東北冷渦下兩次雷電過程特性對比分析*

馮民學，鐘穎穎，王業(yè)成，焦雪，徐彬彬

(1.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇南京210044;2.江蘇省防雷中心，江蘇南京210009;3.南京市氣象局，江蘇南京210009)

0 引言

2009年6月5 日和21日，受東北冷渦和高空槽的影響，江蘇地區(qū)出現(xiàn)了兩次較大范圍的強降水過程和強雷暴天氣。兩個過程影響都在午后到晚上，并且發(fā)生了密集的閃電。

江蘇省位于江淮下游，地勢低平。全省為暖溫帶－亞熱帶、濕潤－半濕潤季風氣候，是冷暖氣流頻繁交匯的地帶。江蘇省雷電主要集中在夏季的6－8月，其中7月是雷暴高發(fā)期，出現(xiàn)雷電的次數(shù)最多［1］。這主要是因為夏季地面溫度高，若高空有冷氣流入侵，只要有較好的觸發(fā)機制，就很容易產(chǎn)生強對流天氣。因此本文使用衛(wèi)星資料、江蘇省氣象部門閃電定位儀的數(shù)據(jù)以及南京信息工程大學研制的電場儀數(shù)據(jù)等對6月的兩次同一形勢所致的雷電天氣發(fā)生機制進行對比分析，尋求雷電天氣的普遍特征和差異，可以為以后雷電天氣的研究提供一些幫助。

1 天氣形勢分析

從2009年6月5日08時500 hPa天氣圖(圖略)上可知，在東北地區(qū)有一明顯的冷渦存在，其后部有明顯的冷空氣不斷旋轉(zhuǎn)南下，江蘇正好處于槽后的西北氣流里，冷平流影響全省，并且200 hPa高空圖上西北急流明顯。午后地面升溫顯著，上下層溫差進一步加強，利于對流性天氣的發(fā)生，地面圖上在河南陜西有低值系統(tǒng)東伸，在江蘇淮北和沿江有明顯暖式切變，地面存在明顯的對流觸發(fā)機制。21日500 hPa高空圖上東北冷渦依然明顯，500 hPa河南上空淺槽逐漸東移，700 hPa和850 hPa也有高空槽東移南壓，并有明顯的冷平流，地面溫度在午后較高，并且從當時的水汽通量圖可知江蘇上空有來自西南方向和南部的充足水汽供應，形成上干下濕的不穩(wěn)定氣層［2］，同時淮河以南有弱的風切變，利于對流性天氣的發(fā)生。兩個強雷電過程都是高空有冷平流，地面午后受日射而強烈加熱，在近地層形成不穩(wěn)定的層結(jié)，使對流抬升，從而得到發(fā)生發(fā)展，但這兩次過程的熱力條件、層結(jié)不穩(wěn)定度還是有一定差異的。

2 不穩(wěn)定指標分析

K指數(shù)是描述大氣穩(wěn)定度和暖濕程度的一個綜合性指標，K值越大表示大氣越溫暖，水汽越充分，層結(jié)越不穩(wěn)定［3］。從圖1a可知6月5日20時，K指數(shù)中心位于蘇南沿海地區(qū)，中心值為34℃，大部分地區(qū)K指數(shù)都大于20℃，這個時候的K值不是太大，沒有達到李勇［4］研究得出的Ⅰ區(qū)5－9月雷暴天氣的30～40℃，主要原因可能是因為探空資料的時間尺度差，20時當天的雷電過程已基本結(jié)束，能量得到了釋放。而圖1b中顯示21日20時江蘇大部分地區(qū)K值都達到40℃，表示層結(jié)相當不穩(wěn)定，已經(jīng)積聚了大量能量?？梢?日雷電過程全省的能量條件在這個時候沒有21日好。

圖1 2009年6月5日、21日20時K指數(shù)(a，b)(單位:℃)和沙氏指數(shù)(c，d)(單位:℃)

沙氏指數(shù)(SI)是衡量大氣穩(wěn)定度的重要判別指標［5］，指小塊空氣由850 hPa干絕熱地上升到抬升凝結(jié)高度(LCL)，然后再按濕絕熱線上升到500 hPa，在500 hPa上的大氣實際溫度(T500)與該上升氣塊到達500 hPa溫度(Ts)的差值，即SI=T500－Ts。如果氣塊溫度Ts小于環(huán)境溫度T500，則SI＞0℃表示氣層較穩(wěn)定;反之，SI＜0℃表示氣層不穩(wěn)定，負值越大，氣層越不穩(wěn)定［6］。從圖1c可知6月5日江蘇西南部地區(qū)SI＜－3℃，層結(jié)非常不穩(wěn)定，有利于當天雷電的產(chǎn)生。圖1d中顯示21日江蘇大部的沙氏指數(shù)都小于0，西南部有一－4℃的低值中心。江蘇西南部5日的層結(jié)相對不穩(wěn)定，而21日整個江蘇尤其是蘇南的層結(jié)都不穩(wěn)定。

6月5日、21日都已具備了發(fā)生雷電天氣的水汽條件、抬升力條件和不穩(wěn)定層結(jié)，但由于能量分布的差異，兩次雷電過程主要影響范圍還是有一定區(qū)別的。

3 閃電活動分析

表1為統(tǒng)計的6月兩次雷電過程中發(fā)生的閃電情況。6月5日江蘇各市雷電總閃數(shù)最大值在淮安，達到623次，最小值在徐州，有89次。閃電強度正閃最大值在徐州，強度為267.10 kA;負閃最大值在泰州，強度為－199.90 kA。共發(fā)生閃電3 605次，其中正閃占了43.86%［7］，這么高的正閃比對應了當天部分地區(qū)發(fā)生的短時降雹現(xiàn)象，該值比馮桂力［8］的57.39%小，但這和現(xiàn)有的研究成果非常一致。冰雹天氣正閃比明顯大，可能冰雹大粒子在下降的過程中帶走了云中的部分電荷，這其中的原因也待進一步研究。

6月21日全省各市雷電總閃數(shù)最大值在蘇州，達到4 755次，最小值在宿遷，為0次。閃電強度正閃最大值在蘇州，強度為332.70 kA;負閃最大值在南京，強度為－292.90 kA。其中正閃占總閃百分比為1.91%，與施廣全［9］研究的江蘇單個強對流天氣過程的平均正負地閃數(shù)量比從1.16%至9.80%不等的結(jié)果一致。也與有關(guān)研究文獻指出的在降雨過程中負閃占絕對優(yōu)勢是吻合的。

從圖2、3中18－20時閃電的分布情況可知，5日的閃電主要在江蘇中西部及南部，并且分布較散;而21日的閃電分布相對集中，發(fā)生在中部偏南、東南部的一些地區(qū)。5日全天產(chǎn)生的閃電比21日少得多，但正閃比卻明顯比21日大。薛秋芳等［10］分析夏季北京地區(qū)的閃電活動認為不同類型的天氣過程，如冰雹、暴雨發(fā)生時，地閃中正、負閃比例呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。本文通過對兩次過程的對比分析，也可得出類似的結(jié)果，發(fā)生冰雹天氣時正閃所占百分比明顯高于普通降雨天氣。說明閃電對一些強天氣現(xiàn)象的發(fā)生也有指示作用。

表1 2009年6月5日和21日江蘇省閃電情況分析

4 衛(wèi)星資料分析

從6月5日的衛(wèi)星云圖可知，12時左右，山東上空有一對流云團生成，并且不斷擴大，此時南通上空也有一小對流云團生成。兩個對流云團逐漸發(fā)展，面積進一步擴大，16時左右北部的云團已覆蓋山東南部、蘇北地區(qū)，南部的云團也向南向北發(fā)展，覆蓋江蘇南部沿海大部分地區(qū)。隨后北部云團開始分裂成多個云團并一直往南發(fā)展，覆蓋整個江蘇地區(qū)。19時北部分散的云團合并，結(jié)構(gòu)緊實，面積比較大，位于江蘇中西部上空，在增強云外云團上可看出其云頂溫度很低，對流發(fā)展旺盛。以后云團繼續(xù)向南發(fā)展，強度加大，22時開始減弱消散，24時已完全消散。

6月21日14 時，浙北地區(qū)有多個小對流云團生成，云團面積開始增大，對流發(fā)展加速，并逐步合并為一個大的對流云團。17時開始影響蘇南，上海等地，此時江蘇中部，南部也產(chǎn)生小對流云團，并且開始迅速發(fā)展，和南部的大對流云團合并。19時，大片對流云團覆蓋整個蘇南和上海，并且云頂較高，對流強烈。隨后云團開始減弱逐漸移向海面，22時已基本消散。

兩次雷電過程都是受局地的對流云團發(fā)生發(fā)展影響，并隨著云團的發(fā)展和移動，給江蘇不同地區(qū)帶來了程度不一的暴雨、雷電等天氣現(xiàn)象。但由于云團產(chǎn)生地區(qū)及移動趨勢有所不同，兩次過程影響的范圍還是有一定差異的。5日云團是從北部移入我省，再逐漸往西往南發(fā)展，影響我省;21日云團從浙江開始移入我省，由南向北向東影響我省。

為了較直觀地反映雷電過程中云中對流活動，利用水平分辨率1°×1°經(jīng)緯度的FY－2C衛(wèi)星相當黑體亮度溫度(TBB)網(wǎng)格資料，探討了2009年6月兩次過程中TBB的平均場分布特征，以求得對流云團發(fā)展與閃電的關(guān)系。TBB溫度越低，表明云頂越高，對流越旺盛［11］。

圖2、3分別是兩次過程中對流發(fā)展相對旺盛的18、19時的TBB等值線和18－20時總閃的疊加圖。從圖2可知，6月5日18時，全省大部分地區(qū)云頂溫度都低于250 K，中部和西部部分地區(qū)都低于230 K。到19時，中西部的云頂溫度降到220 K，低值中心位于江蘇中西部和安徽交界處，淮安、揚州和南京等地的云頂溫度都相當?shù)?，這些區(qū)域?qū)α靼l(fā)展非常旺盛。相當多的閃電集中在這些區(qū)域，只有少數(shù)閃電發(fā)生在云頂溫度較高的地方。圖3表示6月21日18時，TBB溫度除南通外，基本呈東南低西北高分布，隨著強對流云團逐漸向東移，19時蘇州、南通、無錫一帶為大范圍的云頂溫度200 K的低值區(qū)，預示著這些地方的對流活動非?；钴S，大部分閃電分布在這些低值區(qū)，或者云頂溫度梯度較大的區(qū)域，對應當時這些地區(qū)的強降水和較多的雷災事故。兩次雷電過程的對流云團都發(fā)展旺盛，但21日的對流活動更為活躍，并且從圖上TBB值分布可看出5日的天氣主要發(fā)生在中部和西部，而21日主要發(fā)生在東南部。

圖2 2009年6月5日TBB值(單位:K)和閃電的疊加圖

圖3 2009年6月21日TBB值(單位:K)和閃電的疊加圖

5 電場分析

采用公益性行業(yè)專項布置在南京信息工程大學的電場儀(學校1號站)數(shù)據(jù)，對這兩次雷電過程的大氣電場特征進行分析。圖4顯示16時左右電場開始出現(xiàn)小的波動，16:40后電場猛增，達到25 kV/m，此后是持續(xù)快速的正脈沖，并且正電場值逐漸減小。直到17:20出現(xiàn)負跳變，電場值較小，在5 kV/m以內(nèi)，而后又是正跳變。18:20左右開始正負跳變交替出現(xiàn)，最大電場值超過30 kV/m，直到21:40左右電場值逐漸減小，趨于穩(wěn)定。大氣電場儀的有效探測半徑為20 km，因此以學校1號站為中心，利用江蘇ADTD閃電探測數(shù)據(jù)統(tǒng)計其半徑20 km內(nèi)的地閃，發(fā)現(xiàn)18:41出現(xiàn)第一次地閃記錄，電場變化比地閃提前接近1.5 h，可能之前發(fā)生的都是云閃，但云閃引起的地面大氣電場的變化被清楚地記錄下來。云閃對地閃有一定預示作用，或者大氣電場儀能記錄更遠范圍發(fā)生的地閃引起的電場變化也有可能。18:41－19:56基本為正地閃，20時后出現(xiàn)的主要為負地閃。

圖5顯示17時左右電場開始出現(xiàn)快變抖動，電場為較小的負值。17:40左右電場逐漸變?yōu)檎?，但?shù)值較小，直到18:00左右電場值迅速跳變到5 kV/m以上的正值，持續(xù)一段時間較大的正值后，電場值逐漸減小到3 kV/m以內(nèi)，但都一直維持正脈沖。在20:00電場值又出現(xiàn)明顯的猛增，達到10 kV/m以上。而后維持幾分鐘的正值后，20:11開始出現(xiàn)劇烈的負跳變，電場值接近－15 kV/m，持續(xù)幾分鐘的負脈沖后，電場又變?yōu)檎担缓笾饾u減小到零。統(tǒng)計當天其周圍20 km范圍內(nèi)發(fā)生的地閃情況，第一次地閃發(fā)生在19:02，比電場快變抖動滯后了約2 h，該范圍內(nèi)發(fā)生的都是負地閃。

圖46 月5日16:00－22:00電場變化曲線

圖56 月21日17:00－21:00電場值

兩次雷電過程電場快變抖動都提前于地閃發(fā)生，但6月5日的電場跳變更為頻繁，并且平均電場值高于6月21日。究其原因，5日當天云中電荷量較大，一直能達到閃電發(fā)生的電場強度，頻繁觸發(fā)閃電，這也和統(tǒng)計的學校20 km范圍內(nèi)，6月5日閃電較21日多的情況一致。

6 結(jié)論

本文通過對江蘇2009年6月兩次東北冷渦下的雷電過程的天氣形勢、不穩(wěn)定指標、衛(wèi)星資料、閃電活動和大氣電場情況分析，得出發(fā)生雷電天氣的一般環(huán)流背景與能量條件，以及雷電天氣的云頂亮度溫度值，為以后進行雷電預報提供了簡單的參考標準。同時本文分析了這兩次過程的閃電分布情況，結(jié)果表明降雹過程的正閃占總閃百分比明顯高于降雨過程，不同的正閃比例可指示不同的天氣類型。并且初步得出了同一環(huán)流形勢下產(chǎn)生的兩次雷電過程的電場特征有所差異，但電場快變抖動都先于閃電發(fā)生的結(jié)論。

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