甘肅慶陽近30年雷暴氣候特征分析

曹彥超,韓 晶,張秉政

(慶陽市氣象局,甘肅 慶陽 745000)

雷暴指積雨云中、云間或云地之間產(chǎn)生的放電現(xiàn)象,同時也指產(chǎn)生這種現(xiàn)象的天氣系統(tǒng)。雷暴一般伴有陣雨,而強雷暴則可能伴有暴雨、大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)等天氣現(xiàn)象,屬于一種常見的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。鞏崇水等[1]對1981—2010年中國雷暴過程進行了統(tǒng)計分析,認為以105°E、35°N為界,中國雷暴可分為4個區(qū)域,慶陽市地處甘肅省最東部,介于106°20′～108°45′E與35°15′～37°10′N之間,位于東北區(qū)的西南角,處于4個象限交界處附近,雷暴特征相對復(fù)雜。羅正海等[2]、艾力·買買提明等[3]分別對東南沿海的汕頭市和新疆地區(qū)的阿克蘇地區(qū)的雷暴氣候特征做了分析,已有文獻對北方雷暴的研究相對較少,對慶陽市雷暴氣候特征的分析更少。

慶陽市轄西峰、環(huán)縣、華池、慶城、鎮(zhèn)原、合水、寧縣、正寧8個縣(區(qū)),東倚午嶺,北靠羊圈山,地形北高南低,海拔在885～2 082 m之間,中南部為黃土高原溝壑區(qū),北部為黃土丘陵溝壑區(qū),東部為黃土丘陵區(qū),山、川、塬兼有,溝、峁、梁相間。慶陽市自東南向西北依次跨越了半濕潤、半干旱以及干旱3個氣候區(qū)。許多學(xué)者[4-7]認為地形和氣候?qū)妆┌l(fā)生有明顯的影響。復(fù)雜的地形使慶陽市雷暴發(fā)生頻率較高,年雷擊事故平均5～11起,直接經(jīng)濟損失有數(shù)萬元至百萬元之多,社會對雷電的預(yù)報及防御具有強烈需求。

1 資料簡介

選取慶陽市1980—2018年的雷暴觀測資料進行分析,其中1980—2013年資料來源于全球地面天氣報,因2014年起地面氣象報中不再記錄雷暴,2014—2018年雷暴資料從WS重要天氣報中整理得出。24 h(當(dāng)日20時—次日20時)內(nèi)某縣區(qū)出現(xiàn)一次雷暴,記錄該縣區(qū)出現(xiàn)一個雷暴日,任一縣區(qū)出現(xiàn)一次雷暴,記錄慶陽市出現(xiàn)一個雷暴日。

2 空間分布特征

慶陽市年雷暴日數(shù)分布很不均勻,頻發(fā)區(qū)位于自東南部正寧縣到西北部環(huán)縣的狹長地帶(見圖1)。東南部正寧縣雷暴發(fā)生頻率最高,每年23.6次,中部慶城縣和西北部環(huán)縣次之,分別為22.8次和21.9次。西南部的鎮(zhèn)原縣雷暴日數(shù)最少,僅為18.8次。

圖1 年平均雷暴日數(shù)分布圖2月平均雷暴日數(shù)分布Fig.1 Distribution of annual average thunderstorm days

Doswell等[8]總結(jié)雷暴生成的三要素為:(1)環(huán)境溫度直減率處于條件不穩(wěn)定狀態(tài),從而有足夠大的正浮力;(2)有足夠多的水汽,從而使?fàn)顟B(tài)曲線與環(huán)境溫度曲線相交于自由對流高度;(3)具有使氣塊達到抬升凝結(jié)高度(LFC,lifting condensation level)的抬升機制。簡稱靜力不穩(wěn)定、水汽和抬升三要素。正寧縣緊鄰子午嶺林區(qū),林區(qū)小氣候的調(diào)節(jié)使之常年濕潤,年降水量為609.8 mm,比全市平均值偏多18.8%。濕潤的環(huán)境使對流層低層大氣容易達到飽和狀態(tài),從而使自由對流高度更低、對流溫度更低,更容易達到不穩(wěn)定狀態(tài)。同時夏季林區(qū)與城區(qū)的溫度差造成的次級環(huán)流也更有利于局地雷暴天氣的出現(xiàn)。因此東南部的正寧縣是慶陽市雷暴發(fā)生頻率最高的區(qū)域。中部慶城縣4—9月平均氣溫18.5 ℃,相比全市平均氣溫偏高0.85 ℃,平均最高氣溫24.7 ℃,同比偏高1.3 ℃,頻繁發(fā)生的高溫天氣容易使大氣達到靜力不穩(wěn)定狀態(tài),同時由于位于川道,南擴北窄的喇叭口地形的匯流抬升作用有利對流天氣的發(fā)生,使慶城縣成為雷暴發(fā)生頻率次高地。環(huán)縣位于慶陽市西北部,常年干旱,年平均降水量只有409.5 mm,相比全市均值偏少20.3%,這對濕對流的發(fā)展并不有利,但由于環(huán)縣緯度最高,更容易受冷鋒、低渦等系統(tǒng)的影響,因此雷暴發(fā)生頻率也較高。丘陵和山地的地形抬升作用也為環(huán)縣雷暴發(fā)生營造了有利潛勢。

3 月分布特征

近30年慶陽市雷暴月最早發(fā)生于3月2日(2013年環(huán)縣),最晚出現(xiàn)于11月10日(1997年華池縣、合水縣)。6—8月是雷暴發(fā)生頻率最高的時段(見圖2),這個時段出現(xiàn)的雷暴被稱為夏季雷暴,占全年雷暴日數(shù)的68.5%～74.7%。其中正寧縣所占比例最高,為74.7%,慶城縣和環(huán)縣次之,分別為73.6%和72.8%,鎮(zhèn)原縣所占比例最低,只有68.5%。7月雷暴日數(shù)達到峰值,8個縣區(qū)平均為5.7 d,6月和8月次之,分別為4.7 d和4.3 d?？梢娤募纠妆┌l(fā)生頻率的差異是造成8個縣區(qū)雷暴頻率分布不同的主要原因。

圖2 月平均雷暴日數(shù)分布Fig.2 Distribution of monthly average thunderstorm days

3.1 初雷暴特征

慶陽市位于我國西北地區(qū),溫帶大陸性季風(fēng)氣候特點顯著,季節(jié)差異明顯,溫度和濕度變化大。冬季,慶陽市受大陸冷性反氣旋控制,天氣寒冷而干燥,很難發(fā)生強對流天氣。2月平均氣溫為-2.5～-0.6 ℃,3月迅速升至3.9～5.0 ℃。由于此時植物才開始復(fù)蘇,地面較為裸露,白天升溫非常迅速,3月最高氣溫往往可以超過20 ℃。春季高原槽也逐漸活躍起來,慶陽市降水量由2月的4～8.7 mm增加到3月的11.4～20.5 mm,空氣更加濕潤。氣溫的回升和低層濕度的增加使大氣層結(jié)的穩(wěn)定性減弱,提升了雷暴發(fā)生的潛勢。同時,春季冷暖氣團勢力相當(dāng),鋒系和氣旋的活動是一年中最頻繁的時段,為對流的發(fā)展提供了抬升條件,因此慶陽市初雷暴日一般都發(fā)生在3月、4月。由于相對干燥,初雷暴伴隨的降水并不明顯,多為2 mm以下的微量降水。

2016年4月11日20時前后,鎮(zhèn)原縣、合水縣出現(xiàn)了雷暴和陣雨天氣,過程降水量不足1 mm。11日08時,500 hPa有高原淺槽沿著高原北部邊坡東移,槽線位于六盤山附近,700 hPa有明顯的偏南氣流發(fā)展,切變線位于甘肅中部黃河西岸,切變線位置落后于500 hPa槽線位置,這是明顯的前傾槽結(jié)構(gòu)(見圖3(a))。根據(jù)垂直速度w方程,溫度平流隨高度的變化影響垂直運動的發(fā)展,隴東地區(qū)低空受顯著的暖濕平流控制,對流層中層則受冷平流影響,對對流層潛勢和低層空氣的抬升非常有利。11日20時,平?jīng)鲠轻继娇照緦α饔行荒?CAPE,convective available potential energy)值達到215 J/kg,K指數(shù)達到28 ℃,大氣不穩(wěn)定性很強,能量也得到積聚。雖然700 hPa以下比濕只有4.24 g/kg,但由于氣溫較低,相對濕度達到了73%,已經(jīng)能夠滿足對流發(fā)展需要的水汽條件(見圖3(b))。700 hPa切變線過境時,動力抬升,引發(fā)了區(qū)域性雷暴過程。

圖3 2016年4月11日08時500 hPa高度場、700 hPa風(fēng)場和20時崆峒站探空圖Fig.3 The 500 hPa height field and 700 hPa wind field at 08:00, April 11, 2016 and the sounding diagram of Kongtong station at 20:00, April 11, 2016

3.2 夏季雷暴特征

6—8月是一年中氣溫最高、雨水最多的季節(jié),也是雷暴發(fā)生頻率最高的時段。7月上中旬副高壓脊線跨過25°N后,慶陽市位于副高壓西北側(cè)邊緣,副高壓西側(cè)旺盛的偏南氣流往往可以達到低空急流的強度,使大氣層結(jié)不穩(wěn)定,同時副高壓外圍地區(qū)以上升氣流為主,弱的低空切變和地形的抬升都能產(chǎn)生雷暴天氣。

2013年7月1日,慶陽全市出現(xiàn)了雷暴天氣,正寧縣榆林子區(qū)域站24 h累積降水量達60.5 mm。7月1日08時500 hPa,副高壓脊線位于29°N附近,西脊點位于112°E附近,慶陽市位于副高壓西北側(cè),東北冷渦中心位勢高度為564 gpm,700 hPa副高壓西側(cè)偏南氣流達到低空急流的強度,隴東位于急流出口區(qū)左側(cè),東北冷渦底部有東北風(fēng)南壓,在隴東上空形成一個東北西南向的切變線。500 hPa槽線落后于700 hPa切變線(見圖4(a))。副高壓外圍低空急流所帶來的強盛溫度平流和濕度平流有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立。20時平?jīng)稣綜APE達到1620 J/kg,K指數(shù)達到45 ℃,不穩(wěn)定層結(jié)從近地層延伸到對流層高層,400 hPa以下探空圖中比濕線與狀態(tài)曲線非?？拷?水汽接近飽和(見圖4(b))。700 hPa比濕達到了12.57 g/kg。水汽條件和不穩(wěn)定能量均比2016年4月11日強得多,因此過程出現(xiàn)了范圍更廣、降水更明顯的對流性天氣。

圖4 2013年7月1日08時500 hPa高度場、700 hPa風(fēng)場和20時崆峒站探空圖Fig.4 The 500 hPa height field and 700 hPa wind field at 08:00, July 1, 2013,and the sounding diagram of Kongtong station at 20:00, July 1, 2013

對比初雷暴與夏季雷暴,由于春季氣候相對干燥,氣溫也較低,要營造有利對流發(fā)展的環(huán)境更困難,需要更有利于對流發(fā)展的天氣系統(tǒng)配合才能出現(xiàn)雷暴。統(tǒng)計2007—2018年12 a的初雷暴過程,有8次為前傾槽結(jié)構(gòu),4次為普通的后傾槽或低渦底部影響。夏季由于高溫高濕,建立不穩(wěn)定層結(jié)更加容易,較弱的抬升條件,甚至局地的地形抬升都可以產(chǎn)生雷暴天氣。

4 年際變化

慶陽市各縣區(qū)年平均雷暴日數(shù)在21～27 d之間,其中1990年環(huán)縣雷暴日數(shù)最多,為45 d,2009年鎮(zhèn)原縣雷暴日數(shù)最少,為5 d。1995年以前雷暴發(fā)生頻率較高,之后波動減少,2010年和2015年多個站點達到歷史雷暴日數(shù)最低值(見圖5)。其中環(huán)縣減少速度最快,其余縣區(qū)減少速度相對緩慢。

圖5 環(huán)縣、慶城縣、正寧縣雷暴日數(shù)年分布Fig.5 Annual distribution of thunderstorm days in Huan county,Qingcheng County and Zhengning County

環(huán)縣年雷暴日數(shù)與下半年平均氣溫具有較明顯的反相關(guān)關(guān)系(見圖6),而正寧縣與平均氣溫的相關(guān)性較差。王秀明等[9]認為靜力不穩(wěn)定包括絕對不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定,絕對不穩(wěn)定不考慮水汽相變,通常出現(xiàn)在相對干的近地層,由地面向上的強感熱通量維持,這種情況一般出現(xiàn)在我國西部高原地區(qū)。環(huán)縣屬于干旱氣候,年平均降水量只有409.5 mm,但高溫天氣頻發(fā),夏半年環(huán)縣平均氣溫17.9 ℃,相比其余縣區(qū)偏高0.31 ℃,平均最高氣溫達24.3 ℃,同比偏高0.9 ℃,產(chǎn)生絕對不穩(wěn)定的條件較多,受水汽的影響較小,氣溫成為主要的影響因子,年雷暴日數(shù)與夏半年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.47。近年來環(huán)縣夏半年平均氣溫持續(xù)降低,說明受冷空氣影響頻率降低,從而使環(huán)縣夏季雷暴明顯減少。

徑向風(fēng)是實際風(fēng)在徑向方向的分量,南風(fēng)分量為正值,北風(fēng)分量為負值。近30年中1996年雷暴日數(shù)最多,2013年多個縣雷暴日數(shù)最少。1996夏半年(6—9月)500 hPa河套至華北北部有-3.5 m/s的北風(fēng)大風(fēng)速中心,慶陽市徑向風(fēng)速為-2 m/s(見圖7(a)),這是因為1996年夏半年西風(fēng)帶低槽相對活躍,6—7月東北冷渦穩(wěn)定少動,冷空氣頻繁南下影響700 hPa南風(fēng)分量也只有0～0.5 m/s(見圖7(b)),夏半年各縣區(qū)平均氣溫均較常年偏低,環(huán)縣偏低-0.9 ℃,最為明顯。對流層中層明顯的強冷平流使大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定,因此雷暴日數(shù)明顯偏多。2013年夏半年500 hPa河套至華北北部的北風(fēng)大風(fēng)速中心為-2 m/s,慶陽市徑向風(fēng)速介于-1～-0.5 m/s(見圖7(c)),北風(fēng)分量明顯偏弱,700 hPa南風(fēng)分量在2 m/s左右(見圖7(d)),各縣區(qū)平均氣溫偏高0.1～0.7 ℃。對流層低層偏南暖平流強盛,氣溫明顯偏高都有利于不穩(wěn)定大氣層結(jié)的建立,但中高層冷空氣活動少,對大氣不穩(wěn)定層結(jié)的維持和能量的觸發(fā)不利。為驗證夏半年冷空氣活躍程度對年雷暴日數(shù)的貢獻大于對流層低層暖平流的強盛程度,對2008年、2009年、2013年、2015年等雷暴明顯偏多或偏少的年份均作了相似的分析,得出結(jié)果相同。

圖6 環(huán)縣和正寧縣年雷暴日數(shù)與夏半年平均氣溫分布Fig.6 Annual thunderstorm days and average temperature distribution in summer in Huan County and Zhengning County

5 結(jié)論

(1) 正寧縣氣候濕潤,有利于構(gòu)建不穩(wěn)定大氣層結(jié),同時夏季林區(qū)與城區(qū)的溫度差造成的次級環(huán)流也更有利于雷暴天氣的形成,使正寧縣成為慶陽市雷暴發(fā)生頻率最高的區(qū)域。慶城縣頻繁發(fā)生的高溫天氣容易使大氣達到靜力不穩(wěn)定狀態(tài),喇叭口地形的匯流抬升作用有利于對流天氣的發(fā)生,使慶城縣成為雷暴發(fā)生頻率次高地。環(huán)縣常年干旱,但由于環(huán)縣緯度最高,更容易受冷鋒、低渦等系統(tǒng)的影響,丘陵和山地的地形抬升作用也為環(huán)縣雷暴發(fā)生營造了有利潛勢,因此雷暴發(fā)生頻率也較高。

圖7 1996年、2013年500 hPa、700 hPa徑向風(fēng)平均場Fig.7 Average radial wind field of 500 hPa and 700 hPa in 1996 and 2013

(2) 近30年慶陽市雷暴月最早發(fā)生于3月2日,最晚出現(xiàn)于11月10日,6—8月是雷暴發(fā)生頻率最高的時段。春季氣候相對干燥,氣溫也較低,更有利于對流發(fā)生的前傾槽是產(chǎn)生春季雷暴的主要天氣系統(tǒng);夏季高溫高濕,建立不穩(wěn)定層結(jié)更加容易,較弱的抬升條件,甚至局地的地形抬升都可以產(chǎn)生雷暴天氣。

(3) 慶陽市各縣區(qū)年平均雷暴日數(shù)在21～27 d之間,1995年以前雷暴發(fā)生頻率較高,之后波動減少,其中環(huán)縣減少速度最快,其原因可能是絕對不穩(wěn)定條件下產(chǎn)生的干雷暴占環(huán)縣雷暴的比例較大,氣溫與雷暴發(fā)生頻率的相關(guān)性更大,環(huán)縣夏季氣溫持續(xù)升高和冷空氣活動的減弱,使雷暴日數(shù)快速下降。通過驗證,夏半年冷空氣活動頻率對年雷暴日數(shù)的貢獻大于對流層低層持久而穩(wěn)定的暖濕平流。