大氣環(huán)境因子與雷電產(chǎn)生的關(guān)系

張可嘉 　王文斌

摘 要 利用北京地區(qū)閃電定位系統(tǒng)的觀測(cè)資料，結(jié)合探空資料，分析并得到335 d（182 d有雷電，153 d無(wú)雷電）的大氣環(huán)境因子與雷電產(chǎn)生的關(guān)系。結(jié)果表明，對(duì)流有效位能與雷電產(chǎn)生有比較好的相關(guān)性，而中層濕度與雷電產(chǎn)生的相關(guān)性不明顯，從而明確雷電產(chǎn)生的預(yù)報(bào)指標(biāo)。本研究對(duì)華北地區(qū)雷電探測(cè)與雷暴預(yù)報(bào)有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 對(duì)流有效位能；中層濕度；雷電產(chǎn)生

中圖分類(lèi)號(hào)：P427.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-890X（2015）18--02

1 選取資料

本文使用的探空資料來(lái)自北京觀測(cè)站（39.56°E，116.17°N）每日08：00、20：00 （北京時(shí)間，下同）的探空。選取的表征大氣不穩(wěn)定度的參數(shù)主要有400～700 hPa平均濕度和對(duì)流有效位能（CAPE），使用08：00與20：00的探空資料分別計(jì)算以上參數(shù)。在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，以閃電數(shù)量、演變過(guò)程及分布狀態(tài)為依據(jù)，并與天氣實(shí)況向結(jié)合做好相關(guān)的記錄工作，確實(shí)發(fā)生閃電活動(dòng)的雷暴過(guò)程；針對(duì)觀測(cè)無(wú)閃電記錄及少量、散亂的閃電觀測(cè)，通常我們認(rèn)為是沒(méi)有閃電活動(dòng)[1]。經(jīng)過(guò)以上劃分，并與資料的準(zhǔn)確性與完整性相結(jié)合，在試驗(yàn)期的3 a終一共找出無(wú)閃電活動(dòng)過(guò)程153個(gè)及有閃電活動(dòng)過(guò)程182個(gè)。

2 大氣環(huán)境因子與雷電產(chǎn)生的相關(guān)性分析

2.1 400～700 hPa平均相對(duì)濕度

在強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)中，雹粒與冰晶之間相互碰撞與摩擦，導(dǎo)致增溫，同時(shí)當(dāng)水滴凍結(jié)時(shí)釋放出潛熱，產(chǎn)生溫差起電機(jī)制。當(dāng)水滴凍結(jié)時(shí)，冰殼內(nèi)部溫度為0 ℃，而冰殼外部為低于零度的室外環(huán)境溫度，這就產(chǎn)生了溫差。冰中有一小部分分子處于電離狀態(tài)，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(huì)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(fù)離子，冷端為正離子，而冰晶在運(yùn)動(dòng)中會(huì)有冰刺脫落，而使得形成大的帶負(fù)電冰殼和小的帶正電的冰刺，隨著不停的冰殼向下運(yùn)動(dòng)，冰刺向上運(yùn)動(dòng)，使得云上部帶正電，下部帶負(fù)電，當(dāng)云-地電場(chǎng)達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生云對(duì)地的放電[2]。所以云中相對(duì)濕度是溫差起電產(chǎn)生的必要條件，對(duì)雷電產(chǎn)生的作用至關(guān)重要。

有閃電活動(dòng)與無(wú)閃電活動(dòng)的400～700 hPa中層濕度值具有較大的范圍。對(duì)于無(wú)閃電活動(dòng)而言，其平均濕度為47.97%，與其相對(duì)應(yīng)的有閃電活動(dòng)的平均濕度為57.53%，能夠看出，400～700 hPa的平均相對(duì)濕度值與閃電活動(dòng)之間并不具備較好的相關(guān)性。但是，在濕度UW<30%以下，無(wú)閃電活動(dòng)的幾率明顯較高，有28.10%的無(wú)閃電活動(dòng)和5.9%的有閃電活動(dòng)出現(xiàn)在這個(gè)范圍，預(yù)報(bào)無(wú)閃電發(fā)生的概率為81.13%。而無(wú)閃活動(dòng)和有閃活動(dòng)的最大值分別是98.4%和98.69%，所以說(shuō)并不是相對(duì)濕度越大，產(chǎn)生雷電的幾率越大，可能是在某個(gè)范圍內(nèi)與相對(duì)濕度呈正相關(guān)，另外有閃活動(dòng)產(chǎn)生時(shí)的濕度最小值為9.55%，說(shuō)明其起電機(jī)制可能不屬于碰撞起電或者溫差起電。

2.2 對(duì)流有效位能

氣塊從云底上升到云頂?shù)膶?duì)流有效位能CAPE：CAPE=Tv，env和Tv，ad分別是探空得到的實(shí)際環(huán)境溫度和從云底沿可逆濕絕熱線上升對(duì)應(yīng)的溫度，表示在不計(jì)摩擦的情況，氣塊的不穩(wěn)定能量，等于單位質(zhì)量氣塊由Zcb（云底高度）上升到Zct（云頂高度）時(shí)動(dòng)能的增量。不穩(wěn)定能量的大小決定著云中對(duì)流的強(qiáng)度，對(duì)流的強(qiáng)度在云中起電過(guò)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(chǎng)大小達(dá)到指定值產(chǎn)生放電。對(duì)流深厚程度高，就會(huì)在云中聚集大量的正負(fù)離子，更容易產(chǎn)生云與云，云內(nèi)，云與地之間的放電活動(dòng)。

通過(guò)對(duì)流有效位能的CAPE分析，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用CAPE=400為一個(gè)判別點(diǎn)時(shí)，在無(wú)閃電活動(dòng)中，有73.79%位于CAPE<400的情況下；在有閃電活動(dòng)中，有61.60%出現(xiàn)在CAPE>400的情況下。對(duì)應(yīng)的，可以得出在CAPE>400時(shí)，出現(xiàn)閃電活動(dòng)的幾率為74.04%；在CAPE<400時(shí)，不出現(xiàn)閃電活動(dòng)的幾率為61.29%。這與Solomon等的研究分析結(jié)果相似。在他們研究的12個(gè)雷暴中，有7個(gè)CAPE的值超過(guò)了400，其中6個(gè)產(chǎn)生了閃電（有閃電活動(dòng)的幾率為85.71%），而另外5個(gè)低于這個(gè)值的雷暴中，只有2個(gè)產(chǎn)生了閃電（無(wú)閃電活動(dòng)的幾率為60%）。

2.3 其他大氣環(huán)境因子

2.3.1 沙氏指數(shù)SI

SI=T500-Ts

T500為500 mbar上的實(shí)際溫度，Ts為氣塊從850 mbar開(kāi)始，沿干絕熱線抬升到凝結(jié)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(qiáng)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(wěn)定；SI<0，表示不穩(wěn)定，且愈小愈不穩(wěn)定。

2.3.2 氣團(tuán)指標(biāo)K

K=[T850-T500]+[Td]850-[T-Td]700，其中，[T850-T500]為850 mbar與500 mbar的實(shí)際溫度差，850 mbar與500 mbar對(duì)應(yīng)的高度正好是雷暴云產(chǎn)生區(qū)域，這個(gè)差值決定了兩個(gè)高度之間對(duì)流強(qiáng)度，溫度差越大，對(duì)流越強(qiáng)烈，產(chǎn)生雷電的幾率越大。[Td]850為850 mbar的露點(diǎn)，露點(diǎn)的高低與空氣中水汽含量多少有關(guān)?？諝庵兴慷啵饵c(diǎn)就高；水汽含量少，露點(diǎn)就低。[T-Td]700為700 mbar的溫度露點(diǎn)差，露點(diǎn)溫度與當(dāng)時(shí)氣溫結(jié)合起來(lái)還能表示空氣的潮濕程度，露點(diǎn)與實(shí)際氣溫之差越小，說(shuō)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(duì)應(yīng)了濕度影響雷電產(chǎn)生的結(jié)果。綜合3個(gè)變化量可知：K值大，說(shuō)明底層暖濕，中層濕度層厚，高層冷，因此K值越大，越不穩(wěn)定。

3 對(duì)流上限的海拔高度Z

對(duì)流上限指的是對(duì)流所能達(dá)到的最大高度。通過(guò)自由對(duì)流高度的狀態(tài)曲線繼續(xù)向上延伸，并再次和層結(jié)曲線相交之點(diǎn)所在的高度，就是對(duì)流上限，也就是經(jīng)驗(yàn)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(duì)流愈強(qiáng)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(jìn)行，不能提供足夠的電荷是放電活動(dòng)產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1]郭鳳霞，張義軍，言穆弘，等.環(huán)境溫濕層結(jié)對(duì)雷暴云空間電荷結(jié)構(gòu)的影響.高原氣象，2004，23（5）：6782683.

[2]郭鳳霞，張義軍，郄秀書(shū)，等.雷暴云不同電荷結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究.高原氣象，2003，22（3）：2682274.

（責(zé)任編輯：趙中正）