2019年呼和浩特一次強雷暴天氣過程綜合分析

李松如 石茹琳， 孫豪

(1 內(nèi)蒙古自治區(qū)雷電預(yù)警防護中心，呼和浩特 010051；2 南京信息工程大學 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京 210044)

引 言

雷暴是出現(xiàn)在夏季的一種伴有雷擊和閃電的強對流天氣現(xiàn)象，常伴有強降水、大風和冰雹等[1]。雷暴災(zāi)害是我國十大自然災(zāi)害之一[2]，近年來不斷危害社會經(jīng)濟和人們的生命財產(chǎn)[3]，所以深入了解雷暴天氣的環(huán)流背景、能量條件與閃電分布對雷暴預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)工作意義重大。諸多研究[4-7]指出，我國雷暴呈自南向北遞減趨勢，主要分布在東南及華南地區(qū)，其次是高原及鄰近地區(qū)[8-9]；何文等[10]研究發(fā)現(xiàn)雷電天氣出現(xiàn)時最顯著的特征是中高空常伴有干冷舌侵入低層暖濕區(qū)；俞小鼎等[11]指出雷暴往往在邊界層輻合線附近生成和加強；劉澤等[12]研究指出沙氏指數(shù)、抬升指數(shù)、K指數(shù)和對流有效位能等參數(shù)與雷暴強度有一定的相關(guān)性。此外，閃電是雷暴過程主要致災(zāi)因素之一。 GE， et al[13]和YAN， et al[14]發(fā)現(xiàn)，雷達回波強度和地閃頻數(shù)有很好的對應(yīng)關(guān)系， 隨著風暴的生消演變， 正、負閃電頻數(shù)呈現(xiàn)不同的變化特征；郄秀書等[15]發(fā)現(xiàn)負地閃發(fā)生于雷暴大于20 dBZ的強回波區(qū)或40 dBZ強回波邊緣，正地閃卻發(fā)生在相對較弱的回波區(qū)域；牛廣山等[16]指出負地閃一般出現(xiàn)在云頂亮溫最低的區(qū)域，閃電密集區(qū)并不完全和雷達強回波區(qū)相對應(yīng)。

由于強對流天氣過程以及雷電特征具有明顯的地域特征和個體差異，因此研究不同地區(qū)、不同類型的強對流過程十分必要[17-18]。內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊、地形復(fù)雜，是雷暴活動和雷電災(zāi)害發(fā)生較頻繁的省份之一，其雷暴天氣具有發(fā)生頻率高、分布范圍廣的特點[19]。以往對內(nèi)蒙古雷暴天氣的研究主要集中在雷暴活動的時空分布和特征分析等方面[20-22]，運用多種資料全面討論雷暴天氣過程的相關(guān)研究較少。因此，本文使用再分析資料、雷達衛(wèi)星資料以及閃電定位資料，對2019年7月27日發(fā)生在內(nèi)蒙古呼和浩特市的一次強雷暴天氣過程進行了環(huán)流形勢及物理量診斷的分析，并將雷達、衛(wèi)星資料與閃電定位資料結(jié)合分析了雷暴云及閃電活動的演變特征，以期加深對雷暴天氣的理解，為雷暴的潛勢預(yù)報提供理論依據(jù)，為防災(zāi)減災(zāi)和雷電預(yù)警工作提供科學參考。

1 資料

采用：(1)美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction， NCEP)NCEP-FNL再分析資料，每6 h一次，分辨率為0.25°×0.25°；(2)雷達資料由呼和浩特新一代天氣雷達觀測所得，該雷達站位于呼和浩特站(40°N，111.7°E)以北10 km，海拔高度為2 060 m，雷達波長為5 cm；(3)閃電定位資料源自內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局的ADTD閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前共有56個閃電定位儀，已覆蓋自治區(qū)全境，具體分布見圖1。系統(tǒng)采用時差測向混合地閃定位技術(shù)，每條定位數(shù)據(jù)包含日期、時間、緯度、經(jīng)度、強度、陡度等參數(shù)。研究表明電流強度小于10 kA時，閃電定位系統(tǒng)將云閃誤認為正地閃，因此將閃電資料中電流值小于10 kA的閃電數(shù)據(jù)剔除[23]；(4)衛(wèi)星資料來自新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星——FY-4A號衛(wèi)星，該衛(wèi)星于2016年12月11日成功發(fā)射，其輻射成像通道為14個，覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段，觀測時間分辨率提高一倍，它的運行大幅提升我國靜止軌道氣象衛(wèi)星探測水平[24]。

圖1 內(nèi)蒙古自治區(qū)ADTD系統(tǒng)閃電定位儀布網(wǎng)

2 天氣實況及環(huán)流形勢分析

2.1 天氣實況

2019年7月27日呼和浩特市及周邊地區(qū)出現(xiàn)強降水過程，該過程于27日10時(北京時，下同)從武川地區(qū)開始，由西北向東南逐漸影響呼和浩特市全境，直至19時降水基本結(jié)束。全市降水主要集中時段為12—18時，最大降水量出現(xiàn)在托克托縣伍什家鎮(zhèn)，24 h降水量達71.9 mm，最大雨強出現(xiàn)在該站的14—15時，為52.9 mm·h-1。伴隨降水，各站均出現(xiàn)不同程度雷暴大風天氣，最大風速達21.6 m·s-1，27日全天共發(fā)生閃電八千余次，其中大部分為負地閃，有5 800余次，最大閃電強度為1 750 kA。此次強對流過程范圍廣、強度大，致災(zāi)性強。

2.2 環(huán)流形勢分析

對不同高度的環(huán)流場進行分析發(fā)現(xiàn)，500 hPa高度上，2019年7月26日20時(圖略)，亞歐大陸中緯度地區(qū)呈現(xiàn)三槽兩脊的形勢，槽分別位于西西伯利亞至里海一帶，蒙古高原以及我國東北沿海地區(qū)。低壓中心位于貝加爾湖西南方向(45°～55°N，90°～100°E)，中心強度為564 dagpm，此次強雷暴過程主要受該低壓中心和蒙古高原高空槽影響。隨著時間的推移，槽脊和低壓中心隨西風帶向東移動，到2019年7月27日08時(圖2)，蒙古高原一帶的低壓槽到達內(nèi)蒙古中西部，呼和浩特地區(qū)處于槽前西南氣流控制中。結(jié)合圖2a、b可以看出，呼和浩特一帶處于上層西北干冷氣流和下層西南暖濕氣流匯聚的區(qū)域，有利于強對流天氣的發(fā)生。

圖2 2019年7月27日08時500 hPa(a)和700 hPa(b)位勢高度場(單位：dagpm)及風場的分布(黑色圓點為呼和浩特市)

3 物理量場分析

強雷暴的發(fā)生除了適宜的環(huán)流形勢以外，還與不穩(wěn)定的大氣層結(jié)、充足的水汽供應(yīng)和一定的動力抬升條件有關(guān)。其中，層結(jié)不穩(wěn)定場提供了能量條件，水汽供應(yīng)反映了水汽輸送過程，動力抬升條件則能夠直觀地反映對流的強弱[11]。

3.1 不穩(wěn)定條件分析

層結(jié)不穩(wěn)定是強對流天氣發(fā)生的基本條件，層結(jié)越不穩(wěn)定越有利于強雷暴的產(chǎn)生。可用于表征層結(jié)穩(wěn)定度的對流參數(shù)有很多，本文選取了K指數(shù)、對流有效位能(Convective Available Potential Energy， CAPE)和抬升指數(shù)(Lifted Index ，LI)進行分析討論，并在圖3中分別給出了它們在2019年7月27日08時和14時的水平分布情況。

K指數(shù)是反映大氣中潛在能量的參數(shù)，用于分析大氣層結(jié)穩(wěn)定情況，K指數(shù)越大，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，強對流天氣出現(xiàn)的概率越大[25]。研究指出，內(nèi)蒙古強對流天氣中K指數(shù)的閾值為30 ℃[26]。由圖3a可知，27日08時，呼和浩特一帶的K指數(shù)為35 ℃左右，大氣層結(jié)較為不穩(wěn)定，隨著時間的推移，14時K指數(shù)升至45 ℃以上，數(shù)值遠超過閾值，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，有利于強雷暴天氣的出現(xiàn)。

對流有效位能(CAPE)是大氣浮力不穩(wěn)定能，是可能轉(zhuǎn)化為對流上升運動的能量。一般來說，CAPE值越大，對流云內(nèi)部的上升氣流越強，對流強度越大[27]。27日08時，呼和浩特及其周邊的CAPE值在150～300 J·kg-1之間，不穩(wěn)定能量較弱，到14時(圖3d)，CAPE值升至1 050～1 350 J·kg-1，超過當?shù)貜妼α魈鞖獾拈撝礫28]，大氣層結(jié)積聚了大量的不穩(wěn)定能量，為強對流天氣的產(chǎn)生奠定了能量基礎(chǔ)。此外，抬升指數(shù)(LI)是指500 hPa高度的大氣環(huán)境溫度減去從地面抬升到500 hPa氣塊所具有的溫度，LI為負值時表示氣塊不穩(wěn)定，負值越大表示對應(yīng)的氣塊不穩(wěn)定能量越大，即出現(xiàn)對流的可能性越大。呼和浩特一帶在27日08時(圖3e)LI的值在-2～-1 ℃之間，低于該地區(qū)強對流天氣的閾值[26]，并且低值區(qū)在呼和浩特以西地區(qū)，隨著時間推移，LI的低值區(qū)東移，14時LI值在-4～-5 ℃之間(圖3f)，有利于強對流發(fā)生。

3.2 水汽條件分析

水汽的含量和垂直分布是影響風暴強度和結(jié)構(gòu)特征的一個重要因子，水汽條件往往能夠影響不穩(wěn)定能量的儲存與釋放。圖4給出了7月27日14時比濕沿41.2°N(圖3f中的黑色實線)的垂直剖面和同一時刻呼和浩特站的探空。可以看出，在強對流發(fā)生前，大氣層結(jié)呈現(xiàn)出上干下濕的不穩(wěn)定形勢，14時，近地面的比濕高達16 g·kg-1，比08時(圖略)高2 g·kg-1，大氣垂直方向的濕度梯度加大，即上干下濕的不穩(wěn)定性形勢加強。對呼和浩特單站14時的溫度—對數(shù)壓力(圖4b)進行分析也可得到相似的結(jié)論，在650 hPa以下，風向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，存在明顯的暖平流，500 hPa以上，風向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，表明高層存在冷平流，冷空氣的入侵會加劇大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性。此外，650～700 hPa大氣溫度和露點溫度非常接近，接近飽和，該層濕度條件較好，而在650 hPa以上大氣溫度和露點溫度線逐漸遠離，空氣濕度越來越小，即大氣中存在上干冷下暖濕的垂直分布，這有利于不穩(wěn)定能量的積聚，有利于強對流天氣的產(chǎn)生和發(fā)展。

圖4 (a)2019年7月27日14時比濕(單位：g·kg-1)沿41.2°N的垂直剖面分布；(b)呼和浩特站的探空

圖5為不同時刻水汽通量和水平風場在不同高度上的分布情況?？梢钥吹?，在500 hPa高度上，呼和浩特以西的水汽通量高值區(qū)通過西南氣流將水汽輸送到呼和浩特一帶，隨著時間的推移，風向轉(zhuǎn)為偏西風，且27日14時，呼和浩特在500 hPa高空的水汽通量為6～10 g·s-1·hPa-1·cm-1。850 hPa高度(圖5c、d)上，風向主要為南風和西南風，流場將河套平原以東黃河流域的水汽輸送至呼和浩特一帶，該地14時的水汽通量為10～14 g·s-1·hPa-1·cm-1，且風速較大，為強雷暴的產(chǎn)生和發(fā)展提供的充足的水汽。

圖5 2019年7月27日08時(a、c)和14時(b、d)水汽通量(單位：g·s-1·hPa-1·cm-1)和風場(單位：m·s-1)在500 hPa(a、b)和850 hPa(c、d)高度上的水平分布(紅色標記為呼和浩特市)

3.3 動力條件分析

在水汽和大氣不穩(wěn)定度滿足的條件下，有低層的輻合抬升運動容易引發(fā)強對流天氣。大氣的垂直運動能夠直接影響水汽的凝結(jié)及降水過程，也能夠提供水汽、熱量等物質(zhì)的垂直輸送，也有利于不穩(wěn)定能量的釋放[28]。圖6給出了2019年7月27日14時沿41.2°N繪制的垂直速度和散度的垂直剖面分布。可以看到，在強對流天氣發(fā)生前后(14時)，呼和浩特地區(qū)(110°46′～112°10′E)有深厚的垂直上升運動區(qū)，上升速度的中心位于600 hPa附近，中心速度為-2.5×10-3hPa·s-1(負值表示速度方向向上)，強烈的抬升運動利于強雷暴天氣的發(fā)生。此外，從散度的垂直剖面(圖6b)可以看出，呼和浩特一帶上空600 hPa以上散度值為0～8×10-5s-1，屬于輻散區(qū)域，600 hPa以下至地面為輻合區(qū)域，中心強度達-16×10-5s-1，中心高度位于850 hPa附近。低層輻合，高層輻散的結(jié)構(gòu)與強烈的上升運動相配合，為強雷暴天氣的產(chǎn)生提供了有利的動力條件。

圖6 2019年7月27日14時垂直速度(a，單位：10-3hPa·s-1)和散度(b，單位：10-5s-1)沿41.2°N垂直剖面分布

4 雷達衛(wèi)星及閃電資料分析

4.1 地閃特征分析

表1給出了2019年7月27日雷暴過程前后地閃頻次隨時間的變化。可以看出，閃電活動主要集中在13—18時，云團初生時期，地閃總數(shù)較小，其中負地閃數(shù)明顯大于正地閃數(shù)。隨著雷暴云的發(fā)展，地閃頻次大幅增多，尤其是正地閃數(shù)顯著增加，導致正負地閃比增大，但負地閃仍占主導地位。15∶00—15∶59時，雷暴云體開始進入消散階段，正地閃數(shù)進一步增加，甚至一度超過了負地閃數(shù)成為主導?？梢钥闯?，正、負地閃頻次的變化在雷暴不同發(fā)展階段存在較大差異。

表1 2019年7月27日地閃頻次的時間變化

4.2 雷達回波分布及其和閃電活動的關(guān)系

為了了解雷達回波和閃電活動的關(guān)系，圖7給出了此次雷暴過程中不同時刻雷達組合反射率和閃點定位資料的疊加?？紤]到文中選取的雷達回波時次不連續(xù)，為了能較充分地展現(xiàn)閃電活動的分布情況，每個時次雷達回波圖上疊加的閃電資料是該時次到選取的下一個時次時間段內(nèi)的總和。

從雷達回波的發(fā)展可以看出(圖略)，27日13∶10左右，呼和浩特雷達站西南處生成一片回波，最大回波強度達60 dBZ，隨后該回波向東北移動，與測站東南方向的雷達回波匯聚后共同發(fā)展，并于14∶05左右在測站以南(托克托縣及和林格爾縣北部)上空發(fā)展為一明顯的帶狀回波(圖7a)，其回波中心強度均在50 dBZ以上，最大達65 dBZ，導致呼和浩特一帶發(fā)生伴有雷電的強降水。隨著時間發(fā)展，帶狀回波逐漸向東移動并且強度逐漸減弱。此外，呼和浩特市北部地區(qū)上空也存在大片雷達回波，最大回波強度達50 dBZ以上，從西南向東北方向移動，導致呼和浩特北部強降水的發(fā)生。值得說明的是，由于此次雷暴過程穿過雷達所在位置，因為仰角問題無法探測到自身上方的雷暴云信息，導致測站上空回波較弱。通過分析可以看出，造成此次雷暴過程的對流回波范圍大，中心強度高，并且形成了有組織的帶狀回波。

圖7 2019年7月27日14∶05(a)、14∶19(b)、14∶33(c)、14∶47(d)、15∶15(e)、15∶36(f)雷達組合反射率與閃電活動的分布(+：正地閃；-：負地閃)

在雷暴發(fā)展階段(圖7a、b)，地閃主要以負地閃為主，主要分布在強回波中心兩側(cè)云砧處及層狀云區(qū)域，比如帶狀回波兩側(cè)有大量負地閃出現(xiàn)，對應(yīng)著雷達回波強度在30 dBZ以下的區(qū)域，正地閃很少，只是零星出現(xiàn)在負地閃附近。由于雷暴云的荷電結(jié)構(gòu)為下部是負電荷區(qū)，上部是正電荷區(qū)，在雷暴初生時，負電荷高度低，離地近，與大地間放電相對容易，所以負地閃頻次更多；而正電荷中心高度高，離地遠，相比之下與地面放電更困難，正地閃數(shù)就少[29]。沿著測站南側(cè)強對流回波中心作垂直剖面(圖8a)可以發(fā)現(xiàn)，雷暴在發(fā)展階段回波頂高可達15 km，強回波中心發(fā)展高度在8 km左右，回波強度最大值達50 dBZ，0 ℃層高度約為5.3 km，-20 ℃層高度約為8.3 km， 可以發(fā)現(xiàn)雷達回波大值區(qū)主要集中在-20～0 ℃層之間，說明該層存在著大量冰相粒子，冰晶和霰之間發(fā)生非感應(yīng)碰撞分離，導致正負電荷交換，即發(fā)生云內(nèi)起電過程，為閃電活動奠定基礎(chǔ)[30]。在雷暴成熟階段(圖7c、d)，地閃頻次較高，正地閃數(shù)量增加，但負地閃仍占絕對優(yōu)勢，負地閃主要分布在強對流回波區(qū)域，測站北部強回波區(qū)域前側(cè)的層狀云區(qū)也有大量負地閃分布，正地閃主要分布在對流系統(tǒng)前部回波強度梯度較大的區(qū)域。回波頂高降至13 km(圖8b)，強回波中心高度在5 km左右，即冰相粒子下沉至0 ℃層附近，導致云下部區(qū)域正電荷增多，為正地閃的發(fā)生提供了電荷源[31]。在雷暴消散階段(圖7e、f)，負地閃數(shù)量減少且稀疏分布于強回波的邊緣，正地閃比例迅速增大，占主導地位，且多出現(xiàn)在對流云頂向四周伸展的云砧以及層狀云區(qū)，這是由于攜帶正電荷的云砧對地放電導致[29]。

圖8 2019年7月27日14∶05(a)、14∶33(b)、15∶15(c)沿強回波中心的雷達反射率剖面

結(jié)合表1分析可得，在整個雷暴過程中，負地閃占主導地位，但正、負地閃在雷暴云不同發(fā)展階段的分布和比例不同，在雷暴發(fā)展及成熟階段，負地閃發(fā)生次數(shù)明顯多于正地閃，而在雷暴消散階段，正地閃頻數(shù)大幅增加，占主導地位。此外，閃電多分布于強回波區(qū)域，但閃電頻數(shù)最高的地方不一定與強回波中心相對應(yīng)，這與牛廣山等[16]和沈永海等[32]的研究結(jié)果保持一致。

4.3 衛(wèi)星和閃電資料分析

圖9給出了呼和浩特及其周邊地區(qū)在雷暴發(fā)展不同階段由風云四號衛(wèi)星觀測得到的云頂溫度和云頂相態(tài)的分布情況，同時在圖中疊加了閃電定位資料，每幅圖中疊加閃電資料的時間段是從該圖起始時次到下幅圖的起始時次。其中云頂相態(tài)CLP產(chǎn)品是FY-4A衛(wèi)星的L2級產(chǎn)品，是根據(jù)云的微物理結(jié)構(gòu)和熱力學性質(zhì)，利用不同類型和相態(tài)的云在4個可見光通道的有效吸收光學厚度比上的性質(zhì)不同，生成云頂相態(tài)產(chǎn)品，包括：暖(液態(tài))水相態(tài)、過冷水相態(tài)、混合相態(tài)和冰相態(tài)。

圖9 雷暴云不同發(fā)展階段云頂溫度(填色)、云頂相態(tài)(等值線)以及閃電活動的分布

云頂溫度和云頂相態(tài)可用來指示雷暴云的強中心，雷暴云發(fā)展越強的位置，上升氣流發(fā)展越旺盛，云頂?shù)奶叨仍礁撸l(wèi)星探測到的云頂溫度越低，云頂?shù)南鄳B(tài)也從液態(tài)逐漸變?yōu)楸鄳B(tài)。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，地閃的落區(qū)主要位于云頂溫度低于240 K的區(qū)域，即云頂高度較高，對流比較旺盛的區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)著的云頂相態(tài)為冰相和混合相。這是因為強雷暴中心上升運動發(fā)展旺盛，強烈的上升氣流給云的中上部提供豐富的過冷水，云中較大的冰相粒子(霰和軟雹)可通過凇附和凝華過程快速增長，導致更多的霰粒子與冰晶碰撞，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，觸發(fā)云中的起電機制，從而導致閃電活動的發(fā)生。正負地閃主要分布于對流旺盛區(qū)的邊緣地帶，有少部分地閃出現(xiàn)在強對流中心區(qū)域，雷暴不同發(fā)展階段正負地閃的分布不同，在雷暴發(fā)展及成熟階段，負地閃的分布較為密集且發(fā)生頻次多，正地閃的分布相對較為稀疏，在雷暴云消散階段地閃頻次減少，但其中正地閃所占比例增加，這與云中固態(tài)水成物粒子(霰粒子和雹)的沉降有關(guān)[33]。

5 結(jié)論

本文使用多種資料對2019年7月27日發(fā)生在呼和浩特的一次強雷暴過程進行分析。主要結(jié)論如下：

(1)本次雷暴過程主要受貝加爾湖低壓中心和蒙古高原高空槽東移的影響，冷暖空氣在呼和浩特上空匯聚，導致強雷暴天氣的發(fā)生。

(2)對物理量場的分析表明，本次過程發(fā)生前，呼和浩特一帶的不穩(wěn)定參數(shù)(如K指數(shù)、CAPE和LI值)均超過閾值，表明大氣層結(jié)中積聚了大量不穩(wěn)定能量；大氣中呈現(xiàn)上干冷下暖濕的不穩(wěn)定形勢，為雷暴天氣的發(fā)生提供了有利條件；在垂直方向上，低空輻合，高空輻散的結(jié)構(gòu)與強烈的上升運動相互配合，為雷暴發(fā)生提供了有利的動力條件。

(3)本次雷暴過程在呼和浩特南部產(chǎn)生了明顯的帶狀回波，給地面帶來了伴有雷電的強降水。在整個雷暴過程中，負地閃占主導地位，但雷暴的不同發(fā)展階段閃電活動的分布情況不同，在雷暴發(fā)展及成熟階段，負地閃發(fā)生次數(shù)明顯多于正地閃，而在雷暴消散階段，正地閃頻數(shù)大幅增加，占主導地位。此外，閃電多分布于強回波區(qū)域，但閃電頻數(shù)最高的地方不一定與強回波中心相對應(yīng)。

(4)地閃的落區(qū)主要位于云頂溫度低于240 K的區(qū)域，即云頂高度較高，對流比較旺盛的區(qū)域，對應(yīng)著的云頂相態(tài)為冰相和混合相。