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(chuàng)新研究院 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210041；2.安徽省公共氣象服務(wù)中心，安徽 合肥230031；3.河南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，河南鄭州450000)

1 引 言

龍卷是一種小尺度、短歷時(shí)、高速旋轉(zhuǎn)的狹窄空氣柱，是對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的最猛烈的天氣現(xiàn)象，且常常伴隨著暴雨、冰雹等強(qiáng)天氣同時(shí)發(fā)生。相較于美國(guó)，我國(guó)龍卷發(fā)生的次數(shù)較少，但一旦有龍卷發(fā)生，往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，尤其是EF2級(jí)（增強(qiáng)藤田級(jí)數(shù)劃分）及以上的強(qiáng)龍卷，如2016年6月23日，江蘇省鹽城地區(qū)遭受EF4級(jí)龍卷和冰雹災(zāi)害，造成99人死亡，846人受傷，大量房屋、基礎(chǔ)設(shè)施損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失43.77億元[1]，因此研究龍卷發(fā)生機(jī)理，提高龍卷預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確性對(duì)氣象防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。利用常規(guī)觀測(cè)資料、再分析資料可對(duì)龍卷發(fā)生的天氣背景、環(huán)境物理量及其加強(qiáng)和維持機(jī)制有一定的認(rèn)識(shí)[2-5]，雷達(dá)作為強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要工具，是現(xiàn)有對(duì)龍卷觀測(cè)最常用的手段，通過(guò)分析龍卷風(fēng)暴的強(qiáng)度場(chǎng)和速度場(chǎng)特征，有助于對(duì)龍卷的監(jiān)測(cè)、追蹤和預(yù)警[6-7]，然而，由于龍卷的時(shí)空尺度小，以上觀測(cè)和研究還很難實(shí)現(xiàn)對(duì)龍卷的有效預(yù)警。

強(qiáng)對(duì)流天氣常常伴隨閃電活動(dòng)，閃電活動(dòng)特征可對(duì)深厚濕對(duì)流天氣有一定的指示作用[8-9]，對(duì)流活動(dòng)越強(qiáng)烈，指示作用越明顯。目前利用聲、光、電磁信號(hào)，通過(guò)星基和地基等多源設(shè)備，在時(shí)間和空間上已實(shí)現(xiàn)了對(duì)閃電的連續(xù)監(jiān)測(cè)，閃電定位儀對(duì)閃電時(shí)間的記錄可精確到10-7s，為閃電活動(dòng)的連續(xù)演變分析提供了有利條件，若能提煉出龍卷發(fā)生前閃電活動(dòng)的變化特征，就可利用閃電資料輔以識(shí)別龍卷風(fēng)暴單體，認(rèn)識(shí)其發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，成為龍卷天氣預(yù)報(bào)預(yù)警的方法之一。關(guān)于閃電與龍卷風(fēng)暴的相關(guān)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(fā)生的時(shí)間有較好的相關(guān)性[10]，當(dāng)閃電頻次從最大值快速減少到最小值時(shí)會(huì)出現(xiàn)龍卷，這個(gè)時(shí)間閾值約10~15 min[11]。Schultz等[12]發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)天氣過(guò)程中，閃電頻次達(dá)到峰值之前會(huì)有閃電躍增的現(xiàn)象，利用此規(guī)律可對(duì)冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)天氣進(jìn)行預(yù)警，準(zhǔn)確率可達(dá)到73%，誤報(bào)率為10%[13]，但閃電躍增對(duì)強(qiáng)天氣的預(yù)警時(shí)效有較大的差異[14]，Chronis等[15]則發(fā)現(xiàn)存在閃電躍增的雷暴系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、天氣程度更劇烈、閃電次數(shù)更多。此外，在龍卷風(fēng)暴發(fā)展過(guò)程中，正地閃的活動(dòng)與龍卷的強(qiáng)弱有密切的聯(lián)系，當(dāng)正地閃的比重不斷增加且占主導(dǎo)時(shí)，常常預(yù)示著龍卷強(qiáng)度較強(qiáng)，影響路徑也較長(zhǎng)[16-17]，而龍卷風(fēng)暴過(guò)程中初始閃電的發(fā)生則主要集中在霰和干雪區(qū)域[18]。但以上研究成果主要來(lái)源于龍卷高發(fā)的美國(guó)，我國(guó)龍卷風(fēng)暴中的閃電活動(dòng)規(guī)律值得探討。

我國(guó)龍卷多發(fā)于東部沿海地區(qū)，江蘇是強(qiáng)龍卷發(fā)生最多的省份[4,19]，2006—2018年間共發(fā)生龍卷41次，其中EF2級(jí)及以上強(qiáng)龍卷達(dá)20次[20]。本文將選取2013年以來(lái)江蘇地區(qū)兩次典型的EF3級(jí)和EF4級(jí)強(qiáng)龍卷過(guò)程，基于Advanced Direction and Time-of-arrival Detecting(ADTD)-2C型閃電定位資料，結(jié)合CINRAD-SA雷達(dá)資料、探空資料及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA5再分析資料，分析龍卷風(fēng)暴發(fā)展過(guò)程中的閃電活動(dòng)特征，增強(qiáng)對(duì)我國(guó)龍卷天氣的進(jìn)一步了解，也為閃電資料的綜合應(yīng)用提供有益參考。

2 資料和方法

2.1 龍卷災(zāi)害資料

綜合收集江蘇省氣象信息中心的信息化資料、災(zāi)情直報(bào)系統(tǒng)以及民政部門(mén)的災(zāi)情報(bào)告，并利用臺(tái)站地面氣象觀測(cè)記錄、文獻(xiàn)資料等對(duì)個(gè)例進(jìn)行補(bǔ)充和校核。經(jīng)過(guò)整理，本文選取的兩次龍卷過(guò)程均屬于梅汛期龍卷，風(fēng)暴發(fā)展劇烈，災(zāi)害損失嚴(yán)重。詳細(xì)信息如下：（1）2013年7月7日產(chǎn)生龍卷的風(fēng)暴單體形成后，呈西南-東北走向移動(dòng)，15:55（北京時(shí)間，下同）先在安徽省天長(zhǎng)市產(chǎn)生EF2級(jí)強(qiáng)龍卷，持續(xù)約5 min，造成約600間房屋受損，86人受傷。隨后風(fēng)暴于16:55移至高郵市卸甲鎮(zhèn)、三垛鎮(zhèn)等地，產(chǎn)生EF3級(jí)強(qiáng)龍卷，持續(xù)時(shí)間約10 min，影響路徑約20 km，龍卷發(fā)生后，大樹(shù)被連根拔起，1 100多間房屋受損[21]，整個(gè)過(guò)程伴隨暴雨。（2）2016年6月23日下午發(fā)生的EF4級(jí)強(qiáng)龍卷，在鹽城市阜寧縣和射陽(yáng)縣一帶造成了特大災(zāi)害，綜合災(zāi)害調(diào)查、雷達(dá)回波的變化特征，推斷龍卷開(kāi)始時(shí)間約為14:19，首先出現(xiàn)在阜寧縣，隨后出現(xiàn)在射陽(yáng)縣，持續(xù)時(shí)間約35 min，影響路徑約為34.5 km。此次過(guò)程還伴隨下?lián)舯┝骱蛷?qiáng)降水，并在14:08—14:42、14:59—15:16、15:33—16:00產(chǎn)生冰雹，冰雹直徑為10~50 mm[21-24]。在以下分析過(guò)程中，分別將2013年7月7日的龍卷風(fēng)暴簡(jiǎn)稱(chēng)為①過(guò)程，2016年6月23日的龍卷風(fēng)暴簡(jiǎn)稱(chēng)為②過(guò)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(wǎng)觀測(cè)得到。江蘇地區(qū)于2013年在全省共布設(shè)了16套ADTD-2C型VLF/LF閃電定位系統(tǒng)，通過(guò)接收閃電輻射的VLF/LF脈沖信號(hào)，采用時(shí)間到達(dá)法（TOA），記錄江蘇及周邊區(qū)域地閃回?fù)艉驮崎W脈沖發(fā)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度、高度和極性等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)包括云閃和地閃的總閃電探測(cè)。16套閃電定位儀的布設(shè)位置如圖1中紅色標(biāo)記所示。需要說(shuō)明的是，2013年7月7日的龍卷風(fēng)暴在東移過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了安徽省天長(zhǎng)市，天長(zhǎng)市雖不隸屬于江蘇省，但由于天長(zhǎng)市東、北、南側(cè)均與江蘇相連（如圖1中藍(lán)色區(qū)域），淮安、盱眙、揚(yáng)州、浦口子站的閃電定位儀聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)天長(zhǎng)市閃電的探測(cè)，因此，ADTD-2C可以獲得本研究所需的閃電數(shù)據(jù)。

理論上ADTD-2C型閃電定位儀的地閃回?fù)籼綔y(cè)效率為90%[25]，對(duì)云閃的定位效率低于地閃。江蘇省以平原為主，大部分地區(qū)的海拔高度在100 m以下（圖1），閃電定位系統(tǒng)基線距離小于200 km，因此，文中假定ADTD-2C對(duì)地閃回?fù)舻奶綔y(cè)效率在時(shí)間和空間上均為90%，根據(jù)云閃地閃比對(duì)云閃的探測(cè)效率進(jìn)行估算，得到云閃的探測(cè)效率為18%~22%[26]?？紤]到大部分云閃數(shù)據(jù)并未被探測(cè)到，文中僅對(duì)地閃活動(dòng)進(jìn)行分析。對(duì)定位算法進(jìn)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(yáng)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(qū)CINRAD-SA多普勒天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)，九部雷達(dá)站點(diǎn)的布設(shè)如圖1中綠色標(biāo)記所示。

圖1 江蘇省閃電定位儀及雷達(dá)站點(diǎn)分布

2.3 研究方法

首先，利用探空資料和ERA5再分析數(shù)據(jù)，選取距離龍卷風(fēng)暴最近的站點(diǎn)和格點(diǎn)，計(jì)算兩次過(guò)程的主要熱動(dòng)力指標(biāo)，并結(jié)合雷達(dá)資料，簡(jiǎn)要分析兩次風(fēng)暴的強(qiáng)度和演變過(guò)程。其次，以龍卷風(fēng)暴移動(dòng)路徑為中心，疊加雷達(dá)組合反射率和地閃數(shù)據(jù)，借鑒Storm Cell Identification and Tracking（SCIT）算法進(jìn)行風(fēng)暴識(shí)別，并將20 dBZ以上回波區(qū)域及周邊5 km范圍內(nèi)的地閃劃分為與產(chǎn)生龍卷的風(fēng)暴系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的閃電，當(dāng)?shù)亻W發(fā)生在5 km以外的區(qū)域時(shí)，按照閃電距離20 dBZ區(qū)域邊界的最近距離，劃分到相應(yīng)的風(fēng)暴系統(tǒng)[28]。在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)龍卷風(fēng)暴中地閃的時(shí)空演變、正地閃發(fā)生比例及雷電流強(qiáng)度的變化特征。地閃頻次的統(tǒng)計(jì)為雷達(dá)體掃時(shí)間后的6 min內(nèi)，如“11:46的地閃”代表[11:46,11:52）時(shí)間內(nèi)發(fā)生的地閃，當(dāng)6 min地閃頻次大于等于5次時(shí)定義為有效樣本。納入統(tǒng)計(jì)的龍卷風(fēng)暴起止時(shí)間從6 min地閃頻次大于等于5次開(kāi)始，當(dāng)連續(xù)三個(gè)6 min產(chǎn)生的地閃頻次小于5次時(shí)停止統(tǒng)計(jì)，①和②龍卷風(fēng)暴的分析時(shí)間段分別為14:46—17:53和11:46—15:45。

在分析地閃頻次的時(shí)間變化特征時(shí)，對(duì)地閃頻次是否發(fā)生閃電躍增也進(jìn)行了探討，閃電躍增參考2σ的閃電躍增算法[29]，分為3個(gè)步驟：（1）統(tǒng)計(jì)與龍卷風(fēng)暴系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的每分鐘地閃頻次，并求出相鄰2 min內(nèi)地閃頻次的平均值；（2）利用地閃頻次平均值，統(tǒng)計(jì)地閃頻次每2 min的變化率；（3）計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻前2~12 min內(nèi)地閃頻次變化率的標(biāo)準(zhǔn)差σ，若當(dāng)前時(shí)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(huán)境背景

本文分析的兩次龍卷事件均發(fā)生在江蘇梅汛期有利于暴雨發(fā)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(fā)生[1]。①過(guò)程在2013年7月7日08:00，500 hPa高度上有西風(fēng)槽東移，并與溫度場(chǎng)的冷槽相配合，西風(fēng)槽槽后的冷空氣與副熱帶高壓西側(cè)的西南氣流交匯于江淮地區(qū)，850 hPa高度上華南沿海至江淮地區(qū)強(qiáng)烈的西南風(fēng)急流提供了充沛的水汽輸送，急流北側(cè)有低渦的東移，低渦前部的暖式切變線延伸到淮北地區(qū)，引發(fā)龍卷的對(duì)流風(fēng)暴起源于地面輻合線附近，地面輻合及中尺度鋒區(qū)的增強(qiáng)，是觸發(fā)龍卷對(duì)流風(fēng)暴快速形成和發(fā)展的主要原因[3]；②過(guò)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(qiáng)盛的暖濕氣流交匯于江蘇北部，850 hPa高度上西南風(fēng)急流提供了充沛的水汽和能量，龍卷發(fā)生區(qū)域地處地面暖濕舌內(nèi)，同時(shí)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(dòng)力觸發(fā)條件為兩次過(guò)程中對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展并最終產(chǎn)生龍卷提供了有利的天氣背景。

探空分析也說(shuō)明龍卷發(fā)生期間及發(fā)生區(qū)域均處于有利于龍卷發(fā)生的環(huán)境條件下。計(jì)算兩次過(guò)程的主要熱動(dòng)力指標(biāo)（對(duì)流有效位能（CAPE）、垂直風(fēng)矢量差、抬升凝結(jié)高度(LCL)和風(fēng)暴相對(duì)螺旋度（SRH）），如表1所示。①過(guò)程中首次龍卷發(fā)生在下午15:55，②過(guò)程龍卷發(fā)生在14:19，兩次龍卷過(guò)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(diǎn)溫度進(jìn)行訂正，①過(guò)程的CAPE值在14:00增大至2 601 J/kg，②過(guò)程的CAPE值在11:00時(shí)增大至1 553 J/kg，兩者均達(dá)到中等強(qiáng)度。

表1 主要熱動(dòng)力指標(biāo)

為了評(píng)估ERA5再分析風(fēng)場(chǎng)資料的適用性，將08:00南京站和射陽(yáng)站的探空與ERA5風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者的平均風(fēng)向差在10°以?xún)?nèi)，風(fēng)速差在2 m/s以?xún)?nèi)，ERA5再分析風(fēng)場(chǎng)資料可用。文中08:00和20:00的風(fēng)矢量差根據(jù)探空站的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，11:00和14:00的風(fēng)矢量差根據(jù)ERA5風(fēng)場(chǎng)資料計(jì)算得到，①過(guò)程在08:00就已表現(xiàn)出較大的低層（0~1 km）和深層（0~6 km）垂直風(fēng)矢量差，分別為11.8 m/s和17.8 m/s，而②過(guò)程的低層垂直風(fēng)矢量差在08:00較小，11:00低層和深層垂直風(fēng)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(fēng)矢量差一直處于中等偏強(qiáng)的程度。兩次過(guò)程LCL均在1 000 m以下，從SRH來(lái)看，①過(guò)程在龍卷發(fā)生前后均超過(guò)了150 m2/s2，②過(guò)程在龍卷發(fā)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(guò)程均具有中等強(qiáng)度的CAPE、強(qiáng)的垂直風(fēng)矢量差和SRH、低的LCL，滿足江蘇梅汛期產(chǎn)生超級(jí)單體龍卷的環(huán)境條件[3-4]，針對(duì)這兩次過(guò)程環(huán)境背景和物理量場(chǎng)分析還可參考已有的一些研究成果[3,21,23,30]。

閃電活動(dòng)很大程度依賴(lài)于大氣的熱動(dòng)力特性，較大的CAPE值和垂直風(fēng)矢量差可為強(qiáng)上升氣流的形成和發(fā)展提供熱、動(dòng)力強(qiáng)迫，而上升氣流通量與閃電的發(fā)生成正相關(guān)。進(jìn)入云內(nèi)的能量越大，粒子的碰撞和分離越頻繁，相應(yīng)的電活動(dòng)越頻繁，疊加CAPE與地閃數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，地閃集中發(fā)生在CAPE值較高的區(qū)域，尤其是CAPE呈現(xiàn)高值的脊?fàn)顓^(qū)域內(nèi)[31]。強(qiáng)的垂直風(fēng)矢量差使降水質(zhì)點(diǎn)脫離上升氣流區(qū)，不會(huì)因拖曳作用減小上升氣流的浮力，也增加了正、負(fù)電荷的分離，同時(shí)增加了中層干冷空氣的吸入和低層冷空氣的外流，進(jìn)一步增強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)。霰和冰晶是非感應(yīng)起電中最主要的兩種起電粒子，其含量直接影響起電過(guò)程，尤其是在云層的混合相態(tài)區(qū)（0℃~-40℃），①過(guò)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(tài)區(qū)厚度為3.2 km，而②過(guò)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(jì)算得到0℃層以上云體厚度約為9.7 km，混合相態(tài)區(qū)厚度約為5.8 km，相比較而言，②過(guò)程更有利于電荷的生成。此外，相當(dāng)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(tài)的改變會(huì)影響云內(nèi)上升氣流速度的大小，進(jìn)而影響降水粒子的生成、分布及起電放電特性，當(dāng)經(jīng)過(guò)高相當(dāng)位溫區(qū)域時(shí)，上升氣流強(qiáng)度會(huì)增加[32-33]，疊加龍卷發(fā)生當(dāng)日14:00地面相當(dāng)位溫和13:00—17:00內(nèi)的地閃頻(圖2)，大部分的地閃呈帶狀分布在龍卷風(fēng)暴中相當(dāng)位溫大于350 K的區(qū)域，同樣，②過(guò)程對(duì)應(yīng)的相當(dāng)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(dāng)位溫和地閃空間分布 黑色“·”代表負(fù)地閃，紅色“·”代表正地閃，白色“▽”代表龍卷發(fā)生地。

4 龍卷風(fēng)暴演變過(guò)程

①過(guò)程中產(chǎn)生龍卷的風(fēng)暴單體于14:20形成于南京市浦口北部地區(qū)，此后向東北方向移動(dòng)并迅速增強(qiáng)，14:38時(shí)最大回波強(qiáng)度已達(dá)60 dBZ，隨后在移動(dòng)過(guò)程中50 dBZ以上的強(qiáng)回波區(qū)域不斷增大，風(fēng)暴頂高也有所增加，但未超過(guò)10 km，15:10鉤狀回波逐漸清晰，15:16開(kāi)始有中氣旋產(chǎn)生，底高2.1 km，15:34出現(xiàn)龍卷渦旋特征（TVS），隨后中氣旋切變值減小后再次增強(qiáng)，底高逐步減小，15:55左右在安徽天長(zhǎng)產(chǎn)生龍卷，此時(shí)龍卷中氣旋切變值增加到44×10-3s-1，緊接著強(qiáng)回波區(qū)域在短暫性減弱后于16:23再次增大，質(zhì)心高度不斷降低，16:55左右在江蘇高郵產(chǎn)生龍卷，此時(shí)龍卷風(fēng)暴質(zhì)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(gè)過(guò)程中，龍卷風(fēng)暴單體最大反射率因子始終維持在58~64 dBZ之間。

②過(guò)程中的風(fēng)暴單體于10:00左右生成于安徽泗縣，向偏東方向移動(dòng)過(guò)程中，最大回波強(qiáng)度不斷增加，回波頂高持續(xù)升高，13:28風(fēng)暴低層形成高反射率因子組成的鉤狀回波，前側(cè)有明顯的弱回波區(qū)和中氣旋，超級(jí)單體風(fēng)暴形成。13:40中氣旋最大切變位于底部，出現(xiàn)TVS，14:02最大反射率因子增加至69 dBZ，風(fēng)暴質(zhì)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(zhì)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(fā)生時(shí)，質(zhì)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(fēng)暴在發(fā)展移動(dòng)中，①過(guò)程在16:00，②過(guò)程在14:00左右具有較強(qiáng)的回波強(qiáng)度和較高的質(zhì)心高度，選?、龠^(guò)程在16:08、②過(guò)程在14:02時(shí)0.5°仰角反射率因子及垂直剖面進(jìn)行對(duì)比分析。如圖3所示，②過(guò)程超過(guò)50 dBZ的強(qiáng)回波面積和風(fēng)暴發(fā)展的高度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于①過(guò)程，說(shuō)明②過(guò)程對(duì)流發(fā)展的旺盛程度要強(qiáng)于①過(guò)程，正是由于②過(guò)程雷暴的垂直發(fā)展高度、發(fā)展厚度及水平尺度更大，使得其混合相態(tài)區(qū)域的粒子數(shù)量和尺寸更有利于電荷的產(chǎn)生和分離。從兩次過(guò)程的弱回波區(qū)也可以看到，①過(guò)程的弱回波區(qū)低于②過(guò)程，同樣也說(shuō)明其上升氣流相對(duì)②過(guò)程較弱。

圖3龍卷風(fēng)暴的發(fā)展強(qiáng)度和高度（紅色實(shí)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(diǎn)雷達(dá)組合反射率拼接數(shù)據(jù)和地閃數(shù)據(jù)，兩次過(guò)程在風(fēng)暴單體發(fā)展過(guò)程中，地閃均主要發(fā)生在回波強(qiáng)度≥30 dBZ的區(qū)域內(nèi)，但明顯看出②過(guò)程中地閃活動(dòng)多于①過(guò)程。在風(fēng)暴單體初始發(fā)展階段（圖4a、4g），地閃頻次較少，且分布彌散，主要以負(fù)地閃為主，零星分布著少量正地閃，隨著風(fēng)暴中上升氣流的不斷增強(qiáng)，回波頂高增加，強(qiáng)回波面積增大（圖4b、4c、4e、4h），負(fù)地閃的發(fā)生逐漸密集，集中在強(qiáng)回波核中心區(qū)域。但在天長(zhǎng)龍卷發(fā)生前，正地閃發(fā)生不頻繁，而在高郵龍卷和鹽城龍卷發(fā)生前，密集的負(fù)地閃外圍有較多正地閃發(fā)生，尤其是鹽城龍卷，正地閃頻發(fā)。在龍卷發(fā)生期間（圖4d、4f、4j），地閃活動(dòng)減弱，且逐漸分散，不再集中在強(qiáng)回波核中心。同時(shí)，天長(zhǎng)龍卷及地時(shí)，正地閃仍然稀少（圖4d），高郵龍卷及地時(shí)正地閃活動(dòng)略多，大多在負(fù)地閃外圍區(qū)域（圖4f）。鹽城龍卷及地時(shí)，≥45 dBZ的區(qū)域被正地閃填充，數(shù)量遠(yuǎn)超負(fù)地閃（圖4j），表明此時(shí)的雷暴中部主電荷區(qū)有可能為正電荷，而這種現(xiàn)象在14:02（圖4i）就已開(kāi)始出現(xiàn)，此時(shí)提前冰雹發(fā)生約6 min。從龍卷與地閃的發(fā)生位置來(lái)看（圖4d、4f、4j），天長(zhǎng)和高郵龍卷及地后的6 min之內(nèi)，龍卷周?chē)? km范圍均沒(méi)有地閃發(fā)生，鹽城龍卷及地后的6 min之內(nèi)，龍卷所在地雖有地閃發(fā)生，但并非地閃發(fā)生最密集的區(qū)域。兩次超級(jí)單體龍卷發(fā)生在上升氣流區(qū)內(nèi)靠近后側(cè)下沉氣流的地方，這反映出在龍卷及地前后，其附近區(qū)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(fā)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(fēng)暴單體中地閃的空間分布 藍(lán)色“·”代表負(fù)地閃，黑色“·”代表正地閃，黑色“▽”代表龍卷發(fā)生地。

5.2 地閃頻次

統(tǒng)計(jì)①和②過(guò)程中的地閃頻次（圖5）?？梢钥闯?，龍卷均發(fā)生在地閃頻次到達(dá)峰值后回落的階段，即在龍卷及地前，地閃頻次已達(dá)到最大值。①過(guò)程首先于15:55在安徽天長(zhǎng)出現(xiàn)龍卷，隨后于16:55在江蘇高郵出現(xiàn)龍卷，而地閃頻次在15:22達(dá)到最大值，提前首次龍卷發(fā)生約33 min。②過(guò)程中地閃頻次于13:51達(dá)到最大值，隨后14:19鹽城阜寧龍卷發(fā)生，地閃頻次達(dá)到峰值的時(shí)間提前龍卷發(fā)生約28 min。而低層中氣旋的不斷加強(qiáng)，有利于上升氣流增強(qiáng)，強(qiáng)烈的對(duì)流抬升了風(fēng)暴下部電荷區(qū)的高度，是導(dǎo)致地閃頻次減小的原因之一[34]。

圖5 地閃頻次隨時(shí)間的變化特征（紅色虛線代表龍卷及地的時(shí)刻）

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

另一個(gè)明顯的特征是兩次過(guò)程在龍卷發(fā)生之前均發(fā)生了閃電躍增（圖6）。①過(guò)程分別在15:16、15:18、15:22發(fā)生閃電躍增，距離龍卷及地提前33~39 min。②過(guò)程共發(fā)生閃電躍增12次，9次發(fā)生在龍卷及地前，最早的一次發(fā)生在12:06，超出2σ閾值最大的3次連續(xù)躍增發(fā)生在13:34—13:38，提前龍卷發(fā)生41~45 min，提前冰雹發(fā)生34~38 min，在龍卷及地后，仍然有3次閃電躍增出現(xiàn)，這是由于②過(guò)程在此期間伴隨有冰雹產(chǎn)生，而閃電躍增對(duì)于冰雹的發(fā)生也有預(yù)警作用[29]，這就導(dǎo)致此次過(guò)程閃電躍增次數(shù)較多。由上也可以看出，當(dāng)?shù)亻W頻次出現(xiàn)多次閃電躍增時(shí)，需提高警惕，可能有冰雹或龍卷等強(qiáng)天氣出現(xiàn)，但當(dāng)冰雹和龍卷伴隨出現(xiàn)時(shí)，僅憑閃電躍增無(wú)法區(qū)分強(qiáng)天氣類(lèi)型。

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

5.3 正地閃比例

一般而言，正閃的發(fā)生次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)閃，江蘇地區(qū)2013—2016年正地閃發(fā)生比例的統(tǒng)計(jì)平均值僅為16.7%，但在強(qiáng)雷暴中正閃的比例往往會(huì)有所增加，且具有其獨(dú)特的特征[36]。兩次龍卷過(guò)程均產(chǎn)生于超級(jí)單體風(fēng)暴中，統(tǒng)計(jì)兩次過(guò)程中的正地閃比例，如圖7所示。①過(guò)程中天長(zhǎng)龍卷發(fā)生時(shí)，正地閃比例很小，約為3%，而在高郵龍卷發(fā)生時(shí)，正地閃比例增大，龍卷發(fā)生期間，正地閃比例達(dá)到38%，龍卷結(jié)束后，正地閃比例回落，在17:23達(dá)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(shí)6 min發(fā)生的地閃次數(shù)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(jí)龍卷風(fēng)暴中的地閃演變，發(fā)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程也均以負(fù)地閃為主。強(qiáng)雷暴中正地閃頻發(fā)的原因：（1）傾斜的超級(jí)單體風(fēng)暴使得上部主正電荷區(qū)與中部主負(fù)電荷區(qū)偏離，主正電荷區(qū)更容易對(duì)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(jié)構(gòu)，中部為主正電荷區(qū)，從而產(chǎn)生更多的正地閃。從①過(guò)程中正地閃主要發(fā)生在強(qiáng)回波核外圍（圖4a~4f），推斷此次正地閃的產(chǎn)生主要為第一個(gè)原因，若雷暴發(fā)展不夠高，就難以有相當(dāng)數(shù)量的冰晶產(chǎn)生正電荷，這是此次過(guò)程正地閃未占主導(dǎo)的原因。

圖7 正地閃比例隨時(shí)間的變化特征（紅色虛線代表龍卷及地的時(shí)刻）

②過(guò)程中龍卷及地前的11 min，正地閃比例達(dá)到峰值68%，隨后有所減小，14:19龍卷及地時(shí)正地閃比例為63%，在龍卷發(fā)生期間，正地閃比例迅速下降，除了在14:37正地閃比例超過(guò)50%，其余時(shí)間均轉(zhuǎn)為負(fù)地閃占主導(dǎo)，即龍卷發(fā)生在正地閃比例達(dá)到峰值后的減小階段，并且在龍卷發(fā)生后出現(xiàn)由正地閃占主導(dǎo)轉(zhuǎn)為負(fù)地閃占主導(dǎo)的現(xiàn)象，這與Biggar的研究結(jié)論類(lèi)似[38]。值得注意的是，②過(guò)程同時(shí)伴隨有強(qiáng)冰雹發(fā)生，進(jìn)一步說(shuō)明此次過(guò)程具有深厚的不穩(wěn)定層結(jié)、傾斜和強(qiáng)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(fā)生在雷暴的主對(duì)流區(qū)，且發(fā)生頻次遠(yuǎn)多于負(fù)地閃，推測(cè)在此階段雷暴中部主電荷區(qū)為正電荷，下部有一弱的負(fù)電荷區(qū)，通過(guò)數(shù)值模擬也發(fā)現(xiàn)，此次過(guò)程在冰雹形成到龍卷發(fā)生期間為反極性多層雷暴電荷結(jié)構(gòu)[17]，這是此次過(guò)程正地閃占主導(dǎo)的主要原因。

通過(guò)以上分析可以看出，龍卷等級(jí)越強(qiáng)，正地閃表現(xiàn)得越活躍，特征越明顯。①過(guò)程中天長(zhǎng)龍卷為EF2級(jí)，龍卷及地前后正地閃比例并未出現(xiàn)大值，高郵龍卷為EF3級(jí)，龍卷及地前的10 min內(nèi)，正地閃比例明顯增加，并持續(xù)增大到龍卷結(jié)束，但最大值未超過(guò)50%，正地閃未占主導(dǎo)。②過(guò)程龍卷為EF4級(jí)，龍卷及地前的20 min，正地閃活動(dòng)快速增多并占主導(dǎo)，龍卷發(fā)生期間，主導(dǎo)地閃的極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，但正地閃比例仍大于均值，已有的研究表明，存在主導(dǎo)地閃極性反轉(zhuǎn)的風(fēng)暴往往都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，且有一半會(huì)產(chǎn)生EF3~EF5級(jí)的龍卷[32]。

5.4 雷電流強(qiáng)度

分別統(tǒng)計(jì)兩次過(guò)程中3個(gè)龍卷發(fā)生前后各30 min內(nèi)的雷電流強(qiáng)度，如表2所示，由5.2節(jié)分析可知，②過(guò)程比①過(guò)程的對(duì)流發(fā)展更加旺盛，對(duì)應(yīng)的地閃頻次更多，但②過(guò)程的平均雷電流強(qiáng)度值卻更小，其正、負(fù)地閃的平均雷電流強(qiáng)度均小于①過(guò)程，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于歷年均值。這是由于②過(guò)程中放電次數(shù)的增加，導(dǎo)致每次放電的電荷累積量較小，從而使得雷電流強(qiáng)度較小。同時(shí)，從圖8可以看到，兩次龍卷風(fēng)暴發(fā)展過(guò)程中雷電流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化并不明顯。

圖8 雷電流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征（紅色虛線代表龍卷及地的時(shí)刻）

表2 龍卷發(fā)生前后30 min雷電流強(qiáng)度均值

6 結(jié) 論

本文基于ADTD-2C閃電資料、探空觀測(cè)、ERA5再分析資料和多普勒雷達(dá)資料，對(duì)兩次典型強(qiáng)龍卷風(fēng)暴中地閃的時(shí)空演變、正地閃發(fā)生比例及雷電流強(qiáng)度特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到以下結(jié)論。

（1）中等以上強(qiáng)度的CAPE、強(qiáng)的垂直風(fēng)矢量差和SRH、厚的混合相態(tài)層及相對(duì)較高的相當(dāng)位溫有利于霰和冰晶粒子的產(chǎn)生，也為電荷的產(chǎn)生和分離提供了良好的熱動(dòng)力條件。龍卷風(fēng)暴中地閃主要發(fā)生在回波強(qiáng)度≥30 dBZ的區(qū)域內(nèi)，在龍卷發(fā)生期間，地閃活動(dòng)減弱且逐漸變得分散。

（2）龍卷均發(fā)生在地閃頻次達(dá)到峰值后回落的階段，地閃頻次峰值分別提前龍卷發(fā)生約33 min和28 min，但兩次過(guò)程中地閃頻次的絕對(duì)數(shù)值差異較大，這與風(fēng)暴中上升氣流的強(qiáng)烈程度有關(guān)。另一個(gè)明顯的特征是，龍卷天氣發(fā)生之前，地閃會(huì)出現(xiàn)連續(xù)多次閃電躍增，但由于冰雹天氣前也會(huì)出現(xiàn)閃電躍增，當(dāng)冰雹和龍卷伴隨出現(xiàn)時(shí)，僅憑閃電躍增無(wú)法區(qū)分強(qiáng)天氣類(lèi)型。

（3）龍卷等級(jí)越強(qiáng)，正地閃表現(xiàn)越活躍，特征越明顯。天長(zhǎng)龍卷發(fā)生時(shí)，正地閃比例很小，僅為3%，而高郵和鹽城阜寧龍卷發(fā)生時(shí)，正地閃比例均遠(yuǎn)超歷史均值（16.7%），尤其在鹽城阜寧龍卷發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)了正地閃主導(dǎo)向負(fù)地閃主導(dǎo)的反轉(zhuǎn)。同時(shí)，兩次過(guò)程分別伴隨暴雨和冰雹，整體而言，伴隨冰雹的龍卷風(fēng)暴正地閃表現(xiàn)更活躍。

（4）雷電流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律并不明顯，兩次過(guò)程的地閃強(qiáng)度均小于歷史平均值，但地閃發(fā)生愈頻繁的龍卷風(fēng)暴，對(duì)應(yīng)的雷電流強(qiáng)度值愈小。

本研究探尋了強(qiáng)龍卷風(fēng)暴中地閃的發(fā)生規(guī)律，在龍卷發(fā)生前地閃頻次和閃電躍增都表現(xiàn)出比較明顯的特征，美國(guó)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(guān)性會(huì)更顯著，云閃地閃比可作為強(qiáng)天氣預(yù)警的指標(biāo)之一，且在龍卷風(fēng)暴中會(huì)出現(xiàn)短暫的“閃電洞”或“閃電環(huán)”現(xiàn)象[39]，這些研究依賴(lài)于云閃和閃電輻射源的觀測(cè)數(shù)據(jù)，于2018年投入業(yè)務(wù)應(yīng)用的風(fēng)云四號(hào)A星及即將發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)C星上攜帶的閃電成像儀（LMI）能夠?qū)ξ覈?guó)及附近區(qū)域的總閃進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，這將為龍卷風(fēng)暴中總閃活動(dòng)的研究提供有效手段。此外，受限于江蘇地區(qū)ADTD-2C閃電定位資料的時(shí)序，本文的結(jié)論僅是針對(duì)兩次典型強(qiáng)龍卷風(fēng)暴歸納得來(lái)，隨著資料的積累，運(yùn)用雙偏振雷達(dá)資料[40]，對(duì)強(qiáng)龍卷過(guò)程中閃電活動(dòng)特征的認(rèn)識(shí)將會(huì)更加清晰。