2019年呼和浩特一次强雷暴天气过程综合分析

李松如 石茹琳， 孙豪

(1 内蒙古自治区雷电预警防护中心，呼和浩特 010051；2 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044)

引 言

雷暴是出现在夏季的一种伴有雷击和闪电的强对流天气现象，常伴有强降水、大风和冰雹等[1]。雷暴灾害是我国十大自然灾害之一[2]，近年来不断危害社会经济和人们的生命财产[3]，所以深入了解雷暴天气的环流背景、能量条件与闪电分布对雷暴预报、防灾减灾工作意义重大。诸多研究[4-7]指出，我国雷暴呈自南向北递减趋势，主要分布在东南及华南地区，其次是高原及邻近地区[8-9]；何文等[10]研究发现雷电天气出现时最显著的特征是中高空常伴有干冷舌侵入低层暖湿区；俞小鼎等[11]指出雷暴往往在边界层辐合线附近生成和加强；刘泽等[12]研究指出沙氏指数、抬升指数、K指数和对流有效位能等参数与雷暴强度有一定的相关性。此外，闪电是雷暴过程主要致灾因素之一。 GE， et al[13]和YAN， et al[14]发现，雷达回波强度和地闪频数有很好的对应关系， 随着风暴的生消演变， 正、负闪电频数呈现不同的变化特征；郄秀书等[15]发现负地闪发生于雷暴大于20 dBZ的强回波区或40 dBZ强回波边缘，正地闪却发生在相对较弱的回波区域；牛广山等[16]指出负地闪一般出现在云顶亮温最低的区域，闪电密集区并不完全和雷达强回波区相对应。

由于强对流天气过程以及雷电特征具有明显的地域特征和个体差异，因此研究不同地区、不同类型的强对流过程十分必要[17-18]。内蒙古自治区地域辽阔、地形复杂，是雷暴活动和雷电灾害发生较频繁的省份之一，其雷暴天气具有发生频率高、分布范围广的特点[19]。以往对内蒙古雷暴天气的研究主要集中在雷暴活动的时空分布和特征分析等方面[20-22]，运用多种资料全面讨论雷暴天气过程的相关研究较少。因此，本文使用再分析资料、雷达卫星资料以及闪电定位资料，对2019年7月27日发生在内蒙古呼和浩特市的一次强雷暴天气过程进行了环流形势及物理量诊断的分析，并将雷达、卫星资料与闪电定位资料结合分析了雷暴云及闪电活动的演变特征，以期加深对雷暴天气的理解，为雷暴的潜势预报提供理论依据，为防灾减灾和雷电预警工作提供科学参考。

1 资料

采用：(1)美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction， NCEP)NCEP-FNL再分析资料，每6 h一次，分辨率为0.25°×0.25°；(2)雷达资料由呼和浩特新一代天气雷达观测所得，该雷达站位于呼和浩特站(40°N，111.7°E)以北10 km，海拔高度为2 060 m，雷达波长为5 cm；(3)闪电定位资料源自内蒙古自治区气象局的ADTD闪电定位系统，该系统目前共有56个闪电定位仪，已覆盖自治区全境，具体分布见图1。系统采用时差测向混合地闪定位技术，每条定位数据包含日期、时间、纬度、经度、强度、陡度等参数。研究表明电流强度小于10 kA时，闪电定位系统将云闪误认为正地闪，因此将闪电资料中电流值小于10 kA的闪电数据剔除[23]；(4)卫星资料来自新一代静止轨道气象卫星——FY-4A号卫星，该卫星于2016年12月11日成功发射，其辐射成像通道为14个，覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段，观测时间分辨率提高一倍，它的运行大幅提升我国静止轨道气象卫星探测水平[24]。

图1 内蒙古自治区ADTD系统闪电定位仪布网

2 天气实况及环流形势分析

2.1 天气实况

2019年7月27日呼和浩特市及周边地区出现强降水过程，该过程于27日10时(北京时，下同)从武川地区开始，由西北向东南逐渐影响呼和浩特市全境，直至19时降水基本结束。全市降水主要集中时段为12—18时，最大降水量出现在托克托县伍什家镇，24 h降水量达71.9 mm，最大雨强出现在该站的14—15时，为52.9 mm·h-1。伴随降水，各站均出现不同程度雷暴大风天气，最大风速达21.6 m·s-1，27日全天共发生闪电八千余次，其中大部分为负地闪，有5 800余次，最大闪电强度为1 750 kA。此次强对流过程范围广、强度大，致灾性强。

2.2 环流形势分析

对不同高度的环流场进行分析发现，500 hPa高度上，2019年7月26日20时(图略)，亚欧大陆中纬度地区呈现三槽两脊的形势，槽分别位于西西伯利亚至里海一带，蒙古高原以及我国东北沿海地区。低压中心位于贝加尔湖西南方向(45°～55°N，90°～100°E)，中心强度为564 dagpm，此次强雷暴过程主要受该低压中心和蒙古高原高空槽影响。随着时间的推移，槽脊和低压中心随西风带向东移动，到2019年7月27日08时(图2)，蒙古高原一带的低压槽到达内蒙古中西部，呼和浩特地区处于槽前西南气流控制中。结合图2a、b可以看出，呼和浩特一带处于上层西北干冷气流和下层西南暖湿气流汇聚的区域，有利于强对流天气的发生。

图2 2019年7月27日08时500 hPa(a)和700 hPa(b)位势高度场(单位：dagpm)及风场的分布(黑色圆点为呼和浩特市)

3 物理量场分析

强雷暴的发生除了适宜的环流形势以外，还与不稳定的大气层结、充足的水汽供应和一定的动力抬升条件有关。其中，层结不稳定场提供了能量条件，水汽供应反映了水汽输送过程，动力抬升条件则能够直观地反映对流的强弱[11]。

3.1 不稳定条件分析

层结不稳定是强对流天气发生的基本条件，层结越不稳定越有利于强雷暴的产生。可用于表征层结稳定度的对流参数有很多，本文选取了K指数、对流有效位能(Convective Available Potential Energy， CAPE)和抬升指数(Lifted Index ，LI)进行分析讨论，并在图3中分别给出了它们在2019年7月27日08时和14时的水平分布情况。

K指数是反映大气中潜在能量的参数，用于分析大气层结稳定情况，K指数越大，大气层结越不稳定，强对流天气出现的概率越大[25]。研究指出，内蒙古强对流天气中K指数的阈值为30 ℃[26]。由图3a可知，27日08时，呼和浩特一带的K指数为35 ℃左右，大气层结较为不稳定，随着时间的推移，14时K指数升至45 ℃以上，数值远超过阈值，大气层结极不稳定，有利于强雷暴天气的出现。

对流有效位能(CAPE)是大气浮力不稳定能，是可能转化为对流上升运动的能量。一般来说，CAPE值越大，对流云内部的上升气流越强，对流强度越大[27]。27日08时，呼和浩特及其周边的CAPE值在150～300 J·kg-1之间，不稳定能量较弱，到14时(图3d)，CAPE值升至1 050～1 350 J·kg-1，超过当地强对流天气的阈值[28]，大气层结积聚了大量的不稳定能量，为强对流天气的产生奠定了能量基础。此外，抬升指数(LI)是指500 hPa高度的大气环境温度减去从地面抬升到500 hPa气块所具有的温度，LI为负值时表示气块不稳定，负值越大表示对应的气块不稳定能量越大，即出现对流的可能性越大。呼和浩特一带在27日08时(图3e)LI的值在-2～-1 ℃之间，低于该地区强对流天气的阈值[26]，并且低值区在呼和浩特以西地区，随着时间推移，LI的低值区东移，14时LI值在-4～-5 ℃之间(图3f)，有利于强对流发生。

3.2 水汽条件分析

水汽的含量和垂直分布是影响风暴强度和结构特征的一个重要因子，水汽条件往往能够影响不稳定能量的储存与释放。图4给出了7月27日14时比湿沿41.2°N(图3f中的黑色实线)的垂直剖面和同一时刻呼和浩特站的探空。可以看出，在强对流发生前，大气层结呈现出上干下湿的不稳定形势，14时，近地面的比湿高达16 g·kg-1，比08时(图略)高2 g·kg-1，大气垂直方向的湿度梯度加大，即上干下湿的不稳定性形势加强。对呼和浩特单站14时的温度—对数压力(图4b)进行分析也可得到相似的结论，在650 hPa以下，风向随高度顺时针旋转，存在明显的暖平流，500 hPa以上，风向随高度顺时针旋转，表明高层存在冷平流，冷空气的入侵会加剧大气层结的不稳定性。此外，650～700 hPa大气温度和露点温度非常接近，接近饱和，该层湿度条件较好，而在650 hPa以上大气温度和露点温度线逐渐远离，空气湿度越来越小，即大气中存在上干冷下暖湿的垂直分布，这有利于不稳定能量的积聚，有利于强对流天气的产生和发展。

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

图5为不同时刻水汽通量和水平风场在不同高度上的分布情况。可以看到，在500 hPa高度上，呼和浩特以西的水汽通量高值区通过西南气流将水汽输送到呼和浩特一带，随着时间的推移，风向转为偏西风，且27日14时，呼和浩特在500 hPa高空的水汽通量为6～10 g·s-1·hPa-1·cm-1。850 hPa高度(图5c、d)上，风向主要为南风和西南风，流场将河套平原以东黄河流域的水汽输送至呼和浩特一带，该地14时的水汽通量为10～14 g·s-1·hPa-1·cm-1，且风速较大，为强雷暴的产生和发展提供的充足的水汽。

图5 2019年7月27日08时(a、c)和14时(b、d)水汽通量(单位：g·s-1·hPa-1·cm-1)和风场(单位：m·s-1)在500 hPa(a、b)和850 hPa(c、d)高度上的水平分布(红色标记为呼和浩特市)

3.3 动力条件分析

在水汽和大气不稳定度满足的条件下，有低层的辐合抬升运动容易引发强对流天气。大气的垂直运动能够直接影响水汽的凝结及降水过程，也能够提供水汽、热量等物质的垂直输送，也有利于不稳定能量的释放[28]。图6给出了2019年7月27日14时沿41.2°N绘制的垂直速度和散度的垂直剖面分布。可以看到，在强对流天气发生前后(14时)，呼和浩特地区(110°46′～112°10′E)有深厚的垂直上升运动区，上升速度的中心位于600 hPa附近，中心速度为-2.5×10-3hPa·s-1(负值表示速度方向向上)，强烈的抬升运动利于强雷暴天气的发生。此外，从散度的垂直剖面(图6b)可以看出，呼和浩特一带上空600 hPa以上散度值为0～8×10-5s-1，属于辐散区域，600 hPa以下至地面为辐合区域，中心强度达-16×10-5s-1，中心高度位于850 hPa附近。低层辐合，高层辐散的结构与强烈的上升运动相配合，为强雷暴天气的产生提供了有利的动力条件。

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

4 雷达卫星及闪电资料分析

4.1 地闪特征分析

表1给出了2019年7月27日雷暴过程前后地闪频次随时间的变化。可以看出，闪电活动主要集中在13—18时，云团初生时期，地闪总数较小，其中负地闪数明显大于正地闪数。随着雷暴云的发展，地闪频次大幅增多，尤其是正地闪数显著增加，导致正负地闪比增大，但负地闪仍占主导地位。15∶00—15∶59时，雷暴云体开始进入消散阶段，正地闪数进一步增加，甚至一度超过了负地闪数成为主导。可以看出，正、负地闪频次的变化在雷暴不同发展阶段存在较大差异。

表1 2019年7月27日地闪频次的时间变化

4.2 雷达回波分布及其和闪电活动的关系

为了了解雷达回波和闪电活动的关系，图7给出了此次雷暴过程中不同时刻雷达组合反射率和闪点定位资料的叠加。考虑到文中选取的雷达回波时次不连续，为了能较充分地展现闪电活动的分布情况，每个时次雷达回波图上叠加的闪电资料是该时次到选取的下一个时次时间段内的总和。

从雷达回波的发展可以看出(图略)，27日13∶10左右，呼和浩特雷达站西南处生成一片回波，最大回波强度达60 dBZ，随后该回波向东北移动，与测站东南方向的雷达回波汇聚后共同发展，并于14∶05左右在测站以南(托克托县及和林格尔县北部)上空发展为一明显的带状回波(图7a)，其回波中心强度均在50 dBZ以上，最大达65 dBZ，导致呼和浩特一带发生伴有雷电的强降水。随着时间发展，带状回波逐渐向东移动并且强度逐渐减弱。此外，呼和浩特市北部地区上空也存在大片雷达回波，最大回波强度达50 dBZ以上，从西南向东北方向移动，导致呼和浩特北部强降水的发生。值得说明的是，由于此次雷暴过程穿过雷达所在位置，因为仰角问题无法探测到自身上方的雷暴云信息，导致测站上空回波较弱。通过分析可以看出，造成此次雷暴过程的对流回波范围大，中心强度高，并且形成了有组织的带状回波。

图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)雷达组合反射率与闪电活动的分布(+：正地闪；-：负地闪)

在雷暴发展阶段(图7a、b)，地闪主要以负地闪为主，主要分布在强回波中心两侧云砧处及层状云区域，比如带状回波两侧有大量负地闪出现，对应着雷达回波强度在30 dBZ以下的区域，正地闪很少，只是零星出现在负地闪附近。由于雷暴云的荷电结构为下部是负电荷区，上部是正电荷区，在雷暴初生时，负电荷高度低，离地近，与大地间放电相对容易，所以负地闪频次更多；而正电荷中心高度高，离地远，相比之下与地面放电更困难，正地闪数就少[29]。沿着测站南侧强对流回波中心作垂直剖面(图8a)可以发现，雷暴在发展阶段回波顶高可达15 km，强回波中心发展高度在8 km左右，回波强度最大值达50 dBZ，0 ℃层高度约为5.3 km，-20 ℃层高度约为8.3 km， 可以发现雷达回波大值区主要集中在-20～0 ℃层之间，说明该层存在着大量冰相粒子，冰晶和霰之间发生非感应碰撞分离，导致正负电荷交换，即发生云内起电过程，为闪电活动奠定基础[30]。在雷暴成熟阶段(图7c、d)，地闪频次较高，正地闪数量增加，但负地闪仍占绝对优势，负地闪主要分布在强对流回波区域，测站北部强回波区域前侧的层状云区也有大量负地闪分布，正地闪主要分布在对流系统前部回波强度梯度较大的区域。回波顶高降至13 km(图8b)，强回波中心高度在5 km左右，即冰相粒子下沉至0 ℃层附近，导致云下部区域正电荷增多，为正地闪的发生提供了电荷源[31]。在雷暴消散阶段(图7e、f)，负地闪数量减少且稀疏分布于强回波的边缘，正地闪比例迅速增大，占主导地位，且多出现在对流云顶向四周伸展的云砧以及层状云区，这是由于携带正电荷的云砧对地放电导致[29]。

图8 2019年7月27日14∶05(a)、14∶33(b)、15∶15(c)沿强回波中心的雷达反射率剖面

结合表1分析可得，在整个雷暴过程中，负地闪占主导地位，但正、负地闪在雷暴云不同发展阶段的分布和比例不同，在雷暴发展及成熟阶段，负地闪发生次数明显多于正地闪，而在雷暴消散阶段，正地闪频数大幅增加，占主导地位。此外，闪电多分布于强回波区域，但闪电频数最高的地方不一定与强回波中心相对应，这与牛广山等[16]和沈永海等[32]的研究结果保持一致。

4.3 卫星和闪电资料分析

图9给出了呼和浩特及其周边地区在雷暴发展不同阶段由风云四号卫星观测得到的云顶温度和云顶相态的分布情况，同时在图中叠加了闪电定位资料，每幅图中叠加闪电资料的时间段是从该图起始时次到下幅图的起始时次。其中云顶相态CLP产品是FY-4A卫星的L2级产品，是根据云的微物理结构和热力学性质，利用不同类型和相态的云在4个可见光通道的有效吸收光学厚度比上的性质不同，生成云顶相态产品，包括：暖(液态)水相态、过冷水相态、混合相态和冰相态。

图9 雷暴云不同发展阶段云顶温度(填色)、云顶相态(等值线)以及闪电活动的分布

云顶温度和云顶相态可用来指示雷暴云的强中心，雷暴云发展越强的位置，上升气流发展越旺盛，云顶的抬升高度越高，卫星探测到的云顶温度越低，云顶的相态也从液态逐渐变为冰相态。由图9可以发现，地闪的落区主要位于云顶温度低于240 K的区域，即云顶高度较高，对流比较旺盛的区域，该区域对应着的云顶相态为冰相和混合相。这是因为强雷暴中心上升运动发展旺盛，强烈的上升气流给云的中上部提供丰富的过冷水，云中较大的冰相粒子(霰和软雹)可通过凇附和凝华过程快速增长，导致更多的霰粒子与冰晶碰撞，发生电荷转移，触发云中的起电机制，从而导致闪电活动的发生。正负地闪主要分布于对流旺盛区的边缘地带，有少部分地闪出现在强对流中心区域，雷暴不同发展阶段正负地闪的分布不同，在雷暴发展及成熟阶段，负地闪的分布较为密集且发生频次多，正地闪的分布相对较为稀疏，在雷暴云消散阶段地闪频次减少，但其中正地闪所占比例增加，这与云中固态水成物粒子(霰粒子和雹)的沉降有关[33]。

5 结论

本文使用多种资料对2019年7月27日发生在呼和浩特的一次强雷暴过程进行分析。主要结论如下：

(1)本次雷暴过程主要受贝加尔湖低压中心和蒙古高原高空槽东移的影响，冷暖空气在呼和浩特上空汇聚，导致强雷暴天气的发生。

(2)对物理量场的分析表明，本次过程发生前，呼和浩特一带的不稳定参数(如K指数、CAPE和LI值)均超过阈值，表明大气层结中积聚了大量不稳定能量；大气中呈现上干冷下暖湿的不稳定形势，为雷暴天气的发生提供了有利条件；在垂直方向上，低空辐合，高空辐散的结构与强烈的上升运动相互配合，为雷暴发生提供了有利的动力条件。

(3)本次雷暴过程在呼和浩特南部产生了明显的带状回波，给地面带来了伴有雷电的强降水。在整个雷暴过程中，负地闪占主导地位，但雷暴的不同发展阶段闪电活动的分布情况不同，在雷暴发展及成熟阶段，负地闪发生次数明显多于正地闪，而在雷暴消散阶段，正地闪频数大幅增加，占主导地位。此外，闪电多分布于强回波区域，但闪电频数最高的地方不一定与强回波中心相对应。

(4)地闪的落区主要位于云顶温度低于240 K的区域，即云顶高度较高，对流比较旺盛的区域，对应着的云顶相态为冰相和混合相。