曹彦超，韩 晶，路亚奇，杨智强

（庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000）

雷暴是积雨云云中、云间或云地之间的放电现象，其瞬时高电压、大电流和强电磁辐射等物理效应对建筑、电力、林业和交通等行业造成了严重威胁[1-3]。 据统计，全球因雷暴造成的直接损失超过10亿美元[4-6]，雷暴的活动特征和环境条件分析对预防雷暴灾害具有重要意义。

近些年来， 关于雷暴的研究主要集中在雷暴日数的时空分布及相关物理量分析[7-9]。 巩崇水等[10]发现中国年均雷暴日数的地理分布可分为东南高发区、西南高发区、东北次高区和西北低发区，雷暴夏季多、冬季少。 王宝鉴等[11]认为1991—2011 年甘肃进入少雷暴期， 其中夏季雷暴日数减少的趋势最为明显。 杨晓霞等[12]对比分析了山东内陆和半岛雷暴大风的环境物理量特征，认为温、湿等气候差异是造成环境物理量差异的主要原因。 柳志慧等[13]根据环流特征将雷暴分为巴尔喀什湖低槽型、急流型、西北气流型和温度槽型， 通过指数判断和定量化入型进行过程预报。王延慧等[14]根据地闪密度、地闪强度等10 个影响因子建立了新疆雷电灾害风险区划模型。同时也有研究表明， 地形和地貌是影响雷暴空间分布的主要因子[15-19]。 但对雷暴等中小尺度强对流天气的变化规律研究仍显不足。

陇东位于甘肃省最东部黄土高原地带， 辖平凉市东部和庆阳市共12 个县（区），东倚子午岭，北靠羊圈山，西接六盘山[20]，雷暴空间分布差异大，年际变化也非常明显。 为了解陇东雷暴的活动特征及影响因素，利用2009—2018 年台站观测资料，对陇东出现次数最多的两类夏季雷暴时空分布特征进行统计，并分析了地形、环境物理量和环流形势等环境条件对这两类雷暴变化的影响。

1 研究区概况

陇东平均每年出现44.1 次雷暴过程，其中46%影响范围超过3 站。东南部的正宁雷暴日数最多，年平均为23.6 d，西南部的镇原最少，只有18.8 d。 正宁、庆城和环县是雷暴频率最高的区域，分布在东南至西北的狭长地带， 东北和西南两侧明显较少（图1）。 夏季雷暴占全年总雷暴日数的68.5%～74.7%。

图1 陇东年均雷暴日数空间分布（单位：d）

2 资料与方法

雷暴观测数据使用西峰、环县、华池、庆城、镇原、合水、宁县和正宁8 个基本气象站的人工观测资料， 其中2009—2013 年取自全球地面天气报，2014—2018 年取自WS 重要天气报。 平均场分析使用水平分辨率为0.25°×0.25°的ECMWF-ERA5 再分析资料， 植被覆盖率使用中国科学院资源环境数据云平台的2018 年中国年度植被指数空间分布数据集。

将36°N 以南定义为陇东南部， 包括西峰、镇原、合水、宁县、正宁5 站，36°N 以北定义为陇东北部，包括环县、华池、庆城3 站；6—8 月定义为夏季；24 h（20—20 时）内某测站出现雷暴，该站记录一个雷暴日；陇东全境任意测站出现雷暴，记录一次雷暴过程；日降水量不足5 mm 定义当日雷暴为干雷暴。

所用物理量包括700 和500 hPa 的相对湿度（RH700、RH500，单位：%）、经向风分量（v700、v500，单位：m/s）、700 与500 hPa 温差（△T75，单位：℃）、500 hPa 24 h 变温（△T24， 单位：℃）、850 hPa 温度（T850，单位：℃）、K 指数（K，单位：℃）、700 hPa 比湿（q700，单位：g/kg）、对流有效位能（CAPE，单位：J/kg）、总指数（TT，单位：℃）、2 m 温度距平（TJP，单位：℃）。

显著性是雷暴发生临近时刻某个对流参数值与其对应时段的气候平均值的差， 用来表示其相对于当月气候平均值变化的显著性[21]，计算方法如下：

式中，x'为无量纲后的值，xi为第i 次观测值，Maxxi为排除野值后的观测量极大值。

3结果与分析

3.1 雷暴类型

2009—2018 年共出现275 次夏季雷暴过程，根据环流背景进行归类分析， 其中249 次具有明显的偏北气流型或低槽影响型雷暴特征， 占夏季雷暴总次数的90.5%，其他类型的雷暴所占比例不足10%。

3.1.1 偏北气流型

偏北气流型雷暴共出现165 次， 占夏季雷暴的60%，以分散性干雷暴为主。 500 hPa 中纬地区为西高东低的环流形势（图2a）， 东北地区多有冷涡发展，贝加尔湖至陇东地区受明显偏北气流控制，高空冷平流强盛，△T24超过-3 ℃。 低空700 hPa 至近地面有偏南气流发展，并伴有0～2℃正变温。 高、低空气温和温度平流的明显差异使大气层结趋于不稳定，地形抬升和超低空的风速辐合、 风向切变均能触发对流天气。 个例分析表明，TJP、△T75、△T24和K 指数的显著性平均值超过0.5（表1），说明雷暴日大气层结不稳定度高，其中地面气温、垂直温差和高空冷平流强度起到主导作用。

表1 雷暴个例日物理量显著性特征均值

3.1.2 低槽影响型

低槽影响型雷暴共出现84 次， 占夏季雷暴的30.5%， 其影响范围广， 且多伴有明显降水过程。500 hPa 甘肃河东有西风带低槽东移， 陇东位于槽前（图2b）。700 hPa 有低空急流发展，冷暖空气交汇形成经向切变线，切变线前部RH700在80%以上，并有0～2 ℃的正变温。 低空强盛的暖湿输送使大气趋于不稳定，并积聚了大量不稳定能量，槽前正涡度平流和低空风切变动力抬升不稳定大气， 产生雷暴和降水过程。 个例分析表明，TJP、q700、TT、K 指数和CAPE 的显著性平均值超过0.5，说明雷暴日大气不稳定度高，其中低空温度、湿度和不稳定能量是主导因素。

图2 偏北气流型（a）、低槽影响型（b）两种雷暴中尺度模型

3.2 雷暴日数月变化

陇东多数站点夏季雷暴日数为单峰分布，7 月明显多于6、8 月， 单月平均最大值出现在正宁的8月，为5.6 d，最小值出现在镇原的8 月，为2.4 d（图3）。 低槽影响型雷暴日数的月变化与总数的变化规律明显不同，其站点平均值为逐月增加的趋势，最大值出现在8 月， 并且每个月北部地区发生频率均高于南部地区。 偏北气流型雷暴日数的月变化与总数的变化规律非常相似， 除西峰外多数站点为单峰分布，最大值出现在7 月，其中6、7 月北部地区发生频率多于南部地区，8 月略少于南部地区。偏北气流型雷暴日数整体多于低槽影响型， 南部地区6、7、8 月偏北气流型雷暴日数所占比例分别为65.5%、63.7%和57.2%， 所占比例逐月下降， 北部地区则分别为63.4%、69.8%和50.9%，7 月所占比例最高，8 月环县、 庆城和镇原3 站偏北气流型雷暴发生频率迅速降低，所占比例减少至50%以下。

图3 6—8 月陇东雷暴分布特征

3.3 雷暴日数年变化

对2009—2018 年两类雷暴的日数进行站点间两两相似性分析，每个月每类雷暴共需要进行28 次对比。结果显示，6、7 月两类雷暴相关系数，高于0.4所占比例均超过80%，各站雷暴日数的年际变化趋势一致性非常高。 8 月偏北气流型雷暴站点间相关系数低于0.4 的占21.4%，其中2009—2014 年分布较混乱，2014—2018 年变化趋势趋于一致； 低槽影响型雷暴相关系数低于0.4 的达到71.4%， 站点间差异最大。

夏季各月的年均雷暴日数均有明显的变化周期。 2010、2013 和2017 年的6 月，2011、2015 和2017 年的7 月，2010、2015 和2018 年的8 月偏北气流型雷暴日数达到峰值，变化周期为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 月是低槽影响型雷暴日数的峰值，变化周期为3～4 a（图4）。 7、8 月雷暴日数相关系数为0.58，变化趋势和波动周长相对接近，与6 月差异较大。 6、7、8 月偏北气流型雷暴各年日数的标准差分别为1.9、2.2、1.7 d， 低槽影响型分别为0.8、0.8、0.6 d， 低槽影响型雷暴的年际变化幅度明显小于偏北气流型。

图4 陇东雷暴年际分布特征

3.4 环境影响因素分析

3.4.1 物理量气候因素

图5 给出了夏季6 种物理量在35°～37.25°N 的旬平均值随纬度—时间的变化情况， 格点值为旬内每个时次当前纬度106°～108.75°E 相应ECMWFERA5 资料的平均值。 6 月上旬K 指数在30 ℃以下，v700为偏北风，湿度条件较差、大气稳定性较强，低槽影响型雷暴发生频率低。6 月中旬v700由北风转为南风， 到7 月中下旬发展到最强， 平均风速超过2.5 m/s，进入8 月后逐渐降低至2 m/s 以下。 对流层低层的偏南风携带着大量的水汽， 也伴随着能量的输送，7 月上旬和8 月中下旬700 hPa 陇东南部地区RH700出现了70%以上极大值， 北部地区相对较差，但也同时达到了湿度条件的峰值，K 指数在7 月下旬至8 月上中旬达到了36 ℃以上的极大值。8 月上中旬大气不稳定度和低空湿度均发展到最强盛的阶段，v500逐渐转为北风后， 西风带槽系活动趋于频繁，低槽影响型雷暴发生频率达到峰值。

图5 106°～108.75°E 平均旬物理量纬度—时间剖面

7 月下旬之前， 陇东大部分地区v500以1.2 m/s以上的偏北风为主， 强盛的偏北气流有利于高空冷平流的发展，6 月下旬和7 月中旬各纬度的垂直温度差△T75同时达到最大值， 北部地区最大可达12.8 ℃以上，大气的热力不稳定度明显上升。由于陇东地区位于黄土高原高海拔地区，850 hPa 高度已经接近地面， 因此可以用850 hPa 温度的变化近似表示近地面温度的变化。 7 月中旬陇东大部T850超过25.8 ℃，偏北气流型雷暴发生频率达到峰值。 由于6、7 月北部地区的△T75和T850均明显高于南部，北部地区发生偏北气流型雷暴发生频率明显高于南部地区。 8 月中旬开始，T75和T850迅速下降，偏北气流型雷暴出现的频率也随之出现了断崖式的下降，使8 月成为偏北气流型雷暴出现频率最低、 所占比例也最低的月份。

对陇东（35°～37.25°N，106°～108.75° E）范围内所有格点物理量平均值进行逐月逐年统计。 结果显示，6、7 月偏北气流型雷暴日数与T850、v500呈明显负相关，与△T75呈明显正相关（表2），这和个例统计结果一致。 与RH850为明显负相关，原因可能是天气干燥时云系相对较少， 阳光直射地表使近地面大气迅速升温，有利于偏北气流型雷暴的发生。7 月偏北气流型雷暴日数与RH500和v700也为负相关，这也与晴空有利地面升温有关。 6、7 月低槽影响型雷暴日数与RH500和v700为明显正相关，和个例统计结果一致。 7 月低槽影响型雷暴日数还与RH500和v700呈明显正相关，与△T75呈明显负相关，这是因为7 月南风急流强盛， 高能暖平流和湿层厚度发展的高度较高，低槽东移激发能量产生雷暴，并伴随暴雨等明显降水过程。 8 月偏北气流型雷暴和低槽影响型雷暴与挑选的任何物理量相关性绝对值均≤0.4，原因是西太平洋副热带高压脊线北抬至30°N 后，陇东850 hPa 平均相对湿度高达66.7%， 平均温度为21.2 ℃，平均垂直速度为-0.04 m/s，潮湿高温且以上升气流为主的低空环境有利于对流天气的发展，地形抬升、 局地受热不均等不可控因素引发雷暴的比重上升，雷暴的局地性明显加强，各项物理量对雷暴预报的敏感度都不高。

表2 夏季雷暴日数与物理量的相关关系

3.4.2 地形地貌小气候因素

地形地貌对雷暴的分布有不可忽视的作用。 陇东东临子午岭林区， 植被的蒸腾作用使林区成为区域内高湿中心，700 hPa 平均相对湿度超过66.2%，同时对大气垂直运动和潜热通量的发展非常有利[22]。低槽影响型雷暴对稳定度因子和湿度敏感，正宁测站距离子午岭林区不足20 km（图6），林区气候的影响使正宁成为雷暴高发中心。 陇东中北部地区属半干旱气候，植被覆盖率低，裸露的地表使白天迅速升温，庆城县及其以北的子午岭以西、马家大山以东地区出现了明显的地面日均最高气温高值区，其中庆城站平均气温为28.4 ℃，比整个区域站平均值偏高1.1 ℃。 偏北气流型雷暴对地面温度敏感度高， 庆城站雷暴频繁发生与白天的高温天气密切相关。由于庆城站位于马莲河与蒲河交汇处，平均相对湿度为65.4%， 对低槽影响型雷暴的发生也较为有利。 环县属干旱气候，植被覆盖率不足0.35，相对湿度在63%以下，北部地区低于60%，不利于低槽影响型雷暴的发生。但由于境内以丘陵、山脉和川道为主要构成地形，环县测站海拔高度为1 256 m，其西侧马家大山最高可达2 089 m， 地形复杂且垂直落差大，地形抬升条件良好[23]，由于测站处于中部高温区边缘，比区域内站点最高平均气温偏高0.9 ℃，较高的气温和地形强迫使偏北气流型雷暴发生频率较高。

图6 陇东地区地形（a）、植被覆盖率（b）、700 hPa 相对湿度（c）及平均最高气温（d）分布

4 结论

利用ECMWF-ERA5 再分析资料及常规观测资料分析了甘肃陇东2009—2018 年夏季雷暴活动特征，同时筛选对雷暴活动影响显著的物理量因子，结合地形及植被覆盖率对影响雷暴时空分布变化的环境条件进行讨论，得出以下结论：

（1）陇东年均雷暴日数为18.8～23.6 d，其中夏季雷暴占全年雷暴日数的68.5%～74.7%， 年均雷暴日数超过22 d 的高发区主要分布在东南至西北的狭长地带。

（2）根据500 hPa 环流特征，陇东雷暴主要分为偏北气流型和低槽影响型。 偏北气流型占夏季雷暴日数的60%，以分散型干雷暴为主，天气特征为西高东低的环流形势，较大的垂直温差、高空冷平流强度和近地面高温对雷暴发生具有显著影响； 低槽影响型占夏季雷暴日数的30.5%， 多伴有明显降水过程，天气特征为西风带低槽东移，较高的低空温度、湿度和较强的不稳定能量具有显著影响。

（3）夏季雷暴总日数为单峰分布，7 月发生频率最高，其中低槽影响型雷暴日数呈逐月增加趋势，最大值出现在8 月，偏北气流型雷暴日数为单峰分布，最大值出现在7 月。 这两种类型的雷暴更容易出现在陇东北部地区。 偏北气流型雷暴日数整体多于低槽影响型， 其中南部地区偏北气流型雷暴日数所占比例6 月最高，逐月递减；北部地区7 月比例最高，8月最低。

（4）各站雷暴日数年际变化趋势在6、7 月一致性较高，8 月差异较大。 月雷暴日数有3～5 a 的变化周期，其中7、8 月同步性较好，与6 月有较大偏差。偏北气流型雷暴日数的年际变化幅度明显大于低槽影响型。

（5）雷暴的月变化与主导因素物理量的月变化以及纬度差异明显相关。 6、7 月偏北气流型雷暴日数的年变化与T850、v500和RH850等物理量呈负相关，与△T75呈正相关； 低槽影响型雷暴日数与RH850和v700等物理量呈正相关。 8 月没有与两类雷暴日数相关性较好的物理量。

（6）正宁受子午岭林区影响显著，气候湿润、空气垂直运动发展旺盛，有利于低槽东移型雷暴发生发展；受气候干旱、植被覆盖率低影响，陇东中部地区平均最高气温出现高值区， 庆城最高气温偏高1.1 ℃，有利于偏北气流型雷暴的发展，同时，由于河流过境，湿度条件相对较好，对低槽影响型雷暴发生也较为有利；环县属干旱气候，湿度条件差，不利于低槽影响型雷暴发展，但地形复杂、垂直落差大，抬升条件好，最高气温高，有利于偏北气流型雷暴发生发展。