典型強龍卷風暴中的地閃活動特征

劉巖，徐芬，鄭媛媛，張蕾，楊美榮，慕熙昱，梅海霞

(1.南京氣象科技創新研究院 中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，江蘇 南京210041；2.安徽省公共氣象服務中心，安徽 合肥230031；3.河南省氣象災害防御技術中心，河南鄭州450000)

1 引 言

龍卷是一種小尺度、短歷時、高速旋轉的狹窄空氣柱，是對流風暴產生的最猛烈的天氣現象，且常常伴隨著暴雨、冰雹等強天氣同時發生。相較于美國，我國龍卷發生的次數較少，但一旦有龍卷發生，往往造成嚴重的人員傷亡和經濟損失，尤其是EF2級（增強藤田級數劃分）及以上的強龍卷，如2016年6月23日，江蘇省鹽城地區遭受EF4級龍卷和冰雹災害，造成99人死亡，846人受傷，大量房屋、基礎設施損毀，直接經濟損失43.77億元[1]，因此研究龍卷發生機理，提高龍卷預報預警的準確性對氣象防災減災工作具有重要意義。利用常規觀測資料、再分析資料可對龍卷發生的天氣背景、環境物理量及其加強和維持機制有一定的認識[2-5]，雷達作為強天氣監測預警的重要工具，是現有對龍卷觀測最常用的手段，通過分析龍卷風暴的強度場和速度場特征，有助于對龍卷的監測、追蹤和預警[6-7]，然而，由于龍卷的時空尺度小，以上觀測和研究還很難實現對龍卷的有效預警。

強對流天氣常常伴隨閃電活動，閃電活動特征可對深厚濕對流天氣有一定的指示作用[8-9]，對流活動越強烈，指示作用越明顯。目前利用聲、光、電磁信號，通過星基和地基等多源設備，在時間和空間上已實現了對閃電的連續監測，閃電定位儀對閃電時間的記錄可精確到10-7s，為閃電活動的連續演變分析提供了有利條件，若能提煉出龍卷發生前閃電活動的變化特征，就可利用閃電資料輔以識別龍卷風暴單體，認識其發生和發展規律，成為龍卷天氣預報預警的方法之一。關于閃電與龍卷風暴的相關性研究，已取得了一些有意義的成果，如：閃電頻次變化與龍卷發生的時間有較好的相關性[10]，當閃電頻次從最大值快速減少到最小值時會出現龍卷，這個時間閾值約10~15 min[11]。Schultz等[12]發現在強天氣過程中，閃電頻次達到峰值之前會有閃電躍增的現象，利用此規律可對冰雹、雷暴大風等強天氣進行預警，準確率可達到73%，誤報率為10%[13]，但閃電躍增對強天氣的預警時效有較大的差異[14]，Chronis等[15]則發現存在閃電躍增的雷暴系統持續時間更長、天氣程度更劇烈、閃電次數更多。此外，在龍卷風暴發展過程中，正地閃的活動與龍卷的強弱有密切的聯系，當正地閃的比重不斷增加且占主導時，常常預示著龍卷強度較強，影響路徑也較長[16-17]，而龍卷風暴過程中初始閃電的發生則主要集中在霰和干雪區域[18]。但以上研究成果主要來源于龍卷高發的美國，我國龍卷風暴中的閃電活動規律值得探討。

我國龍卷多發于東部沿海地區，江蘇是強龍卷發生最多的省份[4,19]，2006—2018年間共發生龍卷41次，其中EF2級及以上強龍卷達20次[20]。本文將選取2013年以來江蘇地區兩次典型的EF3級和EF4級強龍卷過程，基于Advanced Direction and Time-of-arrival Detecting(ADTD)-2C型閃電定位資料，結合CINRAD-SA雷達資料、探空資料及歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA5再分析資料，分析龍卷風暴發展過程中的閃電活動特征，增強對我國龍卷天氣的進一步了解，也為閃電資料的綜合應用提供有益參考。

2 資料和方法

2.1 龍卷災害資料

綜合收集江蘇省氣象信息中心的信息化資料、災情直報系統以及民政部門的災情報告，并利用臺站地面氣象觀測記錄、文獻資料等對個例進行補充和校核。經過整理，本文選取的兩次龍卷過程均屬于梅汛期龍卷，風暴發展劇烈，災害損失嚴重。詳細信息如下：（1）2013年7月7日產生龍卷的風暴單體形成后，呈西南-東北走向移動，15:55（北京時間，下同）先在安徽省天長市產生EF2級強龍卷，持續約5 min，造成約600間房屋受損，86人受傷。隨后風暴于16:55移至高郵市卸甲鎮、三垛鎮等地，產生EF3級強龍卷，持續時間約10 min，影響路徑約20 km，龍卷發生后，大樹被連根拔起，1 100多間房屋受損[21]，整個過程伴隨暴雨。（2）2016年6月23日下午發生的EF4級強龍卷，在鹽城市阜寧縣和射陽縣一帶造成了特大災害，綜合災害調查、雷達回波的變化特征，推斷龍卷開始時間約為14:19，首先出現在阜寧縣，隨后出現在射陽縣，持續時間約35 min，影響路徑約為34.5 km。此次過程還伴隨下擊暴流和強降水，并在14:08—14:42、14:59—15:16、15:33—16:00產生冰雹，冰雹直徑為10~50 mm[21-24]。在以下分析過程中，分別將2013年7月7日的龍卷風暴簡稱為①過程，2016年6月23日的龍卷風暴簡稱為②過程。

2.2 閃電定位資料

本文所用的閃電資料由ADTD-2C閃電定位儀組網觀測得到。江蘇地區于2013年在全省共布設了16套ADTD-2C型VLF/LF閃電定位系統，通過接收閃電輻射的VLF/LF脈沖信號，采用時間到達法（TOA），記錄江蘇及周邊區域地閃回擊和云閃脈沖發生的時間、位置、強度、高度和極性等參數，從而實現包括云閃和地閃的總閃電探測。16套閃電定位儀的布設位置如圖1中紅色標記所示。需要說明的是，2013年7月7日的龍卷風暴在東移過程中，經過了安徽省天長市，天長市雖不隸屬于江蘇省，但由于天長市東、北、南側均與江蘇相連（如圖1中藍色區域），淮安、盱眙、揚州、浦口子站的閃電定位儀聯網可實現對天長市閃電的探測，因此，ADTD-2C可以獲得本研究所需的閃電數據。

理論上ADTD-2C型閃電定位儀的地閃回擊探測效率為90%[25]，對云閃的定位效率低于地閃。江蘇省以平原為主，大部分地區的海拔高度在100 m以下（圖1），閃電定位系統基線距離小于200 km，因此，文中假定ADTD-2C對地閃回擊的探測效率在時間和空間上均為90%，根據云閃地閃比對云閃的探測效率進行估算，得到云閃的探測效率為18%~22%[26]。考慮到大部分云閃數據并未被探測到，文中僅對地閃活動進行分析。對定位算法進行模型仿真，得到地閃的水平定位誤差約為300 m[27]。

此外，文中用到的資料還有：（1）2013年7月7日南京站和2016年6月23日射陽站的探空資料；（2）ERA5再分析資料，水平分辨率為0.25°×0.25°；（3）江蘇地區CINRAD-SA多普勒天氣雷達基數據，九部雷達站點的布設如圖1中綠色標記所示。

圖1 江蘇省閃電定位儀及雷達站點分布

2.3 研究方法

首先，利用探空資料和ERA5再分析數據，選取距離龍卷風暴最近的站點和格點，計算兩次過程的主要熱動力指標，并結合雷達資料，簡要分析兩次風暴的強度和演變過程。其次，以龍卷風暴移動路徑為中心，疊加雷達組合反射率和地閃數據，借鑒Storm Cell Identification and Tracking（SCIT）算法進行風暴識別，并將20 dBZ以上回波區域及周邊5 km范圍內的地閃劃分為與產生龍卷的風暴系統相對應的閃電，當地閃發生在5 km以外的區域時，按照閃電距離20 dBZ區域邊界的最近距離，劃分到相應的風暴系統[28]。在此基礎上統計龍卷風暴中地閃的時空演變、正地閃發生比例及雷電流強度的變化特征。地閃頻次的統計為雷達體掃時間后的6 min內，如“11:46的地閃”代表[11:46,11:52）時間內發生的地閃，當6 min地閃頻次大于等于5次時定義為有效樣本。納入統計的龍卷風暴起止時間從6 min地閃頻次大于等于5次開始，當連續三個6 min產生的地閃頻次小于5次時停止統計，①和②龍卷風暴的分析時間段分別為14:46—17:53和11:46—15:45。

在分析地閃頻次的時間變化特征時，對地閃頻次是否發生閃電躍增也進行了探討，閃電躍增參考2σ的閃電躍增算法[29]，分為3個步驟：（1）統計與龍卷風暴系統相對應的每分鐘地閃頻次，并求出相鄰2 min內地閃頻次的平均值；（2）利用地閃頻次平均值，統計地閃頻次每2 min的變化率；（3）計算當前時刻前2~12 min內地閃頻次變化率的標準差σ，若當前時刻地閃頻次變化率的值大于2σ閾值，則記錄為一次閃電躍增。

3 環境背景

本文分析的兩次龍卷事件均發生在江蘇梅汛期有利于暴雨發生的天氣背景下，高低空急流耦合、地面輻合線以及暖濕舌的存在有利于龍卷發生[1]。①過程在2013年7月7日08:00，500 hPa高度上有西風槽東移，并與溫度場的冷槽相配合，西風槽槽后的冷空氣與副熱帶高壓西側的西南氣流交匯于江淮地區，850 hPa高度上華南沿海至江淮地區強烈的西南風急流提供了充沛的水汽輸送，急流北側有低渦的東移，低渦前部的暖式切變線延伸到淮北地區，引發龍卷的對流風暴起源于地面輻合線附近，地面輻合及中尺度鋒區的增強，是觸發龍卷對流風暴快速形成和發展的主要原因[3]；②過程在2016年6月23日08:00—14:00，500 hPa高度上東北冷渦配合低槽東移南下，中層槽前傾，槽后干冷空氣侵入，與副熱帶高壓西北部強盛的暖濕氣流交匯于江蘇北部，850 hPa高度上西南風急流提供了充沛的水汽和能量，龍卷發生區域地處地面暖濕舌內，同時地面有γ中尺度氣旋和輻合線，輻合抬升明顯[30]。較好的熱力條件和動力觸發條件為兩次過程中對流風暴的發展并最終產生龍卷提供了有利的天氣背景。

探空分析也說明龍卷發生期間及發生區域均處于有利于龍卷發生的環境條件下。計算兩次過程的主要熱動力指標（對流有效位能（CAPE）、垂直風矢量差、抬升凝結高度(LCL)和風暴相對螺旋度（SRH）），如表1所示。①過程中首次龍卷發生在下午15:55，②過程龍卷發生在14:19，兩次龍卷過程中CAPE值在08:00均較小，分別利用11:00和14:00的溫度和露點溫度進行訂正，①過程的CAPE值在14:00增大至2 601 J/kg，②過程的CAPE值在11:00時增大至1 553 J/kg，兩者均達到中等強度。

表1 主要熱動力指標

為了評估ERA5再分析風場資料的適用性，將08:00南京站和射陽站的探空與ERA5風場數據進行對比，兩者的平均風向差在10°以內，風速差在2 m/s以內，ERA5再分析風場資料可用。文中08:00和20:00的風矢量差根據探空站的觀測數據計算得到，11:00和14:00的風矢量差根據ERA5風場資料計算得到，①過程在08:00就已表現出較大的低層（0~1 km）和深層（0~6 km）垂直風矢量差，分別為11.8 m/s和17.8 m/s，而②過程的低層垂直風矢量差在08:00較小，11:00低層和深層垂直風矢量差分別增加至9.4 m/s和20 m/s，14:00分別為9 m/s和28 m/s，深層垂直風矢量差一直處于中等偏強的程度。兩次過程LCL均在1 000 m以下，從SRH來看，①過程在龍卷發生前后均超過了150 m2/s2，②過程在龍卷發生前小于80 m2/s2，但午后也迅速增大，20:00增至310 m2/s2。綜合而言，兩次過程均具有中等強度的CAPE、強的垂直風矢量差和SRH、低的LCL，滿足江蘇梅汛期產生超級單體龍卷的環境條件[3-4]，針對這兩次過程環境背景和物理量場分析還可參考已有的一些研究成果[3,21,23,30]。

閃電活動很大程度依賴于大氣的熱動力特性，較大的CAPE值和垂直風矢量差可為強上升氣流的形成和發展提供熱、動力強迫，而上升氣流通量與閃電的發生成正相關。進入云內的能量越大，粒子的碰撞和分離越頻繁，相應的電活動越頻繁，疊加CAPE與地閃數據發現，地閃集中發生在CAPE值較高的區域，尤其是CAPE呈現高值的脊狀區域內[31]。強的垂直風矢量差使降水質點脫離上升氣流區，不會因拖曳作用減小上升氣流的浮力，也增加了正、負電荷的分離，同時增加了中層干冷空氣的吸入和低層冷空氣的外流，進一步增強了上升運動。霰和冰晶是非感應起電中最主要的兩種起電粒子，其含量直接影響起電過程，尤其是在云層的混合相態區（0℃~-40℃），①過程在08:00的云頂高度約為8.4 km，小于-20℃層高度（8.8 km），0℃層高度約為5.2 km，因此，0℃層以上云體厚度和混合相態區厚度為3.2 km，而②過程在08:00的-40℃層高度小于云頂高度（15.0 km），約為11.1 km，0℃層高度約為5.3 km，計算得到0℃層以上云體厚度約為9.7 km，混合相態區厚度約為5.8 km，相比較而言，②過程更有利于電荷的生成。此外，相當位溫的高值中心可反映高溫高濕能量的堆積，研究表明，地面溫濕狀態的改變會影響云內上升氣流速度的大小，進而影響降水粒子的生成、分布及起電放電特性，當經過高相當位溫區域時，上升氣流強度會增加[32-33]，疊加龍卷發生當日14:00地面相當位溫和13:00—17:00內的地閃頻(圖2)，大部分的地閃呈帶狀分布在龍卷風暴中相當位溫大于350 K的區域，同樣，②過程對應的相當位溫更高。

圖2 2013年7月7日（a）和2016年6月23日（b）地面相當位溫和地閃空間分布 黑色“·”代表負地閃，紅色“·”代表正地閃，白色“▽”代表龍卷發生地。

4 龍卷風暴演變過程

①過程中產生龍卷的風暴單體于14:20形成于南京市浦口北部地區，此后向東北方向移動并迅速增強，14:38時最大回波強度已達60 dBZ，隨后在移動過程中50 dBZ以上的強回波區域不斷增大，風暴頂高也有所增加，但未超過10 km，15:10鉤狀回波逐漸清晰，15:16開始有中氣旋產生，底高2.1 km，15:34出現龍卷渦旋特征（TVS），隨后中氣旋切變值減小后再次增強，底高逐步減小，15:55左右在安徽天長產生龍卷，此時龍卷中氣旋切變值增加到44×10-3s-1，緊接著強回波區域在短暫性減弱后于16:23再次增大，質心高度不斷降低，16:55左右在江蘇高郵產生龍卷，此時龍卷風暴質心高度約為3 km，伴隨的中氣旋底高約1 km，切變值為43×10-3s-1[3]。整個過程中，龍卷風暴單體最大反射率因子始終維持在58~64 dBZ之間。

②過程中的風暴單體于10:00左右生成于安徽泗縣，向偏東方向移動過程中，最大回波強度不斷增加，回波頂高持續升高，13:28風暴低層形成高反射率因子組成的鉤狀回波，前側有明顯的弱回波區和中氣旋，超級單體風暴形成。13:40中氣旋最大切變位于底部，出現TVS，14:02最大反射率因子增加至69 dBZ，風暴質心高度升到8.2 km，在-20℃等溫線附近，14:08最大反射率因子增大到75 dBZ，高度為7.5 km，隨后質心高度、中氣旋底和最大切變高度不斷下降，14:19鹽城阜寧龍卷發生時，質心高度降至2.8 km，中氣旋底高降至0.9 km，最大反射率因子為65 dBZ。

兩次龍卷風暴在發展移動中，①過程在16:00，②過程在14:00左右具有較強的回波強度和較高的質心高度，選取①過程在16:08、②過程在14:02時0.5°仰角反射率因子及垂直剖面進行對比分析。如圖3所示，②過程超過50 dBZ的強回波面積和風暴發展的高度都遠遠大于①過程，說明②過程對流發展的旺盛程度要強于①過程，正是由于②過程雷暴的垂直發展高度、發展厚度及水平尺度更大，使得其混合相態區域的粒子數量和尺寸更有利于電荷的產生和分離。從兩次過程的弱回波區也可以看到，①過程的弱回波區低于②過程，同樣也說明其上升氣流相對②過程較弱。

圖3龍卷風暴的發展強度和高度（紅色實線為剖面切割線）

5 地閃特征分析

5.1 地閃空間分布

疊加多站點雷達組合反射率拼接數據和地閃數據，兩次過程在風暴單體發展過程中，地閃均主要發生在回波強度≥30 dBZ的區域內，但明顯看出②過程中地閃活動多于①過程。在風暴單體初始發展階段（圖4a、4g），地閃頻次較少，且分布彌散，主要以負地閃為主，零星分布著少量正地閃，隨著風暴中上升氣流的不斷增強，回波頂高增加，強回波面積增大（圖4b、4c、4e、4h），負地閃的發生逐漸密集，集中在強回波核中心區域。但在天長龍卷發生前，正地閃發生不頻繁，而在高郵龍卷和鹽城龍卷發生前，密集的負地閃外圍有較多正地閃發生，尤其是鹽城龍卷，正地閃頻發。在龍卷發生期間（圖4d、4f、4j），地閃活動減弱，且逐漸分散，不再集中在強回波核中心。同時，天長龍卷及地時，正地閃仍然稀少（圖4d），高郵龍卷及地時正地閃活動略多，大多在負地閃外圍區域（圖4f）。鹽城龍卷及地時，≥45 dBZ的區域被正地閃填充，數量遠超負地閃（圖4j），表明此時的雷暴中部主電荷區有可能為正電荷，而這種現象在14:02（圖4i）就已開始出現，此時提前冰雹發生約6 min。從龍卷與地閃的發生位置來看（圖4d、4f、4j），天長和高郵龍卷及地后的6 min之內，龍卷周圍3 km范圍均沒有地閃發生，鹽城龍卷及地后的6 min之內，龍卷所在地雖有地閃發生，但并非地閃發生最密集的區域。兩次超級單體龍卷發生在上升氣流區內靠近后側下沉氣流的地方，這反映出在龍卷及地前后，其附近區域荷電粒子被抬升的高度較高或者具有較少的電荷密度，從而與地面發生的擊穿放電較少。

圖4 2013年7月7日14:46（a）、15:22（b）、15:40（c）、15:52（d）、16:17（e）、16:54（f）和2016年6月23日13:00（g）、13:45（h）、14:02（i）、14:19（j）龍卷風暴單體中地閃的空間分布 藍色“·”代表負地閃，黑色“·”代表正地閃，黑色“▽”代表龍卷發生地。

5.2 地閃頻次

統計①和②過程中的地閃頻次（圖5）。可以看出，龍卷均發生在地閃頻次到達峰值后回落的階段，即在龍卷及地前，地閃頻次已達到最大值。①過程首先于15:55在安徽天長出現龍卷，隨后于16:55在江蘇高郵出現龍卷，而地閃頻次在15:22達到最大值，提前首次龍卷發生約33 min。②過程中地閃頻次于13:51達到最大值，隨后14:19鹽城阜寧龍卷發生，地閃頻次達到峰值的時間提前龍卷發生約28 min。而低層中氣旋的不斷加強，有利于上升氣流增強，強烈的對流抬升了風暴下部電荷區的高度，是導致地閃頻次減小的原因之一[34]。

圖5 地閃頻次隨時間的變化特征（紅色虛線代表龍卷及地的時刻）

龍卷及地時，地閃頻次均有所減小，①過程中天長龍卷發生時地閃頻次約降至其最大值的50%，高郵龍卷發生時地閃頻次約為其最大值的24%。②過程中龍卷發生時的地閃頻次約為其最大值的50%。但兩次過程中地閃頻次的絕對數值差異較大，①過程中天長龍卷及地時的地閃頻次為108 fl/(6 min)，在天長龍卷結束后，地閃頻次有所增加，隨后再次減小，當高郵龍卷及地時地閃頻次降至51 fl/(6 min)。②過程中龍卷發生時的地閃頻次為272 fl/(6 min)，明顯多于①過程，而上升氣流強度和速度與閃電頻次相關性r≥0.8[35],①過程中55 dBZ回波最大高度均集中在0℃和-20℃層之間，而②過程中55 dBZ最大回波高度在龍卷及地前后在-20℃高度以上，說明②過程中強回波向高層伸展的更高，上升氣流更強，而低層水汽在向上層輸送過程中，通過釋放潛熱進一步增加了上升氣流強度，從而在混合相態層內不斷促使更多冰晶和霰粒子的生成，根據非感應起電機制的原理將碰撞產生更多的放電。

另一個明顯的特征是兩次過程在龍卷發生之前均發生了閃電躍增（圖6）。①過程分別在15:16、15:18、15:22發生閃電躍增，距離龍卷及地提前33~39 min。②過程共發生閃電躍增12次，9次發生在龍卷及地前，最早的一次發生在12:06，超出2σ閾值最大的3次連續躍增發生在13:34—13:38，提前龍卷發生41~45 min，提前冰雹發生34~38 min，在龍卷及地后，仍然有3次閃電躍增出現，這是由于②過程在此期間伴隨有冰雹產生，而閃電躍增對于冰雹的發生也有預警作用[29]，這就導致此次過程閃電躍增次數較多。由上也可以看出，當地閃頻次出現多次閃電躍增時，需提高警惕，可能有冰雹或龍卷等強天氣出現，但當冰雹和龍卷伴隨出現時，僅憑閃電躍增無法區分強天氣類型。

圖6 地閃頻次的變化率 紅色虛線代表龍卷及地的時刻，黑色箭頭代表冰雹發生的時刻。

5.3 正地閃比例

一般而言，正閃的發生次數遠遠小于負閃，江蘇地區2013—2016年正地閃發生比例的統計平均值僅為16.7%，但在強雷暴中正閃的比例往往會有所增加，且具有其獨特的特征[36]。兩次龍卷過程均產生于超級單體風暴中，統計兩次過程中的正地閃比例，如圖7所示。①過程中天長龍卷發生時，正地閃比例很小，約為3%，而在高郵龍卷發生時，正地閃比例增大，龍卷發生期間，正地閃比例達到38%，龍卷結束后，正地閃比例回落，在17:23達到最小值后維持在10%左右。圖7中黑色方框所示為正地閃比例的最大值，但此時6 min發生的地閃次數只有3次，不作為有效樣本。姚葉青等[37]曾分析了安徽一次EF3級龍卷風暴中的地閃演變，發現整個過程也均以負地閃為主。強雷暴中正地閃頻發的原因：（1）傾斜的超級單體風暴使得上部主正電荷區與中部主負電荷區偏離，主正電荷區更容易對地放電；（2）在一定的液水含量和溫度條件下，形成反極性電荷結構，中部為主正電荷區，從而產生更多的正地閃。從①過程中正地閃主要發生在強回波核外圍（圖4a~4f），推斷此次正地閃的產生主要為第一個原因，若雷暴發展不夠高，就難以有相當數量的冰晶產生正電荷，這是此次過程正地閃未占主導的原因。

圖7 正地閃比例隨時間的變化特征（紅色虛線代表龍卷及地的時刻）

②過程中龍卷及地前的11 min，正地閃比例達到峰值68%，隨后有所減小，14:19龍卷及地時正地閃比例為63%，在龍卷發生期間，正地閃比例迅速下降，除了在14:37正地閃比例超過50%，其余時間均轉為負地閃占主導，即龍卷發生在正地閃比例達到峰值后的減小階段，并且在龍卷發生后出現由正地閃占主導轉為負地閃占主導的現象，這與Biggar的研究結論類似[38]。值得注意的是，②過程同時伴隨有強冰雹發生，進一步說明此次過程具有深厚的不穩定層結、傾斜和強烈的上升氣流且積雨云中含水量豐富，從圖4i、4j中可以看出，正地閃主要發生在雷暴的主對流區，且發生頻次遠多于負地閃，推測在此階段雷暴中部主電荷區為正電荷，下部有一弱的負電荷區，通過數值模擬也發現，此次過程在冰雹形成到龍卷發生期間為反極性多層雷暴電荷結構[17]，這是此次過程正地閃占主導的主要原因。

通過以上分析可以看出，龍卷等級越強，正地閃表現得越活躍，特征越明顯。①過程中天長龍卷為EF2級，龍卷及地前后正地閃比例并未出現大值，高郵龍卷為EF3級，龍卷及地前的10 min內，正地閃比例明顯增加，并持續增大到龍卷結束，但最大值未超過50%，正地閃未占主導。②過程龍卷為EF4級，龍卷及地前的20 min，正地閃活動快速增多并占主導，龍卷發生期間，主導地閃的極性發生反轉，但正地閃比例仍大于均值，已有的研究表明，存在主導地閃極性反轉的風暴往往都會產生強對流天氣，且有一半會產生EF3~EF5級的龍卷[32]。

5.4 雷電流強度

分別統計兩次過程中3個龍卷發生前后各30 min內的雷電流強度，如表2所示，由5.2節分析可知，②過程比①過程的對流發展更加旺盛，對應的地閃頻次更多，但②過程的平均雷電流強度值卻更小，其正、負地閃的平均雷電流強度均小于①過程，也遠遠小于歷年均值。這是由于②過程中放電次數的增加，導致每次放電的電荷累積量較小，從而使得雷電流強度較小。同時，從圖8可以看到，兩次龍卷風暴發展過程中雷電流強度隨時間的變化并不明顯。

圖8 雷電流強度隨時間的變化特征（紅色虛線代表龍卷及地的時刻）

表2 龍卷發生前后30 min雷電流強度均值

6 結 論

本文基于ADTD-2C閃電資料、探空觀測、ERA5再分析資料和多普勒雷達資料，對兩次典型強龍卷風暴中地閃的時空演變、正地閃發生比例及雷電流強度特征進行了統計，得到以下結論。

（1）中等以上強度的CAPE、強的垂直風矢量差和SRH、厚的混合相態層及相對較高的相當位溫有利于霰和冰晶粒子的產生，也為電荷的產生和分離提供了良好的熱動力條件。龍卷風暴中地閃主要發生在回波強度≥30 dBZ的區域內，在龍卷發生期間，地閃活動減弱且逐漸變得分散。

（2）龍卷均發生在地閃頻次達到峰值后回落的階段，地閃頻次峰值分別提前龍卷發生約33 min和28 min，但兩次過程中地閃頻次的絕對數值差異較大，這與風暴中上升氣流的強烈程度有關。另一個明顯的特征是，龍卷天氣發生之前，地閃會出現連續多次閃電躍增，但由于冰雹天氣前也會出現閃電躍增，當冰雹和龍卷伴隨出現時，僅憑閃電躍增無法區分強天氣類型。

（3）龍卷等級越強，正地閃表現越活躍，特征越明顯。天長龍卷發生時，正地閃比例很小，僅為3%，而高郵和鹽城阜寧龍卷發生時，正地閃比例均遠超歷史均值（16.7%），尤其在鹽城阜寧龍卷發生時，出現了正地閃主導向負地閃主導的反轉。同時，兩次過程分別伴隨暴雨和冰雹，整體而言，伴隨冰雹的龍卷風暴正地閃表現更活躍。

（4）雷電流強度隨時間的變化規律并不明顯，兩次過程的地閃強度均小于歷史平均值，但地閃發生愈頻繁的龍卷風暴，對應的雷電流強度值愈小。

本研究探尋了強龍卷風暴中地閃的發生規律，在龍卷發生前地閃頻次和閃電躍增都表現出比較明顯的特征，美國已有的一些研究表明，包括云閃和地閃的總閃電與龍卷天氣的相關性會更顯著，云閃地閃比可作為強天氣預警的指標之一，且在龍卷風暴中會出現短暫的“閃電洞”或“閃電環”現象[39]，這些研究依賴于云閃和閃電輻射源的觀測數據，于2018年投入業務應用的風云四號A星及即將發射的風云四號C星上攜帶的閃電成像儀（LMI）能夠對我國及附近區域的總閃進行連續監測，這將為龍卷風暴中總閃活動的研究提供有效手段。此外，受限于江蘇地區ADTD-2C閃電定位資料的時序，本文的結論僅是針對兩次典型強龍卷風暴歸納得來，隨著資料的積累，運用雙偏振雷達資料[40]，對強龍卷過程中閃電活動特征的認識將會更加清晰。