朱義青 高安春

(臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004)

引 言

圖1 2016年6月13日08時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(等值線，單位：gpm)及風(fēng)場(a)和13日14時(shí)章丘站訂正T-lnp圖(b，基于08時(shí)章丘探空資料)Fig.1 (a)The 500 hPa circulation situation (contour， unit: gpm) and wind field at 08∶00 BST; revised skew T-lnp diagrams for Zhangqiu station (b，based on data for Zhangqiu station at 08∶00 BST) at 14∶00 BST on 13 June 2016

中尺度對流系統(tǒng)通常伴隨劇烈的天氣活動(dòng)，帶來短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)和雷電等災(zāi)害。颮線屬于中尺度帶狀對流系統(tǒng)，由許多雷暴單體側(cè)向排列而形成的強(qiáng)對流云帶，過境時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)氣壓涌升、氣溫急降、風(fēng)向突變、風(fēng)速劇增以及短時(shí)強(qiáng)降水等嚴(yán)重災(zāi)害。隨著雷電探測技術(shù)的發(fā)展，利用閃電定位網(wǎng)、天氣雷達(dá)以及衛(wèi)星等探測手段對中尺度對流系統(tǒng)中閃電活動(dòng)特征進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析，加深了我們對強(qiáng)對流天氣中雷電活動(dòng)的認(rèn)識(shí)。Holle,et al[1]通過分析4個(gè)中尺度對流系統(tǒng)的地閃分布后發(fā)現(xiàn)，地閃頻數(shù)峰值出現(xiàn)在風(fēng)暴生成后幾小時(shí)，在成熟階段正地閃比例增加，在消散階段負(fù)地閃頻數(shù)急劇下降；馮民學(xué)等[2]分析了發(fā)生在江蘇的一次颮線過程的全閃活動(dòng)特征，結(jié)果表明，云閃發(fā)生位置更具隨機(jī)性，易發(fā)生在弱回波區(qū)和層狀云區(qū)，閃電的發(fā)生與云頂高度有很高的相關(guān)性，云閃發(fā)生位置與剖面反射率因子中強(qiáng)回波區(qū)的發(fā)展有很好的一致性；馮桂力等[3]發(fā)現(xiàn)，中尺度對流系統(tǒng)(Mesoscale Convective System, MCS) 中地閃出現(xiàn)在 <-50 ℃ 的云區(qū)和前部大的溫度梯度區(qū)，集中發(fā)生在<-60 ℃的云區(qū)，且地閃維持時(shí)間與強(qiáng)對流時(shí)間相當(dāng)；劉東霞等[4]對華北一次中尺度對流系統(tǒng)中的閃電活動(dòng)特征及其與雷暴動(dòng)力過程的關(guān)系進(jìn)行分析，認(rèn)為中尺度對流系統(tǒng)的地閃主要集中在氣流表現(xiàn)為氣旋性切變或水平風(fēng)呈現(xiàn)切變的區(qū)域。

雖然目前已有一些對颮線過程中閃電活動(dòng)特征，但是颮線天氣過程以及雷電特征具有明顯的地域特征和個(gè)體差異，不同地域的雷暴具有不同的閃電活動(dòng)特征。本文對 2016年6月13日山東地區(qū)的一次颮線過程的地閃演變和多普勒雷達(dá)回波特征進(jìn)行深入分析，以期增強(qiáng)對颮線發(fā)展過程中閃電活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

1 資料和方法

所用地閃定位資料來自山東省電力公司的地閃定位網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)理論探測精度500 m，可以探測到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)90%的地閃[5]。為提高雷電資料在分析中的準(zhǔn)確性，采用地閃定位網(wǎng)中4站或4站以上的定位結(jié)果，同時(shí)濾除了同一個(gè)閃電造成的多個(gè)閃擊的影響。

2 環(huán)流形勢

2016年6月13日下午，山東省經(jīng)歷了一次快速發(fā)展的颮線天氣過程。13日08時(shí)(北京時(shí)，下同)，500 hPa等壓面(圖1a)上，東北地區(qū)有一冷渦發(fā)展，西伯利亞地區(qū)有阻塞高壓穩(wěn)定維持，阻塞高壓東側(cè)偏北氣流受東北冷渦的阻擋，在蒙古中部地區(qū)不斷堆積而切斷出一低渦。切斷低渦不斷發(fā)展加強(qiáng)并向東南方向移動(dòng)，從而加強(qiáng)了中高層的冷空氣強(qiáng)度和下傳。低層850 hPa 西南風(fēng)配合暖脊將暖濕空氣向東北輸送使得暖舌強(qiáng)烈東北伸展，從而建立起山東中西部高空冷空氣與低層暖濕空氣相疊加的不穩(wěn)定層結(jié)。山東中西部地區(qū)建立的上冷下暖不穩(wěn)定層結(jié)在合適的環(huán)流背景下，13日下午到夜間形成此次颮線過程。

颮線過程發(fā)生前，山東中西部地區(qū)近地面晴空輻射增溫對大氣不穩(wěn)定能量的積累有重要作用。13日08時(shí)章丘探空資料(圖略)已表明，900 hPa以下存在一逆溫層，對流有效位能291 J·kg-1，大氣對流抑制能量(Convective Inhibition, CIN)為127 J·kg-1，不足以觸發(fā)對流，使得對流活動(dòng)受到抑制，也使得能量能夠在近地面層得到積累。此后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，由于地面太陽晴空輻射增溫的影響，近地面層不斷增暖導(dǎo)致逆溫層逐漸消失，CIN逐漸減小，同時(shí)大氣的對流不穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。利用章丘站14時(shí)地面溫度(26 ℃)和露點(diǎn)溫度(20 ℃)對08時(shí)探空數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正后(圖1b)，CIN消失，對流有效位能顯著增至1 600 J·kg-1，說明在超級(jí)單體風(fēng)暴被觸發(fā)前環(huán)境大氣已經(jīng)具備了充足的不穩(wěn)定能量。

本次颮線的形成很可能還與較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變密切相關(guān)。以往的研究表明，在中尺度對流云團(tuán)組織形成颮線的過程中垂直風(fēng)切變通常十分重要[6-7]，08時(shí)章丘站探空計(jì)算的0～3 km風(fēng)垂直切變約為8 m·s-1，0～6 km 垂直風(fēng)切變?yōu)?8 m·s-1，達(dá)到中等強(qiáng)度的風(fēng)垂直切變利于組織化的強(qiáng)對流風(fēng)暴發(fā)展[8]。

3 颮線過程的地閃分布特征

3.1 颮線演變過程地閃分布特征

2016年6月13日下午到夜間，山東大部歷經(jīng)一次自西北向東南方向移動(dòng)、由多個(gè)對流單體通過合并加強(qiáng)形成的一條中尺度強(qiáng)回波帶(颮線)。本次颮線過程中，對流云團(tuán)在13日13時(shí)左右在山東西北部與河北交界處開始出現(xiàn)，18時(shí)前后通過對流單體的合并發(fā)展組織成颮線，此后以70～80 km·h-1的速度快速向東南方向移動(dòng)，14日02時(shí)左右在江蘇東北部消散，整個(gè)生命史長約12 h。造成山東大部出現(xiàn)大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水和強(qiáng)雷電天氣。根據(jù)地面觀測和雷達(dá)回波的演變將本次颮線的發(fā)展過程分為四個(gè)階段：(1)形成階段：13日13—18時(shí)；(2)發(fā)展階段：13日18—20時(shí)；(3)成熟階段：13日20時(shí)—14日00時(shí)；(4)消散階段：14日00—02時(shí)。

圖2給出了2016年6月13日13時(shí)—14日02時(shí)颮線過程從形成、發(fā)展、成熟到消散過程中逐6 min地閃頻次的時(shí)間分布，整個(gè)颮線過程共觀測到地閃37 666次，其中負(fù)地閃33 618次，占地閃總數(shù)89.25%。這是由于在絕大多數(shù)風(fēng)暴中，正地閃位于云的上部，云的下部有大量的負(fù)地閃，負(fù)電荷中心離地面比較近，放電相對更容易。13日13—18時(shí)為颮線的形成階段，地閃頻數(shù)在波動(dòng)中緩慢增加，在其發(fā)展的最初期(13時(shí)30分—16時(shí))，地閃頻數(shù)平均為58次/(6 min)，到17時(shí)48分地閃頻次增大為227次/(6 min)，其中負(fù)地閃210次，正地閃17次。在颮線的形成階段，負(fù)地閃占主導(dǎo)地位，正地閃僅占地閃總數(shù)的7.7%。13日18—20時(shí)為颮線的發(fā)展階段，地閃頻數(shù)有一次明顯的躍增，在此階段內(nèi)，地閃頻數(shù)以20次/(6 min)的頻率快速增加，負(fù)地閃增加頻率明顯較正地閃大，正地閃僅占地閃總數(shù)的9.2%，仍以負(fù)地閃占絕對優(yōu)勢。13日20時(shí)—14日00時(shí)颮線進(jìn)入成熟階段，這一階段地閃頻數(shù)維持較高的特征，均在550次/(6 min)，21時(shí)06分出現(xiàn)最大峰值790次/(6 min)，在此階段，負(fù)地閃頻數(shù)達(dá)到最大峰值階段，正地閃頻數(shù)也有所增加，正地閃占總地閃數(shù)的11%，負(fù)地閃頻數(shù)達(dá)到最大峰值后的5～10 min(21時(shí)12分左右)，正地閃也出現(xiàn)最大峰值91次/(6 min)，此時(shí)在21時(shí)10分—20分颮線所經(jīng)過的汶上站附近出現(xiàn)33.9 m·s-1的極大風(fēng)速、34.3 mm/(10 min)的短時(shí)強(qiáng)降水和直徑超過2 cm的冰雹。此階段后負(fù)地閃每一次峰值后都對應(yīng)地閃活動(dòng)的下降，出現(xiàn)地閃活動(dòng)的谷值，這與劉東霞等[9]的研究結(jié)果一致。從閃電頻數(shù)空間分布(圖略)看，成熟階段的21時(shí)12分前后為閃電高峰期，山東汶上附近為閃電高密度區(qū)，閃電密度達(dá)2.01次/km2。13日23時(shí)38分颮線開始減弱，地閃頻數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，此階段內(nèi)，仍以負(fù)地閃為主，但是正地閃在總地閃中所占比例達(dá)到15.9%。到14日00時(shí)48分，地閃頻數(shù)下降到100次/(6 min)，此時(shí)雷達(dá)回波為大范圍的層云降雨區(qū)。

圖2 2016年6月13日14時(shí)—14日02時(shí)颮線云團(tuán)地閃頻數(shù)隨時(shí)間的演變Fig.2 The evolution of the flash frequency of the cloud from 14∶00 BST on 13 to 02∶00 BST on 14 June 2016

從圖2中可以看到，負(fù)地閃頻數(shù)比正地閃頻數(shù)大1～2個(gè)量級(jí)，總地閃頻數(shù)和負(fù)地閃頻數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，說明在雷暴云團(tuán)的形成、發(fā)展、成熟和消散過程中負(fù)地閃占絕對優(yōu)勢，因此負(fù)地閃頻數(shù)隨時(shí)間的變化也能表征總地閃頻數(shù)隨時(shí)間的變化。另外總地閃、正地閃和負(fù)地閃頻數(shù)隨時(shí)間的變化是一個(gè)先增加到頂峰后在減小的過程。在雷暴云的發(fā)展初期負(fù)地閃頻率開始增大而無正地閃出現(xiàn)，隨著雷暴云團(tuán)逐漸發(fā)展到強(qiáng)盛時(shí)，負(fù)地閃的峰值落后正地閃的峰值5～10 min，之后隨著雷暴云團(tuán)的減弱，負(fù)地閃頻數(shù)迅速減少，正地閃頻數(shù)雖然也有所減小，但是減小幅度明顯小于負(fù)地閃，而當(dāng)正地閃達(dá)到峰值時(shí)，地面出現(xiàn)災(zāi)害性天氣。

3.2 颮線的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)與地閃分布特征

多普勒雷達(dá)具有較高的時(shí)空分辨率，對監(jiān)測和分析強(qiáng)對流天氣十分重要，選取濟(jì)南多普勒天氣雷達(dá)回波演變及相應(yīng)時(shí)段閃電特征分析并揭示雷暴云的結(jié)構(gòu)和特征。

圖3是此次颮線天氣過程雷達(dá)回波隨時(shí)間的演變過程，由圖可見，2016年6月13日13時(shí)左右(圖3a)對流云團(tuán)出現(xiàn)在山東西北部與河北交界處，回波大多呈塊狀結(jié)構(gòu)，面積較小，回波強(qiáng)度為40～55 dBZ，閃電頻數(shù)為10～20次/(6 min)。隨后回波面積逐漸擴(kuò)大，并向東南方向快速移動(dòng)，18時(shí)左右(圖3b)處于初始對流單體西側(cè)在雷達(dá)西南252°、約81 km處不斷有新生單體生成發(fā)展，20時(shí)左右(圖3c)新生單體通過發(fā)展合并與初始對流單體相連接組織成颮線，此時(shí)開始出現(xiàn)閃電頻數(shù)>400次/(6 min)的雷電活動(dòng)。20時(shí)06分形成一條從新泰、肥城、平陰到聊城的長約200 km的中尺度帶狀回波(颮線)，該帶狀回波由多個(gè)不同強(qiáng)度的對流單體組成。在此后以70～80 km·h-1的速度向東南方向移動(dòng)，回波強(qiáng)度有所增強(qiáng)，范圍持續(xù)增大。21時(shí)04分(圖3d)，強(qiáng)對流區(qū)主要位于颮線系統(tǒng)的西側(cè)前部區(qū)域，此時(shí)地閃頻數(shù)>780次/(6 min)，颮線系統(tǒng)達(dá)到最強(qiáng)階段，閃電異?；钴S，正地閃頻數(shù)顯著增加，但是增長率遠(yuǎn)小于負(fù)地閃，負(fù)地閃多數(shù)發(fā)生在>45 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域中，多數(shù)正地閃也發(fā)生在這個(gè)區(qū)域，少量正地閃出現(xiàn)在回波相對較弱的區(qū)域。21時(shí)04分最大回波強(qiáng)度達(dá)到65 dBZ，與其對應(yīng)的徑向速度上(圖4)，颮線系統(tǒng)強(qiáng)回波處0.5°仰角上是一個(gè)很強(qiáng)的氣旋式切變速度并出現(xiàn)速度模糊，經(jīng)速度退模糊后算的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)27 m·s-1，1.5°仰角(高度約4 km)中氣旋旋轉(zhuǎn)速度約為22 m·s-1，屬于強(qiáng)中氣旋，可見颮線系統(tǒng)內(nèi)對流活動(dòng)十分活躍。13日23時(shí)38分以后颮線在向東南移動(dòng)過程中減弱、消失，回波強(qiáng)度減弱至45 dBZ，強(qiáng)度>30 dBZ面積開始增大，表現(xiàn)出回波消散特征，地閃頻次開始低于300次/(6 min)并開始明顯減小，地面災(zāi)害性天氣范圍和強(qiáng)度迅速減小，帶狀回波逐漸變?yōu)槠瑺畹膶訝钤苹夭ǎ?fù)閃電迅速減少，正閃電數(shù)量緩慢減少。

綜上，整個(gè)颮線的形成、發(fā)展、成熟和消散過程中，正、負(fù)地閃主要出現(xiàn)在強(qiáng)對流區(qū)域，少量的正地閃出現(xiàn)在強(qiáng)回波邊緣的層狀云區(qū)。從不同極性地閃發(fā)生的時(shí)間段來看，負(fù)地閃主要出現(xiàn)在回波發(fā)展至成熟階段，多發(fā)生在>45 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域中。正地閃頻數(shù)較少，主要出現(xiàn)在颮線的成熟至消散階段。由于本次強(qiáng)對流過程的地閃以負(fù)地閃為主，可以推斷云的中上部以負(fù)電荷為主，且主要為大冰粒子攜帶，在此次颮線發(fā)展至成熟階段中負(fù)電荷區(qū)位于雷暴云體中部，而正電荷區(qū)分布在雷暴云底部或其上部，在這種電荷區(qū)的分布情況下，負(fù)電荷區(qū)更容易對地放電，而正電荷區(qū)被負(fù)電荷區(qū)屏蔽或抬升的較高，參與對地放電較少，導(dǎo)致正地閃發(fā)生數(shù)目較少；而在颮線成熟至消散階段中，上升氣流的減弱，造成地閃頻數(shù)的逐漸減少，同時(shí)在下沉氣流作用下颮線內(nèi)部的單體減弱消散，云體中的下沉氣流使云中部的負(fù)電荷不斷向外移動(dòng)，云頂上部的正電荷顯露出來，造成這一階段正地閃比例的增加，因此正地閃比例的增加也是雷暴云由成熟轉(zhuǎn)為消散的一個(gè)特征。

圖3 2016年6月13日1.5°仰角反射率因子：(a)13時(shí)17分；(b)17時(shí)58分；(c)20時(shí)06分；(d)21時(shí)04分Fig.3 Jinan radar echo of 1.5° elevation reflectance factor on 13 June 2016 at: (a)13∶17 BST; (b)17∶58 BST; (c)20∶06 BST; (d)21∶04 BST

圖4 2016年6月13日21時(shí)04分濟(jì)南多普勒雷達(dá)徑向速度：(a)0.5°；(b)1.5°Fig.4 Jinan Doppler radar radial velocity at 21∶04 BST on 13 June 2016:(a)0.5°; (b)1.5°

3.3 回波頂高與地閃頻數(shù)關(guān)系

圖5 2016年6月13日14時(shí)—14日02時(shí)颮線云團(tuán)回波頂高與總地閃頻數(shù)隨時(shí)間的演變Fig.5 Evolution of the echo height and total ground flash frequency of the cloud group from 14∶00 BST on 13 to 02∶00 BST on 14 June 2016

回波頂高作為對流發(fā)展旺盛的特征，是閃電發(fā)生的依據(jù)之一，如果其發(fā)展達(dá)不到相應(yīng)的高度，閃電活動(dòng)就會(huì)較弱[10]。最大回波頂高周圍5 km范圍內(nèi)為本次颮線過程的回波強(qiáng)度最強(qiáng)區(qū)域，對每6 min雷達(dá)資料最大回波頂高周圍5 km區(qū)域內(nèi)的回波頂高取平均值。圖5給出了本次颮線過程中總地閃頻數(shù)與最大回波頂高5 km區(qū)域內(nèi)回波頂高平均值隨時(shí)間演變特征，由圖可見，地閃頻數(shù)的變化與回波頂高的變化趨勢基本一致，但是回波頂高與地閃頻數(shù)的躍增不具備良好的對應(yīng)關(guān)系。在颮線形成和發(fā)展階段，回波頂高均在13 km以上，在颮線的成熟階段，回波頂高基本維持在14 km以上，峰值處達(dá)18.3 km，可見本次颮線過程對流活動(dòng)十分劇烈。利用積差相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法計(jì)算地閃頻次和回波頂高的相關(guān)系數(shù)為0.66，相關(guān)性較好，并通過了α=0.01的顯著檢驗(yàn)。

同時(shí)結(jié)合災(zāi)害性天氣發(fā)生區(qū)汶上附近的2 min最大平均風(fēng)速和10 min降水量變化特征(圖7a)發(fā)現(xiàn)，降水主要發(fā)生在13日21—22時(shí)即颮線的成熟階段，此時(shí)地閃頻數(shù)達(dá)到峰值，22時(shí)以后降水逐漸減弱，但是降水結(jié)束后，仍維持高頻次的地閃，閃電的高發(fā)時(shí)段比強(qiáng)降水持續(xù)的要久。

圖6 颮線云團(tuán)正地閃、負(fù)地閃和TBB隨時(shí)間演變Fig.6 The evolution of positive ground flash， negative ground flash and TBB of the squll line cloud over time

3.4 地閃特征與TBB的演變關(guān)系

對颮線云團(tuán)從形成、發(fā)展、成熟到消散過程中的閃電頻數(shù)與云團(tuán)TBB隨時(shí)間演變進(jìn)行分析，進(jìn)一步研究颮線云團(tuán)的閃電活動(dòng)規(guī)律與強(qiáng)度的關(guān)系。圖6給出了颮線云團(tuán)逐30 min衛(wèi)星云圖的最低TBB和對應(yīng)前逐30 min負(fù)地閃和正地閃頻數(shù)隨時(shí)間的演變。

從雷暴云團(tuán)地閃頻數(shù)與TBB隨時(shí)間的演變可以看到，他們具有相似的演變趨勢。當(dāng)TBB下降到最低值-70 ℃，總地閃頻數(shù)也達(dá)到最大的峰值3 836次/(30 min)，其中正地閃413次/(30 min)，負(fù)地閃3 423次/(30 min)，說明雷暴云團(tuán)TBB越低，對流發(fā)展越旺盛，總地閃頻數(shù)越大，即地閃越活躍。從圖中可以看到負(fù)地閃在整個(gè)颮線過程中占主導(dǎo)地位，這與許多觀測事實(shí)和研究成果一致[11-14]，這與我國雷暴主要具有三極性結(jié)構(gòu)有關(guān)，雷暴中負(fù)電荷區(qū)的電荷濃度比正電荷區(qū)的電荷濃度大1個(gè)量級(jí)，負(fù)電荷的回?fù)魯?shù)較正電荷偏多[15]，其演變趨勢能表征雷暴云團(tuán)地閃活動(dòng)的演變過程與TBB之間存在一定的相關(guān)。

4 大風(fēng)形成機(jī)制

與深對流相聯(lián)系的雷暴大風(fēng)，一般是由水滴和冰粒下降過程中的拖曳作用產(chǎn)生的，降水負(fù)荷和蒸發(fā)冷卻帶來的負(fù)浮力是引發(fā)和維持下曳氣流的因子。降水負(fù)荷引起液態(tài)水的拖曳效應(yīng)。蒸發(fā)冷卻的負(fù)浮力是當(dāng)降水通過不飽和空氣層時(shí)產(chǎn)生的，中低層的低濕度有利于降水蒸發(fā)從而形成負(fù)浮力。

圖7 2016年6月13日18時(shí)—14日02時(shí)汶上站10 min雨量及2 min最大平均風(fēng)速時(shí)序(a)和13日20時(shí)徐州探空曲線(b)Fig.7 (a)10 min rainfall and 2 minutes maximum average wind speed timing diagram from 18∶00 BST on 13 to 02∶00 BST on14 June 2016 at Weishang station; (b)the T-lnp diagrams at Xuzhou station at 08∶00 BST on 13 June 2016

從汶上觀測站逐10 min雨量與2 min最大平均風(fēng)速時(shí)序(圖7a)上看，10 min雨量與2 min最大平均風(fēng)速有較好的對應(yīng)關(guān)系，呈正相關(guān)。汶上站21時(shí)10分—21時(shí)20分最大10 min雨強(qiáng)達(dá)34.3 mm，對應(yīng)2 min最大平均風(fēng)速躍增至21.5 m·s-1，且記錄到33.9 m·s-1的極大風(fēng)速，說明極大風(fēng)速出現(xiàn)在雨強(qiáng)的最大時(shí)間段內(nèi)，因此降水的拖曳效應(yīng)對大風(fēng)的產(chǎn)生有著一定的作用。而從位于汶上南部的徐州探空站20時(shí)探空圖(圖7b)顯示，對流層中層(距離地面3～7 km)有一個(gè)干區(qū)，滿足不飽和空氣層的條件。

圖8是13日颮線最強(qiáng)時(shí)刻濟(jì)南多普勒雷達(dá)1.5°仰角21時(shí)04分的反射率因子，可以明顯看到，颮線是由A、B、C、D、E 5個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴組成。13日21時(shí)04分，強(qiáng)風(fēng)暴B已發(fā)展為強(qiáng)超級(jí)單體，它距離雷達(dá)約120 km，最大反射率因子超過65 dBZ，具有明顯的中氣旋和三體散射特征。中氣旋的正速度出現(xiàn)速度模糊，退模糊后為27 m·s-1，最大負(fù)速度約27 m·s-1，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)27 m·s-1(圖4a)，達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。從該時(shí)刻反射率因子垂直剖面(圖9)顯示，超級(jí)單體B大于60 dBZ的強(qiáng)回波伸展到10 km以上，出現(xiàn)明顯的中高層回波懸垂和低層弱回波區(qū)，具有大冰雹回波特征。平均徑向速度剖面圖表現(xiàn)為2～6 km強(qiáng)烈的中層徑向輻合區(qū)，說明對流層中層干空氣夾卷進(jìn)去雷暴，這種夾卷過程可能加速雷暴內(nèi)的下沉氣流，期間在21時(shí)10分—20分汶上站觀測到大冰雹和33.6 m·s-1的大風(fēng)。

圖8 2016年6月13日21時(shí)04分濟(jì)南雷達(dá)1.5°仰角反射率因子Fig.8 Jinan radar 1.5°elevation angle reflectivity factor at21∶04 BST on 13 June 2016

為了進(jìn)一步分析此次大風(fēng)的成因，引入預(yù)報(bào)下?lián)舯┝鞯囊粋€(gè)大風(fēng)指數(shù)WINDEX[16]，該經(jīng)驗(yàn)性指數(shù)反映了中低層溫、濕特性對地面大風(fēng)可能產(chǎn)生的共同作用。表達(dá)式為WINDEX=5[HMRQ(Γ2-30+QL-2QM)]0.5其中HM為0 ℃層距地高度(AGL)，以km為單位；RQ=QL/12，但是不能大于1 g·kg-1；Γ為地面與0 ℃層的直減率(℃·km-1)；QL為近地面1 km層厚度內(nèi)的平均混合比(g·kg-1)；QM為0 ℃層處混合比；WINDEX單位為knot(哩/小時(shí))，乘以0.514 7就轉(zhuǎn)化為m·s-1。利用4月13日20時(shí)徐州探空資料計(jì)算結(jié)果為WINDEX=36.8 m·s-1，已經(jīng)達(dá)到12級(jí)風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)。21時(shí)汶上氣象站觀測的最大風(fēng)速為33.6 m·s-1(12級(jí))，與計(jì)算結(jié)果較為接近。

5 結(jié)論

(1)在東北冷渦影響背景下，山東中西部地區(qū)大氣層結(jié)上冷下暖，隨著層結(jié)不穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)和不穩(wěn)定能量的積蓄，在較強(qiáng)的深厚垂直風(fēng)切變環(huán)境下觸發(fā)強(qiáng)對流風(fēng)暴進(jìn)而組織成颮線。

圖9 2016年6月13日21時(shí)04分濟(jì)南雷達(dá)(a)反射率因子剖面和(b)徑向速度剖面Fig.9 Profile of (a) radar reflectivity factors and (b) base reflectivity factors at 21∶04 BST on 13 June 2016

(2)在颮線的整個(gè)發(fā)展階段，負(fù)地閃占絕對優(yōu)勢，約占地閃總數(shù)的89.25%。在系統(tǒng)發(fā)展的最初階段幾乎全為負(fù)地閃，地閃頻數(shù)呈波動(dòng)性緩慢增加；在颮線的成熟階段，地閃頻數(shù)均在550 次/(6 min)，以負(fù)地閃占主導(dǎo)地位，負(fù)地閃頻數(shù)達(dá)到最大峰值后的5～10 min，正地閃也出現(xiàn)最大峰值；在颮線減弱消散階段，地閃頻數(shù)快速下降，但是正地閃所占比例增大。

(3)負(fù)地閃主要出現(xiàn)在回波發(fā)展至成熟階段，多發(fā)生在>45 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域中。正地閃頻數(shù)較少，主要出現(xiàn)在颮線的成熟至消散階段。地閃頻次和回波頂高的相關(guān)系數(shù)為0.66，具有較好的相關(guān)性，但是回波頂高與地閃頻數(shù)的躍增不具備良好的對應(yīng)關(guān)系。雷暴云團(tuán)地閃活動(dòng)的演變過程與TBB之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，TBB降低，地閃頻數(shù)劇增，說明雷暴云團(tuán)的發(fā)展，當(dāng)TBB達(dá)到最低值時(shí)，地閃頻數(shù)達(dá)到峰值，TBB升高，地閃頻數(shù)開始快速較小，說明雷暴云團(tuán)的減弱。

(4)地面大風(fēng)階段對應(yīng)著劇烈的閃電活動(dòng)，說明閃電活動(dòng)信息對災(zāi)害性大風(fēng)具有一定的指示意義。利用WINDEX計(jì)算的地面最大風(fēng)速的潛勢與觀測的地面極大風(fēng)速較接近，表明WINDEX在預(yù)報(bào)強(qiáng)對流潛勢中具有一定的參考價(jià)值。

閃電發(fā)生的觸發(fā)機(jī)制主要為云中正負(fù)極性電荷的碰撞放電，雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致雷電發(fā)生的隨機(jī)性和不確定性，目前普遍認(rèn)為強(qiáng)的上升氣流和冰相粒子的碰撞是起電的基本條件。負(fù)地閃通常位于風(fēng)暴的核心部位，負(fù)地閃分布越密集，頻數(shù)越高，說明雷暴云團(tuán)發(fā)展越劇烈，反之亦然。在強(qiáng)上升氣流和對起電貢獻(xiàn)較大的霰粒、冰晶等共同作用下，使雷暴中的電荷形成[17]，霰粒和冰晶等大冰相粒子通過凇附和凝華過程快速增長，并快速下落。霰粒和冰晶等大冰相粒子從云的中上部逐漸下落至云下部，從而形成云下部的次正電荷區(qū)[18]，該電荷區(qū)的增強(qiáng)造成高的正地閃頻數(shù)，即地閃的發(fā)生與云中大冰相粒子的沉降有關(guān)[15]。因此可用判斷在本次颮線過程的成熟階段出現(xiàn)正地閃的峰值時(shí)對應(yīng)著地面的冰雹、大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生，在強(qiáng)對流臨沂預(yù)報(bào)中可以作為參考。冰雹大風(fēng)的的最強(qiáng)時(shí)刻與正地閃的峰值出現(xiàn)時(shí)間較為一致。

通過經(jīng)典的雷暴云電荷分布模型可以推斷雷暴云團(tuán)中負(fù)電荷區(qū)位于雷暴云體中部，而正電荷區(qū)分布在雷暴云底部或其上部，在這種電荷區(qū)的分布情況下，負(fù)電荷區(qū)更容易對地放電，而正電荷區(qū)被負(fù)電荷區(qū)屏蔽或抬升得較高，參與對地放電較少，導(dǎo)致正地閃發(fā)生數(shù)目較少[19]。由于本次強(qiáng)對流過程的地閃以負(fù)地閃為主，可以推斷云的中上部以負(fù)電荷為主。在颮線最強(qiáng)階段的13日21—22時(shí)，回波頂高由18 km下降到15 km，雷暴質(zhì)心從8 km下降到4 km，隨質(zhì)心的下降，雷暴云內(nèi)電荷區(qū)必然隨之下降，相應(yīng)負(fù)電荷區(qū)高度的降低，容易將負(fù)電荷輸送到地面形成負(fù)地閃。在颮線成熟時(shí)段內(nèi)汶上站出現(xiàn)33.9 m·s-1的極大風(fēng)速對應(yīng)著劇烈的地閃活動(dòng)，進(jìn)一步說明了地閃活動(dòng)信息對災(zāi)害性天氣的指示意義。

盡管上述分析在一定程度上揭示了雷電信息在強(qiáng)對流天氣的預(yù)警和預(yù)報(bào)工作中具有一定參考價(jià)值。由于雷暴過程和閃電產(chǎn)生的物理過程極其復(fù)雜，還不能全面的認(rèn)識(shí)此次過程中閃電活動(dòng)特征，對于不同天氣系統(tǒng)影響下颮線過程閃電活動(dòng)的全面認(rèn)識(shí)還需要積累更多的個(gè)例，尤其增加云閃的探測和分析，以便加深對雷暴云放電規(guī)律的全面認(rèn)識(shí)。