江门一次强雷暴天气过程中的闪电活动特征及环境场分析

谭惠冰，苏耀墀，徐碧裕，赵慕洁，黄江辉

（江门市气象局，广东江门 529000）

闪电是雷暴云放电而发生的一种强烈的天气活动，而雷暴云的发展与热气团在不稳定环境中的对流抬升有关，所以闪电活动与大气环境场之间的关系以及闪电活动特征一直是研究的热点。郑栋等［1］分析大气不稳定参数与闪电活动的关系发现，潜在-对流性稳定度指数、抬升指数、对流有效位能和700 hPa相当位温与闪电活动具有较好的相关性；黄延刚等［2］对广东一次强对流过程中的闪电特征分析发现，强降水过程中负闪占绝对优势；杨兆礼等［3］分析广东雷电活动发现，各种天气系统会触发对流潜热能量被释放从而引起强烈的雷电活动；林卓宏等［4］研究了江门地区闪电频数与对流活动的情况；王洁等［5］分析了陕西一次雷暴天气发现，闪电的发生与潜在对流性稳定度指数、抬升指数、能量场和位势稳定度相关性较好；朱学超等［6］对湛江市东海岛一次强雷暴天气过程进行分析，雷击发生前后雷击点附近的降雨量、风向风速、本站气压和能见度等气象要素产生了明显的突变。

随着城市的发展，微电子设备越来越多，具有大电流、高电压、强电磁辐射特征的雷电对人类社会的威胁日益加大。江门地处珠江三角洲西部，属亚热带海洋气候，受热带系统和西风带系统的影响，雷暴灾害频发，给人们生命财产安全造成严重威胁。加强对雷暴发生时大气环境场的研究，有利于提高雷电预报预警准确率，对防雷减灾具有重要意义。本研究以2018年8月7日江门市一次强雷暴活动为例，对闪电分布特征、环流形势和物理量场进行总结归纳，为当地开展雷电预警预报工作提供参考。

1 闪电实况

该次雷暴活动为夏季一次强雷暴，2018年8月7日 11：00（北京时，下同）开始，持续至18：00。江门共监测到地闪1 097次，其中正地闪8次，负地闪1 089次，新会区闪电频次最高，达526次，其次为鹤山市268次。闪电频次主要集中在13：00—16：00，呈双峰型分布，15：00出现闪电次数最高值486次，占该次闪电活动的44.3%。闪电强度主要集中在10～60 kA，占总闪电数的95.35%；其中20～30 kA的闪电次数最多，为459次，占比41.8%。该次过程中，新会出现闪电密度最大值1.74次/km2，且在14：17出现闪电强度最大值-105.38 kA。

2 环流背景分析

从高空形势来看（图略），08：00 500 hPa副高588 dagpm线控制黄淮-长江中下游大部分地区，华南沿海一线在584 dagpm线控制范围之内，广东处于副高南侧，以偏东气流为主，500到925 hPa均盛行偏东气流。从地面图上分析（图略），08：00华北到华南大部分地区均处于1 005.0 hPa均压场内，江门南部开平站为偏东北气流、东北部鹤山站为偏西气流，风速较弱，14：00开平站为2 m/s东北风，但鹤山站转为偏东气流，风速加大到8 m/s，形成了中尺度辐合区，此时江门地区雷电活动剧烈。20：00广东东南沿海地面转为东北气流，雷电过程基本结束。

3 雷暴过程中物理量场诊断

雷暴等强对流天气发生发展需要具备3个条件：充沛的水汽、层结不稳定性和适当的抬升触发机制，对能够表征这3个条件的物理量进行分析，可以了解三者与雷暴过程的关系，为闪电活动的预报提供阈值参考。

3.1 水汽条件

在500 hPa相对湿度场中，08：00（图 1a）广东中部及西部地区相对湿度在80%以上，江门上空达到90%；全省850 hPa比湿在13 g/kg以上，中心值出现在江门北部达14 g/kg。14：00（图1b）江门地区相对湿度范围约为50%～95%，江门处在相对湿度锋区，湿度梯度大，湿度锋区自东向西移动，高湿区范围减小；江门地区850 hPa比湿值增加，达到了14 g/kg以上。对比闪电活动逐时分布，14：00—16：00为当日闪电活动最强烈时段。因此，500 hPa相对湿度梯度场的变化对强雷暴的发生具有指示作用。

图1 2018年8月7日08：00（a）和14：00（b）500 hPa相对湿度（等值线，%）和850 hPa比湿（填色，单位：g/kg）

雷暴的发生，不仅需要充沛的水汽，还要有源源不断的水汽输送至强对流辐合区。水汽辐合主要由低层水汽通量辐合造成，尤其是800 hPa以下边界层比重很大。分析850 hPa水汽通量和水汽通量散度场，08：00（图2a）粤东沿海及江门南部沿海出现水汽通量最大值，约为8 g·cm-1·hPa-1·s-1；江门地区水汽通量散度场则在 -1.5～-0.5 g·cm-2·hPa-1·s-1之间。14：00（图2b）水汽通量大值区范围明显扩大，江门上空落在 4～8 g·cm-1·hPa-1·s-1；水汽通量散度大值区基本维持，但东西向的水汽通量散度梯度比08：00明显增加，14：00起江门闪电活跃。20：00（图略）广东全省的水汽通量及水汽通量散度变小，江门地区雷暴活动趋于结束。因此，水汽通量散度对强雷暴的发生有很好的指示作用。

图2 2018年 8月7日08：00（a）和14：00（b）850 hPa水汽通量（等值线，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1）和水汽通量散度（填色，单位：g·cm-2·hPa-1·s-1）

3.2 热力和不稳定条件

假相当位温是表征大气温度、压力、湿度的综合特征量，反映了大气中能量的分布。分析850 hPa假相当位温（θse）和K指数，08：00（图3a），广东省850 hPaθse在334～344 K，江门地区θse在342 K以上，同时广东地区θse总体分布为西高东低，最大梯度出现在珠江口以东地区。K指数显示，08：00江门地区出现高能舌，K指数值达到35℃以上。14：00（图3b）江门地区正处在θse等值线密集区，即 θse锋区，江门地区西部约344 K，东部约338 K，东西部 θse差值6 K，强的位温梯度，说明了雷暴系统的剧烈程度。江门地区K指数幅度变化不大，始终维持在35～36℃之间。到了20：00（图略），θse和K指数低值区发展西移，K指数减小到32℃，雷暴活动结束。由此可见，850 hPaθse锋区和K指数大值区对应出现雷电天气的可能性较大。

图3 2018年8月7日08：00（a）和 14：00（b）K指数（填色，单位：℃）和 850 hPaθse（等值线，单位：K）分布

为了更好地分析江门高低空系统配置，选取广东阳江观测站（59663）和香港天气观测站（45004），其分别位于江门西南部和东部，距离江门市中心100 km左右。从层结稳定度来看，两站的探空图08：00 tlogP图显示（图略），在500 hPa以下均为偏东气流，洋面上暖湿气流不断向沿海地区汇聚，925～200 hPa由偏东气流转为偏北气流，风随高度逆时针旋转有冷平流侵入，700 hPa存在相对弱的干层。这种上冷下暖、上干下湿的配置极易触发强对流。从物理量指数来看，阳江站对流有效位能（以下简称 CAPE）为1 397.3 J/kg，风暴强度指数（以下简称 SSI）255.8，香港站 CAPE值达到2 374.6 J/kg，SSI为286.4，一般以 CAPE＞1000 J/kg、SSI＞100作为判别强对流天气出现的指标，值越大，对流性天气越强，出现强对流的概率越大。至14：00随着气温不断升高，大气层结不稳定性进一步增强。至20：00两站500～925 hPa转为一致的东北气流，雷暴过程结束。

3.3 动力条件

分析江门地区垂直速度剖面图，08：00（图4a）江门地区（112°E—113.3°E）除东部的新会在800～600 hPa上空存在弱上升运动外，其它地区均无明显上升运动，实况是08：00—14：00新会有降水。08：00强的上升运动中心强度达到 -0.35 Pa/s，结合14：00剖面图（图4b），推断雷暴系统为自东向西移动，且垂直运动中心高度下降，由原来的700～500 hPa下降至900～800 hPa，强中心范围由纵向分布转为横向分布，表明从08：00—14：00，江门地区（112°E—113.3°E）对流层上升运动发展旺盛，动量下传，强上升运动将低层的暖湿气流抬升到高层，有利于不稳定能量的释放，该时段正是闪电活跃时段。20：00以后，从低层到高空都是下沉气流，此时，全市无闪电活动发生。因此，闪电活动都发生在深厚的上升运动区内。

图4 2018年8月7日08：00（a）和14：00（b）（109°E—118°E，22°N）垂直速度的经度 -高度剖面图（单位：Pa/s）

4 结论

1）该次强雷电过程主要发生在午后，闪电强度集中在10～60 kA，占总闪电数的95.35%，其中20～30 kA的闪电次数最多，占比41.8%。

2）该次强雷电过程发生在西太平洋副热带高压强盛的背景下，洋面上暖湿气流向沿海地区汇聚，风随高度逆转，形成中层干冷、低层暖湿的不稳定层，有利于强雷电的发生。

3）500 hPa相对湿度场、850 hPa比湿、水汽通量散度以及θse等物理量的变化对强雷暴的发生具有指示作用，是雷暴活动预报着眼点，其中，850 hPa比湿达到14 g/kg、水汽通量散度达到-1.5 g·cm-2·hPa-1·s-1、K指数≥35℃时，更有利于强闪电的发生。