雷暴指由于强积雨云引起的伴有雷电活动和阵性降水的局地风暴, 地面观测中仅指伴有雷鸣和闪电的天气现象。雷暴根据是否伴有强降水出现可分为湿雷暴和干雷暴, 也可根据对流闪电强烈程度分为强雷暴和普通雷暴(孔燕燕等, 2001)。雷雨云之间发生的雷电称为云际闪, 雷雨云和大地之间的雷电称为(云)地闪(cloud-to-ground lightning, CG), 根据极性不同又可分为正闪和负闪。通过多种观测资料分析雷电天气特征, 完善数值预报模式, 提高预警水平, 是雷电研究与预报的重要方向(郭凤霞等, 2012; 郄秀书等, 2014; 梁梦雪等, 2016)。不同地区雷暴天气过程闪电活动特征差异明显。Zajac et al(2001)和Nicolau et al(2007)统计分析了美国和地中海西北部强对流天气形势、物理量和地闪时空分布特征。Manuel et al(2015)从环流形势和动力热力参数特征出发对西班牙卡斯提利亚-莱昂自治区2000—2010年强雷电过程进行了统计分类。国内研究表明(冯桂力等, 2006; 蒙伟光等, 2008; 刘冬霞等, 2010), 地闪频率与雷暴系统强度演变直接相关, 闪电易出现于有组织的强对流系统中, 正地闪活跃的雷暴通常伴有冰雹、龙卷和大风等天气。袁铁等(2010)对华南一次飑线过程分析表明, 对流单体最大反射率垂直廓线可有效指示闪电频数和对流发展强度, 闪电主要位于云图低亮温区特别是-73 ℃以下区域, 强飑线系统单体尺度上闪电频数和冰相粒子具有稳定的强相关关系。王婷婷等(2011)对北京干湿雷暴过程的热力不稳定、垂直风切变和抬升机制等环境条件进行了对比分析。张廷龙等(2012)对平凉一次过程分析表明, 雷暴不同阶段降水粒子数量差异较大, 霰粒子和干雪演变特征与雷暴各阶段较为一致, 雷暴云下部正电荷区强弱最有可能由霰多少决定。张腾飞等(2013)对云南一次连续雷暴过程分析表明, 不同阶段地闪和云团结构时空演变差异明显。近年来, 中尺度模式为雷电预报研究提供了有效工具。研究表明(McCaul et al, 2006, 2009), WRF能较好预测美国田纳西河谷地区雷暴发生, -15 ℃层附近霰通量与闪电频率高值密切相关。Zepka et al(2014)对比分析了雷暴天气WRF云参数化方案, 并利用热力参数预报了雷电。言穆弘等(1996)引入云微物理过程建立了中国第一个积云动力和雷电发展模式。张义军等(1999)和孙安平等(2002)详细研究了中国不同地区云内放电参数化方法。王天义等(2015)利用三维对流风暴云模式模拟了拉萨地区一次热力雷暴发生、成熟、消亡阶段的结构特征。WRF与动力-电耦合模式分析表明(王芳等, 2009; 徐良韬等, 2012), 雷暴云发展成熟阶段电荷垂直分布呈现三极性结构, 主负电荷区在-30~-10 ℃之间。WRF模式要素场可以确定弱强迫天气系统雷暴发生地点, 对流指数时间演变拐点可指示雷暴发生时间(付伟基等, 2009), 模式微物理及动力输出场能较好指示地闪发生时间和位置(黄蕾等, 2015)。

关中地处青藏高原东北侧、陕西中部人口密集区, 随着城镇化和经济发展, 雷电孕灾环境不断膨胀。潘留杰等(2015)发现, 夏季弱天气系统强迫下, 陕北黄土高原对流云的触发主要分为5种机制, 合适的湿度场是触发对流关键条件。罗慧等(2009)对陕西中部一次超强雷暴分析表明:雷电主要位于TBB≤-60 ℃的云区, 与低层辐合区水汽通量有关。此次过程期间, 负闪密集区在对流云团前部等值线密集区和雷达强回波中心附近, 地闪急剧增加对暴雨加强有指示意义(慕建利等, 2012)。目前, 关中强雷暴天气环境条件的对比分析相对较少, 云微物理时空演变特征方面尚为空白。2010年8月11—12日(简称“0811”过程)和2011年8月15—16日(简称“0815”过程)关中地区出现近10年来地闪次数最多并伴有短时暴雨的强雷暴天气。分析总结这两次强湿雷暴过程环境条件与云微物理特征, 以期提高此类天气预警服务水平。

陕西地闪定位观测系统资料包含逐次地闪时间、经纬度、极性(正闪、负闪)、强度、陡度和所在行政区6个参数。将陕西周边区域划分为10 km边长的网格进行空间分析, 地闪密度定义为一段时间内各个网格上地闪发生次数。

图 1为两次过程陕西省地闪密度与同期雨量实况。“0811”过程, 地闪整体呈东西走向, 密集区主要在关中东部, 中心密度超过2.0次·km^-2, 其他地区地闪明显偏少, 密度小于1.5次·km^-2; “0815”过程, 地闪整体呈东北—西南走向, 落区相对分散, 主要分布在陕北南部、关中中西部和陕南西部, 关中中部局地和陕北东南部黄河沿线局地的地闪密度超过2.0次·km^-2, 其他地区明显偏少。进一步分析陕西地闪累计次数和平均强度逐时变化(图 2)可见, 两次过程地闪累计次数均超过1万次, 午后开始地闪频次逐渐增大, 21:00(北京时, 下同)—23:00前后达到最大(约4 000次·h^-1), 凌晨之后迅速减少; 平均强度和累计次数总体上均呈反相位变化, “0811”过程小时平均地闪强度48.8 kA, “0815”过程小时平均地闪强度36.4 kA、明显偏小。分阶段来看, 两次过程地闪频次存在相似幅度的增大、减弱趋势, 但地闪强度变化趋势差异明显:最大频次之前, “0811”、“0815”过程地闪平均强度分别为45.5 kA、37.9 kA, 前者偏大7.6 kA; 最大频次之后, “0811”过程平均强度明显上升, “0815”过程明显下降, 二者分别达到53.8 kA、34.1 kA, 前者偏大19.7 kA。

图 1(Figure 1)

图 1 2010年8月11日08:00至12日08:00 (a)与2011年8月15日08:00至16日08:00 (b)地闪密度(彩色区, 单位: ×10-2 次·km-2)和雨量分布(等值线, 单位: mm) Figure 1 The density of CG (color area, unit: ×10-2 times·km-2) and precipitation (contour, unit: mm) from 08:00 on 11 to 08:00 on 12 August 2010 (a) and from 08:00 on 15 to 08:00 on 16 August 2011 (b)

图 2(Figure 2)

图 2 地闪次数和平均强度逐时变化 Figure 2 Hour evolution rate and average intensity of CG

伴随傍晚之后密集出现的闪电, 两次过程关中局地均出现暴雨。“0811”过程强降水位于关中东北部和陕北局地, 渭南市的蒲城、合阳和大荔县日雨量分别达57.5, 52.5和178.5 mm, 大荔突破当地日雨量历史极值(肖湘卉等, 2012)。“0815”过程强降水位于关中中西部, 咸阳市区、西安市蓝田县日雨量分别达56 mm、54 mm, 傍晚前后关中西部局地出现20~32 m·s^-1瞬时大风。

对比两次过程地闪与降水落区可见, 关中地区强降水中心和地闪密集中心具有较好的一致性, 二者距离小于50 km。“0811”比“0815”过程关中地闪密集中心与强降水中心区偏东、偏北, 雨量明显偏强。通过对“0811”过程期间合阳(11日21:00—22:00最大雨强34.2 mm)、大荔(12日02:00— 03:00最大雨强53.6 mm)和蒲城(12日06:00— 07:00最大雨强33.5 mm)以及“0815”过程期间咸阳(15日22:00—23:00最大雨强32.1 mm)和蓝田(15日23:00—16日00:00最大雨强46.1 mm)几处暴雨中心强降水和地闪逐时变化(图略)分析可见, 地闪频次突增至过程峰值时, 地闪密集区周边50 km范围、2 h内出现短时暴雨和最大雨强; 地闪频次明显减少时, 雨强中心迅速降至1 mm以下。进一步结合雷暴区逐20 min地闪频次变化可见, 最大雨强出现之前, 地闪频次相比上一时段均存在成倍突增现象, 而其他阶段无此特征。2010年8月11日20:20—20:40地闪频次成倍增大, 11日21:00—22:00和12日02:00—03:00大荔出现过程最大雨强; 2011年8月15日22:40—23:00地闪频次成倍增大, 15日22:00—23:00、23:00—00:00咸阳、蓝田分别出现过程最大雨强。

“0811”过程期间[图 3(a)], 2010年8月11日08:00—20:00, 200 hPa上, 欧亚中高纬地区为两槽一脊环流形势, 低槽分别位于巴湖以东至新疆北部、朝鲜半岛至日本一带, 高脊位于贝加尔湖至蒙古国中部附近; 40°N—45°N为30 m·s^-1以上西风急流区, 40°N以南我国大部地区受青藏高压控制; 500 hPa上, 青藏高原至我国中东部地区受稳定少动的西太副高控制, 588 dagpm呈带状控制中国大陆38°N以南地区, 甘肃南部、青海东部至西藏北部受切变线影响, 陕西省处于高压坝北侧一致偏西气流中; 700 hPa上, 河套至四川北部一带切变线稳定少动、发展加深, 切变后部西北风逐渐加强; 850 hPa上, 宁夏、陇东南一带切变线快速东移南压至山西中部、关中北部, 西安比湿维持16~17 g·kg^-1; 925 hPa上, 西安比湿维持18 g·kg^-1。地面上, 我国大陆受鞍型气压场控制, 华北、新疆周边为高压区, 四川盆地、内蒙古周边为低压区; 17:00—20:00, 3 h正变压区由关中上游陇东一带增强扩大至陕西全境, 关中西部变压最大增幅达2.0 hPa。

图 3(Figure 3)

图 3 2010年8月11日20:00(a)和2011年8月15日20:00 (b) 200 hPa急流(阴影区, 单位: m·s-1)、500 hPa高度场(等值线, 单位: dagpm)以及700 hPa风场(风羽, 单位: m·s-1)分布 Figure 3 The distribution of 200 hPa jet (the shaded, unit: m·s-1), 500 hPa height field (contour, unit: dagpm) and 700 hPa wind field (barb, unit: m·s-1) at 20:00 on 11 August 2010 (a) and on 15 August 2011

“0815”过程期间[图 3(b)], 2011年8月15日08:00—20:00, 200 hPa环流形势与“0811”过程相似; 500 hPa上, 西太副高深入我国内陆、稳定少动, 西脊点位于四川盆地中北部, 陕西全省处于588 dagpm边缘西南气流中; 700 hPa上, 河套至四川北部一带切变线缓慢东移, 其东侧西南风逐渐减弱; 850 hPa上, 山西中部至关中中东部一带切变线稳定少动, 西安比湿由15 g·kg^-1降至12 g·kg^-1; 925 hPa上, 西安比湿由20 g·kg^-1降至17 g·kg^-1。地面上, 我国大陆为西高东低气压场形势; 17:00—20:00, 3 h正变压区由陕北、陇东一带增强扩大至我国中东大部, 关中西部变压最大增幅达4.7 hPa, 对应冷锋移至华北、关中至四川北部。

综上分析可见, 关中强湿雷暴过程发生期间, 欧亚中高纬地区为两槽一脊环流形势, 40°N以北为大范围高空西风急流带, 中低纬西太副高深入内陆、偏西偏强, 陕西大部受稳定少动的副热带高压控制, 低层有显著切变线东移南压经过关中地区, 本地湿度大, 最大比湿超过17 g·kg^-1。

2010年8月11日08:00—20:00, 状态与层结曲线由“上干下湿”喇叭口形状转为整层相对较湿状态, 傍晚前后400 hPa以下温度露点差降至4 ℃以下, 对流有效位能明显增大, 对流抑制能量消失。2011年8月15日08:00—20:00, 探空曲线维持“上干下湿”喇叭口形状, 傍晚前后550 hPa以下温度露点差降至4 ℃以下, 对流有效位能维持高值并明显增大, 对流抑制能量减弱。结合两次雷暴过程西安探空站热力对流参数比较来看(表 1), “0811”过程, 对流有效位能在08:00不明显、20:00显著增大, 对流抑制能量08:00明显偏强、20:00消失; “0815”过程, 对流有效位能在08:00明显、20:00继续增大, 对流抑制能量08:00较小、20:00减弱。两次过程早间均存在150 J·kg^-1以上对流抑制能量, 具有抑制不稳定能量过早释放的存储条件, 傍晚不稳定能量显著增大, 最大对流有效位能超过3 000 J·kg^-1, 比关中区域性暴雨和干雷暴过程分别偏大1 600 J·kg^-1和600 J·kg^-1以上, 中低层湿层也更为深厚(许新田等, 2012; 牛乐田等, 2014; 张雅斌等, 2016)。结合实况分析, 强雷暴对流有效位能显著偏大的原因主要有二:一是地面温度整体偏高(午后至傍晚均大于33 ℃); 二是低层湿度大、抬升凝结高度低(850 hPa以下), 导致暖湿气块从较高温度、较低高度上开始沿湿绝热状态上升。

表 1(Table 1)

表 1 “0811”和“0815”过程期间西安站热力对流参数 Table 1 Thermal and convective parameters at Xi'an station during the "0811"and"0815"process 探测时间 K指数/℃ SI指数/℃ 对流有效位能/(J·kg-1) 对流抑制能量/(J·kg-1) 8月11日08:00 41 0.6 35 319 8月11日20:00 41 -0.4 3 047 0 8月15日08:00 32 1.3 2 250 176 8月15日20:00 39 2.4 4 212 107

表 1 “0811”和“0815”过程期间西安站热力对流参数 Table 1 Thermal and convective parameters at Xi'an station during the "0811"and"0815"process

强湿雷暴过程期间, 陕西中北部有显著能量锋区及冷空气东移南压侵入中南部高温高湿区, 陕北下沉运动和冷平流强度、范围明显加强、南移, 关中西部假相当位温中心区增大约2 ℃, 关中、陕南西部中低层暖舌向东北方向伸展, 雷暴区附近上升气流明显加强。“0811”过程, 雷暴当日20:00, 陕西全省为500 hPa与850 hPa假相当位温之差Δθ_se500-850＜-4 ℃的位势不稳定; 过109°E经向垂直剖面[图 4(a)], 40°N以北高层有显著冷平流向南输送至38°N附近600 hPa, 陕北北部冷平流中心强度约-20×10^-3℃·s^-1, 对应区域为向南下沉的一致偏北风。“0815”过程, 雷暴当日20:00, 陕北南部、关中和陕南Δθ_se500-850＜0 ℃; 过109°E经向垂直剖面[图 4(b)], 40°N以北高层有显著冷平流向南输送至36°N附近700 hPa, 陕北南部冷平流中心强度约-6×10^-3℃·s^-1, 关中以北中低层为一致偏北风, 至35°N附近后整层上升, 至400 hPa后向北运动。对比两次过程, 中层温湿状况尤其是700 hPa假相当位温和闪电有较好的相关性(郑栋等, 2005), 强湿雷暴地闪密集区与700 hPa陕西中南部84 ℃以上位温对应高能暖舌走向基本一致: “0811”过程二者呈东西走向, 集中分布在关中地区; “0815”过程二者呈东北—西南走向, 主要分布在陕北南部、关中和陕南西部地区。

图 4(Figure 4)

图 4 2010年8月11日20:00(a)和2011年8月15日20:00(b)过109°E的温度平流(彩色区, 单位: ×10-3 ℃·s-1), 风场(u、10w合成, 矢量, 单位: m·s-1)和垂直速度(等值线, 单位: Ps·s-1)的垂直剖面 Figure 4 Vertical cross section of temperature advection (color area, unit: ×10-3 ℃·s-1), wind field (u and 10w compound, vector, unit: m·s-1) and vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) passing 109°E at 20:00 on 11 August 2010 (a) and on 15 August 2011 (b)

“0811”过程雷暴发展成熟阶段(2010年8月11日20:00), 北方高层冷平流向南输送范围相对偏北, 关中以南存在较为深厚的暖平流; “0815”过程雷暴发展成熟阶段(2011年8月15日20:00), 北方高层冷平流向南输送范围明显偏南, 关中以南中下层无明显暖平流。综合分析雷暴成熟阶段位温、湿位涡和水平风场经向垂直剖面, “0811”过程[图 5(a)], 冷舌和显著正湿位涡自北方高层向南下滑至陕北中层, 陕西中南部低层偏南深厚暖湿气流伸入干冷空气之下, 36°N附近对应陕北南部的位温随高度减小、湿位涡随高度增大, 整层不稳定层结趋势明显。“0815”过程[图 5(b)], 冷舌和显著正湿位涡自北方高层向南下滑楔入深厚的西南暖湿气流之下, 陕北南部附近以600 hPa为界, 下部位温随高度增大、湿位涡随高度减小, 为稳定性层结, 上部情况相反, 为不稳定层结。因此, “0811”过程整层相对深厚明显的不稳定层结是地闪平均电流偏强、雨强明显偏大的有利热力条件之一。

图 5(Figure 5)

图 5 2010年8月11日20:00(a)和2011年8月15日20:00 (b)过109°E的湿位涡(等值线, 单位: PVU, 1 PVU=1.0×10-6 m2·s-1·K·kg-1)、位温(彩色区, 单位: K)和水平风场(凤羽, 单位: m·s-1)的垂直剖面 Figure 5 Vertical cross section of PMV (contour, unit: PVU, 1 PVU=1.0×10-6 m2·s-1·K·kg-1), θse(color area, unit: K) and horizontal wind field (barb, unit: m·s-1) passing 109°E at 20:00 on 11 August 2010 (a) and on 15 August 2011 (b)

对比关中区域性暴雨过程, 雷暴发展成熟阶段上升运动结构特征明显:显著上升区仅集中在33°N—35°N附近狭小范围, 随高度无倾斜结构, 比暴雨过程常见的倾斜上升气流南北跨度明显偏小, 最大上升速度中心在300 hPa以上, 高度明显偏高, 最大垂直上升速度介于初夏和盛夏暴雨之间; 同时, 在雷暴区显著上升气流区南侧出现一致下沉气流, 上升、下沉气流交汇增加了各层过冷水滴、冰相粒子碰并和感应电荷生成机会。强烈、深厚的垂直上升运动为对流云团发展, 冷云温差起电和低层水汽快速上升凝结致雨提供了有利的动力条件。

相对螺旋度表征环境风场沿运动方向旋转运动强弱特征, 正值与负值分别对应旋转上升与下沉运动(寿绍文等, 2012)。两次强湿雷暴过程发生之前6 h, 宁夏、陕北和关中北部为正螺旋度相对大值区, 傍晚前后伴随陕北能量锋区南压、雷暴显著发展, 宁夏、陕北大部转为-100 m^-2·s^-2以下负螺旋度, 陕北南部和关中地闪主要分布在0~50 m^-2·s^-2正螺旋度区。探空资料分析表明, 两次雷暴过程200 hPa上陕西周边位于西风急流南侧显著负涡度区, 涡度中心位于陕北, 强度在-80×10^-5~-60×10^-5 s^-1; 700 hPa以下陕西维持0~10×10^-5 s^-1正涡度。关中区域性暴雨过程期间, 周边相对螺旋度均在200 m^-2·s^-2以上, 高层负涡度中心大于-50×10^-5s^-1, 陕西中南部低层维持20×10^-5~40×10^-5 s^-1正涡度。相比暴雨过程, 强湿雷暴过程螺旋度与低层正涡度小, 中尺度涡旋较弱, 但高层负涡度偏强、范围大, 反气旋环流和辐散出流明显, 为局地强烈上升运动维持和雷暴发展提供了有利的动力条件。

低层水汽是强对流天气发展爆发必需的“燃料”, 水汽通量表征水汽输送来源路径, 水汽通量散度表征水汽辐合、辐散强弱。2010年8月11日08:00—20:00, 700 hPa上, 四川至陕南、关中存在明显的西南方向水汽输送, 关中、陕南水汽通量约5~10 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1, 维持-1.0×10^-7~-0.5×10^-7 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1弱水汽辐合, 陕北大部偏西偏北水汽输送略有加强; 850 hPa上[图 6(a)], 偏南方向水汽输送深入陕北, 关中、陕南水汽通量4~10 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1, 辐合辐散趋势不明显。2011年8月15日08:00—20:00, 700 hPa上, 四川至陕南、关中西南方向水汽输送逐渐减弱, 陕北地区偏西偏北水汽输送略有加强, 除陕南西部午后时段存在弱水汽辐合外, 陕西全省维持弱的水汽辐散; 850 hPa上[图 6(b)], 贵州经湖北东部至山东南部维持明显的西南方向水汽输送, 陕西中南部2 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1以下偏南弱水汽输送逐渐减弱, 关中以北地区北路水汽输送增至5~10 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1, 南北两路水汽输送带之间形成的-2.0×10^-7~-1.0×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1辐合区由陕北西部东移南压至陕西中南部。进一步结合比湿实况与关中暴雨过程比较来看:强湿雷暴期间陕西中南部低层偏南水汽输送明显偏弱, 水汽辐合中心强度与关中初夏暴雨相当, 比盛夏暴雨过程(＞-6×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1)明显偏小; 但是, 强湿雷暴前期陕西中南部低层存在明显的水汽输送与辐合, 关中地区近地层比湿最大超过17 g·kg^-1, 为傍晚之后雷暴发展成熟提前储备了水汽条件。

图 6(Figure 6)

图 6 2010年8月11日20:00(a)和2011年8月15日20:00 (b) 850 hPa水汽通量(矢量, 单位: g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(阴影区, 单位: ×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)分布 Figure 6 The distribution of 850 hPa water vapor flux (vector, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (the shaded, unit: ×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1) at 20:00 on 11 August 2010 (a) and on 15 August 2011(b)

地闪和中尺度对流云团演变密切相关, 常位于卫星云图红外云顶亮温TBB低值区, 最大中心和云顶一致(Juan et al, 2006)。山东雹暴过程地闪主要位于-50 ℃以下亮温区, 负闪相对集中在云顶亮温水平梯度大值一侧, 正闪比较分散(冯桂力等, 2006)。云南持续性雷暴过程不同阶段, 雷暴云团结构和地闪分布呈不均匀变化, 负闪集中在云团前部TBB大梯度区和-56 ℃以下低值中心附近, 正闪偏于负闪后部分散分布, 减弱阶段正闪频数达到峰值(张腾飞等, 2013)。

选取强湿雷暴过程初生、发展、成熟和消散阶段4个时次分析地闪和TBB分布特征(图 7, 图 8)。总体来看, 两次过程对流云团均初生于陕北南部, 之后东移南压, 影响关中和陕南局地, 负闪占地闪总次数比例均超过98%。初生阶段, 地闪分散在相对孤立的对流单体周边, 中心密度小于0.5次·km^-2, 总地闪、正地闪每小时平均次数分别小于1 000次、10次。发展阶段, 快速形成的中尺度对流系统MCS中TBB＜-52 ℃椭圆形冷云罩显著扩大, 北侧TBB大梯度区显著北凸, 对应高层西风急流南侧负涡度区和反气旋辐散出流场明显, TBB低值区和整体呈连续线状分布的地闪密集区不一致, 地闪中心密度超过0.8次·km^-2, 总地闪、正地闪每小时平均次数分别大于1 000次、25次, 正闪落区明显趋于集中。期间, “0811”过程地闪偏向TBB＜-52 ℃冷云罩西北部, “0815”过程地闪位于冷云罩东南方向。结合上节位温和湿位涡分析可见, “0815”过程北方高层冷空气南压楔入关中地区对中下层深厚西南气流的抬升作用相比“0811”过程明显偏强, 是发展阶段地闪相对对流云团位置差异的重要原因。成熟阶段, MCS云顶发展至最高、TBB中心降至最低值, 云团北侧温度大梯度区北凸特征消失, 地闪进一步集中、主要位于TTB＜-52 ℃区域, 密集区与TBB中心趋于重合, 中心密度超过1.6次·km^-2, 频次达到过程最大, 总地闪、正地闪每小时平均次数分别大于3 500次、50次, 正闪分散在冷云顶和负闪密集区偏西南方向。结合能量场分析可见, 成熟阶段正闪落区明显偏离MCS中心区域, 和关中西南方向近地层高能舌区接近。一方面, 高能舌周边高温高湿环境为强对流和低层云与地之间正闪发生提供了能量条件, 另一方面, 偏离雷暴云中心和负地闪密集区域, 中层负电荷对上层正电荷屏蔽作用减弱(Carey et al, 2005), 导致云体上部电荷区形成的正地闪增加。消散阶段, 地闪明显减少, 密度降至1.0次·km^-2以下, 密集区与TBB中心逐渐分离, 但正闪仍然较为活跃, 总地闪、正地闪每小时平均次数分别大于2 000次、30次。

图 7(Figure 7)

图 7 2010年8月11—12日红外云顶亮温(等值线, 单位: ℃)、地闪密度(彩色区, 单位: ×10-2次·km-2)和正闪(红色“+”)分布 Figure 7 The distribution of TBB (contour, unit: ℃) with CG density (color area, unit: ×10-2 times·km-2) and positive CG (red plus) on 11—12 August 2010

图 8(Figure 8)

图 8 2011年8月15—16日红外云顶亮温(等值线, 单位: ℃)、地闪密度(彩色区, 单位: ×10-2次·km-2)和正闪(红色“+”)分布 Figure 8 The distribution of TBB (contour, unit: ℃) with CG density (color area, unit: ×10-2 times·km-2) and positive CG (red plus) on 15—16 August 2011

通过红外云顶亮温TBB中心和-56 ℃、-64 ℃、-72 ℃以及-80 ℃以下不同亮温冷云覆盖面积定量分析对流云团和地闪演变(图 9)关系可见, 不同亮温冷云面积和地闪频次呈起伏波动变化, 二者波动相位并不一致; 当地闪频次相比上一时次成倍增加并形成阶段峰值之后3 h内, 冷云面积出现显著增大和峰值。2010年8月11日20:00—21:00, 地闪频次由1 870次猛增至4 050次, 12日0:00对应TBB＜-64 ℃、-72 ℃冷云面积分别达到过程最大值753×10² km²、492×10² km²。2011年8月15日14:00—15:00、17:00—18:00、22:00—23:00分别出现地闪频次成倍或显著增大, 之后3 h内TBB＜-56 ℃, -64 ℃冷云面积显著增大、出现峰值。比较来看, “0811”过程不同TBB对应冷云最大面积是“0815”过程的2倍以上, 强对流发展明显、MCS影响范围偏大。

图 9(Figure 9)

图 9 地闪频次和红外云顶亮温＜-56 ℃、＜-64 ℃、＜-72 ℃、＜-80 ℃云体面积的逐时演变 Figure 9 Hourly evolution of flash rate of CG and TBB area respectively below -56 ℃, -64 ℃, -72 ℃ and -80 ℃

比较图 9和图 10曲线可见, TBB中心连续降低至谷值时段前后, 地闪频次出现峰值: “0811”过程在22:00, “0815”过程在16:00、23:00分别出现TBB谷值, 对应时段地闪频次达到峰值。进一步分析图 10中TBB中心与正闪频次占比逐时演变可见, “0811”过程雷暴成熟阶段TBB中心达-86 ℃, “0815”过程TBB中心达-76 ℃, 前者对流云顶明显偏高。雷暴初始、消散阶段, 正闪占比相对较多, 个别时次超过17%;发展、成熟阶段, 正闪占比均小于4%。成熟至消散阶段, 正闪占比呈上升趋势, 与其他地区雷暴消散阶段正闪占比增大特征相似。比较来看, “0811”过程正闪占比总体较小(1%)、降水相对明显, “0815”过程正闪占比总体较大(2%)、局地出现大风天气, 与华北地区比较密集的正闪通常预示着冰雹、大风等强对流天气规律基本相似(冯桂力等, 2006; 刘冬霞等, 2010)。

图 10(Figure 10)

图 10 “0811”、“0815”过程正闪频次占比和红外云顶亮温中心逐时演变 Figure 10 Hourly evolution of positive CG percentage and TBB center of the "0811"and "0815" process

综上分析可见:关中强湿雷暴天气过程MCS云顶发展最高时段和地闪频次峰值时段基本一致。地闪频次相比上时次成倍增大之后3 h内, 对流云团范围显著增大、达到峰值; 之后, 对流云团影响区域出现45 mm以上过程最大雨强。强湿雷暴过程对流云团和垂直上升运动中心比普通暴雨过程明显偏高, 成熟阶段TBB最低中心比初夏暴雨(＞-60 ℃)和盛夏暴雨(＞-70 ℃)偏低-16~-6 ℃。

利用WRF模式分析关中强湿雷暴云微物理特征, 模拟方案参考相关文献(黄蕾等, 2015)。模拟区域中心为113.0°E、35.5°N, 最外层网格数为100×107、格距为28 km, 中间层网格数为220×205、格距9 km, 最内层(包含整个关中地区)网格数271×364、格距为3 km; 垂直分为27层, 顶层气压50 hPa。时间积分方案为3阶精度Runge-Kutta方案, 步长90 s; 初始场为1°×1°分辨率、6 h间隔NCEP/NCAR再分析资料。模拟起始时间分别为2010年8月11日08:00和2011年8月15日08:00, 模拟时长均为24 h。对比累计降水量实况与模拟结果(图略), 关中南部秦岭沿山一带存在虚假的预测, 但模式对陕北南部、关中周边强降水及中心量级预测与实况基本一致。两次过程当日20:00为强湿雷暴发展成熟时段, 500 hPa西太副高、700 hPa和850 hPa关中上游切变线影响系统模拟结果也与探空实况基本吻合。两次过程雷暴发展成熟阶段(当日20:00)模式预测(图 11)与实况观测(图 12)的雷达组合反射率对比分析可见, “0811”过程, 35 dBZ以上回波连续分布在西安以北关中大部分地区, 咸阳北部50 dBZ以上强回波中心模式预报结果比实况范围略小; “0815”过程, 35 dBZ以上回波分散在关中西部和东北部局地, 偏西地区50 dBZ以上强回波中心模式预测比实况范围、强度略小。两次过程35 dBZ以上雷达回波活动发展区与850 hPa切变线位置基本一致。结合其他时次整体看来, 模式基本上真实模拟预测了两次雷暴过程各个阶段中尺度对流系统回波位置、强度与结构的演变。进一步分析经过地闪和降水中心区的经向风场和雨水含量垂直剖面(图 13)可见, 发展至成熟阶段, 关中地区局地上升运动和整层雨水含量6 h内迅速增大, 峰值时段邻近地区出现密集闪电和强降水, 模式有效刻画了雷暴不同阶段动力场中尺度演变特征。综上分析可见, 基于本文方案的WRF模式有效模拟预报了关中强湿雷暴天气, 输出结果适用于两次过程云微物理特征的精细诊断分析。

图 11(Figure 11)

图 11 2010年8月11日20:00(a)和2011年8月15日20:00(b)雷达组合反射率模拟(彩色区, 单位: dBZ) Figure 11 Simulation of Radar combined reflectivity (color area, unit: dBZ) at 20:00 on11 August 2010 (a) and on 15 August 2011(b)

图 12(Figure 12)

图 12 2010年8月11日20:02(a)和2011年8月15日20:03(b)雷达组合反射率实况(彩色区, 单位: dBZ) Figure 12 Observation of Radar combined reflectivity (color area, unit: dBZ) at 20:02 on 11 August 2010 (a) and at 20:03 on 15 August 2011 (b)

图 13(Figure 13)

图 13 34°N—36°N沿109.5°E模式输出风场(v、10w合成, 矢量, 单位: m·s-1)和雨水含量(等值线, 单位: ×10-2g·kg-1)的垂直剖面 (a) 2010年8月11日16:00(黑色矢量、蓝色等值线)和22:00(红色矢量、绿色等值线), (b) 2011年8月15日16:00 (黑色矢量、蓝色等值线)和23:00(红色矢量、绿色等值线) Figure 13 Vertical cross section of wind (v and 10w compound, vector, unit: m·s-1) and rainwater content (contour, unit: ×10-2g·kg-1) along 109.5°E from 34°N to 36°N by mode.(a) at 16:00 (black vector, blue contour) and 22:00 (red vector, green contour)on 11 August 2010, (b) at 16:00 (black vector, blue contour) and 23:00 (red vector, green contour)on 15 August 2011

雷电与云滴、冰相及水成物粒子组成的雷暴云微物理过程密切相关, -20~-10 ℃温度层是过冷水和冰晶、霰、雪粒子共生区和雷暴云主要起电区域(Saunders et al, 1998)。下文对比分析模式输出的-20~-10 ℃层之间冰相粒子与同期地闪时空演变特征, 以期获得雷暴云中不同冰相粒子与地闪对应关系。图 14和图 15分别对应两次过程雷电最强时刻地闪和模式输出的冰相粒子质量混合比(简称“质量比”), 由于冰粒子不明显, 故此仅对雪、霰冰相粒子进行分析。“0811”过程, 中午前后地闪自延安以西缓慢南压东移, 周边无冰相粒子; 11日14:00开始, 陕北中南部至关中西北部局地有雪、霰粒子迅速生成, 其南端陇南至关中西部一带地闪明显加强, 雷达监测到延安中南部、陇南西峰至平凉东南、咸阳北部有中β尺度对流系统迅速发展, 组合反射率中心超过50 dBZ, 垂直液态水含量中心超过10 kg·m^-2, 18:00之后, 雪、霰粒子稳定少动, 高浓度区呈东北—西南走向线状分布, 陕北东部黄河沿线粒子质量比中心分别达19 g·kg^-1、5 g·kg^-1, 雷达监测到延安南部、关中大部地区形成长200 km、宽60 km以上的中α尺度对流系统, 渭南东北部组合反射率55 dBZ以上范围明显增大, 垂直液态水含量中心超过20 kg·m^-2, 地闪主要在粒子高浓度区南端的关中西北部一带, 最大密度约0.8次·km^-2; 21:00—23:00, 粒子高浓度区南移至关中北部, 线状分布消失, 雪、霰粒子若干大中心呈分散分布, 质量比中心分别超过20 g·kg^-1、5 g·kg^-1, 关中西部雷达回波强度、范围明显减小, 关中东部强回波继续东移、组合反射率与垂直液态水含量中心逐渐减小, 地闪集中在粒子中心区30 km范围以内, 最大密度超过1.8次·km^-2; 12日00:00之后, 粒子中心呈近东西走向、不规则地分散在关中大部, 浓度明显减小, 雷达强回波区移出陕西, 地闪中心密度降至1.0次·km^-2以下, 并与粒子中心区显著分离。“0815”过程, 中午前后地闪自延安以西缓慢东移, 周边无冰相粒子; 15日16:00开始, 延安中部、关中西部局地有雪、霰粒子迅速生成, 17:00—21:00, 粒子高浓度区呈东北—西南走向线状分布并不断东移, 霰粒子略偏东南, 雪、霰粒子质量比中心分别为13 g·kg^-1、4 g·kg^-1, 二者东南方向50 km以内对应延安东南部、关中西部为地闪密集区, 最大密度约1.0次·km^-2, 雷达监测到宝鸡大部、咸阳北部和延安东南部局地有组合反射率中心大于50 dBZ的小尺度对流泡分散发展; 15日21:00至16日00:00, 雪、霰粒子显著南压至关中、陕南西北部局地, 二者大值中心线状分布特征消失, 关中周边雪、霰粒子浓度最大分别约7 g·kg^-1、5 g·kg^-1, 地闪集中在粒子中心30 km范围以内, 最大地闪密度超过1.6次·km^-2, 雷达强回波快速东移南压至西安周边、渭南西部一带, 形成约长100 km、宽50 km的35 dBZ以上的连续带状回波, 组合反射率、垂直液态水含量中心分别达到过程最大, 约55 dBZ、15 kg·m^-2; 01:00—02:00, 关中冰相粒子和地闪明显减少, 陕南西部相对较多, 地闪主要发生雪、霰粒子显著区之间, 密度降至1.0次·km^-2以下, 与粒子高浓度区空间相关性明显减弱, 关中地区雷达带状回波消失, 周边仅为孤立分散的弱回波, 汉中局地45 dBZ以下小尺度回波相对明显; 03:00之后, 关中、陕南西部局地仅有零星冰相粒子, 与迅速减弱的地闪明显分离。

图 14(Figure 14)

图 14 2010年8月11日21:55—22:05地闪(a)和模式输出的-20~-10 ℃层雪(b), 霰粒子(c)质量混合比(彩色区, 单位: g·kg-1)分布 蓝色“-”代表负地闪, 红色“+”代表正地闪, 红色线为垂直剖面分析位置 Figure 14 Location of CG (a) and the distribution of mode simulated particle mass mixing ratios (color area, unit: g·kg-1) of snow (b) and graupel (c) between -20 and -10 ℃ from 21:55 to 22:05 on 11 August 2010.Blue minus signs indicate negative CG and red plus indicate positive CG. The red solid line is the vertical section analysis position

图 15(Figure 15)

图 15 2011年8月15日22:55—23:05地闪(a)和模式输出的-10~-20 ℃层雪(b), 霰粒子(c)质量混合比(彩色区, 单位: g·kg-1)分布 蓝色“-”代表负地闪, 红色“+”代表正地闪, 红色线为垂直剖面分析位置 Figure 15 Location of CG (a) and the distribution of mode simulated particle mass mixing ratios (color area, unit: g·kg-1) of snow (b) and graupel (c) between -10 and -20 ℃ from 22:55 to 23:0 on 15 August 2011.Blue minus signs indicate negative CG and red plus indicate positive CG lightning.The red solid line is the vertical section analysis position

比较来看, “0811”过程地闪和雪粒子分布对应较好, 二者集中在陕北南部至关中东部, 地闪最强时段关中周边最大雪粒子质量比约为“0815”过程的3倍; “0815”过程地闪和霰粒子分布对应较好, 地闪最强时段两次过程质量比最大值相当。强湿雷暴过程期间, 雪粒子分布相对连续、在地闪发生区周围; 霰粒子相对孤立、大值中心与地闪密集区一致; 冰粒子质量比数值较雪、霰粒子小一个量级以上, 与地闪活动空间相关性很小。

经过图 14(c)和图 15(c)红线处分析两次过程地闪最强时段的冰相粒子密集区质量混合比与风场的垂直剖面(图 16, 图 17)可知, 雪粒子主要分布在8~16 km、-10 ℃层以上; 霰粒子高度整体略低, 主要分布在6~12 km、0 ℃层以上; 雪、霰粒子密集区域与显著垂直上升运动区域一致。综上分析, 两次过程雪粒子分布相对连续、霰粒子相对孤立, 原因之一可能在于:前者高度高, 受高层水平风影响大, 分布范围广; 后者高度低, 受中尺度系统低层垂直运动与水汽变化影响大, 局地性强。

图 16(Figure 16)

图 16 2010年8月11日22:00沿图 14(c)红实线的雪(a), 霰(b)粒子质量混合比(彩色区, 单位: g·kg-1)和温度(等值线, 单位: ℃)以及速度场(c, 单位: m·s-1)的垂直剖面 Figure 16 Vertical cross section of particle mixing ratio (color area, unit: g·kg-1), temperature(contour, unit: ℃) of snow (a) and qraupel (b) and the velocity field (c, unit: m·s-1) along the red solid line in Fig. 14(c) at 22:00 on 11 August 2010

图 17(Figure 17)

图 17 2011年8月15日23:00沿图 15(c)红实线的雪(a), 霰(b)粒子质量混合比(彩色区, 单位: g·kg-1)和温度(等值线, 单位: ℃)以及速度场(c, 单位: m·s-1)的垂直剖面 Figure 17 Vertical cross section of particle mixing ratio (color area, unit: g·kg-1), temperature(contour, unit: ℃) of snow (a) and qraupel (b) and the velocity field (c, unit: m·s-1) along the red solid line in Fig. 15(c) at 23:00 on 15 August 2011.(a)snow, (b)graupel, (c) velocity

两次过程比较来看, “0811”过程, 垂直上升运动发展高度、强度明显较大, 对应的雪、霰粒子的浓度也较大, 地闪活动更强。这是由于强烈的上升气流源源不断地向上层带入暖湿空气, 促使雷暴云内起电的过冷液体水、雪、霰粒子等冰相及水成物粒子大量生成, 同时大大增加了起电区域内粒子充分碰并和起电放电机会, 使云内电场增强, 地闪频次增大。“0815”过程, 对流发展相对较弱, 被带入高层的水汽相对较少, 低温环境下生成的雪粒子浓度较小, 与地闪的空间相关性也不明显。

图 18为模拟区域最内层输出的-20~-10 ℃层粒子质量比最大值中心周边南北、东西方向1°×2°跨度范围空间平均值和地闪频次逐20 min变化。从图 18可以看出, -20~-10 ℃层雪、霰粒子质量比和地闪频数变化趋势总体一致, 粒子显著增多之后基本都出现了地闪频数峰值, 粒子减少之后地闪明显减少。“0811”过程期间, 21:00—23:00为雷暴最强时段, 地闪频次均在1 000次·(20min)^-1以上、峰值达1 570次·(20min)^-1, 雪、霰粒子质量比浓度相对于地闪频次峰值提前1 h达到最大值1.3 g·kg^-1、0.5 g·kg^-1; “0815”过程期间, 22:00—23:00为雷暴最强时段, 地闪频次在1 000次·(20min)^-1以上、峰值达1 770次·(20min)^-1, 雪粒子质量比浓度相对于地闪频次峰值提前约2 h达到最大值0.25 g·kg^-1, 霰粒子提前1 h达到最大值0.13 g·kg^-1。进一步对比不同时段模式输出的冰相粒子质量比与实况观测的冷云面积演变(图 9), 二者呈明显正相关变化趋势, 粒子显著变化超前于对流冷云面积的同趋势变化。从二者空间分布来看, MCS成熟阶段粒子分布明显趋于集中, 位于对流云顶附近。

图 18(Figure 18)

图 18 地闪频次和模式输出的-20~-10 ℃层之间雪、霰粒子质量混合比变化 Figure 18 Evolution offlash rate of CG and mode simulated particle mass mixing ratios of snow and graupel between -20 and -10 ℃

综上所述, 基于非感应起电机制, WRF模式输出的-20~-10 ℃层雪、霰粒子微物理量空间和时间上都较好地指示出了关中地闪密度最大中心以及峰值, 垂直方向上雨水粒子、雷暴云内冰相粒子分布以及强对流发展也通过模式得到较为真实地再现, 模式输出结果补充了较难获取的雷暴云内部探测资料, 为关中地区强湿雷暴过程地闪时空演变精细化分析预测提供了有效手段指标。

结合本地暴雨过程比较, 对关中地区近10年来地闪次数最多的两次强湿雷暴过程的环境条件、地闪时空变化和雷暴云微物理特征进行对比分析总结。主要结论如下:

(1) 关中强湿雷暴发生在欧亚中高纬地区两槽一脊环流背景下, 陕西受稳定少动的西太副高控制, 低层东移南压的切变线是直接影响系统。期间, 北部高层冷平流和正湿位涡向南下滑, 陕北能量锋区南压侵入陕西中南部, 陕西西南部低层暖舌向东北方向伸展, 不稳定层结加强。雷暴发生之前, 有150 J·kg^-1以上的对流抑制能量, 发展成熟阶段, 有显著增大并超过3 000 J·kg^-1以上的对流有效位能, 为强湿雷暴存储、提供了不稳定能量。虽然偏南水汽输送及辐合偏弱, 但前期近地层湿度大, 最大比湿超过17 g·kg^-1, 为强湿雷暴储备了必需的水汽条件。强烈、深厚的垂直上升运动为强湿雷暴爆发提供了有利的动力条件。

(2) 关中强湿雷暴伴随地闪与强降水二者中心接近, 密集区与低层高位温区走向基本一致, 主要分布在0~50 m^-2·s^-2正螺旋度区。不同阶段地闪和对流云团分布特征差异明显。初生阶段, 地闪分散于孤立的对流单体周边, 中心密度小于0.5次·km^-2。发展阶段, MCS冷云罩显著扩大, 北侧TBB大梯度区呈反气旋弯曲北凸, 高层负涡度区维持发展, 对流云顶和地闪密集区不一致, 后者整体呈连续线状分布, 中心密度超过0.8次·km^-2, 正闪趋于集中、增多。成熟阶段, 地闪进一步聚集、增多, 主要位于TTB＜-52 ℃区域, 密集区与对流云顶基本重合, 中心密度超过1.6次·km^-2, TBB中心降至-76 ℃以下、出现过程最低值, 地闪频次达到过程最大, 正闪分散在云顶和负闪密集区西南方向、在近地层高能舌附近。消散阶段, 地闪明显减弱、分散, 密集区与云顶逐渐分离, 中心密度降至1.0次·km^-2以下, 但正闪较为活跃。云团发展最高时段地闪频次出现峰值, 频次成倍增大之后3 h内冷云面积显著增至最大, 随后, 影响区域附近出现过程最大雨强。

(3) 关中强湿雷暴过程期间, 地闪与WRF模式输出的-20~-10 ℃层之间雪、霰冰相粒子质量混合比变化趋势密切相关, 冰相粒子显著增多之后基本都出现了地闪频数峰值, 减少之后地闪明显减少。雪粒子落区相对连续、在地闪发生区周围, 霰粒子相对分散、中心靠近地闪密集区。强湿雷暴成熟阶段, 雪粒子主要在8~16 km、-10 ℃层以上, 霰粒子高度略低, 主要在6~12 km、0 ℃层以上, 冰相粒子密集区与显著上升运动区一致。跟踪WRF模式输出的雪、霰粒子质量混合比时空变化, 可以有效预测关中强湿雷暴过程伴随的地闪活动和强降水变化。

(4) 强湿雷暴过程比较来看, “0811”过程, 北方高空冷平流向南输送范围相对偏北, 关中附近暖平流深厚、明显, 陕北南部整层为显著不稳定层结, 上升运动和对流明显偏强, 雪粒子质量比、地闪平均电流和雨强明显偏大, 发展阶段地闪偏向对流云团西北部, 地闪与雪粒子空间相关性明显, 正闪占比低。“0815”过程, 北方冷空气下沉南压楔入关中中下层, 对西南气流抬升作用相对明显, 发展阶段地闪偏向对流云团东南方向, 陕北南部中下层为稳定层结, 上升运动、雪粒子质量比、地闪平均电流和雨强明显偏小, 地闪与霰粒子空间相关性明显, 正闪占比高。

(5) 与关中区域性暴雨过程比较来看, 强湿雷暴过程期间, 陕西上空西太副高偏强偏西, 关中上空维持“上干下湿”的不稳定层结, 近地层温度高、湿度大; 发展成熟阶段, 对流有效位能明显偏大600 J·kg^-1以上, 显著上升运动区集中在南北200 km以内狭小范围, 无垂直倾斜结构, 上升运动中心和对流云顶相对偏高, TBB中心偏低6 ℃以上。上述差异特征是关中强湿雷暴相比普通暴雨过程伴随地闪显著偏多的重要原因。