隴東兩類夏季雷暴的活動特征及影響因素分析

曹彥超，韓 晶，路亞奇，楊智強

（慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000）

雷暴是積雨云云中、云間或云地之間的放電現(xiàn)象，其瞬時高電壓、大電流和強電磁輻射等物理效應(yīng)對建筑、電力、林業(yè)和交通等行業(yè)造成了嚴重威脅[1-3]。 據(jù)統(tǒng)計，全球因雷暴造成的直接損失超過10億美元[4-6]，雷暴的活動特征和環(huán)境條件分析對預(yù)防雷暴災(zāi)害具有重要意義。

近些年來， 關(guān)于雷暴的研究主要集中在雷暴日數(shù)的時空分布及相關(guān)物理量分析[7-9]。 鞏崇水等[10]發(fā)現(xiàn)中國年均雷暴日數(shù)的地理分布可分為東南高發(fā)區(qū)、西南高發(fā)區(qū)、東北次高區(qū)和西北低發(fā)區(qū)，雷暴夏季多、冬季少。 王寶鑒等[11]認為1991—2011 年甘肅進入少雷暴期， 其中夏季雷暴日數(shù)減少的趨勢最為明顯。 楊曉霞等[12]對比分析了山東內(nèi)陸和半島雷暴大風的環(huán)境物理量特征，認為溫、濕等氣候差異是造成環(huán)境物理量差異的主要原因。 柳志慧等[13]根據(jù)環(huán)流特征將雷暴分為巴爾喀什湖低槽型、急流型、西北氣流型和溫度槽型， 通過指數(shù)判斷和定量化入型進行過程預(yù)報。王延慧等[14]根據(jù)地閃密度、地閃強度等10 個影響因子建立了新疆雷電災(zāi)害風險區(qū)劃模型。同時也有研究表明， 地形和地貌是影響雷暴空間分布的主要因子[15-19]。 但對雷暴等中小尺度強對流天氣的變化規(guī)律研究仍顯不足。

隴東位于甘肅省最東部黃土高原地帶， 轄平?jīng)鍪袞|部和慶陽市共12 個縣（區(qū)），東倚子午嶺，北靠羊圈山，西接六盤山[20]，雷暴空間分布差異大，年際變化也非常明顯。 為了解隴東雷暴的活動特征及影響因素，利用2009—2018 年臺站觀測資料，對隴東出現(xiàn)次數(shù)最多的兩類夏季雷暴時空分布特征進行統(tǒng)計，并分析了地形、環(huán)境物理量和環(huán)流形勢等環(huán)境條件對這兩類雷暴變化的影響。

1 研究區(qū)概況

隴東平均每年出現(xiàn)44.1 次雷暴過程，其中46%影響范圍超過3 站。東南部的正寧雷暴日數(shù)最多，年平均為23.6 d，西南部的鎮(zhèn)原最少，只有18.8 d。 正寧、慶城和環(huán)縣是雷暴頻率最高的區(qū)域，分布在東南至西北的狹長地帶， 東北和西南兩側(cè)明顯較少（圖1）。 夏季雷暴占全年總雷暴日數(shù)的68.5%～74.7%。

圖1 隴東年均雷暴日數(shù)空間分布（單位：d）

2 資料與方法

雷暴觀測數(shù)據(jù)使用西峰、環(huán)縣、華池、慶城、鎮(zhèn)原、合水、寧縣和正寧8 個基本氣象站的人工觀測資料， 其中2009—2013 年取自全球地面天氣報，2014—2018 年取自WS 重要天氣報。 平均場分析使用水平分辨率為0.25°×0.25°的ECMWF-ERA5 再分析資料， 植被覆蓋率使用中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺的2018 年中國年度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集。

將36°N 以南定義為隴東南部， 包括西峰、鎮(zhèn)原、合水、寧縣、正寧5 站，36°N 以北定義為隴東北部，包括環(huán)縣、華池、慶城3 站；6—8 月定義為夏季；24 h（20—20 時）內(nèi)某測站出現(xiàn)雷暴，該站記錄一個雷暴日；隴東全境任意測站出現(xiàn)雷暴，記錄一次雷暴過程；日降水量不足5 mm 定義當日雷暴為干雷暴。

所用物理量包括700 和500 hPa 的相對濕度（RH700、RH500，單位：%）、經(jīng)向風分量（v700、v500，單位：m/s）、700 與500 hPa 溫差（△T75，單位：℃）、500 hPa 24 h 變溫（△T24， 單位：℃）、850 hPa 溫度（T850，單位：℃）、K 指數(shù)（K，單位：℃）、700 hPa 比濕（q700，單位：g/kg）、對流有效位能（CAPE，單位：J/kg）、總指數(shù)（TT，單位：℃）、2 m 溫度距平（TJP，單位：℃）。

顯著性是雷暴發(fā)生臨近時刻某個對流參數(shù)值與其對應(yīng)時段的氣候平均值的差， 用來表示其相對于當月氣候平均值變化的顯著性[21]，計算方法如下：

式中，x'為無量綱后的值，xi為第i 次觀測值，Maxxi為排除野值后的觀測量極大值。

3結(jié)果與分析

3.1 雷暴類型

2009—2018 年共出現(xiàn)275 次夏季雷暴過程，根據(jù)環(huán)流背景進行歸類分析， 其中249 次具有明顯的偏北氣流型或低槽影響型雷暴特征， 占夏季雷暴總次數(shù)的90.5%，其他類型的雷暴所占比例不足10%。

3.1.1 偏北氣流型

偏北氣流型雷暴共出現(xiàn)165 次， 占夏季雷暴的60%，以分散性干雷暴為主。 500 hPa 中緯地區(qū)為西高東低的環(huán)流形勢（圖2a）， 東北地區(qū)多有冷渦發(fā)展，貝加爾湖至隴東地區(qū)受明顯偏北氣流控制，高空冷平流強盛，△T24超過-3 ℃。 低空700 hPa 至近地面有偏南氣流發(fā)展，并伴有0～2℃正變溫。 高、低空氣溫和溫度平流的明顯差異使大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定，地形抬升和超低空的風速輻合、 風向切變均能觸發(fā)對流天氣。 個例分析表明，TJP、△T75、△T24和K 指數(shù)的顯著性平均值超過0.5（表1），說明雷暴日大氣層結(jié)不穩(wěn)定度高，其中地面氣溫、垂直溫差和高空冷平流強度起到主導(dǎo)作用。

表1 雷暴個例日物理量顯著性特征均值

3.1.2 低槽影響型

低槽影響型雷暴共出現(xiàn)84 次， 占夏季雷暴的30.5%， 其影響范圍廣， 且多伴有明顯降水過程。500 hPa 甘肅河?xùn)|有西風帶低槽東移， 隴東位于槽前（圖2b）。700 hPa 有低空急流發(fā)展，冷暖空氣交匯形成經(jīng)向切變線，切變線前部RH700在80%以上，并有0～2 ℃的正變溫。 低空強盛的暖濕輸送使大氣趨于不穩(wěn)定，并積聚了大量不穩(wěn)定能量，槽前正渦度平流和低空風切變動力抬升不穩(wěn)定大氣， 產(chǎn)生雷暴和降水過程。 個例分析表明，TJP、q700、TT、K 指數(shù)和CAPE 的顯著性平均值超過0.5，說明雷暴日大氣不穩(wěn)定度高，其中低空溫度、濕度和不穩(wěn)定能量是主導(dǎo)因素。

圖2 偏北氣流型（a）、低槽影響型（b）兩種雷暴中尺度模型

3.2 雷暴日數(shù)月變化

隴東多數(shù)站點夏季雷暴日數(shù)為單峰分布，7 月明顯多于6、8 月， 單月平均最大值出現(xiàn)在正寧的8月，為5.6 d，最小值出現(xiàn)在鎮(zhèn)原的8 月，為2.4 d（圖3）。 低槽影響型雷暴日數(shù)的月變化與總數(shù)的變化規(guī)律明顯不同，其站點平均值為逐月增加的趨勢，最大值出現(xiàn)在8 月， 并且每個月北部地區(qū)發(fā)生頻率均高于南部地區(qū)。 偏北氣流型雷暴日數(shù)的月變化與總數(shù)的變化規(guī)律非常相似， 除西峰外多數(shù)站點為單峰分布，最大值出現(xiàn)在7 月，其中6、7 月北部地區(qū)發(fā)生頻率多于南部地區(qū)，8 月略少于南部地區(qū)。偏北氣流型雷暴日數(shù)整體多于低槽影響型， 南部地區(qū)6、7、8 月偏北氣流型雷暴日數(shù)所占比例分別為65.5%、63.7%和57.2%， 所占比例逐月下降， 北部地區(qū)則分別為63.4%、69.8%和50.9%，7 月所占比例最高，8 月環(huán)縣、 慶城和鎮(zhèn)原3 站偏北氣流型雷暴發(fā)生頻率迅速降低，所占比例減少至50%以下。

圖3 6—8 月隴東雷暴分布特征

3.3 雷暴日數(shù)年變化

對2009—2018 年兩類雷暴的日數(shù)進行站點間兩兩相似性分析，每個月每類雷暴共需要進行28 次對比。結(jié)果顯示，6、7 月兩類雷暴相關(guān)系數(shù)，高于0.4所占比例均超過80%，各站雷暴日數(shù)的年際變化趨勢一致性非常高。 8 月偏北氣流型雷暴站點間相關(guān)系數(shù)低于0.4 的占21.4%，其中2009—2014 年分布較混亂，2014—2018 年變化趨勢趨于一致； 低槽影響型雷暴相關(guān)系數(shù)低于0.4 的達到71.4%， 站點間差異最大。

夏季各月的年均雷暴日數(shù)均有明顯的變化周期。 2010、2013 和2017 年的6 月，2011、2015 和2017 年的7 月，2010、2015 和2018 年的8 月偏北氣流型雷暴日數(shù)達到峰值，變化周期為3～4 a。2012 和2017 年的6 月，2011、2013 和2018 年的7 月，2009、2013、2015 和2018 年的8 月是低槽影響型雷暴日數(shù)的峰值，變化周期為3～4 a（圖4）。 7、8 月雷暴日數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.58，變化趨勢和波動周長相對接近，與6 月差異較大。 6、7、8 月偏北氣流型雷暴各年日數(shù)的標準差分別為1.9、2.2、1.7 d， 低槽影響型分別為0.8、0.8、0.6 d， 低槽影響型雷暴的年際變化幅度明顯小于偏北氣流型。

圖4 隴東雷暴年際分布特征

3.4 環(huán)境影響因素分析

3.4.1 物理量氣候因素

圖5 給出了夏季6 種物理量在35°～37.25°N 的旬平均值隨緯度—時間的變化情況， 格點值為旬內(nèi)每個時次當前緯度106°～108.75°E 相應(yīng)ECMWFERA5 資料的平均值。 6 月上旬K 指數(shù)在30 ℃以下，v700為偏北風，濕度條件較差、大氣穩(wěn)定性較強，低槽影響型雷暴發(fā)生頻率低。6 月中旬v700由北風轉(zhuǎn)為南風， 到7 月中下旬發(fā)展到最強， 平均風速超過2.5 m/s，進入8 月后逐漸降低至2 m/s 以下。 對流層低層的偏南風攜帶著大量的水汽， 也伴隨著能量的輸送，7 月上旬和8 月中下旬700 hPa 隴東南部地區(qū)RH700出現(xiàn)了70%以上極大值， 北部地區(qū)相對較差，但也同時達到了濕度條件的峰值，K 指數(shù)在7 月下旬至8 月上中旬達到了36 ℃以上的極大值。8 月上中旬大氣不穩(wěn)定度和低空濕度均發(fā)展到最強盛的階段，v500逐漸轉(zhuǎn)為北風后， 西風帶槽系活動趨于頻繁，低槽影響型雷暴發(fā)生頻率達到峰值。

圖5 106°～108.75°E 平均旬物理量緯度—時間剖面

7 月下旬之前， 隴東大部分地區(qū)v500以1.2 m/s以上的偏北風為主， 強盛的偏北氣流有利于高空冷平流的發(fā)展，6 月下旬和7 月中旬各緯度的垂直溫度差△T75同時達到最大值， 北部地區(qū)最大可達12.8 ℃以上，大氣的熱力不穩(wěn)定度明顯上升。由于隴東地區(qū)位于黃土高原高海拔地區(qū)，850 hPa 高度已經(jīng)接近地面， 因此可以用850 hPa 溫度的變化近似表示近地面溫度的變化。 7 月中旬隴東大部T850超過25.8 ℃，偏北氣流型雷暴發(fā)生頻率達到峰值。 由于6、7 月北部地區(qū)的△T75和T850均明顯高于南部，北部地區(qū)發(fā)生偏北氣流型雷暴發(fā)生頻率明顯高于南部地區(qū)。 8 月中旬開始，T75和T850迅速下降，偏北氣流型雷暴出現(xiàn)的頻率也隨之出現(xiàn)了斷崖式的下降，使8 月成為偏北氣流型雷暴出現(xiàn)頻率最低、 所占比例也最低的月份。

對隴東（35°～37.25°N，106°～108.75° E）范圍內(nèi)所有格點物理量平均值進行逐月逐年統(tǒng)計。 結(jié)果顯示，6、7 月偏北氣流型雷暴日數(shù)與T850、v500呈明顯負相關(guān)，與△T75呈明顯正相關(guān)（表2），這和個例統(tǒng)計結(jié)果一致。 與RH850為明顯負相關(guān)，原因可能是天氣干燥時云系相對較少， 陽光直射地表使近地面大氣迅速升溫，有利于偏北氣流型雷暴的發(fā)生。7 月偏北氣流型雷暴日數(shù)與RH500和v700也為負相關(guān)，這也與晴空有利地面升溫有關(guān)。 6、7 月低槽影響型雷暴日數(shù)與RH500和v700為明顯正相關(guān)，和個例統(tǒng)計結(jié)果一致。 7 月低槽影響型雷暴日數(shù)還與RH500和v700呈明顯正相關(guān)，與△T75呈明顯負相關(guān)，這是因為7 月南風急流強盛， 高能暖平流和濕層厚度發(fā)展的高度較高，低槽東移激發(fā)能量產(chǎn)生雷暴，并伴隨暴雨等明顯降水過程。 8 月偏北氣流型雷暴和低槽影響型雷暴與挑選的任何物理量相關(guān)性絕對值均≤0.4，原因是西太平洋副熱帶高壓脊線北抬至30°N 后，隴東850 hPa 平均相對濕度高達66.7%， 平均溫度為21.2 ℃，平均垂直速度為-0.04 m/s，潮濕高溫且以上升氣流為主的低空環(huán)境有利于對流天氣的發(fā)展，地形抬升、 局地受熱不均等不可控因素引發(fā)雷暴的比重上升，雷暴的局地性明顯加強，各項物理量對雷暴預(yù)報的敏感度都不高。

表2 夏季雷暴日數(shù)與物理量的相關(guān)關(guān)系

3.4.2 地形地貌小氣候因素

地形地貌對雷暴的分布有不可忽視的作用。 隴東東臨子午嶺林區(qū)， 植被的蒸騰作用使林區(qū)成為區(qū)域內(nèi)高濕中心，700 hPa 平均相對濕度超過66.2%，同時對大氣垂直運動和潛熱通量的發(fā)展非常有利[22]。低槽影響型雷暴對穩(wěn)定度因子和濕度敏感，正寧測站距離子午嶺林區(qū)不足20 km（圖6），林區(qū)氣候的影響使正寧成為雷暴高發(fā)中心。 隴東中北部地區(qū)屬半干旱氣候，植被覆蓋率低，裸露的地表使白天迅速升溫，慶城縣及其以北的子午嶺以西、馬家大山以東地區(qū)出現(xiàn)了明顯的地面日均最高氣溫高值區(qū)，其中慶城站平均氣溫為28.4 ℃，比整個區(qū)域站平均值偏高1.1 ℃。 偏北氣流型雷暴對地面溫度敏感度高， 慶城站雷暴頻繁發(fā)生與白天的高溫天氣密切相關(guān)。由于慶城站位于馬蓮河與蒲河交匯處，平均相對濕度為65.4%， 對低槽影響型雷暴的發(fā)生也較為有利。 環(huán)縣屬干旱氣候，植被覆蓋率不足0.35，相對濕度在63%以下，北部地區(qū)低于60%，不利于低槽影響型雷暴的發(fā)生。但由于境內(nèi)以丘陵、山脈和川道為主要構(gòu)成地形，環(huán)縣測站海拔高度為1 256 m，其西側(cè)馬家大山最高可達2 089 m， 地形復(fù)雜且垂直落差大，地形抬升條件良好[23]，由于測站處于中部高溫區(qū)邊緣，比區(qū)域內(nèi)站點最高平均氣溫偏高0.9 ℃，較高的氣溫和地形強迫使偏北氣流型雷暴發(fā)生頻率較高。

圖6 隴東地區(qū)地形（a）、植被覆蓋率（b）、700 hPa 相對濕度（c）及平均最高氣溫（d）分布

4 結(jié)論

利用ECMWF-ERA5 再分析資料及常規(guī)觀測資料分析了甘肅隴東2009—2018 年夏季雷暴活動特征，同時篩選對雷暴活動影響顯著的物理量因子，結(jié)合地形及植被覆蓋率對影響雷暴時空分布變化的環(huán)境條件進行討論，得出以下結(jié)論：

（1）隴東年均雷暴日數(shù)為18.8～23.6 d，其中夏季雷暴占全年雷暴日數(shù)的68.5%～74.7%， 年均雷暴日數(shù)超過22 d 的高發(fā)區(qū)主要分布在東南至西北的狹長地帶。

（2）根據(jù)500 hPa 環(huán)流特征，隴東雷暴主要分為偏北氣流型和低槽影響型。 偏北氣流型占夏季雷暴日數(shù)的60%，以分散型干雷暴為主，天氣特征為西高東低的環(huán)流形勢，較大的垂直溫差、高空冷平流強度和近地面高溫對雷暴發(fā)生具有顯著影響； 低槽影響型占夏季雷暴日數(shù)的30.5%， 多伴有明顯降水過程，天氣特征為西風帶低槽東移，較高的低空溫度、濕度和較強的不穩(wěn)定能量具有顯著影響。

（3）夏季雷暴總?cè)諗?shù)為單峰分布，7 月發(fā)生頻率最高，其中低槽影響型雷暴日數(shù)呈逐月增加趨勢，最大值出現(xiàn)在8 月，偏北氣流型雷暴日數(shù)為單峰分布，最大值出現(xiàn)在7 月。 這兩種類型的雷暴更容易出現(xiàn)在隴東北部地區(qū)。 偏北氣流型雷暴日數(shù)整體多于低槽影響型， 其中南部地區(qū)偏北氣流型雷暴日數(shù)所占比例6 月最高，逐月遞減；北部地區(qū)7 月比例最高，8月最低。

（4）各站雷暴日數(shù)年際變化趨勢在6、7 月一致性較高，8 月差異較大。 月雷暴日數(shù)有3～5 a 的變化周期，其中7、8 月同步性較好，與6 月有較大偏差。偏北氣流型雷暴日數(shù)的年際變化幅度明顯大于低槽影響型。

（5）雷暴的月變化與主導(dǎo)因素物理量的月變化以及緯度差異明顯相關(guān)。 6、7 月偏北氣流型雷暴日數(shù)的年變化與T850、v500和RH850等物理量呈負相關(guān)，與△T75呈正相關(guān)； 低槽影響型雷暴日數(shù)與RH850和v700等物理量呈正相關(guān)。 8 月沒有與兩類雷暴日數(shù)相關(guān)性較好的物理量。

（6）正寧受子午嶺林區(qū)影響顯著，氣候濕潤、空氣垂直運動發(fā)展旺盛，有利于低槽東移型雷暴發(fā)生發(fā)展；受氣候干旱、植被覆蓋率低影響，隴東中部地區(qū)平均最高氣溫出現(xiàn)高值區(qū)， 慶城最高氣溫偏高1.1 ℃，有利于偏北氣流型雷暴的發(fā)展，同時，由于河流過境，濕度條件相對較好，對低槽影響型雷暴發(fā)生也較為有利；環(huán)縣屬干旱氣候，濕度條件差，不利于低槽影響型雷暴發(fā)展，但地形復(fù)雜、垂直落差大，抬升條件好，最高氣溫高，有利于偏北氣流型雷暴發(fā)生發(fā)展。