一次东北冷涡天气过程雷电气象潜势条件诊断分析

（1 中国气象局气象干部培训学院辽宁分院，沈阳 110166；2 中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳 110166）

0 引言

雷电是中国东北地区频繁发生的自然灾害，据统计，雷电灾害已成为城市仅次于暴雨和台风灾害的第三大气象灾害[1-2]。雷电是在特定大气环境中发展起来的对流系统，为描述这种对流系统发生、发展的环境场特征，国内外研究者总结了大量物理意义明确的热力学、动力学、能量学参数，并将这些参数应用在对雷电天气的分析和潜势预报中。

高菊霞等[3]提出通过对两次强雷电过程的闪电特征、天气形势及物理量场分析发现：西太平洋副热带高压、西风槽是强雷电天气过程的直接影响系统，暴雨落区与闪电密集区对应较好，最强正闪出现在中层相对湿度大于50%的区域内，最强负闪出现时垂直上升运动较弱，雷电密度较大区域灾害明显。龚嘉锵等[4]用WRF模式对发生在南京市区的两次雷电过程进行了模拟，发现WRF模式高时空分辨率的特点，使得其对雷电发生前的气象要素资料的获取更加精确，可进一步地提高利用WRF模式进行雷电预警的效果。李君等[5]指出淄博市雷电天气形势特征分别为冷锋型雷电、高空槽（切变线）型雷电以及冷涡型雷电。许爱华等[6]发现高温高湿天气、层结异常不稳定、前倾槽结构、亮温区、强回波伸展高度、“逆风区”和“正速度快速增大区”等特征十分明显，是预报分析强雷电天气的着眼点。郜凌云等[7]发现辽宁省内陆城市雷暴活动与近地面气温、亚洲纬向和经向环流有关，沿海城市雷暴活动与对流层中低层的风场和高度场密切相关，雷暴日数的年际变化与西太平洋副热带高压脊线的位置密切相关。

而东北冷涡是东北地区的典型影响天气系统[8]，具有多发性和连续性特点，更是强对流天气的多发天气形势，也是经常出现雷电天气的典型天气形势。因此，从东北冷涡天气形势下雷电发生的潜势条件分析着手，研究东北冷涡天气形势下，雷电的产生条件和高发区域。

1 资料及方法

统计特征分析的历史资料使用1960—2010年常规气象观测资料；冷涡个例资料采用中国气象局下发的常规天气实况观测资料、欧洲中心数值预报资料及NCEP再分析资料，时间2002年7月11—14日，2005年7月9—13日，2017年4月22—25日。

东北冷涡（NECV）的定义采用孙力等[9]的标准，即东北冷涡是500 hPa天气图上，115°—145°E、35°—60°N 范围内有闭合等高线，配合有冷中心或冷槽，能够持续维持3 d或3 d以上的低压环流系统。

采用天气学分析方法对发生雷电的东北冷涡天气形势进行分析，寻找冷涡天气发生雷电的机理原因；采用诊断分析方法，研究了冷涡背景下各物理量场与雷电发生的密切关系；利用中尺度分析方法，寻找对流不稳定即雷电的高发区域。

2 东北冷涡对流不稳定潜势分析

2.1 东北冷涡天气特点

东北冷涡具有明显的对流不稳定能量，突发性强对流，带来雷电、大风、冰雹等。陈长胜[10]在《初夏两次东北冷涡强对流天气对比分析》中提到东北的雷暴日数由冷涡引发的最多，64%的飑线与冷涡过程有关，冷涡降雹占东北总降雹日数近一半。对1960—2010年5—9月发生在辽宁省的东北冷涡天气过程进行统计分析（图1），共出现417次冷涡过程，平均每年出现8.3次冷涡过程，这50年气候倾向趋势不明显。另外，从地面实况资料可知冷涡对流有明显日变化，多发生在午后到前半夜，雷暴也对应发生在这个时间段，这与陈力强等[8]在2008年研究的冷涡过程中对流有效位能的日变化表现一致（图略）。冷涡还经常产生局地暴雨，占总数的22%；区域性暴雨较少，仅占7%；未出现过大范围特大暴雨。

图1 东北冷涡年际变化及年频次Fig. 1 Interannual variation of frequency of the northeast cold pool

2.2 东北冷涡雷电对流不稳定潜势分析

东北冷涡是阻塞系统的切断低压，所以东北冷涡天气系统的结构和温度层结与切断低压相似。陈力强等[8]对2002年7月12日东北冷涡天气过程进行数值模拟，发现东北冷涡天气系统中，高层暖异常，中层冷异常，在对流层上部形成稳定层结，但随着高度降低，低层增温，形成了中低层的低稳定区，冷涡在中高层对应较强位涡为强对流的发生提供了潜在条件。这个研究结果与切断低压的结构非常相似，在东北冷涡过程中具有普遍规律。另外，东北冷涡前部为上升气流，后部为下沉气流，雷电等强对流天气易出现在东部或北部，在那里中层正涡度可以在低层产生环流，该环流可以带来暖湿气流，为雷电的发生储存了能量。由于东北地处中高纬，加之极锋急流和副热带急流的季节变化易形成阻塞系统。东北三面环山、中间平原的地形以及海陆交界的分布使阻塞系统的切断低压易在东北地区维持。阻塞系统的持续性导致了东北冷涡的持续性。由于冷涡持续时间长，雷电发生的时间也相对较长。

通过对2005年7月8—14日的东北冷涡过程进行分析，发现冷涡的对流不稳定能量有明显阶段性（图2）。发展阶段结构接近温带气旋，地面气旋湿斜压不稳定发展是降水产生的机制；成熟阶段受太阳辐射影响，以分散性局地对流降水为主。冷涡的不同发展阶段均可对应不稳定能量区，但其分布有较大差异，发展阶段不稳定能量区分布于离冷涡中心较远的东南部；成熟期位于接近冷涡中心东南部；减弱期位于冷涡减弱形成的低压槽中。

东北冷涡生命期对流不稳定能量的变化，在冷涡的各发展阶段中高层冷空气条件（一般为700～400 hPa）在冷涡环流区都基本具备，冷涡各部位最主要的差别在于大气底层的湿度条件，其次是温度条件。对2005年7月8—14日东北冷涡过程进行分析，发现对流不稳定能量的积累是一个较长的过程，在冷涡的发展期能量一直在累积，能量达到最大，在成熟期能量的释放是一个短暂的过程，不足1 h，非常剧烈，因此往往发生雷电。不稳定能量的积累和释放过程不稳定参数的变化如表1所示。

图2 2005年7月9—13日500 hPa高度（实线）及对流有效位能（虚线）：（a）9日08时发展阶段，（b）10日08时成熟阶段，（c）10日20时减弱阶段，（d）13日20时减弱阶段Fig. 2 500hPa height (solid line) and convective effective potential energy (dashed line) for July 9-13, 2005 (a. at 08:00 on July 9, the development stage; b. at 08:00 on July 10, the maturity stage; c. at 20:00 on July 10, the weakening stage; d. at 20:00 on July 13, the weakening stage)

表1 2005年7月10日不稳定参数的变化Table 1 Changes of unstable parameters on July 10, 2005

3 东北冷涡个例雷电天气潜势分析

选取2017年4月22—25日东北冷涡背景下雷电天气个例，从环流形势、云图特征和雷电潜势条件等方面进行了分析。

3.1 环流形势分析

2017年4月22日08时，低涡中心位于贝加尔湖北部，低涡东南部的高空槽位于东北地区西北部，东北地区中部被高压脊控制，到了20时，东北地区西北部的高空槽加强发展成东北冷涡。如图3所示，2017年4月23日08时，500 hPa环流及温度场东北冷涡中心位于内蒙古以北地区，强度达到528dgpm，此时温度槽位于高度中心的后部，中心最低气温达-32℃，是冷涡的发展阶段，冷中心落后高度中心，此时东北地区位于冷涡的东南部，天气相对稳定。到了23日20时，冷涡中心东移南压，冷涡冷中心与高度中心重合，冷涡进入成熟阶段，此时在冷涡的东南部由于暖湿空气的爬升受到深厚的冷涡冷空气的阻挡，在垂直方向上强烈抬升，容易触发对流不稳定能量，产生雷电天气。24日08时开始东北冷涡缓慢向偏东方向移动，中心强度略有减弱，25日20时东北冷涡中心移至黑龙江东北部，26日移出东北地区。

图3 2017年4月23日（a）08时，（b） 20时500 hPa环流及温度场Fig. 3 500 hPa circulation and temperature field on April 23, 2017 (a. 8:00, b. 20:00)

3.2 云图特征分析

2017年4月22日17时冷涡处于发展阶段，如图4a云图呈现逗点形状，配合地面存在气旋，伴有冷锋和暖锋，冷涡中心西侧出现中到大雪，东侧出现阵雨，为稳定性锋面降水，此时没有雷电现象。23日08时（图4b），冷涡仍然处于发展阶段，逗点云系较前期相比，变得浅薄，降水范围扩大至逗点云系的尾部，冷涡的东部和东南部都出现了小雨到中雨，仍为稳定性的锋面降水，没有雷电产生。23日20时，冷涡发展到成熟阶段后，地面气旋中心与500 hPa高空冷涡中心接近重合，降水范围继续扩大发散，降水强度增加。24日02时（图4c）冷涡云系变得分散，在冷涡东南方向新生成许多对流云，此时从大连地区开始发生雷电，雷电范围逐渐扩大到丹东、营口、葫芦岛、辽阳、鞍山和本溪地区，随着对流云发展，在24日03—05时雷电又出现在黑龙江大庆、吉林松原、浑江和通化地区，辽宁和吉林地区的雷电在上午10时左右结束，黑龙江地区的雷电持续到17时，如图4d所示，24日08—17时雷电发生在吉林通化、松原、黑龙江绥化、黑河、齐齐哈尔、伊春以及哈尔滨地区。25日08时冷涡成熟阶段，云系最强区域远离冷涡中心，辽宁降水结束，降水范围北收，强度减弱，多阵雨。25日14时冷涡开始减弱，雷电从11时左右再次出现（图4e），主要发生在吉林的长春、吉林市、延边、浑江和黑龙江的鸡西、鹤岗、佳木斯、双鸭山、大庆、哈尔滨及牡丹江地区，午后14—15时雷电频次最高，18时雷电结束。26日14时冷涡减弱阶段，冷涡已经东移出东北地区，只有残留云系，但仍然有阵雨，26日凌晨和下午黑龙江和吉林的局部地区出现少量雷电（图4f）。

3.3 雷电潜势条件中尺度分析

利用中尺度分析的方法分析本次雷电发生的潜势条件。此次过程24日降水量最大，也是雷电发生范围和频次最大的一天，利用2017年4月24日08时的探空资料进行分析。在500 hPa内蒙古东部有温度冷槽，华北地区有西北急流，850 hPa辽宁东部有低空西南急流，并有温度暖脊，高低空冷暖空气在东北地区交汇，上冷下暖温度层结激发不稳定条件。从700 hPa垂直运动条件看，在东北地区有较强的上升运动，在内蒙古东部冷空气控制区域有下沉运动，雷电一般发生在垂直运动上升区，这个区域也是成云致雨的区域。图5a中橙色线为850 hPa水汽通量，数字为850 hPa比湿＞3g/kg，阴影为850 hPa相对湿度＞70%，从多个表征水汽的物理量特征参数重合的区域可以判断出潜势能量最大的区域，图5b阴影为降水落区，深绿色＞10 mm，但是此次过程水汽条件不能满足暴雨条件，实况也是属于中雨量级，产生的对流强度相对也不大，因此更难判断雷电发生区域。图4中雷电的实际发生区域与图5b中雨落区一致，在这里无论是水汽还是上升运动条件都是最有利于形成雷电云的，但是黑龙江和吉林西部的雷电在图5中与各物理量对应并不是很好，中尺度分析也可能会漏掉雷电潜势区域。图6给出了4月24日08时的K指数分布，可以看到东北地区的K指数值并不是很大，吉林和辽宁的中东部有一定的不稳定能量，K指数为24，与雷电的区域对应。另外，这次过程早上08时对流有效位能较弱，以上分析是基于08时的探空，不是能量积累最强的时刻，雷电多发生在凌晨和下午，因此分析有一定局限性，但对于短临雷电潜势预报有一定指示意义。

图4 2017年4月22日17时—26日14时冷涡红外云图特征（紫色线为地面气压场，绿色为现在天气和6 h降水量，+代表雷电）（a）22日17时，（b）23日08时，（c）24日02时，（d）24日14时，（e）25日14时，（f） 26日14时）Fig. 4 The cold vortex cloud (purple line represents surface pressure field, green line represents current weather and 6-hour precipitation, + represents lightning) from 17:00 on April 22, 2017 to 14:00 on April 26, 2017 (a. 17:00 on Apr 22;b. 08:00 on Apr 23; c. 02:00 on Apr 24; d. 14:00 on Apr 24; e. 14:00 on Apr 25; f. 14:00 on Apr 26)

图5 2017年4月24日08时雷电发生条件中尺度分析（a）及中尺度分析叠加降水落区（b）Fig. 5 Mesoscale analysis of lightning occurrence conditions on Apr 24, 2017

图6 2017年4月24日08时K指数分布Fig. 6 The K index distribution at 08:00 on April 24, 2017

4 结论

采用统计结果和个例分析相结合的方法，对东北冷涡产生雷电的气象潜势条件进行分析，得出以下结论。

东北冷涡具有明显的对流不稳定能量，易带来雷电天气，由于冷涡对流有明显日变化，多发生在午后到凌晨，雷电也多发生在午后到凌晨。东北冷涡对流不稳定能量有明显阶段性，发展阶段以稳定性锋面降水为主，此时一般没有雷电，成熟阶段受太阳辐射影响，以分散性局地对流降水为主，此时雷电活动开始频繁，能够一直持续到减弱阶段。

本次个例中雷电主要发生东北冷涡东部和东南部，尤其是对流云生成的区域。通过中尺度分析可以判断雷电潜势，本次个例中700 hPa有较强上升运动，850 hPa比湿＞3 g/kg，相对湿度＞70%，有中等强度降水，上述条件重合的区域可以判断出潜势能量最大的区域，对应雷电发生区。