甘肃庆阳近30年雷暴气候特征分析

曹彦超,韩 晶,张秉政

(庆阳市气象局,甘肃 庆阳 745000)

雷暴指积雨云中、云间或云地之间产生的放电现象,同时也指产生这种现象的天气系统。雷暴一般伴有阵雨,而强雷暴则可能伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷风等天气现象,属于一种常见的灾害性天气现象。巩崇水等[1]对1981—2010年中国雷暴过程进行了统计分析,认为以105°E、35°N为界,中国雷暴可分为4个区域,庆阳市地处甘肃省最东部,介于106°20′～108°45′E与35°15′～37°10′N之间,位于东北区的西南角,处于4个象限交界处附近,雷暴特征相对复杂。罗正海等[2]、艾力·买买提明等[3]分别对东南沿海的汕头市和新疆地区的阿克苏地区的雷暴气候特征做了分析,已有文献对北方雷暴的研究相对较少,对庆阳市雷暴气候特征的分析更少。

庆阳市辖西峰、环县、华池、庆城、镇原、合水、宁县、正宁8个县(区),东倚午岭,北靠羊圈山,地形北高南低,海拔在885～2 082 m之间,中南部为黄土高原沟壑区,北部为黄土丘陵沟壑区,东部为黄土丘陵区,山、川、塬兼有,沟、峁、梁相间。庆阳市自东南向西北依次跨越了半湿润、半干旱以及干旱3个气候区。许多学者[4-7]认为地形和气候对雷暴发生有明显的影响。复杂的地形使庆阳市雷暴发生频率较高,年雷击事故平均5～11起,直接经济损失有数万元至百万元之多,社会对雷电的预报及防御具有强烈需求。

1 资料简介

选取庆阳市1980—2018年的雷暴观测资料进行分析,其中1980—2013年资料来源于全球地面天气报,因2014年起地面气象报中不再记录雷暴,2014—2018年雷暴资料从WS重要天气报中整理得出。24 h(当日20时—次日20时)内某县区出现一次雷暴,记录该县区出现一个雷暴日,任一县区出现一次雷暴,记录庆阳市出现一个雷暴日。

2 空间分布特征

庆阳市年雷暴日数分布很不均匀,频发区位于自东南部正宁县到西北部环县的狭长地带(见图1)。东南部正宁县雷暴发生频率最高,每年23.6次,中部庆城县和西北部环县次之,分别为22.8次和21.9次。西南部的镇原县雷暴日数最少,仅为18.8次。

图1 年平均雷暴日数分布图2月平均雷暴日数分布Fig.1 Distribution of annual average thunderstorm days

Doswell等[8]总结雷暴生成的三要素为:(1)环境温度直减率处于条件不稳定状态,从而有足够大的正浮力;(2)有足够多的水汽,从而使状态曲线与环境温度曲线相交于自由对流高度;(3)具有使气块达到抬升凝结高度(LFC,lifting condensation level)的抬升机制。简称静力不稳定、水汽和抬升三要素。正宁县紧邻子午岭林区,林区小气候的调节使之常年湿润,年降水量为609.8 mm,比全市平均值偏多18.8%。湿润的环境使对流层低层大气容易达到饱和状态,从而使自由对流高度更低、对流温度更低,更容易达到不稳定状态。同时夏季林区与城区的温度差造成的次级环流也更有利于局地雷暴天气的出现。因此东南部的正宁县是庆阳市雷暴发生频率最高的区域。中部庆城县4—9月平均气温18.5 ℃,相比全市平均气温偏高0.85 ℃,平均最高气温24.7 ℃,同比偏高1.3 ℃,频繁发生的高温天气容易使大气达到静力不稳定状态,同时由于位于川道,南扩北窄的喇叭口地形的汇流抬升作用有利对流天气的发生,使庆城县成为雷暴发生频率次高地。环县位于庆阳市西北部,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%,这对湿对流的发展并不有利,但由于环县纬度最高,更容易受冷锋、低涡等系统的影响,因此雷暴发生频率也较高。丘陵和山地的地形抬升作用也为环县雷暴发生营造了有利潜势。

3 月分布特征

近30年庆阳市雷暴月最早发生于3月2日(2013年环县),最晚出现于11月10日(1997年华池县、合水县)。6—8月是雷暴发生频率最高的时段(见图2),这个时段出现的雷暴被称为夏季雷暴,占全年雷暴日数的68.5%～74.7%。其中正宁县所占比例最高,为74.7%,庆城县和环县次之,分别为73.6%和72.8%,镇原县所占比例最低,只有68.5%。7月雷暴日数达到峰值,8个县区平均为5.7 d,6月和8月次之,分别为4.7 d和4.3 d。可见夏季雷暴发生频率的差异是造成8个县区雷暴频率分布不同的主要原因。

图2 月平均雷暴日数分布Fig.2 Distribution of monthly average thunderstorm days

3.1 初雷暴特征

庆阳市位于我国西北地区,温带大陆性季风气候特点显著,季节差异明显,温度和湿度变化大。冬季,庆阳市受大陆冷性反气旋控制,天气寒冷而干燥,很难发生强对流天气。2月平均气温为-2.5～-0.6 ℃,3月迅速升至3.9～5.0 ℃。由于此时植物才开始复苏,地面较为裸露,白天升温非常迅速,3月最高气温往往可以超过20 ℃。春季高原槽也逐渐活跃起来,庆阳市降水量由2月的4～8.7 mm增加到3月的11.4～20.5 mm,空气更加湿润。气温的回升和低层湿度的增加使大气层结的稳定性减弱,提升了雷暴发生的潜势。同时,春季冷暖气团势力相当,锋系和气旋的活动是一年中最频繁的时段,为对流的发展提供了抬升条件,因此庆阳市初雷暴日一般都发生在3月、4月。由于相对干燥,初雷暴伴随的降水并不明显,多为2 mm以下的微量降水。

2016年4月11日20时前后,镇原县、合水县出现了雷暴和阵雨天气,过程降水量不足1 mm。11日08时,500 hPa有高原浅槽沿着高原北部边坡东移,槽线位于六盘山附近,700 hPa有明显的偏南气流发展,切变线位于甘肃中部黄河西岸,切变线位置落后于500 hPa槽线位置,这是明显的前倾槽结构(见图3(a))。根据垂直速度w方程,温度平流随高度的变化影响垂直运动的发展,陇东地区低空受显著的暖湿平流控制,对流层中层则受冷平流影响,对对流层潜势和低层空气的抬升非常有利。11日20时,平凉崆峒探空站对流有效位能(CAPE,convective available potential energy)值达到215 J/kg,K指数达到28 ℃,大气不稳定性很强,能量也得到积聚。虽然700 hPa以下比湿只有4.24 g/kg,但由于气温较低,相对湿度达到了73%,已经能够满足对流发展需要的水汽条件(见图3(b))。700 hPa切变线过境时,动力抬升,引发了区域性雷暴过程。

图3 2016年4月11日08时500 hPa高度场、700 hPa风场和20时崆峒站探空图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月是一年中气温最高、雨水最多的季节,也是雷暴发生频率最高的时段。7月上中旬副高压脊线跨过25°N后,庆阳市位于副高压西北侧边缘,副高压西侧旺盛的偏南气流往往可以达到低空急流的强度,使大气层结不稳定,同时副高压外围地区以上升气流为主,弱的低空切变和地形的抬升都能产生雷暴天气。

2013年7月1日,庆阳全市出现了雷暴天气,正宁县榆林子区域站24 h累积降水量达60.5 mm。7月1日08时500 hPa,副高压脊线位于29°N附近,西脊点位于112°E附近,庆阳市位于副高压西北侧,东北冷涡中心位势高度为564 gpm,700 hPa副高压西侧偏南气流达到低空急流的强度,陇东位于急流出口区左侧,东北冷涡底部有东北风南压,在陇东上空形成一个东北西南向的切变线。500 hPa槽线落后于700 hPa切变线(见图4(a))。副高压外围低空急流所带来的强盛温度平流和湿度平流有利于不稳定层结的建立。20时平凉站CAPE达到1620 J/kg,K指数达到45 ℃,不稳定层结从近地层延伸到对流层高层,400 hPa以下探空图中比湿线与状态曲线非常靠近,水汽接近饱和(见图4(b))。700 hPa比湿达到了12.57 g/kg。水汽条件和不稳定能量均比2016年4月11日强得多,因此过程出现了范围更广、降水更明显的对流性天气。

图4 2013年7月1日08时500 hPa高度场、700 hPa风场和20时崆峒站探空图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

对比初雷暴与夏季雷暴,由于春季气候相对干燥,气温也较低,要营造有利对流发展的环境更困难,需要更有利于对流发展的天气系统配合才能出现雷暴。统计2007—2018年12 a的初雷暴过程,有8次为前倾槽结构,4次为普通的后倾槽或低涡底部影响。夏季由于高温高湿,建立不稳定层结更加容易,较弱的抬升条件,甚至局地的地形抬升都可以产生雷暴天气。

4 年际变化

庆阳市各县区年平均雷暴日数在21～27 d之间,其中1990年环县雷暴日数最多,为45 d,2009年镇原县雷暴日数最少,为5 d。1995年以前雷暴发生频率较高,之后波动减少,2010年和2015年多个站点达到历史雷暴日数最低值(见图5)。其中环县减少速度最快,其余县区减少速度相对缓慢。

图5 环县、庆城县、正宁县雷暴日数年分布Fig.5 Annual distribution of thunderstorm days in Huan county,Qingcheng County and Zhengning County

环县年雷暴日数与下半年平均气温具有较明显的反相关关系(见图6),而正宁县与平均气温的相关性较差。王秀明等[9]认为静力不稳定包括绝对不稳定和条件性不稳定,绝对不稳定不考虑水汽相变,通常出现在相对干的近地层,由地面向上的强感热通量维持,这种情况一般出现在我国西部高原地区。环县属于干旱气候,年平均降水量只有409.5 mm,但高温天气频发,夏半年环县平均气温17.9 ℃,相比其余县区偏高0.31 ℃,平均最高气温达24.3 ℃,同比偏高0.9 ℃,产生绝对不稳定的条件较多,受水汽的影响较小,气温成为主要的影响因子,年雷暴日数与夏半年平均气温的相关系数为-0.47。近年来环县夏半年平均气温持续降低,说明受冷空气影响频率降低,从而使环县夏季雷暴明显减少。

径向风是实际风在径向方向的分量,南风分量为正值,北风分量为负值。近30年中1996年雷暴日数最多,2013年多个县雷暴日数最少。1996夏半年(6—9月)500 hPa河套至华北北部有-3.5 m/s的北风大风速中心,庆阳市径向风速为-2 m/s(见图7(a)),这是因为1996年夏半年西风带低槽相对活跃,6—7月东北冷涡稳定少动,冷空气频繁南下影响700 hPa南风分量也只有0～0.5 m/s(见图7(b)),夏半年各县区平均气温均较常年偏低,环县偏低-0.9 ℃,最为明显。对流层中层明显的强冷平流使大气层结趋于不稳定,因此雷暴日数明显偏多。2013年夏半年500 hPa河套至华北北部的北风大风速中心为-2 m/s,庆阳市径向风速介于-1～-0.5 m/s(见图7(c)),北风分量明显偏弱,700 hPa南风分量在2 m/s左右(见图7(d)),各县区平均气温偏高0.1～0.7 ℃。对流层低层偏南暖平流强盛,气温明显偏高都有利于不稳定大气层结的建立,但中高层冷空气活动少,对大气不稳定层结的维持和能量的触发不利。为验证夏半年冷空气活跃程度对年雷暴日数的贡献大于对流层低层暖平流的强盛程度,对2008年、2009年、2013年、2015年等雷暴明显偏多或偏少的年份均作了相似的分析,得出结果相同。

图6 环县和正宁县年雷暴日数与夏半年平均气温分布Fig.6 Annual thunderstorm days and average temperature distribution in summer in Huan County and Zhengning County

5 结论

(1) 正宁县气候湿润,有利于构建不稳定大气层结,同时夏季林区与城区的温度差造成的次级环流也更有利于雷暴天气的形成,使正宁县成为庆阳市雷暴发生频率最高的区域。庆城县频繁发生的高温天气容易使大气达到静力不稳定状态,喇叭口地形的汇流抬升作用有利于对流天气的发生,使庆城县成为雷暴发生频率次高地。环县常年干旱,但由于环县纬度最高,更容易受冷锋、低涡等系统的影响,丘陵和山地的地形抬升作用也为环县雷暴发生营造了有利潜势,因此雷暴发生频率也较高。

图7 1996年、2013年500 hPa、700 hPa径向风平均场Fig.7 Average radial wind field of 500 hPa and 700 hPa in 1996 and 2013

(2) 近30年庆阳市雷暴月最早发生于3月2日,最晚出现于11月10日,6—8月是雷暴发生频率最高的时段。春季气候相对干燥,气温也较低,更有利于对流发生的前倾槽是产生春季雷暴的主要天气系统;夏季高温高湿,建立不稳定层结更加容易,较弱的抬升条件,甚至局地的地形抬升都可以产生雷暴天气。

(3) 庆阳市各县区年平均雷暴日数在21～27 d之间,1995年以前雷暴发生频率较高,之后波动减少,其中环县减少速度最快,其原因可能是绝对不稳定条件下产生的干雷暴占环县雷暴的比例较大,气温与雷暴发生频率的相关性更大,环县夏季气温持续升高和冷空气活动的减弱,使雷暴日数快速下降。通过验证,夏半年冷空气活动频率对年雷暴日数的贡献大于对流层低层持久而稳定的暖湿平流。