一次東北冷渦天氣過程雷電氣象潛勢條件診斷分析

（1 中國氣象局氣象干部培訓學院遼寧分院，沈陽 110166；2 中國氣象局沈陽大氣環境研究所，沈陽 110166）

0 引言

雷電是中國東北地區頻繁發生的自然災害，據統計，雷電災害已成為城市僅次于暴雨和臺風災害的第三大氣象災害[1-2]。雷電是在特定大氣環境中發展起來的對流系統，為描述這種對流系統發生、發展的環境場特征，國內外研究者總結了大量物理意義明確的熱力學、動力學、能量學參數，并將這些參數應用在對雷電天氣的分析和潛勢預報中。

高菊霞等[3]提出通過對兩次強雷電過程的閃電特征、天氣形勢及物理量場分析發現：西太平洋副熱帶高壓、西風槽是強雷電天氣過程的直接影響系統，暴雨落區與閃電密集區對應較好，最強正閃出現在中層相對濕度大于50%的區域內，最強負閃出現時垂直上升運動較弱，雷電密度較大區域災害明顯。龔嘉鏘等[4]用WRF模式對發生在南京市區的兩次雷電過程進行了模擬，發現WRF模式高時空分辨率的特點，使得其對雷電發生前的氣象要素資料的獲取更加精確，可進一步地提高利用WRF模式進行雷電預警的效果。李君等[5]指出淄博市雷電天氣形勢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。許愛華等[6]發現高溫高濕天氣、層結異常不穩定、前傾槽結構、亮溫區、強回波伸展高度、“逆風區”和“正速度快速增大區”等特征十分明顯，是預報分析強雷電天氣的著眼點。郜凌云等[7]發現遼寧省內陸城市雷暴活動與近地面氣溫、亞洲緯向和經向環流有關，沿海城市雷暴活動與對流層中低層的風場和高度場密切相關，雷暴日數的年際變化與西太平洋副熱帶高壓脊線的位置密切相關。

而東北冷渦是東北地區的典型影響天氣系統[8]，具有多發性和連續性特點，更是強對流天氣的多發天氣形勢，也是經常出現雷電天氣的典型天氣形勢。因此，從東北冷渦天氣形勢下雷電發生的潛勢條件分析著手，研究東北冷渦天氣形勢下，雷電的產生條件和高發區域。

1 資料及方法

統計特征分析的歷史資料使用1960—2010年常規氣象觀測資料；冷渦個例資料采用中國氣象局下發的常規天氣實況觀測資料、歐洲中心數值預報資料及NCEP再分析資料，時間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]的標準，即東北冷渦是500 hPa天氣圖上，115°—145°E、35°—60°N 范圍內有閉合等高線，配合有冷中心或冷槽，能夠持續維持3 d或3 d以上的低壓環流系統。

采用天氣學分析方法對發生雷電的東北冷渦天氣形勢進行分析，尋找冷渦天氣發生雷電的機理原因；采用診斷分析方法，研究了冷渦背景下各物理量場與雷電發生的密切關系；利用中尺度分析方法，尋找對流不穩定即雷電的高發區域。

2 東北冷渦對流不穩定潛勢分析

2.1 東北冷渦天氣特點

東北冷渦具有明顯的對流不穩定能量，突發性強對流，帶來雷電、大風、冰雹等。陳長勝[10]在《初夏兩次東北冷渦強對流天氣對比分析》中提到東北的雷暴日數由冷渦引發的最多，64%的颮線與冷渦過程有關，冷渦降雹占東北總降雹日數近一半。對1960—2010年5—9月發生在遼寧省的東北冷渦天氣過程進行統計分析（圖1），共出現417次冷渦過程，平均每年出現8.3次冷渦過程，這50年氣候傾向趨勢不明顯。另外，從地面實況資料可知冷渦對流有明顯日變化，多發生在午后到前半夜，雷暴也對應發生在這個時間段，這與陳力強等[8]在2008年研究的冷渦過程中對流有效位能的日變化表現一致（圖略）。冷渦還經常產生局地暴雨，占總數的22%；區域性暴雨較少，僅占7%；未出現過大范圍特大暴雨。

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 東北冷渦雷電對流不穩定潛勢分析

東北冷渦是阻塞系統的切斷低壓，所以東北冷渦天氣系統的結構和溫度層結與切斷低壓相似。陳力強等[8]對2002年7月12日東北冷渦天氣過程進行數值模擬，發現東北冷渦天氣系統中，高層暖異常，中層冷異常，在對流層上部形成穩定層結，但隨著高度降低，低層增溫，形成了中低層的低穩定區，冷渦在中高層對應較強位渦為強對流的發生提供了潛在條件。這個研究結果與切斷低壓的結構非常相似，在東北冷渦過程中具有普遍規律。另外，東北冷渦前部為上升氣流，后部為下沉氣流，雷電等強對流天氣易出現在東部或北部，在那里中層正渦度可以在低層產生環流，該環流可以帶來暖濕氣流，為雷電的發生儲存了能量。由于東北地處中高緯，加之極鋒急流和副熱帶急流的季節變化易形成阻塞系統。東北三面環山、中間平原的地形以及海陸交界的分布使阻塞系統的切斷低壓易在東北地區維持。阻塞系統的持續性導致了東北冷渦的持續性。由于冷渦持續時間長，雷電發生的時間也相對較長。

通過對2005年7月8—14日的東北冷渦過程進行分析，發現冷渦的對流不穩定能量有明顯階段性（圖2）。發展階段結構接近溫帶氣旋，地面氣旋濕斜壓不穩定發展是降水產生的機制；成熟階段受太陽輻射影響，以分散性局地對流降水為主。冷渦的不同發展階段均可對應不穩定能量區，但其分布有較大差異，發展階段不穩定能量區分布于離冷渦中心較遠的東南部；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。

東北冷渦生命期對流不穩定能量的變化，在冷渦的各發展階段中高層冷空氣條件（一般為700～400 hPa）在冷渦環流區都基本具備，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2005年7月8—14日東北冷渦過程進行分析，發現對流不穩定能量的積累是一個較長的過程，在冷渦的發展期能量一直在累積，能量達到最大，在成熟期能量的釋放是一個短暫的過程，不足1 h，非常劇烈，因此往往發生雷電。不穩定能量的積累和釋放過程不穩定參數的變化如表1所示。

圖2 2005年7月9—13日500 hPa高度（實線）及對流有效位能（虛線）：（a）9日08時發展階段，（b）10日08時成熟階段，（c）10日20時減弱階段，（d）13日20時減弱階段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日不穩定參數的變化Table 1 Changes of unstable parameters on July 10, 2005

3 東北冷渦個例雷電天氣潛勢分析

選取2017年4月22—25日東北冷渦背景下雷電天氣個例，從環流形勢、云圖特征和雷電潛勢條件等方面進行了分析。

3.1 環流形勢分析

2017年4月22日08時，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西北部，東北地區中部被高壓脊控制，到了20時，東北地區西北部的高空槽加強發展成東北冷渦。如圖3所示，2017年4月23日08時，500 hPa環流及溫度場東北冷渦中心位于內蒙古以北地區，強度達到528dgpm，此時溫度槽位于高度中心的后部，中心最低氣溫達-32℃，是冷渦的發展階段，冷中心落后高度中心，此時東北地區位于冷渦的東南部，天氣相對穩定。到了23日20時，冷渦中心東移南壓，冷渦冷中心與高度中心重合，冷渦進入成熟階段，此時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，在垂直方向上強烈抬升，容易觸發對流不穩定能量，產生雷電天氣。24日08時開始東北冷渦緩慢向偏東方向移動，中心強度略有減弱，25日20時東北冷渦中心移至黑龍江東北部，26日移出東北地區。

圖3 2017年4月23日（a）08時，（b） 20時500 hPa環流及溫度場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時冷渦處于發展階段，如圖4a云圖呈現逗點形狀，配合地面存在氣旋，伴有冷鋒和暖鋒，冷渦中心西側出現中到大雪，東側出現陣雨，為穩定性鋒面降水，此時沒有雷電現象。23日08時（圖4b），冷渦仍然處于發展階段，逗點云系較前期相比，變得淺薄，降水范圍擴大至逗點云系的尾部，冷渦的東部和東南部都出現了小雨到中雨，仍為穩定性的鋒面降水，沒有雷電產生。23日20時，冷渦發展到成熟階段后，地面氣旋中心與500 hPa高空冷渦中心接近重合，降水范圍繼續擴大發散，降水強度增加。24日02時（圖4c）冷渦云系變得分散，在冷渦東南方向新生成許多對流云，此時從大連地區開始發生雷電，雷電范圍逐漸擴大到丹東、營口、葫蘆島、遼陽、鞍山和本溪地區，隨著對流云發展，在24日03—05時雷電又出現在黑龍江大慶、吉林松原、渾江和通化地區，遼寧和吉林地區的雷電在上午10時左右結束，黑龍江地區的雷電持續到17時，如圖4d所示，24日08—17時雷電發生在吉林通化、松原、黑龍江綏化、黑河、齊齊哈爾、伊春以及哈爾濱地區。25日08時冷渦成熟階段，云系最強區域遠離冷渦中心，遼寧降水結束，降水范圍北收，強度減弱，多陣雨。25日14時冷渦開始減弱，雷電從11時左右再次出現（圖4e），主要發生在吉林的長春、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，午后14—15時雷電頻次最高，18時雷電結束。26日14時冷渦減弱階段，冷渦已經東移出東北地區，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出現少量雷電（圖4f）。

3.3 雷電潛勢條件中尺度分析

利用中尺度分析的方法分析本次雷電發生的潛勢條件。此次過程24日降水量最大，也是雷電發生范圍和頻次最大的一天，利用2017年4月24日08時的探空資料進行分析。在500 hPa內蒙古東部有溫度冷槽，華北地區有西北急流，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交匯，上冷下暖溫度層結激發不穩定條件。從700 hPa垂直運動條件看，在東北地區有較強的上升運動，在內蒙古東部冷空氣控制區域有下沉運動，雷電一般發生在垂直運動上升區，這個區域也是成云致雨的區域。圖5a中橙色線為850 hPa水汽通量，數字為850 hPa比濕＞3g/kg，陰影為850 hPa相對濕度＞70%，從多個表征水汽的物理量特征參數重合的區域可以判斷出潛勢能量最大的區域，圖5b陰影為降水落區，深綠色＞10 mm，但是此次過程水汽條件不能滿足暴雨條件，實況也是屬于中雨量級，產生的對流強度相對也不大，因此更難判斷雷電發生區域。圖4中雷電的實際發生區域與圖5b中雨落區一致，在這里無論是水汽還是上升運動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中與各物理量對應并不是很好，中尺度分析也可能會漏掉雷電潛勢區域。圖6給出了4月24日08時的K指數分布，可以看到東北地區的K指數值并不是很大，吉林和遼寧的中東部有一定的不穩定能量，K指數為24，與雷電的區域對應。另外，這次過程早上08時對流有效位能較弱，以上分析是基于08時的探空，不是能量積累最強的時刻，雷電多發生在凌晨和下午，因此分析有一定局限性，但對于短臨雷電潛勢預報有一定指示意義。

圖4 2017年4月22日17時—26日14時冷渦紅外云圖特征（紫色線為地面氣壓場，綠色為現在天氣和6 h降水量，+代表雷電）（a）22日17時，（b）23日08時，（c）24日02時，（d）24日14時，（e）25日14時，（f） 26日14時）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時雷電發生條件中尺度分析（a）及中尺度分析疊加降水落區（b）Fig. 5 Mesoscale analysis of lightning occurrence conditions on Apr 24, 2017

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

4 結論

采用統計結果和個例分析相結合的方法，對東北冷渦產生雷電的氣象潛勢條件進行分析，得出以下結論。

東北冷渦具有明顯的對流不穩定能量，易帶來雷電天氣，由于冷渦對流有明顯日變化，多發生在午后到凌晨，雷電也多發生在午后到凌晨。東北冷渦對流不穩定能量有明顯階段性，發展階段以穩定性鋒面降水為主，此時一般沒有雷電，成熟階段受太陽輻射影響，以分散性局地對流降水為主，此時雷電活動開始頻繁，能夠一直持續到減弱階段。

本次個例中雷電主要發生東北冷渦東部和東南部，尤其是對流云生成的區域。通過中尺度分析可以判斷雷電潛勢，本次個例中700 hPa有較強上升運動，850 hPa比濕＞3 g/kg，相對濕度＞70%，有中等強度降水，上述條件重合的區域可以判斷出潛勢能量最大的區域，對應雷電發生區。