨的雷暴發生區域的頂部有正電荷區，底部有強的負電荷區。

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

（5）閃電出現在降雨過程前，有助于通過閃電監測預測降雨量。由于數據有限，本研究沒有定量分析閃電特性與降雨強度的關系。

（6）導致區域暴雨的雷電底是否有正儲備區，系統雷暴產生的閃電比局部強對流雷少，關于這一點需要更詳細地研究是受地形的影響，還是受雷暴電荷結構或表面導電率的差異所致。