一次東北冷渦天氣過(guò)程雷電氣象潛勢(shì)條件診斷分析

（1 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院，沈陽(yáng) 110166；2 中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，沈陽(yáng) 110166）

0 引言

雷電是中國(guó)東北地區(qū)頻繁發(fā)生的自然災(zāi)害，據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷電災(zāi)害已成為城市僅次于暴雨和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的第三大氣象災(zāi)害[1-2]。雷電是在特定大氣環(huán)境中發(fā)展起來(lái)的對(duì)流系統(tǒng)，為描述這種對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的環(huán)境場(chǎng)特征，國(guó)內(nèi)外研究者總結(jié)了大量物理意義明確的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量學(xué)參數(shù)，并將這些參數(shù)應(yīng)用在對(duì)雷電天氣的分析和潛勢(shì)預(yù)報(bào)中。

高菊霞等[3]提出通過(guò)對(duì)兩次強(qiáng)雷電過(guò)程的閃電特征、天氣形勢(shì)及物理量場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)：西太平洋副熱帶高壓、西風(fēng)槽是強(qiáng)雷電天氣過(guò)程的直接影響系統(tǒng)，暴雨落區(qū)與閃電密集區(qū)對(duì)應(yīng)較好，最強(qiáng)正閃出現(xiàn)在中層相對(duì)濕度大于50%的區(qū)域內(nèi)，最強(qiáng)負(fù)閃出現(xiàn)時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)較弱，雷電密度較大區(qū)域?yàn)?zāi)害明顯。龔嘉鏘等[4]用WRF模式對(duì)發(fā)生在南京市區(qū)的兩次雷電過(guò)程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)WRF模式高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)，使得其對(duì)雷電發(fā)生前的氣象要素資料的獲取更加精確，可進(jìn)一步地提高利用WRF模式進(jìn)行雷電預(yù)警的效果。李君等[5]指出淄博市雷電天氣形勢(shì)特征分別為冷鋒型雷電、高空槽（切變線）型雷電以及冷渦型雷電。許愛(ài)華等[6]發(fā)現(xiàn)高溫高濕天氣、層結(jié)異常不穩(wěn)定、前傾槽結(jié)構(gòu)、亮溫區(qū)、強(qiáng)回波伸展高度、“逆風(fēng)區(qū)”和“正速度快速增大區(qū)”等特征十分明顯，是預(yù)報(bào)分析強(qiáng)雷電天氣的著眼點(diǎn)。郜凌云等[7]發(fā)現(xiàn)遼寧省內(nèi)陸城市雷暴活動(dòng)與近地面氣溫、亞洲緯向和經(jīng)向環(huán)流有關(guān)，沿海城市雷暴活動(dòng)與對(duì)流層中低層的風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)密切相關(guān)，雷暴日數(shù)的年際變化與西太平洋副熱帶高壓脊線的位置密切相關(guān)。

而東北冷渦是東北地區(qū)的典型影響天氣系統(tǒng)[8]，具有多發(fā)性和連續(xù)性特點(diǎn)，更是強(qiáng)對(duì)流天氣的多發(fā)天氣形勢(shì)，也是經(jīng)常出現(xiàn)雷電天氣的典型天氣形勢(shì)。因此，從東北冷渦天氣形勢(shì)下雷電發(fā)生的潛勢(shì)條件分析著手，研究東北冷渦天氣形勢(shì)下，雷電的產(chǎn)生條件和高發(fā)區(qū)域。

1 資料及方法

統(tǒng)計(jì)特征分析的歷史資料使用1960—2010年常規(guī)氣象觀測(cè)資料；冷渦個(gè)例資料采用中國(guó)氣象局下發(fā)的常規(guī)天氣實(shí)況觀測(cè)資料、歐洲中心數(shù)值預(yù)報(bào)資料及NCEP再分析資料，時(shí)間2002年7月11—14日，2005年7月9—13日，2017年4月22—25日。

東北冷渦（NECV）的定義采用孫力等[9]的標(biāo)準(zhǔn)，即東北冷渦是500 hPa天氣圖上，115°—145°E、35°—60°N 范圍內(nèi)有閉合等高線，配合有冷中心或冷槽，能夠持續(xù)維持3 d或3 d以上的低壓環(huán)流系統(tǒng)。

采用天氣學(xué)分析方法對(duì)發(fā)生雷電的東北冷渦天氣形勢(shì)進(jìn)行分析，尋找冷渦天氣發(fā)生雷電的機(jī)理原因；采用診斷分析方法，研究了冷渦背景下各物理量場(chǎng)與雷電發(fā)生的密切關(guān)系；利用中尺度分析方法，尋找對(duì)流不穩(wěn)定即雷電的高發(fā)區(qū)域。

2 東北冷渦對(duì)流不穩(wěn)定潛勢(shì)分析

2.1 東北冷渦天氣特點(diǎn)

東北冷渦具有明顯的對(duì)流不穩(wěn)定能量，突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流，帶來(lái)雷電、大風(fēng)、冰雹等。陳長(zhǎng)勝[10]在《初夏兩次東北冷渦強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)比分析》中提到東北的雷暴日數(shù)由冷渦引發(fā)的最多，64%的颮線與冷渦過(guò)程有關(guān)，冷渦降雹占東北總降雹日數(shù)近一半。對(duì)1960—2010年5—9月發(fā)生在遼寧省的東北冷渦天氣過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖1），共出現(xiàn)417次冷渦過(guò)程，平均每年出現(xiàn)8.3次冷渦過(guò)程，這50年氣候傾向趨勢(shì)不明顯。另外，從地面實(shí)況資料可知冷渦對(duì)流有明顯日變化，多發(fā)生在午后到前半夜，雷暴也對(duì)應(yīng)發(fā)生在這個(gè)時(shí)間段，這與陳力強(qiáng)等[8]在2008年研究的冷渦過(guò)程中對(duì)流有效位能的日變化表現(xiàn)一致（圖略）。冷渦還經(jīng)常產(chǎn)生局地暴雨，占總數(shù)的22%；區(qū)域性暴雨較少，僅占7%；未出現(xiàn)過(guò)大范圍特大暴雨。

圖1 東北冷渦年際變化及年頻次Fig. 1 Interannual variation of frequency of the northeast cold pool

2.2 東北冷渦雷電對(duì)流不穩(wěn)定潛勢(shì)分析

東北冷渦是阻塞系統(tǒng)的切斷低壓，所以東北冷渦天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和溫度層結(jié)與切斷低壓相似。陳力強(qiáng)等[8]對(duì)2002年7月12日東北冷渦天氣過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)東北冷渦天氣系統(tǒng)中，高層暖異常，中層冷異常，在對(duì)流層上部形成穩(wěn)定層結(jié)，但隨著高度降低，低層增溫，形成了中低層的低穩(wěn)定區(qū)，冷渦在中高層對(duì)應(yīng)較強(qiáng)位渦為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了潛在條件。這個(gè)研究結(jié)果與切斷低壓的結(jié)構(gòu)非常相似，在東北冷渦過(guò)程中具有普遍規(guī)律。另外，東北冷渦前部為上升氣流，后部為下沉氣流，雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣易出現(xiàn)在東部或北部，在那里中層正渦度可以在低層產(chǎn)生環(huán)流，該環(huán)流可以帶來(lái)暖濕氣流，為雷電的發(fā)生儲(chǔ)存了能量。由于東北地處中高緯，加之極鋒急流和副熱帶急流的季節(jié)變化易形成阻塞系統(tǒng)。東北三面環(huán)山、中間平原的地形以及海陸交界的分布使阻塞系統(tǒng)的切斷低壓易在東北地區(qū)維持。阻塞系統(tǒng)的持續(xù)性導(dǎo)致了東北冷渦的持續(xù)性。由于冷渦持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，雷電發(fā)生的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)2005年7月8—14日的東北冷渦過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冷渦的對(duì)流不穩(wěn)定能量有明顯階段性（圖2）。發(fā)展階段結(jié)構(gòu)接近溫帶氣旋，地面氣旋濕斜壓不穩(wěn)定發(fā)展是降水產(chǎn)生的機(jī)制；成熟階段受太陽(yáng)輻射影響，以分散性局地對(duì)流降水為主。冷渦的不同發(fā)展階段均可對(duì)應(yīng)不穩(wěn)定能量區(qū)，但其分布有較大差異，發(fā)展階段不穩(wěn)定能量區(qū)分布于離冷渦中心較遠(yuǎn)的東南部；成熟期位于接近冷渦中心東南部；減弱期位于冷渦減弱形成的低壓槽中。

東北冷渦生命期對(duì)流不穩(wěn)定能量的變化，在冷渦的各發(fā)展階段中高層冷空氣條件（一般為700～400 hPa）在冷渦環(huán)流區(qū)都基本具備，冷渦各部位最主要的差別在于大氣底層的濕度條件，其次是溫度條件。對(duì)2005年7月8—14日東北冷渦過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)流不穩(wěn)定能量的積累是一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，在冷渦的發(fā)展期能量一直在累積，能量達(dá)到最大，在成熟期能量的釋放是一個(gè)短暫的過(guò)程，不足1 h，非常劇烈，因此往往發(fā)生雷電。不穩(wěn)定能量的積累和釋放過(guò)程不穩(wěn)定參數(shù)的變化如表1所示。

圖2 2005年7月9—13日500 hPa高度（實(shí)線）及對(duì)流有效位能（虛線）：（a）9日08時(shí)發(fā)展階段，（b）10日08時(shí)成熟階段，（c）10日20時(shí)減弱階段，（d）13日20時(shí)減弱階段Fig. 2 500hPa height (solid line) and convective effective potential energy (dashed line) for July 9-13, 2005 (a. at 08:00 on July 9, the development stage; b. at 08:00 on July 10, the maturity stage; c. at 20:00 on July 10, the weakening stage; d. at 20:00 on July 13, the weakening stage)

表1 2005年7月10日不穩(wěn)定參數(shù)的變化Table 1 Changes of unstable parameters on July 10, 2005

3 東北冷渦個(gè)例雷電天氣潛勢(shì)分析

選取2017年4月22—25日東北冷渦背景下雷電天氣個(gè)例，從環(huán)流形勢(shì)、云圖特征和雷電潛勢(shì)條件等方面進(jìn)行了分析。

3.1 環(huán)流形勢(shì)分析

2017年4月22日08時(shí)，低渦中心位于貝加爾湖北部，低渦東南部的高空槽位于東北地區(qū)西北部，東北地區(qū)中部被高壓脊控制，到了20時(shí)，東北地區(qū)西北部的高空槽加強(qiáng)發(fā)展成東北冷渦。如圖3所示，2017年4月23日08時(shí)，500 hPa環(huán)流及溫度場(chǎng)東北冷渦中心位于內(nèi)蒙古以北地區(qū)，強(qiáng)度達(dá)到528dgpm，此時(shí)溫度槽位于高度中心的后部，中心最低氣溫達(dá)-32℃，是冷渦的發(fā)展階段，冷中心落后高度中心，此時(shí)東北地區(qū)位于冷渦的東南部，天氣相對(duì)穩(wěn)定。到了23日20時(shí)，冷渦中心東移南壓，冷渦冷中心與高度中心重合，冷渦進(jìn)入成熟階段，此時(shí)在冷渦的東南部由于暖濕空氣的爬升受到深厚的冷渦冷空氣的阻擋，在垂直方向上強(qiáng)烈抬升，容易觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定能量，產(chǎn)生雷電天氣。24日08時(shí)開(kāi)始東北冷渦緩慢向偏東方向移動(dòng)，中心強(qiáng)度略有減弱，25日20時(shí)東北冷渦中心移至黑龍江東北部，26日移出東北地區(qū)。

圖3 2017年4月23日（a）08時(shí)，（b） 20時(shí)500 hPa環(huán)流及溫度場(chǎng)Fig. 3 500 hPa circulation and temperature field on April 23, 2017 (a. 8:00, b. 20:00)

3.2 云圖特征分析

2017年4月22日17時(shí)冷渦處于發(fā)展階段，如圖4a云圖呈現(xiàn)逗點(diǎn)形狀，配合地面存在氣旋，伴有冷鋒和暖鋒，冷渦中心西側(cè)出現(xiàn)中到大雪，東側(cè)出現(xiàn)陣雨，為穩(wěn)定性鋒面降水，此時(shí)沒(méi)有雷電現(xiàn)象。23日08時(shí)（圖4b），冷渦仍然處于發(fā)展階段，逗點(diǎn)云系較前期相比，變得淺薄，降水范圍擴(kuò)大至逗點(diǎn)云系的尾部，冷渦的東部和東南部都出現(xiàn)了小雨到中雨，仍為穩(wěn)定性的鋒面降水，沒(méi)有雷電產(chǎn)生。23日20時(shí)，冷渦發(fā)展到成熟階段后，地面氣旋中心與500 hPa高空冷渦中心接近重合，降水范圍繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)散，降水強(qiáng)度增加。24日02時(shí)（圖4c）冷渦云系變得分散，在冷渦東南方向新生成許多對(duì)流云，此時(shí)從大連地區(qū)開(kāi)始發(fā)生雷電，雷電范圍逐漸擴(kuò)大到丹東、營(yíng)口、葫蘆島、遼陽(yáng)、鞍山和本溪地區(qū)，隨著對(duì)流云發(fā)展，在24日03—05時(shí)雷電又出現(xiàn)在黑龍江大慶、吉林松原、渾江和通化地區(qū)，遼寧和吉林地區(qū)的雷電在上午10時(shí)左右結(jié)束，黑龍江地區(qū)的雷電持續(xù)到17時(shí)，如圖4d所示，24日08—17時(shí)雷電發(fā)生在吉林通化、松原、黑龍江綏化、黑河、齊齊哈爾、伊春以及哈爾濱地區(qū)。25日08時(shí)冷渦成熟階段，云系最強(qiáng)區(qū)域遠(yuǎn)離冷渦中心，遼寧降水結(jié)束，降水范圍北收，強(qiáng)度減弱，多陣雨。25日14時(shí)冷渦開(kāi)始減弱，雷電從11時(shí)左右再次出現(xiàn)（圖4e），主要發(fā)生在吉林的長(zhǎng)春、吉林市、延邊、渾江和黑龍江的雞西、鶴崗、佳木斯、雙鴨山、大慶、哈爾濱及牡丹江地區(qū)，午后14—15時(shí)雷電頻次最高，18時(shí)雷電結(jié)束。26日14時(shí)冷渦減弱階段，冷渦已經(jīng)東移出東北地區(qū)，只有殘留云系，但仍然有陣雨，26日凌晨和下午黑龍江和吉林的局部地區(qū)出現(xiàn)少量雷電（圖4f）。

3.3 雷電潛勢(shì)條件中尺度分析

利用中尺度分析的方法分析本次雷電發(fā)生的潛勢(shì)條件。此次過(guò)程24日降水量最大，也是雷電發(fā)生范圍和頻次最大的一天，利用2017年4月24日08時(shí)的探空資料進(jìn)行分析。在500 hPa內(nèi)蒙古東部有溫度冷槽，華北地區(qū)有西北急流，850 hPa遼寧東部有低空西南急流，并有溫度暖脊，高低空冷暖空氣在東北地區(qū)交匯，上冷下暖溫度層結(jié)激發(fā)不穩(wěn)定條件。從700 hPa垂直運(yùn)動(dòng)條件看，在東北地區(qū)有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，在內(nèi)蒙古東部冷空氣控制區(qū)域有下沉運(yùn)動(dòng)，雷電一般發(fā)生在垂直運(yùn)動(dòng)上升區(qū)，這個(gè)區(qū)域也是成云致雨的區(qū)域。圖5a中橙色線為850 hPa水汽通量，數(shù)字為850 hPa比濕＞3g/kg，陰影為850 hPa相對(duì)濕度＞70%，從多個(gè)表征水汽的物理量特征參數(shù)重合的區(qū)域可以判斷出潛勢(shì)能量最大的區(qū)域，圖5b陰影為降水落區(qū)，深綠色＞10 mm，但是此次過(guò)程水汽條件不能滿足暴雨條件，實(shí)況也是屬于中雨量級(jí)，產(chǎn)生的對(duì)流強(qiáng)度相對(duì)也不大，因此更難判斷雷電發(fā)生區(qū)域。圖4中雷電的實(shí)際發(fā)生區(qū)域與圖5b中雨落區(qū)一致，在這里無(wú)論是水汽還是上升運(yùn)動(dòng)條件都是最有利于形成雷電云的，但是黑龍江和吉林西部的雷電在圖5中與各物理量對(duì)應(yīng)并不是很好，中尺度分析也可能會(huì)漏掉雷電潛勢(shì)區(qū)域。圖6給出了4月24日08時(shí)的K指數(shù)分布，可以看到東北地區(qū)的K指數(shù)值并不是很大，吉林和遼寧的中東部有一定的不穩(wěn)定能量，K指數(shù)為24，與雷電的區(qū)域?qū)?yīng)。另外，這次過(guò)程早上08時(shí)對(duì)流有效位能較弱，以上分析是基于08時(shí)的探空，不是能量積累最強(qiáng)的時(shí)刻，雷電多發(fā)生在凌晨和下午，因此分析有一定局限性，但對(duì)于短臨雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)有一定指示意義。

圖4 2017年4月22日17時(shí)—26日14時(shí)冷渦紅外云圖特征（紫色線為地面氣壓場(chǎng)，綠色為現(xiàn)在天氣和6 h降水量，+代表雷電）（a）22日17時(shí)，（b）23日08時(shí)，（c）24日02時(shí)，（d）24日14時(shí)，（e）25日14時(shí)，（f） 26日14時(shí)）Fig. 4 The cold vortex cloud (purple line represents surface pressure field, green line represents current weather and 6-hour precipitation, + represents lightning) from 17:00 on April 22, 2017 to 14:00 on April 26, 2017 (a. 17:00 on Apr 22;b. 08:00 on Apr 23; c. 02:00 on Apr 24; d. 14:00 on Apr 24; e. 14:00 on Apr 25; f. 14:00 on Apr 26)

圖5 2017年4月24日08時(shí)雷電發(fā)生條件中尺度分析（a）及中尺度分析疊加降水落區(qū)（b）Fig. 5 Mesoscale analysis of lightning occurrence conditions on Apr 24, 2017

圖6 2017年4月24日08時(shí)K指數(shù)分布Fig. 6 The K index distribution at 08:00 on April 24, 2017

4 結(jié)論

采用統(tǒng)計(jì)結(jié)果和個(gè)例分析相結(jié)合的方法，對(duì)東北冷渦產(chǎn)生雷電的氣象潛勢(shì)條件進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

東北冷渦具有明顯的對(duì)流不穩(wěn)定能量，易帶來(lái)雷電天氣，由于冷渦對(duì)流有明顯日變化，多發(fā)生在午后到凌晨，雷電也多發(fā)生在午后到凌晨。東北冷渦對(duì)流不穩(wěn)定能量有明顯階段性，發(fā)展階段以穩(wěn)定性鋒面降水為主，此時(shí)一般沒(méi)有雷電，成熟階段受太陽(yáng)輻射影響，以分散性局地對(duì)流降水為主，此時(shí)雷電活動(dòng)開(kāi)始頻繁，能夠一直持續(xù)到減弱階段。

本次個(gè)例中雷電主要發(fā)生東北冷渦東部和東南部，尤其是對(duì)流云生成的區(qū)域。通過(guò)中尺度分析可以判斷雷電潛勢(shì)，本次個(gè)例中700 hPa有較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，850 hPa比濕＞3 g/kg，相對(duì)濕度＞70%，有中等強(qiáng)度降水，上述條件重合的區(qū)域可以判斷出潛勢(shì)能量最大的區(qū)域，對(duì)應(yīng)雷電發(fā)生區(qū)。