柳臣中，周筠王君，张 凌，徐 毅，张晓露

(1.成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都610225;2.中国人民解放军69008部队，新疆乌鲁木齐830000;3.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，江苏 南京210044)

强对流天气过程常常伴随着剧烈的闪电活动，不同地域的强对流天气过程具有不同的闪电特征。针对强对流天气中的闪电产生动力机制的讨论，国内外学者普遍认为强上升气流和冰相粒子的碰撞是闪电产生的基本条件。Tessendorf等[1]和 Wiens等[2]结合 2000年6月29日美国堪萨斯州西部的强雷暴起电和降水研究STEPS(severe thunderstorm electrification and precipitation study)，利用3个S波段多普勒雷达、便携式环境电场仪和NLDN(national lightning detection network)资料重点分析了一次超级单体雷暴演变为多单体雷暴过程的动力、微物理特征，发现雷暴中的总闪率与上升气流强度有很好的相关性，其中上升速度和垂直涡度至少要达到10 m/s和10－2s－1的量级。而Zajac等[3]则利用NLDN对强对流天气过程中地闪活动的特征及其对云中动力过程的响应机制做了较为深入的研究，提出在多数强对流天气中的闪电活动常常与动力过程相关，随着动力过程的改变，强对流天气中的带电水成物粒子分布随之改变，进而影响闪电放电特征。在国内，郑栋等[4－5]提出强烈的上升气流是闪电形成和发展的最基本条件，只有存在强上升气流时雷暴云中的电场能量和电场强度才可能不断地增加，其增加速度和气体上升速度成指数规律增加。冯桂力等[6－7]利用电网闪电监测系统、714SDN多普勒雷达及GMS5卫星资料分析了一次冷涡天气系统中的雹暴过程及其地闪活动，并提出云层的起电过程和闪电与垂直上升气流密切相关。以往有关闪电产生的动力机制研究中主要侧重于探讨强对流天气中动力过程对闪电活动的影响[8－9]，而对闪电活动影响动力过程的研究较少，闪电产生的动力机制如何建立?闪电活动与动力过程如何相互作用?这些都缺少定量描述的方法。

成都地区(30°05'N～31°26'N，103°04'E～104°53'E)位于四川盆地西部，青藏高原东部，属亚热带湿润季风气候。受副热带和中纬度天气系统的交替影响，中小尺度天气系统活动频繁，该地区所产生的地闪活动有着鲜明的区域性特征，虽然借助多种闪电探测手段收集的资料已经对其规律有了一些初步认识，但是由于闪电产生的时空随机性和瞬时性，对其中动力过程的理论研究和观测实验还不充分。

因此，主要运用雷达、卫星和闪电定位系统等观测资料相结合，讨论成都地区独特地形下强对流天气中动力过程和地闪活动特征，以及两者的相互作用机制，为成都地区强对流天气及其地闪活动的预警预报工作提供重要的理论参考和技术支持。

1 资料和方法介绍

分析了成都地区2013年6月20日一次中尺度对流系统(MCS)，过程中的地闪活动资料主要包括四川省闪电定位网提供的地闪观测资料，强对流天气过程的背景及动力场分析主要借助2013年6月19日20时至20日20时(北京时，下同)MicAPS探空资料、T-lnp图资料，2013年6月19至20日降水逐小时观测资料(加密观测和常规观测)，2013年6月19日20时至20日20时1°×1°的FNL资料，研究过程中还用到TWP3型固定式边界层风廓线雷达2013年6月20日每半小时一次的水平风资料、2013年6月19日20时至20时逐小时的风云2E静止卫星云图和0.1°×0.1°TBB反演资料。

成都信息工程大学气象观测场的TWP3型固定式边界层风廓线雷达主要用来提供强对流天气过程中的高空风场资料，其工作频率为1290 MHz，最大探测高度≥3 km，最小探测高度≤100 m，提供的参数包括功率谱、回波信噪比、水平风速风向、垂直气流速度和方向、大气折射率结构指数等。

2 天气背景介绍

据资料显示，自2013年6月20日01:30起，成都地区迎来一次MCS，经统计全天发生地闪12937次，其中正地闪315次，负地闪12622次，是一次典型的负地闪为主导的闪电活动。MCS成熟阶段共发生地闪4399次，占全天地闪次数的34%，其中4335次负地闪，64次正地闪。此次MCS导致58条电力线路中断，通讯设备信号不畅，多处交通设施运行受阻，是成都地区自2008年后又一次过程剧烈、破坏力惊人的强对流天气过程。图1是由FNL1°×1°资料得到的19日和20日08时500 hPa环流形势。图2是由四川省自动气象站降水加密资料得到的24小时累积降水量分布图。图3是由四川省闪电定位系统资料得到的地闪分布图。

从图1(a)可以看出，巴湖附近及中国东北部各有一低值中心，中国内蒙古西北部形成阻塞高压，随着高空低槽东移，地面弱冷空气的入侵，西南暖湿气流的不断涌入，触发了本地强不稳定能量的释放。从图1(b)可以看出，500 hPa天气图上副高加强西伸，原来位于内蒙古地区西北部的阻塞高压崩溃，与此同时新疆北部强低值系统向南分裂出一低值中心加速东移，成都地区上空对流活动有所增强。高空辐散，低层辐合为其提供动力条件;高低层存在差动平流，低层存在湿舌为其提供水汽条件，这些都有利于MCS的爆发[10－11]。如图2所示，降水主要分布在成都地区北部和东南部，即都江堰南部、彭州中部和东南部，郫县、市区东南部、双流和龙泉驿交界处24小时降水量普遍都达到200 mm以上，降水集中区域如彭州东部，雨量甚至达到特大暴雨的量级。如图3所示，地闪主要分布于成都地区中部和东南大部，尤其以双流县东部，龙泉驿区，青白江区和金堂县最为密集。从整体来看，降水的分布与地闪分布形势大体相同，降水较为集中的区域也是地闪密集区。这与北京地区[5]、南京地区[12]对于地闪与降水关系的分析结果较为相似。

图1 2013年6月19日08时与20日08时500 hPa环流形势

图3 2013年6月20日24小时地闪分布(图中“+”号表示正地闪，“－”号表示负地闪)

3 强对流天气中的动力过程

3.1 环境条件分析

大气环境的热动力特性能够影响闪电活动，进入雷暴云内部的能量越多，闪电活动也越强烈[13－14]。Schultz等[15]利用多参数雷达研究了产生闪电的雷暴云动力过程，发现CAPE值越大，对流抑制能量越小，对流层垂直风切变越弱，闪电密度越大。结合本次MCS发展的3个阶段可以划分为，发展阶段:20日01:30至03:00;成熟阶段:03:00至05:00;消亡阶段:05:00以后。表1是MicAPS探空资料经计算得到的环境参数，观察此次强对流天气过程到来之前参数的变化可以发现K指数、抬升指数等都有较为明显的不稳定能量积聚的趋势，对流稳定度指数在19日20时远小于－10℃，达到－19.2℃。过程中抑制有效位能都大于40 J/kg，这些都有利于闪电活动发生[4]，但是由于19日前已有一次剧烈的强对流天气发生，所以沙氏指数、抬升指数在本次过程前已经转为负值，这表明大气层结之前已经较不稳定。从本次MCS发展前，由表中19日20时环境参数可以看出，对流有效位能达到最高的765.3 J/kg。反观强对流天气消散阶段，即20日08时的参数，发现0℃层、－20℃层、－30℃层较19日20时均有不同程度的下降，这些特殊层高度的降低有利于强对流天气中的闪电活动。20日20时本次强对流天气过程已趋于结束，沙氏指数由负转正，特殊层高度迅速逐渐回升，对流有效位能和0℃层高度对于强对流活动潜势预报的指示作用明显，这与夏文梅等[12]基于南京站的研究结果基本一致。研究过程中发现对流稳定度指数也能很好地反映强对流天气过程的演变。但与戴建华等[16]利用TRMM/LIS资料分析长江三角地区的闪电活动不同的是，成都地区闪电高发期间的抬升指数并没有小于－2℃。

表1 强对流天气过程环境因子演变

图4 2013年6月19日20时，20日02时和08时各物理量的垂直分布廓线

图5 2013年6月20日云顶亮温与前后30分钟内地闪的叠加

雷暴云内的上升速度的大小对于雷暴的发生发展起到至关重要的作用，强烈的上升运动也有利于产生更多有益闪电起电放电的水成物及冰相粒子，从而形成更强的云内电场及放电过程[17－18]。图4为成都地区(31°N，103°E)温度、湿度、风场物理量的垂直分布廓线。从温度层结曲线图(图4a)可以看出，在MCS发展前后，3个时次曲线变化不大，中低层没有出现明显逆温区，0℃层位于500 hPa高度。从垂直速度曲线图(图4b)可以看出，垂直速度在对流活动发展初期，700 hPa高度以下达到－1 Pa/s，上升运动明显。随后在700 hPa至500 hPa高度间垂直速度由负转正，在450 hPa达到0.75 Pa/s，此时对流层中高层都为弱的下沉运动。20日02时，垂直速度在450 hPa高度以下一直为负，并在650 hPa高度达到－0.6 Pa/s，可见此时对流层中低层一直为上升运动，高层则以下沉运动为主。消散阶段垂直速度在600 hPa高度前已经很快转为正值，并于500 hPa接近1 Pa/s，表明此时对流层中层大气开始出现强下沉运动，造成此次MCS减弱。从u分量图(图4c)可以看出，3个时次曲线走势较为一致，700 hPa高度以下为一致的东风，500 hPa至400 hPa高度转为西风，至对流层高层又再次转为东风，但是MCS发展前，即19日20时风速在中高层变化幅度明显要比MCS成熟后小很多。从v分量图(图4d)可以看出，19日20时500 hPa高度以下为一致的偏南气流，且风速接近3 m/s，但到达对流层高层后又转为偏北气流。20日02时和08时两曲线走势相似，但是在对流层低层700 hPa高度以下，20日02时为弱的偏南气流，20日08时为弱的偏北气流，随着高度升高至中层500 hPa，两者都转为偏南气流，20日08时曲线又在高层350 hPa提前由偏北气流转为偏南气流。对比3个时次的v分量曲线可以看出，正是由于MCS由发展进入消散阶段，对流层低层的气流出现了随时间增加而由北向南偏移的现象。

3.2 强对流天气演变细节

卫星资料作为研究强对流天气中地闪活动的主要途径，有其精度高、易处理的优越性。从近期的研究成果来看，国内外学者使用的卫星资料来源包括TRMM卫星、MTSAT卫星、GOES卫星、风云系列卫星等。图5为风云2E静止卫星云顶亮温产品得到的MCS发生到消亡阶段，云顶亮温与前后30min内地闪的叠加。强对流天气开始阶段(01:30～03:00)，结合01:00(图5a)和02:00(图5b)的红外云图发现四川省中部和东北部各有一深厚的雷暴云团生成并发展，地闪开始零星出现在成都地区西部和东北部，位于云顶亮温低于－60℃的梯度且较大的区域内。自03:00(图5c)开始，两雷暴云团发展迅速，不断扩大合并发展为中尺度对流复合体(MCC)，云顶亮温低于－50℃的冷云区也随之扩大，且长宽都接近3个经纬距。此时地闪密集发生于成都地区中东部，形成两条平行于MCC侧边界的闪电带，成都地区内的地闪主体已全部位于云顶亮温低于－70℃的区域，这与袁铁等[19]对于华南飑线中闪电活动与云顶亮温关系的研究结果较为一致。

成熟阶段(03:00－05:00)，结合04:00(图5d)和05:00(图5e)的红外云图发现此时MCC云区面积不断增长，随着系统内部冷云盖的温度持续降低，低于－60℃的云顶亮温区域面积也持续增大[13]。云顶亮温低于－70℃的云区又逐渐发展为中部、东北部两个中心，同时又有一低于－80℃的云顶亮温低值中心形成。对比地闪频次图可以发现，成都地区内的地闪数量较前一阶段有明显的跃升，并且密集区位置一度和云顶亮温低值中心重合。

消散时段(05:00之后)，结合06:00(图5f)的红外云图发现MCC云区开始减弱变形，中部和东北部两个低于－70℃的云区面积逐渐缩小，低于－80℃的低值中心向东北并移出了成都地区。此时地闪频数较旺盛阶段有所减少，从07:00(图5g)和08:00的云图(图5h)可以发现，低于－60℃的云区范围开始逐渐缩小，云顶亮温逐渐上升，系统由盛转衰，减弱消散。对比山东地区[6]、华北地区[13]、云南地区[20]云顶亮温与地闪的关系可以发现，本地区MCS过程中地闪所发生的区域，同样也为云顶亮温≤－60℃且温度梯度较大的区域，但是与附近的云南地区略有不同的是，本地区地闪密集区常常出现在MCS云团前部。

4 地闪活动特征分析

4.1 分布特征的分析

图6 2013年6月20日地闪频数空间分布

闪电的分布特征与强对流天气活动的强弱程度息息相关[21]，图6和图7是由四川省闪电定位系统提供的地闪资料得到的地闪频数、平均强度和累积强度分布图。从图6可以看出，MCS发展阶段(图6a)地闪主要分布在成都地区西南部，集中于大邑县和邛崃市东部交界处，密集区地闪频数可达到8次/km2。MCS成熟阶段(图6b)地闪主要分布在成都地区中部和东南部，形成“郫县－温江区－崇州市”、“龙泉驿区－双流县”两个密集区，密集区地闪频数在短时间内达到16次/km2。MCS消散阶段(图6c)地闪主要分布在成都地区东南部，集中于青白江区南部，龙泉驿区和双流县东部，密集区地闪频数达到20次/km2。虽然频数较发展和成熟阶段多，但是其持续时间为3个阶段中最长。由6月20日全天地闪分布来看(图6d)，地闪位置随时间由西向东演变，主要分布于成都地区中部和东南大部，其中双流县、龙泉驿区、青白江区和金堂县地闪尤为密集，集中区域甚至可以达到26次/km2以上。

图7 2013年6月20日地闪平均强度和累积强度空间分布

从图7可以看出，本次地闪活动的平均强度(图7a)和累积强度(图7b)的空间分布和频数分布类似，高值区基本都依据频数分布于成都地区的中部及东南大部，其中24小时平均强度高值达到了240 kA以上，累积强度则达到1000 kA以上。由地闪频数、平均强度和累积强度结合分析可以看出，本次强对流天气产生的地闪主要发生于成都地区东南部，即双流县、龙泉驿区、青白江区和金堂县范围内，由于本次地闪活动的高峰期出现在凌晨到清晨，人员主要集中在室内相对安全，应当尽量避免交通和通讯设施受到灾害性天气的影响。

4.2 演变特征的分析

图8是由闪电定位系统数据和降水加密资料得到的本次MCS过程中地闪频次与累积降水量随时间演变图。由图可见，自01:30起负地闪频次明显增加，但由于本次MCS发展前已经有几次较为明显的对流活动，所以降水开始就稳定在较高水平。随着MCS的不断增强，负地闪频次不断增多，在03:20出现一个峰值229次/5 min，而降水先于地闪在02:00就达到峰值2450 mm。此后负地闪一直稳定维持，并在04:55达到最大峰值240次/5 min，降水则在达到峰值2h后迅速减弱，在04:00就已减少至755 mm。自05:00开始，MCS开始减弱，此时负地闪频次锐减，降水逐渐减弱，同时正地闪频次有所增强，在05:05达到9次/5 min，正地闪频次的增加也预示着本次MCS减弱消散。对比华北地区的雷暴可以看出，负地闪维持的时间与强对流维持时间大致相同，降水形势与地闪形势大致相同，但降水峰值要比地闪峰值早出现约80 min[13]。地闪在短时间大幅度增加，可能是由于夜间大气层结较不稳定，而暖湿空气又不断涌入和抬升，使得该地区强对流天气加剧，造成了闪电活动的频繁产生[22]。

图8 2013年6月20日01:30～10:30地闪频次和累积降水量随时间的演变

5 动力过程与地闪活动相互作用

图9 2013年6月20日01:30～10:30成都站(30°35'06″N，103°59'23″E)风廓线时间－高度剖面与30km范围内地闪叠加

从图9可以看出，02:00之前，3～1 km高度风向大致为东北风，3 km以上高度的风向普遍为西北风，且风速维持在8～12 m·s－1，风随高度逆转，中层有冷平流出现，可能是导致此次MCS发生发展的诱因。03:00之前，即此次MCS发展阶段，地闪正处于不断增长阶段，但是幅度并不大。03:00附近，1500 m高度以下风速突然增大并转向西南风，高层统一为偏南风，此时降水量明显增强，地闪数量明显增多，并在05:00附近达到峰值1059次，MCS恰好处于成熟阶段，观察03:00至05:00时段3 km以上的廓线图可以看出，降水和地闪的稳定阶段，中层又一致转为西北风，风速普遍达到12～16 m·s－1。05:00之后，MCS处于消散阶段，高层风向、风速不再出现波动，此时降水逐渐减弱，地闪数量在07:30和08:30分别出现了一次小波动之后，明显减少[23]。通过对比可以明显看到，高空风发生切变时也正是地闪数量出现明显变化的时刻。垂直螺旋度能够很好的反映出强对流天气过程中动力过程的强弱，分析19日20:00，20日02:00，08:00的垂直螺旋度(10－6m·s－2)分布，可以看出MCS成熟前(图10a)，成都地区大部还处于 50 ×10－6m·s－2小值区内，对流活动并不强烈，此时也没有地闪发生。当MCS进入成熟期(图10b)，成都地区恰好位于垂直螺旋度大值中心西北范围内，大值中心达到500×10－6m·s－2，此时降雨已经开始，但是由于该图仅仅叠加了前后30 min的地闪位置，而此时地闪数量还不密集，所以其与垂直螺旋度的关系尚待进一步分析。对比云顶亮温图可以发现，其低于－60℃冷云区和垂直螺旋度大值中心有很好的对应关系，或许能够作为研究强对流天气的指标之一。MCS消散阶段(图10c)，垂直螺旋度大值区已经减弱并移向成都地区外围，位于四川盆地东北部，此时降水和地闪活动都已减弱。

图10 2013年19日20时至20日08时垂直螺旋度与前后30分钟内地闪叠加

6 结论

利用闪电定位系统资料、卫星观测资料、常规观测资料，通过分析成都地区一次MCS中的动力过程及其地闪活动特征，初步讨论了强对流天气背景下动力过程和地闪活动相互作用机制，得到如下结论:

(1)CAPE和0℃层高度对于强对流活动潜势预报的指示作用比较明显，但是通过观察MCS生命史期间环境因子的演变，发现对流稳定度指数也能很好的反映强对流天气的演变。

(2)地闪活动与降水及云顶亮温有很好的对应关系。本次MCS中降水的分布与地闪分布形势大体相同，降水集中区域也是地闪密集区。地闪主要发生在云顶亮温≤－60℃且温度梯度较大的区域，地闪密集区常常出现在MCS云团中部及前部，即对流活动较为旺盛的区域。

(3)正地闪频次的增加可能预示着强对流活动的减弱消散，负地闪维持的时间与强对流维持时间大致相同。MCS由发展阶段进入成熟阶段，负地闪频次开始出现小的峰值，此后负地闪一直稳定维持并出现最大峰值。随着MCS进入消散阶段，负地闪频次极度锐减，同时正地闪频次有所增强。

(4)对流开始阶段，对流层中层有冷平流出现，可能是导致此次MCS发展的诱因。MCS发展阶段，1500 m高度以下风速突然增大并转向西南风，高层统一为偏南风，此时降水量明显增强，地闪数量明显增多;MCS成熟阶段，降水和地闪也处于稳定阶段，对流层中层又一致转为西北风，风速普遍达到12～16 m·s－1。MCS消散阶段，高层风不再出现波动，此时降水明显减弱，地闪数量随之减少。

(5)当MCS成熟阶段，地闪密集区恰好位于垂直螺旋度大值中心西北范围内，大值中心达到500×10－6m·s－2。但是由于该图仅仅叠加了前后30 min的地闪位置，而此时地闪数量还不密集，所以其与垂直螺旋度的关系尚待进一步分析。云顶亮温≤－60℃冷云区和垂直螺旋度大值区有很好的对应关系，或许能够作为研究强对流天气的指标之一。成都地区受东亚季风和西南季风联合影响，受青藏高原和四川盆地热动力作用。该地区的地闪主要发生在7至9月份，且季节变化较为明显。主要分析了成都地区一次MCS中的动力过程与地闪活动相互作用机制，为该地区进一步分析强对流天气及闪电活动预警预报提供了重要的理论依据。但是，也应注意由于强对流天气过程及闪电活动时间较短，观测设备的时效性不足，研究尚需更多的个例加以说明验证。

致谢:感谢北京市自然科学基金重点项目(8141002);中科院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室2013年度开放基金(LPCC201305);中国气象局成都高原气象开放实验室基金项目(LPM2013014)对本文的资助

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