拉薩地區(qū)一次短時(shí)強(qiáng)對流天氣中的冰雹和地閃活動(dòng)特征分析

洛松卓瑪，德慶曲珍，洛桑平措

拉薩市氣象局，西藏拉薩 850000

冰雹是一種對農(nóng)作物、畜牧業(yè)和人們生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重破壞的氣象災(zāi)害之一。雷電是大氣強(qiáng)烈的放電過程，能產(chǎn)生極大的峰值電流，對地面物體危害較大。通常冰雹和雷電活動(dòng)都伴隨著強(qiáng)對流性天氣活動(dòng)的發(fā)生，兩者關(guān)系緊密[1]，預(yù)防強(qiáng)對流天氣發(fā)生帶來的危害尤為重要。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者結(jié)合地閃定位儀和多種雷達(dá)、云圖等資料進(jìn)行了大量研究。Williams[2]指出地閃活動(dòng)在強(qiáng)對流天氣中會(huì)因氣象條件、海拔和地理位置不同而有所差別。李照榮等[3]利用B型M-LDARS單站閃電定位儀和多普勒雷達(dá)觀測資料對西北地區(qū)11次冰雹過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)甘肅地區(qū)在降雹前4～97 min出現(xiàn)閃電頻次大于20次的峰值。姚雯等[4]利用ADTD和SAFIR 2種閃電資料對京津冀地區(qū)的冰雹個(gè)例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正地閃比例較高時(shí)，天氣過程持續(xù)較長且冰雹直徑較大。黃彥彬[5]等利用SD型閃電計(jì)數(shù)器觀測的閃電頻數(shù)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷暴由山區(qū)向平原移動(dòng)時(shí)，5 min閃電頻數(shù)不小于40次，可作為青海省人工防雹作業(yè)指標(biāo)。

拉薩地區(qū)位于青藏高原中部，是西藏主要糧食產(chǎn)區(qū)之一，平均海拔3 600 m以上，每年6—9月多短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴等對流性天氣[6]。張雷等[7]發(fā)現(xiàn)西藏地區(qū)的冰雹和雷暴發(fā)生區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系，均呈帶狀分布。因此，為研究拉薩地區(qū)局地強(qiáng)對流天氣中冰雹和地閃活動(dòng)之間的關(guān)系，選取2020年7月23日1次強(qiáng)對流性天氣進(jìn)行分析，為提高災(zāi)害性天氣預(yù)警水平提供參考。

1 資料分析

采用拉薩地區(qū)2020年7月23日17:30～19:30的地閃數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)由拉薩、尼木、墨竹工卡、當(dāng)雄4個(gè)測站組成(圖1)，有效探測距離為300 km，可以得到拉薩地區(qū)不同時(shí)段發(fā)生的不同極性地閃、雷電流強(qiáng)度等參數(shù)。同時(shí)，選取相應(yīng)時(shí)段天氣雷達(dá)(c波段)、探空、環(huán)流場及地面資料，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法分析拉薩地區(qū)地閃活動(dòng)特征與同期氣象資料間的關(guān)系。

圖1 拉薩地區(qū)地閃定位儀的分布

2 天氣背景分析

2020年7月23日18:00(北京時(shí))拉薩地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，18:18～18:40拉薩城區(qū)中心出現(xiàn)冰雹天氣，冰雹最大直徑為25 mm，最長持續(xù)時(shí)間為22 min，20:00拉薩站出現(xiàn)最大降水量，為10.6 mm。

3 環(huán)流場分析

由圖2可知，此次強(qiáng)降水天氣的主要影響天氣系統(tǒng)為500 hPa上高原西側(cè)的低渦天氣系統(tǒng)，低渦前側(cè)西南風(fēng)較明顯，有利于南側(cè)的水汽向高原輸送。同時(shí)，南部副高外圍偏東南風(fēng)，南風(fēng)分量有利于南部孟加拉灣的暖濕氣流向高原地區(qū)輸送，為此次強(qiáng)降水的發(fā)生與發(fā)展提供了有利的水汽條件。

圖2 2020年7月23日14:00 200 hPa(a)、500 hPa(b)高度場(等值線，單位：dagpm)、風(fēng)場(鳳羽：單位:m/s)

此外，對流層頂部的南壓高壓呈東部型，高原受高壓控制，而拉薩市正處于其脊線外圍控制區(qū)，在有利的高層輻散條件和潮濕不穩(wěn)定特征下，高原易出現(xiàn)降水天氣，局地易發(fā)生對流性天氣。

4 探空資料分析

此次冰雹發(fā)生時(shí)間為下午，故利用14:00的氣溫、露點(diǎn)和氣壓對08:00探空圖進(jìn)行訂正，作為14:00的探空圖(圖3)。經(jīng)過修訂后，CAPE值從08:00的486 J/kg增加到至1 691 J/kg，CAPE的“躍增”表明了冰雹發(fā)生前期有明顯的能量聚集。按照CAPE值標(biāo)準(zhǔn)，雖然修訂后的值只達(dá)到中度不穩(wěn)定，但對高原來說，1 000 J/kg以上說明不穩(wěn)定能量充足。張翠華等[8]研究高原雷暴天氣層結(jié)分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，高原的強(qiáng)雷暴對流有效位能(CAPE)值平均為782 J/kg，弱雷暴約為406 J/kg，而拉薩城區(qū)當(dāng)天的(CAPE)值達(dá)到了一定的能量，有利于強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)。同時(shí)，CIN值為39.2 J/kg，說明拉薩市區(qū)域內(nèi)具備抑制低層不穩(wěn)定能量過早釋放的條件。同時(shí)，抬升指數(shù)達(dá)到了-2.03 ℃。綜合以上條件，拉薩市區(qū)域內(nèi)有利于出現(xiàn)對流性天氣。0 ℃和-20 ℃層高度分別是云中冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區(qū)下界，是表現(xiàn)雹云特征的重要參數(shù)。

圖3 2020年7月23日08:00、14:00拉薩站T-lnP 圖

在此次過程中，08:00 0 ℃層高度和-20 ℃層高度分別為5.3和9.2 km，0、-20 ℃高度層相差3.6 km，有利于雹胚的增長。濕球零度層高度WBZ高度5.3 km，拉薩市海拔3.6 km。根據(jù)本地經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對高原來說，是適合冰雹增長的高度。

5 天氣雷達(dá)資料分析

雷達(dá)天氣資料能有效監(jiān)測、預(yù)報(bào)冰雹等強(qiáng)對流性天氣，因此，選取拉薩市區(qū)相應(yīng)時(shí)間段的雷達(dá)資料分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，此次降水過程以層狀降水回波為主，拉薩地區(qū)西側(cè)的單體風(fēng)暴發(fā)展迅速、靠近城區(qū)有明顯的加強(qiáng)，并迅速出現(xiàn)范圍較廣的強(qiáng)回波區(qū)，大部回波強(qiáng)度均大于45 dBz，局地出現(xiàn)了60 dBz以上的強(qiáng)回波區(qū)。低層至高層(0.5～19.5°)均有超過65 dBz以上的強(qiáng)回波，垂直伸展高度較高。此外，在城區(qū)上空出現(xiàn)明顯的大冰雹指數(shù)，對此次冰雹天氣過程有一定的指示意義。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)雷暴過程時(shí)，從雷達(dá)徑向速度圖看，降雹區(qū)的上空處于輻合區(qū)，對流發(fā)展旺盛。

圖4 2020年7月23日雷達(dá)資料圖

對流單體進(jìn)入拉薩市的過程中，組合反射率(CR)、垂直累積液態(tài)水含量(VIL)與回波頂高(ET)的變化趨勢較為一致。17:50垂直累積液態(tài)水含量較小，最大只有7 g/kg，然后不斷增加，18:55出現(xiàn)1個(gè)躍增，達(dá)到23 g/kg。而回波頂高基本處于6～14 km左右，超過了-20 ℃的等溫線(9.2 km)。同時(shí)，對應(yīng)組合反射率也屬于高值區(qū)。整體而言，此次過程的回波自西南向東北移動(dòng)，強(qiáng)回波維持時(shí)間較長，維持5個(gè)體掃左右(30 min左右)。吳建坤等[9]分析強(qiáng)冰雹天氣的多普勒天氣雷達(dá)探測時(shí)指出大于50 dBz的強(qiáng)回波區(qū)延伸至-20 ℃的等溫線以上高度，0 ℃層距離地面小于4.5 km，有很大概率產(chǎn)生強(qiáng)冰雹。

6 地面要素分析

從地面三線圖(圖5)來 看，23日08:00拉薩氣溫逐步升高，17:00溫度達(dá)到最高值，為24 ℃，氣壓在08:00～11:00相對穩(wěn)定，11:00后氣壓開始回落，直至17:00氣壓發(fā)生突降，降幅為8 hPa，造成氣壓梯度力增大，促進(jìn)地面氣流的輻合上升，地面增溫劇烈有利于能量的積蓄，同時(shí)地面輻合上升，加強(qiáng)了大氣層結(jié)不穩(wěn)定，為降雹和地閃活動(dòng)發(fā)生創(chuàng)造了有利的熱力條件和動(dòng)力條件。

圖5 2020年7月23日地面三線圖

7 冰雹與地閃活動(dòng)特征分析

7.1 冰雹過程的地閃頻數(shù)特征

圖6為拉薩地區(qū)2020年7月23日17:30～19:30地閃頻數(shù)日變化曲線，這個(gè)時(shí)段內(nèi)拉薩地區(qū)共探測到地閃頻數(shù)為33次，其中，負(fù)地閃數(shù)22次，正地閃數(shù)11次，本次降雹時(shí)段為18:18～18:40，雹云發(fā)展前以負(fù)地閃為主，降雹階段正地閃頻數(shù)增加，負(fù)地閃減弱，降雹階段正地閃比例達(dá)最高值，分別為80%和62.5%，與MacGorman 等[10]研究發(fā)現(xiàn)的降雹期間正地閃比例超過50%且持續(xù)時(shí)間長，會(huì)出現(xiàn)大于20 mm大冰雹的結(jié)論一致。降雹結(jié)束后，總地閃頻數(shù)增加，但正地閃頻數(shù)減少，正地閃占比也相應(yīng)減少，僅有18%。

圖6 2020年7月23日地閃頻數(shù)特征

7.2 冰雹過程的雷電流強(qiáng)度

強(qiáng)對流過程的雷電流強(qiáng)度在10～80 kA之間，＞80 kA的無地閃強(qiáng)度。各階段雷電流強(qiáng)度比例有較大的差異(圖7)。＜20 kA的低電流強(qiáng)度在降雹前所占比例最高，達(dá)88.9%；20～40 kA降雹時(shí)的地閃強(qiáng)度高于降雹發(fā)生前和降雹結(jié)束后，占比為40%；40～80 kA中只有降雹時(shí)和降雹結(jié)束后的占比，降雹時(shí)高于降雹后，占比分別為40%和13.9%。總體而言，此次對流性天氣過程中降雹時(shí)的雷電流強(qiáng)度在各階段均有發(fā)生，主要集中在20～60 kA之間。

圖7 2020年7月23日雷電流強(qiáng)度變化特征

7.3 冰雹過程的雷電流陡度

此次冰雹過程的雷電流陡度在5～15 kA/μs之間，＞15 kA/μs無地閃活動(dòng)，降雹前和降雹時(shí)的5～15 kA/μs均有雷電流陡度占比，降雹前0～5 kA/μs之間占比最高，為43.8%，降雹時(shí)集中在5～10 kA/μs，占比達(dá)53.8%，得出降雹時(shí)和降雹前的雷電流陡度在5～15 kA/μs范圍內(nèi)活動(dòng)，而降雹后僅在10～15 kA/μs內(nèi)出現(xiàn)，占比為100%(圖8)。

圖8 2020年7月23日雷電流陡度變化特征

8 結(jié)論

(1)此次局地性冰雹和地閃天氣主要影響系統(tǒng)為低渦、南亞高壓及有利的西南季風(fēng)輸送充沛的水汽。(2)從地面來看，降雹前地面氣壓發(fā)生突降，劇烈增溫，創(chuàng)造了有利的低層熱力條件和動(dòng)力條件，低層輻合、高層輻散為冰雹和地閃活動(dòng)發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。(3)探空圖上CAPE值高，不穩(wěn)定能量充足，0 ℃、-20 ℃高度根據(jù)本地經(jīng)驗(yàn)總結(jié)是比較適合冰雹增長的高度，且強(qiáng)對流區(qū)域具有厚的不穩(wěn)定層特征。(4)降雹階段正地閃頻數(shù)增加，負(fù)地閃減弱，正地閃比例達(dá)最高值。(5)拉薩地區(qū)降雹階段的雷電流強(qiáng)度在10～80 kA之間，但主要集中在20～60 kA之間。降雹時(shí)的雷電流陡度在5～15 kA/μs之間，主要集中在5～10 kA/μs，期間占比為53.8%。