张腾飞，尹丽云，张杰，许迎杰

(1.云南省气象台，云南昆明650034;2.云南省信息中心，云南昆明650034)

雷电是发生在积雨云中的放电、雷鸣现象，由它引发的雷击灾害已成为当今世界一大严重的气象灾害［1］，许多学者［2－6］对各地雷暴的气候特征进行了大量的研究，认为雷暴具有明显的时空分布特征，各地雷暴年代际、时间和空间上都存在明显差异。雷雨云伴随的闪电活动与环境大气的不稳定能量、抬升动力条件等密切相关，Petersen［7］1996年用探空资料发现CAPE与24 h内的闪电次数存在弱的正相关，2001年进一步分析后表明［8］:CAPE越大、对流负能量(CIN)越小、对流层垂直风切变越弱，会对应越强的闪电密度;Jeffrey B等［9］用探空资料对巴西地区的闪电活动进行分析发现，CAPE大于1 500 J/kg，闪电活动活跃;郑栋等［10］分析北京大气不稳定参数与闪电活动的关系后认为，潜在对流性稳定度指数、抬升指数、对流有效位能与闪电活动具有较好的相关性，提出了闪电活动预报诊断指标;贾朝阳等［11］则分析认为山西省北部和南部雷暴影响因子存在明显的差异。我们的前期研究已表明［12－13］云南雷电灾害比较严重，为了解云南雷电的形成机制，本文利用NCEP再分析气象资料中的对流有效位能和垂直速度来诊断分析云南2007年6－9月主要雷电过程形成的大气热力不稳定和动力环境条件。

1 资料来源

(1)云南省气象局雷击灾情收集资料。

(2)云南省闪电定位系统监测的闪电(雷电)资料(主要指云－地之间发生的闪电)，探测资料覆盖全省。

(3)逐日02:00、08:00、14:00、20:00(北京时，下同)NCEP再分析气象资料，格距1°×1°，垂直层次21层。

23 次雷电过程及其雷击灾害概况

2.1 雷电过程概况

根据云南省闪电定位系统监测资料统计，2007年全年共发生闪电(地闪，下同)549 003个，6－8月发生闪电占年闪电频数的72%，是全年闪电频发时段，尤其以盛夏8月发生的闪电频数为最高，发生的闪电占年闪电频数的39%。其中6月24日和7月6日全省共发生闪电总数分别为15 683个和15 597个;而8月20－28日出现了2007年最强的连续雷电过程，其中在8月20日发生闪电14 181个。

图1分别给出6月24日、7月6日和8月20日20:00－20:00全省3 d 0.1°×0.1°的闪电频数分布。从图1a可以清楚地看到，6月24日雷电主要发生在滇中及以东以南地区，高发区域在楚雄、曲靖和昆明地区;7月6日(图1b)雷电发生区域分布呈南北带状，主要在丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河和思茅东部活动，高发区域在楚雄地区;8月20日(图1c)雷电主要在北部地区活动，其中滇东北雷电发生频数较高。进一步对雷电活动时段进行统计分析发现，3次过程雷电发生时段比较相似，主要发生在午后到傍晚时段。

图1 2007年云南3次主要雷电过程0.1°×0.1°的闪电频数分布

2.2 雷击灾害概况

据气象灾情资料统计，2007年全省共发生雷电灾害事件242起，其中造成的人身伤亡事件73起，雷电灾害直接导致68人死亡。从各月雷电灾害分布(图2)可以看出，在雷电频发期间(6－8月)，发生雷电灾害事件也最多，3个月内共发生雷灾事件150起，占全年总灾害数的62%，人员伤亡事件44起，占全年的65%，共造成41人死亡、52人受伤。6月24日、7月6日和8月20日是2007年的3个多雷电日，也是雷击灾害事件的多发日，3 d发生雷击事件6起，造成了7人死亡、15人受伤，其中6月24日在滇中和滇东发生3起雷击事件，造成3人死亡、7人受伤;7月6日17:30楚雄地区元谋县老城乡那能村委会发生1起雷击事件，造成2人死亡;8月20日在滇东北的昭通发生2起雷击事件，造成2人死亡、8人受伤。

图2 2007年1－12月云南雷击灾害统计

对比分析3次过程的雷电活动和雷击灾害概况发现，雷电活动和导致雷击灾害事件地域差异都较大，但雷击事件都发生在雷电活动频发区域内，雷灾的发生与雷电频繁发生密切相关。

下面将对上述导致雷击灾害的3次雷电过程形成的大气热力、动力环境条件进行诊断分析研究。

3 致灾雷电过程的大气热力不稳定物理量结构特征

对流有效位能CAPE是一个从自由对流高度到平衡高度测量自由对流层的累积浮力能垂直积分指数，CAPE反映了积分厚度和浮力。由下式定义:

式中:θ′v表示扰动虚位温;θvs是大气中虚位温的典型值;zc为自由对流高度;ze为平衡高度。CAPE是在自由对流高度之上，气块可从正浮力做功而获得的能量，表示大气浮力不稳定能的大小，因此CAPE作为气块浮力能的垂直积分量对强对流天气的发生及落区有更好的指示作用，其值越大，表示对流不稳定能量越大，越有利于对流天气的发生。

图3是6月24日、7月6日和8月20日雷电发生前或者发生期间14:00和20:00对流有效位能分布。

6月24日14 :00(图3a)云南处于西部孟加拉湾到缅甸和东部广西到贵州的高CAPE的包围之下，除滇西到滇西北和滇西南边缘外云南大部分区域CAPE保持在200 J/kg以上，并且CAPE分布具有东高西低的特征，滇西地区CAPE小，这些区域对流活动弱，雷电活动几乎没有发生，滇中以东以南地区CAPE≥300 J/kg，说明这些区域具有好的对流不稳定能量，尤其东部CAPE等直线比较密集，属于高CAPE区域，CAPE最高在滇东南，高达1 500 J/kg，这也是6月24日雷电活动和雷击灾害主要发生在滇中以东的原因，雷电最频发的滇东曲靖附近，CAPE在400～700 J/kg之间，对应14:00－20:00曲靖周围50 km范围内发生闪电频数3 361个，其中16:00－17:00发生闪电高达693个，曲靖地区频繁的雷电活动导致马龙县和陆良县17:00左右2起雷击灾害事件发生，造成2人死亡、7人受伤;20:00(图略)全省除滇西北外保持较大的CAPE，高CAPE区域扩大、数值增大，大值区明显西移，尤其滇西南CAPE由300～400 J/kg增大到700 J/kg以上，滇中到滇东雷电还在持续，滇西南雷电更加活跃，思茅地区墨江站周围50 km范围内21:00－24:00发生闪电1 229个，可见随着CAPE大值区西移，雷电活动区域也逐渐西移。

7月6日14 :00(图3a)滇东南和滇西北CAPE<200 J/kg，相应这些区域没有雷电活动发生，除此外全省大部区域CAPE≥200 J/kg，并且形成了一条贯穿云南南北向的比较明显的CAPE大值带，存在两个高CAPE中心，一个在四川南部到云南北部交接处，中心值为900 J/kg，另一个在云南南部思茅与红河交界处，中心值为1 900 J/kg，雷电活动区域与CAPE≥200 J/kg带状区域一致，也呈带状分布，雷电频发区域处在CAPE为300～500 J/kg带状内的楚雄地区，其中楚雄地区元谋站周围50 km范围内17:00－18:00发生闪电1 111个，这也是频繁雷电活动直接导致17:30元谋县发生2人死亡雷击事件的原因;20:00(图略)CAPE大值带范围扩大，CAPE为500～1 700 J/kg之间，大值区明显西移，滇西CAPE≥500 J/kg，雷电活动区域也西移，滇西雷电活动开始。

在8月20日14:00(图3c)和20:00(图略)对流有效位能分布上，对流有效位能都呈北大南小的分布特征，滇中以南地区CAPE<200 J/kg，其它区域CAPE≥200 J/kg，其中滇东北属于高CAPE区域，最高达1 000 J/kg，并且CAPE等值线密集。从20日的雷电空间分布也明显看出雷电活动主要发生在云南北部地区，这些区域CAPE≥200 J/kg，频繁的雷电活动发生在昆明北部、曲靖北部到昭通南部CAPE在600～900 J/kg之间的区域内，其中曲靖北部的会泽、昭通南部的巧家周围50 km范围内16:00－17:00分别发生闪电955个和622个，频繁的雷电活动也诱发了昭通地区巧家县和曲靖地区彝良县造成2人死亡和8人受伤的2起雷击灾害事件，可见频繁的雷电活动与高CAPE有较好的对应关系，从而在这些区域引发了雷击灾害事件。

图3 对流有效位能分布(单位:J/kg)

因此只有足够的对流有效位能条件，才能形成足够浮力来促进强对流的发展，形成雷暴天气，产生雷电和引起雷击灾害。虽然云南不同区域雷电发生的对流有效位能条件不太一致，但云南雷电发生的必要条件是CAPE≥200 J/kg，滇西发生雷电时CAPE要在500 J/kg以上，这与特殊的地形和地理位置有关。雷电活动区域与高CAPE区域具有较好的对应关系，一般对流有效位能越大越有利于雷电活动的产生，活跃的雷电活动主要出现在1 000 J/kg≥CAPE≥300 J/kg的区域内。

4 致灾雷电过程的大气动力垂直速度物理量结构特征

垂直速度直接表征对流的强弱。垂直速度在(x，y，p，t)坐标系里为:

式中:p为大气压强;dp是大气压变化，dt是时间变量;ω为p坐标里表征单位时间大气压变化的垂直速度，单位为hPa/s，量级一般在0.001。如果垂直速度为负值表示大气作上升运动，负值越小，上升运动越强;如果垂直速度为正值表示大气作下沉运动，正值越大，下沉运动越强。

4.1 雷电发生时700 hPa大气垂直速度结构特征

图4是6月24日和8月20日雷电发生前或者发生期间14:00和20:00 700 hPa垂直速度分布。6月24日14:00(图4a)除滇西和滇东北局部地区外全省大部地区为负垂直速度，表明全省低层以上升运动为主，非常利于强对流天气的形成和发生，尤其滇东、滇西北和滇西南上升运动强烈，出现了3个负值中心，在滇西北的丽江、滇东的曲靖、滇西南的思茅和西双版纳垂直速度分别为－0.003 5 hPa/s、－0.002 hPa/s、－0.002 hPa/s，午后到傍晚的频繁雷电活动和雷击灾害就发生在这些强上升运动的区域内，曲靖14:00－20:00发生闪电频数3 331个，造成曲靖地区2起灾害事件的发生，丽江地区的华坪15:00－19:00发生闪电频数1 170个;20:00(图略)滇东北继续为正的垂直速度，滇西到滇西北转为正垂直速度，出现下沉运动，相应滇西北华坪的雷电活动结束，全省其它地区保持负的垂直速度，滇南到滇东大部垂直速度小于－0.001 hPa/s，上升运动加强，尤其滇东到滇东南垂直速度小于－0.002 5 hPa/s，这些区域雷电活动还在发生，并且雷电频发区域逐渐南移，24日21:00－25日01:00红河、思茅分别发生闪电频数1 063个和1 767个。可见雷电发生在垂直速度小于－0.001 hPa/s的上升运动区内，强的上升运动利于强对流天气的发生和发展，可以为雷电的形成提供足够的动力抬升条件。

从8月20日14:00的700 hPa垂直速度分布(图4b)明显看出，垂直速度具有北负南正的典型特征，表明云南北部地区为上升运动区，利于强对流天气的形成和发展，而滇中及其以南地区下沉气流区对对流天气的形成和发展不利，8月20日午后到傍晚的频繁雷电活动和雷击灾害事件正是发生在云南北部垂直速度小于－0.001 hPa/s的上升运动区域内，昭通南部和曲靖北部就是雷电活动的频繁区域和雷击灾害发生区域;20:00(图略)云南北部继续保持负的垂直速度，但北部主要的负垂直速度区明显西移，滇东北上升运动减弱，而滇西北负垂直速度值变小，表明滇西北北部上升运动加强，丽江地区的华坪附近出现垂直速度为－0.003 hPa/s左右的上升运动中心，相应滇东北的雷电活动基本结束，滇西北的雷电活动更加频繁，尤其丽江地区20日夜里到21日凌晨出现了强烈的雷电活动，其中华坪站21日04:00－07:00发生闪电频数1 306个。

图4 700hPa垂直速度分布(单位:0.01 hPa/s)

4.2 雷电发生时大气垂直速度的垂直结构特征

为了进一步分析研究雷电发生的大气垂直速度垂直结构特征，图5给出6月24日和8月20日14:00垂直速度沿103.5°E雷电频发区域的垂直剖面。

图5 垂直速度沿103.5°E垂直剖面(单位:0.01 hPa/s)

从图5可以看出，2次雷电过程大气垂直速度的垂直结构比较相似，雷电发生区域自低层向高层都是负的垂直速度，表明存在着深厚的上升气流，只是8月20日比6月24日大气上升运动中心位置偏北，正好对应着雷电活动区域位置偏北，发生的雷击灾害事件区域也偏北。

在24日14:00(图5a)云南境内(23°～27°N)有一条从低层到高层由南向北倾斜的上升气流，上升气流上空的较高层为下沉气流，高低层之间抽吸作用会导致对流的强烈发展，上升气流比较深厚，一直达到300 hPa高度，并且上升气流强度强，垂直速度为－0.001～－0.002 hPa/s左右，大气具有较强的上升运动，深厚和强烈上升气流的存在会促使水汽凝结增长，为强雷暴云的形成发展提供了足够的抬升动力条件，而在上升气流南北两侧(23°N以南和27°N以北)是下沉气流区，形成了稳定的垂直环流系统，保障了倾斜的上升气流的维持。

8月20日14 :00(图5b)的大气垂直速度同样具有上述垂直结构特点，在低层到高层由南向北倾斜的上升气流主要在25°～29°N之间，这也是8月20日云南雷电活动区域偏北的原因，雷电频发区域从低层到高层保持较强的上升运动，上升速度为0.001～0.003 hPa/s，最强上升运动400～500 hPa，上升速度为0.003 hPa/s，同样在两侧为南北两侧是下沉气流区，上升下沉形成的稳定大气垂直环流结构为雷电的形成提供了有利的抬升动力环境条件。

由此可见，上升下沉气流之间形成的稳定大气垂直环流结构、深厚的上升气流以及中低层上升气流、高层下沉气流的结构非常有利于云南雷电的形成和雷击灾害事件的发生，同时在雷电易发区域大气具有深厚的和较强的上升运动，从低层到高层垂直速度小于－0.001 hPa/s。一方面低层出现上升气流，而高层出现下沉气流，高低层之间抽吸作用会导致对流的强烈发展，另一方面上升和下沉两支气流的存在形成了稳定大气垂直环流结构，可有利于大气上升运动的维持，最后大气的上升运动加强和倾斜上升气流的存在又会促使水汽凝结，从而形成了带有正负电荷的小水滴，就会产生云团对云团和云团对地的放电过程而产生雷电，导致雷击灾害发生。

5 结论

(1)3次过程雷电活动和导致的雷击灾害地域差异较大，但频繁的雷电活动是导致雷击灾害的主要原因，雷击事件一般都发生在雷电活动频发区域，雷灾与频繁发生的雷电密切相关。

(2)雷电活动的发生需要一定的对流有效位能和垂直速度，只有具备足够的对流有效位能和上升运动条件，才能形成足够浮力来促进强对流的发展，形成雷暴天气和产生雷电，导致雷击灾害。

(3)云南雷电发生的必要条件是CAPE≥200 J/kg，并且对流有效位能越大越有利于雷电活动及雷击灾害的发生。虽然雷电活跃程度并非与CAPE值大小一一对应，但活跃的雷电活动主要出现在1 000 J/kg≥CAPE≥300 J/kg的范围内，与高CAPE区域具有较好的对应关系。

(4)上升下沉气流之间形成的稳定大气垂直环流、倾斜深厚的上升气流以及中低层上升气流、高层下沉气流的垂直结构为云南雷电的形成提供了有利的环境动力条件，同时在雷电易发区域从低层到高层大气具有垂直速度小于－0.001 hPa/s的深厚且较强上升运动，往往上升运动越强烈，产生的雷电活动也会越活跃，雷击灾害也越容易发生。

［1］许键明，孙家栋.中国气象事业发展战略研究——气象与国家安全卷［M］.北京:气象出版社，2004:133－137.

［2］张敏锋，冯霞.我国雷暴天气的气候特征［J］.热带气象学报，1998，14(2):156－162.

［3］李亚丽，杜继稳，鲁继平，等.陕西雷暴灾害及时空分布特征［J］.灾害学，2005，20(3):99－102.

［4］钟幼军，曹铁英，宫延平，等.黑龙江雷电活动气候特征分析［J］.自然灾害学报，2007，16(5):79－83.

［5］景元书，申双和，李明.江苏省雷暴气候特征分析［J］.灾害学，2000，15(1):27－30.

［6］张宇翔.对城市雷电灾害的认识与防护［J］.灾害学，2005，20(3):65－67.

［7］Peterson Walter A，Rutledge S，Orville R.Cloud－to－ground lightning observations from TOGA COARE:Selected result sand lightning location algorithms［J］.Mon Wea Rev，1996，124(4):602－620.

［8］Petersen Walter A，Cifelli R，Boccippio D J，et al.Convection and easterly wave structures observed in the eastern pacific warm pool during EPIC－2001［J］.Journal of the Atmospheric Sciences，2003，60(15):1754－1773.

［9］Jeffrey B Halverson，Rickenbach T，Roy B，et al.Environmental characteristics of convective systems during TRMM－LBA［J］.Mon.Wea.Rev，2002，130(6):1493－1509.

［10］郑栋，张义军，吕伟涛，等.大气不稳定度参数与闪电活动的预报［J］.高原气象，2005，24(2):196－203.

［11］贾朝阳，王盘兴，李丽平，等.山西省夏季雷暴的区域性及影响因子分析［J］.自然灾害学报，2009，18(2):107－114.

［12］张腾飞，尹丽云，许迎杰，等.2007年5－8月云南省雷电活动特点和致灾因子分析［J］.灾害学，2009，24(1):73－79.

［13］尹丽云，许迎杰，张腾飞，等.云南雷暴的时空分布特征分析［J］.灾害学，2007，22(2):87－92.