海洋及城市化對我國雷暴活動特征影響研究進展

朱學超, 張　羽, 徐　峰

（1.廣東海洋大學 海洋與氣象學院，湛江 524088；2.廣東省人工影響天氣中心，廣州 510080）

海洋及城市化對我國雷暴活動特征影響研究進展

朱學超1, 張羽2, 徐峰1

（1.廣東海洋大學 海洋與氣象學院，湛江 524088；2.廣東省人工影響天氣中心，廣州 510080）

基于國內(nèi)已有的研究成果，從我國雷暴活動的氣候特征、城市化對雷暴活動的影響以及海洋與雷暴活動的關(guān)系3個方面綜述了雷暴研究的一些結(jié)果與進展。研究表明：我國雷暴活動局地性較強，空間分布及時間變化特征多樣；城市化進程的加快引起下墊面性質(zhì)的改變，對經(jīng)過城市上空的雷暴活動影響顯著；海洋通過海氣相互作用影響著我國對流活動的發(fā)生、發(fā)展，與我國雷暴活動有著一定的牽連。但是由于監(jiān)測面狹窄、應用資料不全面及側(cè)重點寬泛，城市化及海洋與我國雷暴活動的具體關(guān)系尚不明確，還需進一步的深入研究。

雷暴；氣候特征；城市化；海洋；綜述

雷暴是在發(fā)展強烈的積雨云中產(chǎn)生的一種中小尺度局地性強對流天氣系統(tǒng)，常伴有雷鳴和閃電，有時還伴有下?lián)舯┝?、冰雹和龍卷風等，爆發(fā)迅速而持續(xù)時間短，具有很強的破壞性和殺傷力，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來很大的威脅。雷暴過程中的雷電活動所伴隨的強電流和強電磁場對航空、電力、計算機網(wǎng)絡(luò)及軍事設(shè)施等造成巨大干擾及破壞，還可以擊毀建筑設(shè)施、引發(fā)森林大火及擊斃人畜。隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，電子技術(shù)得到全面應用，信息化得以普及，建筑物更是高大林立，雷暴災害造成的損失也不斷增加，因此受到越來越多專家學者的研究探討，成為氣象學、天氣學和大氣科學領(lǐng)域重要的研究對象。

雷暴是中尺度對流活動發(fā)展的結(jié)果。形成對流性天氣的基本條件有3個，即水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)條件和抬升力條件[1]。近年來，對積云及對流云的發(fā)展及起電機制方面已有很多研究[2-7]，在對環(huán)境場的物理條件進行了大量的研究后，進一步歸納出強對流天氣發(fā)生發(fā)展所必須具備的幾個條件：位勢不穩(wěn)定層結(jié)的形成、足夠的水汽供應及輻合、強烈的上升運動及抬升機制、環(huán)境風場的垂直切變、低空急流和局地特殊地形對中系統(tǒng)發(fā)展和加強的增幅作用[8]。在對流活動中，熱力不穩(wěn)定決定對流發(fā)展的強度，動力作用觸發(fā)對流并決定風暴類型[9]。雷暴的發(fā)生發(fā)展需要適當?shù)奶鞖庀到y(tǒng)條件和下墊面條件的有力配合，如鋒面的抬升以及槽線、切變線、低壓、低渦等天氣系統(tǒng)造成的輻合上升和高大山脈的抬升等。我國地域廣闊，下墊面復雜多樣，從東到西，水資源分配不均，水汽條件差異較大，從南到北，由亞熱帶逐漸轉(zhuǎn)變至溫帶，地域性氣候差異顯著，為雷暴活動的發(fā)生、發(fā)展提供了很多局地性因素。不同地區(qū)雷暴活動的氣候特征不同，其空間分布、多尺度時間變化、分布類型以及變化周期等存在較大差異。隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，引起下墊面能量交換及輻合強度的變化，使得城市區(qū)及附近地區(qū)降水分布、雷暴雨發(fā)生的頻次和強度等都發(fā)生了變化。城市化主要通過城市熱島效應和下墊面粗糙度增大兩方面影響當?shù)貜妼α骰顒拥陌l(fā)生、發(fā)展。海洋是大氣最寬廣的下墊面，海洋與大氣的感熱和潛熱交換直接影響到大氣環(huán)流狀況。我國海岸線漫長，海洋通過海氣相互作用直接對我國天氣和氣候造成影響，尤其是對強對流性天氣影響顯著。

基于國內(nèi)已有的研究成果，通過我國雷暴活動的氣候特征、城市化對雷暴活動的影響以及海洋與雷暴活動的關(guān)系進行總結(jié)與分析，以期為今后深入開展雷暴研究，提高雷暴預報、預警能力提供科學參考。

1　我國雷暴活動的氣候特征

1.1雷暴空間分布特征

從空間分布來看，我國雷暴日由東南向西北遞減，總體上可劃分為：東南和華南高值區(qū)，高原及其鄰近地區(qū)的次高值區(qū)，華北、華中及西北東部的次低值區(qū)和西北地區(qū)的最低值區(qū)四個區(qū)域[10]。幾個高值中心分別位于青藏高原東部、云南中南部、四川境內(nèi)、華南兩廣地區(qū)和新疆西部[11]。雷暴日的分布與區(qū)域下墊面性質(zhì)及低層水汽輸送關(guān)系密切。我國夏季水汽充沛，對流活躍，以致我國雷暴活動多集中于夏季，夏季雷暴是年雷暴日的主體。從地理分布來看，華南地區(qū)位于夏季風的迎風坡位置，孟加拉、南海、副熱帶三支季風均通過該區(qū)域，水汽充足，高原東部地區(qū)的對流活動與該地區(qū)下墊面性質(zhì)有關(guān)，新疆西部地區(qū)位于西風帶的迎風坡位置。所以夏季我國雷暴活動主要發(fā)生于華南、青藏高原東部及新疆西部[12]，也可以說我國雷暴活動主要集中在這三個區(qū)域?？紤]到區(qū)域性問題及雷暴活動的局地性特征，將我國空間上劃分東部、中部、西部及南部，并對不同地區(qū)雷暴帶分布分別進行劃分。我國東部地區(qū)雷暴活動多發(fā)生于：福建省丘陵地帶、江西西部羅霄山、江西南部、武夷山地區(qū)、太行山山脈、陰山山脈和大興安嶺山區(qū)[13]。中部地區(qū)主要包括湘、贛、鄂、豫、皖五省，按照雷暴活動的多少劃分為：長江以北多雷區(qū)、長江以南高雷區(qū)和贛南區(qū)域及湖南少數(shù)區(qū)域強雷區(qū)[14]。西部地區(qū)包括陜、甘、寧、青、新五省，雖日照充足，但是由于地理位置和氣候原因，水汽較少，很難滿足雷暴活動發(fā)生、發(fā)展所需的條件，所以發(fā)生頻次較低。雷暴活動帶主要位于：新疆西部天山南脈和天山山脈交接處、祁連山中部的南坡山區(qū)及青海東南與甘肅西南青藏高原山區(qū)[15]。南部地區(qū)日照充足，水汽充沛，太陽輻射強盛，雷暴發(fā)生頻率較高。其雷暴多發(fā)帶可劃分為：東部兩廣丘陵地區(qū)-南嶺-武夷山、浙閩丘陵及江南丘陵一帶；兩廣-武陵山一帶；云貴高原西部大巴山以西地區(qū)；廬山-大別山地區(qū)；大巴山-秦嶺地區(qū)；湖南西北部-湖北西部地區(qū)[16]。

廣東省是南部地區(qū)最具代表性的雷暴高發(fā)區(qū)之一，由于地處低緯，日照強盛，水汽充沛，雷暴活動十分頻繁。其雷暴高發(fā)區(qū)域主要位于：粵西北懷集—粵中德慶、羅定—粵西南[17]，并且呈現(xiàn)自西南向東北減少的分布形勢[18]。雷州半島是廣東省雷暴活動最多的地區(qū)，年均雷暴日數(shù)[19-20]在84~100 d之間，其北部雷暴活動比南部出現(xiàn)的早，雷暴活動發(fā)生最頻繁的地區(qū)為雷州半島南部的徐聞縣[21]。

總的來說，我國雷暴活動的空間分布特征表現(xiàn)為南方多于北方，山地多于平原，內(nèi)陸多于沿海[22]，低緯地區(qū)高于高緯地區(qū)，且同緯度地區(qū)則受地形影響顯著[23]。西北地區(qū)雷暴分布主要受海拔高度的影響，與地形、地勢關(guān)系密切，高原和山區(qū)發(fā)生較多，河谷、盆地和沙漠則較少[15]。

1.2雷暴時間分布特征

從時間分布來看，我國雷暴活動總體上呈減少趨勢，具體變化為：20世紀60年代前期有所增加，60年代末到70年代緩慢減少，80年代中期迅速減少，其中減少最迅速的是東南沿海區(qū)域，東北地區(qū)反而有所增加[10]。南方地區(qū)雷暴活動存在 2、4 a的短周期和9、21 a的長周期震蕩特征[16]。廣東省雷暴日數(shù)大約每10 a減少4.8 d[18]，總體呈減少趨勢，但是珠三角地區(qū)由于近年來城市化進程的加快，局地對流得以增強，自20世紀90年代后有所增長[17]，雷州半島地區(qū)存在2、3、4 a的周期震蕩特征[20]。中部地區(qū)雷暴日數(shù)每10 a減少1.9~4.3 d，存在4、6、11、17 a的周期震蕩特征[14]。西北地區(qū)雷暴活動存在4、5 a的周期震蕩特征[15]。由于動力條件的減弱和水汽的減少，不能滿足對流發(fā)生發(fā)展所需要的條件，東部地區(qū)雷暴活動在70年代最多，90年代最少，整體仍然呈減少趨勢[13]。內(nèi)蒙古高原地區(qū)雷暴日數(shù)每10 a減少2 d，具有2、3、5、8 a的短周期和12、20 a的長周期震蕩特征[24]。

由于氣候和環(huán)境的變化，無論是華北、華南、東部、西北還是局地區(qū)域，雷暴活動總的變化趨勢都是逐年減少的。而且由于我國的地理位置和氣候配置關(guān)系，我國的雷暴活動夏季最多，春秋季次之，冬季幾乎無雷暴發(fā)生，所以認為夏季雷暴日的減少是影響年雷暴日減少的主要原因[14]。由于雷暴活動與環(huán)境溫度具有正相關(guān)關(guān)系[25]，可能是近些年全球氣候變暖的原因，我國雷暴活動 2000年以后開始有所增加[23]。

2　城市化對雷暴活動的影響

雷暴活動是中小尺度的局地性強對流活動，其發(fā)生、發(fā)展不僅與大氣環(huán)流背景相關(guān)，而且與下墊面的關(guān)系十分密切，基于下墊面氣象要素與天氣現(xiàn)象的研究已有不少[26-30]。下墊面性質(zhì)的改變會對強對流天氣產(chǎn)生很大的影響，主要是通過改變邊界層熱力、動力過程及地氣之間的熱量輸送與水分循環(huán)，進而改變大氣的溫濕結(jié)構(gòu)和垂直運動來實現(xiàn)[31]。植被覆蓋類型的改變會引起地表特性的變化，進而影響地表能量和熱通量及對流有效位能。張羽等[32]利用相關(guān)分析、11種模型擬合和全變量回歸分析等數(shù)理統(tǒng)計方法，探究了雷州半島作物布局調(diào)整對雷暴發(fā)生的可能影響。指出下墊面作物布局的調(diào)整對雷暴發(fā)生有顯著的影響，隨著稻田的減少和糖蔗及水果種植面積的增加，雷州半島雷暴發(fā)生頻次有所降低。汪雅等[33]通過對一次雷暴過程的數(shù)值模擬，研究了海洋與陸地下墊面對雷暴過程的影響。結(jié)果表明，雷暴發(fā)生前期，強烈的海-陸熱力差異使得海風特征顯著，海風引起的抬升運動觸發(fā)了雷暴的發(fā)生。

隨著社會的進步與經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的人和企業(yè)進駐城市，城市規(guī)模得以迅速擴展。人為因素對地球表面土地覆蓋以及土地利用類型造成了顯著地改變[34]。原來被植被覆蓋的下墊面布滿了瀝青、水泥及混凝土，變得堅硬、干燥和不透水，從而對地表的能量交換造成了影響，使得邊界層大氣特性發(fā)生改變[35]。

城市化引起的對天氣狀況影響主要的因素就是城市熱島效應和下墊面粗糙度的變化。此外，高大建筑物（群）對周圍大氣電場也存在較大的影響，建筑物（群）對地面電場存在顯著的屏蔽作用，其頂部大氣電場強于地面，且隨高度的增加而增強[36]。熱島效應可對邊界層結(jié)構(gòu)和局地環(huán)流狀況進行調(diào)整，進而影響對流天氣的發(fā)生、發(fā)展[37]。城市粗糙度的增大引起低層輻合強度的增大，使得上升運動增強，有利于新的對流單體的啟動和發(fā)展，對城市區(qū)雷暴、降雨活動有增強作用。城市化發(fā)展引起城區(qū)及周邊地區(qū)降水和對流發(fā)展變化的原因可歸納為：低層加熱增強引起的大氣不穩(wěn)定性；低層粗糙度增大引起的輻合增強；凝結(jié)核增多引起的大氣微物理過程和動力過程的改變；城市化發(fā)展引起的低層水分含量的改變[38]。胡艷[39]對上海地區(qū)雷暴天氣及下墊面特征對它的影響進行了分析，指出城市熱島效應可能在一定程度上增加了城區(qū)及城鄉(xiāng)交界區(qū)域雷暴發(fā)生的頻數(shù)，并將其物理機制簡單解釋為：城市熱島明顯時往往產(chǎn)生熱島環(huán)流，熱島中心氣溫直減率大，熱島邊界溫度梯度大，均有利于對流天氣的發(fā)生。錢嘉星等[40]研究了珠三角城市群對雷暴的影響后，指出珠三角城市群的單個雷暴的閃電頻次遠多于非城市群區(qū)域，總閃頻次較高，而且對廣東前汛期雷暴影響較大。蒙偉光等[41]認為城市可影響雷暴的形成及發(fā)展。通過對廣州城區(qū)兩次雷暴過程及其與城市效應的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)城市熱島可引起局地氣流的輻合及對流發(fā)展，對流降水發(fā)生的時間和位置與城市熱島的演變及對應輻合區(qū)有較好的一致性，雷暴移經(jīng)城區(qū)時會得到進一步發(fā)展，最強對流回波和降水都會出現(xiàn)在城市中心。

城市化對經(jīng)過城市區(qū)的雷暴活動影響顯著，雷暴的發(fā)生、發(fā)展過程與城市下墊面關(guān)系密切。城市下墊面特征對雷暴過程的影響具體表現(xiàn)為：雷暴發(fā)生前期，熱島效應明顯；城市上空較高的感熱通量與城郊下墊面熱力差異相結(jié)合，形成城市熱島環(huán)流，使得城區(qū)的輻合上升加強，為雷暴的發(fā)生提供了較強的抬升作用；城市下墊面擴張，使其上空邊界層高度相應提升，垂直混合高度增加，有助于對流云的發(fā)展；城市下墊面加強了大氣低層的擾動位溫，為雷暴的發(fā)生提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件；城市地表較大的粗糙度使雷暴降水在城區(qū)低層的迎風面一側(cè)明顯增強[42]。

3　海洋與雷暴活動的關(guān)系

海洋約占地球表面的71%，是地球氣候系統(tǒng)重要的組成部分，作為大氣最寬廣的下墊面，以感熱交換和潛熱交換的形式不斷對局地或者全球的大氣環(huán)流作出調(diào)整，主要通過海溫（SST）變化影響大氣環(huán)流和氣候變化。作為大氣的一種重要外強迫，SST與大氣間的相互作用研究多年來已取得豐碩成果，很多研究均表明SST的異常變化對大氣環(huán)流的調(diào)整作用顯著。

海氣相互作用反映滯后且時效較長，SST異常對一年半以后的大氣環(huán)流仍有影響。SST異常與大氣高度場有一定的相關(guān)，由于不同范圍海區(qū)日好條件和洋流情況不同，對高度場的影響也有所差異。將北太平洋東南部的水面溫度與太陽活動呈正相關(guān)最顯著的幾個海溫點命名為關(guān)鍵區(qū)，則北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫與500 hPa高度場在低緯度區(qū)域的相關(guān)性最大，呈正相關(guān)，中緯度次之，呈負相關(guān)，而在高緯度的相關(guān)性最小，相關(guān)性質(zhì)不穩(wěn)定。此外，從季節(jié)來看，2月份海溫對大氣環(huán)流的影響最為關(guān)鍵，7月次之，即冬、夏季海溫對其后各月500 hPa高度場影響較大，春、秋季則影響較小[43]。除了與高度場的相關(guān)性，海洋對天氣的影響在降水等對流天氣方面也有體現(xiàn)，尤其是我國華南區(qū)域，瀕臨太平洋與南海，受海洋影響顯著。強學民等[44]利用近50 a全國逐日降水觀測資料和全球大氣、海洋分析資料，分析了華南前汛期降水異常的變化特征及其與太平洋海溫異常的關(guān)系，指出暖池冷海溫年，北半球Hadley環(huán)流的上升和下沉運動均減弱，華南地區(qū)對流活動較強，降水較多，暖海溫年，Hadley環(huán)流上升運動增強，使得副熱帶地區(qū)下沉運動增強，抑制了華南地區(qū)的對流活動，降水較少。

ENSO是全球性氣候和海洋環(huán)流異常的最強信號，李曉燕和翟盤茂[45-46]及王紹武等[47]都已根據(jù)不同標準對歷年事件性質(zhì)及強度進行了統(tǒng)計劃分。ENSO不僅是造成全球氣候異常的一個重要原因，也是導致亞洲季風異常和我國旱澇發(fā)生的關(guān)鍵因素。ENSO與我國部分區(qū)域的寒潮活動有關(guān)。ENSO暖事件爆發(fā)后的環(huán)流形勢有利于冷空氣南下，利于廣東寒潮和強冷空氣的出現(xiàn)，而且廣東寒潮和強冷空氣多的年份一般出現(xiàn)在中等或強的厄爾尼諾期間，少的年份容易出現(xiàn)在拉尼娜期間[48]。ENSO與我國閃電活動有關(guān)。我國東南部地區(qū)的閃電活動與Nino3區(qū)海溫異常存在一定的聯(lián)系，其發(fā)生頻率與海陸距離呈正比[49]。ENSO與我國雷暴活動有關(guān)。ENSO年西太副高異常持續(xù)偏南，使得水汽條件得不到滿足，從而南方雷暴在ENSO年呈現(xiàn)正距平分布，而且由于ENSO年經(jīng)向沃克環(huán)流強度發(fā)生變化，從而使得兩廣和云貴地區(qū)雷暴距平呈相反態(tài)勢[50]。

雷暴天氣過程通常是在有利的大尺度環(huán)境背景下由中尺度對流系統(tǒng)直接產(chǎn)生的[51]。SST異常可引起大氣環(huán)流異常響應，使得北方的干冷空氣南下，與南方的暖濕空氣相遇，形成上面干冷下面暖濕的狀況配置，有利于低層不穩(wěn)定能量的聚集和不穩(wěn)定能量的釋放，進而利于雷暴活動的發(fā)生、發(fā)展。異常偏低的海溫能夠引起低層風場異常輻散，上空則對應為異常的下沉運動，通過類似于沃克環(huán)流形式使得東亞同緯度地區(qū)低層輻合異常，利于強化該地的異常氣旋性環(huán)流，在北太平洋上空對應著強的西風急流，500 hPa高度場上表現(xiàn)為負距平，有利于北方冷空氣南下，易于不穩(wěn)定能量的釋放，有利于冬季雷暴的發(fā)生[52]。姜麗萍等[53]利用珠三角 14站1月份的觀測資料、歷史天氣圖和NCEP/NCAR再分析資料，對珠三角冬季雷暴的大氣環(huán)流特征及海溫異常背景進行了分析，指出鋒區(qū)對低空暖濕西南急流有阻擋作用，珠三角地區(qū)冬季雷暴大部分由靜止鋒引發(fā)。并且，珠三角地區(qū)冬季雷暴一般出現(xiàn)在海溫偏暖背景下，且發(fā)生前6個月的海溫場暖位相特征顯著。

海洋與大氣接觸范圍極廣，海氣相互作用顯著，對大氣環(huán)流的調(diào)節(jié)至關(guān)重要，但是由于海上觀測條件的不足，雷暴活動與海洋的關(guān)系研究并不多，所以有很多工作還有待進一步的研究與探討。

4　結(jié)　語

以上分3個方面綜合回顧了前人對我國雷暴活動的研究。對于我國雷暴活動的氣候特征研究，已經(jīng)相當?shù)娜妗⑼笍?。雖然由于雷暴活動的局地性特征，不同地區(qū)的雷暴活動氣候特征不同，但總的變化趨勢是接近的。隨著當今社會的不斷發(fā)展，城市也不斷地擴張，城市化改變了下墊面屬性，對強對流天氣的發(fā)生影響很大。城市熱島效應和下墊面粗糙度增大對經(jīng)過城市區(qū)的雷暴活動具有一定的影響作用。但是由于氣象觀測站大多位于郊區(qū)，對于城市氣溫的監(jiān)測不全面，所以應用于城市熱島研究的資料較少，論據(jù)不夠充分，需綜合利用地面觀測、衛(wèi)星觀測及地理信息系統(tǒng)等，對城市氣溫進行全方位的、均勻的監(jiān)測，進而得出更加充分的結(jié)論。對于海洋與雷暴的關(guān)系研究，目前成果較少，由于海洋面積巨大，觀測不易，需劃定特別區(qū)域、有重點的進行觀測、分析，如西太平洋暖池是最大的對流中心、最大降水中心及對流層絕熱加熱高中心，對流強烈且活動持久，是氣候異常的源地之一，其變化直接影響著亞洲甚至全球的氣候，具有極高的研究價值。我國東臨太平洋，雷暴活動勢必與暖池有一定的內(nèi)在聯(lián)系，尤其是我國華南地區(qū)雷暴，很值得進行細致探討。

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（責任編輯：任萬森）

A Review of Effects of Oceans and Urbanization on the Characteristics of Thunderstorms in China

ZHU Xue-chao1, ZHANG Yu2, XU Feng1
（1.College of Oceanography and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China; 2.Guangdong Weather Modification Center, Guangzhou 510080，China）

Based on the domestic existing research achievements, this article reviewed the results and progress of thunderstorms research from three aspects:the climate characteristics of thunderstorms, effect of oceans and urbanization on thunderstorms.These studies show that:thunderstorms in our country have strong local properties and kinds of multi-scale spatial and temporal distribution.The growing of urbanization caused the change of the underlying surface properties, and have a strong influence on thunderstorms.Ocean affects the occurrence and development of convective activities through the air-sea interaction, and must have some relation with thunderstorms.But the specific relationships between urbanization and ocean with thunderstorms are not yet clear, because lack of observation, datasets not comprehensive and without some real points, so there still need a long time study.

thunderstorms; climatic characteristics; urbanization; marine; review

P446

A

1673-9159（2015）01-0109-06

2014-11-03

國家自然科學基金（41475120）；廣東省教育廳科技創(chuàng)新項目（B12363）；廣東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目（521002025）；廣東海洋大學研究生教育改革研究重點項目共同資助（521002014）

朱學超（1987-），男，碩士生，研究方向為海洋與氣候變化。E-mail:lyzxch@sina.com

徐峰（1962-）男，博士，教授，研究方向為大氣物理學與大氣環(huán)境、海洋氣象。E-mail:gdouxufeng@126.com