福建省2次强雷暴天气的环境参数成因分析.pdf

175农业灾害研究 2023,13(8)福建省 2 次强雷暴天气的环境参数成因分析庞 波1,2，阴蜀城1,3，朱 彪1,2*，许 军41.福建省灾害天气重点实验室，福建福州 350028；2.福建省气象灾害防御技术中心，福建福州 350028；3.福建省泉州市气象局，福建泉州 362000；4.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建福州 350007摘要 针对福建省2022年7月22日和25日2次雷暴天气过程发展与成因，采用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料（水平分辨率为0.25 0.25）和对应研究时段的福建省16个闪电定位仪监测数据，分析了不同层次（500、700、850 hPa）的高空环境背景场和动力热力场等。结果表明：2次雷暴天气均以动力抬升雷暴和热力抬升雷暴2种情形为主导；7月25日福建省北部地区强对流主要受热力因素影响，南风携带南海水汽在中部受东风气流影响辐合与垂直直上的暖湿气流在福建省中南部引发对流运动，其次中部地区处于明显切变线中，热力与动力结构相结合，加强了对流发展强度。关键词 雷暴；闪电活动；环流背景；成因分析中图分类号：P446 文献标识码：B 文章编号：20953305(2023)080175-03雷暴是我国东南沿海地区福建省常见的一种天气现象。福建省地形独特，雷暴初生对流条件复杂，在活动过程中，其结构和形状会受到天气环境参数的影响；不同的对流指数环境中，雷暴过程的适应性和活跃程度也不一致，雷暴密集区通常给建筑物、供电设施、电子电气设施、人畜生命安全造成严重威胁1。因此，有必要分析不同环境参数下强雷暴的成因和活动，为气象部门加强强对流天气预警、提高预报准确率提供有效参考依据。采用欧洲中期天气预报中心ERA 5再分析资料（水平分辨率为0.25 0.25）和对应研究时段的福建省16个闪电定位仪监测数据，选取福建省2022年7月22日和25日2次雷暴天气过程分析其发展与成因，以期为预报员预报雷暴等强对流天气提供有效参考。1 2022年7月22日强雷暴天气个例分析1.1 天气实况分析2022年7月22日，福建省受副热带高压控制，脊前东风气流将西太平洋暖湿空气输送至福建省中部，与垂直南风携带暖湿气流在福建省中部停滞辐合，受横切变北抬的影响，福建省中北部局部地区出现零星雷雨2。福建省2022年7月22日00:0000:00(UTC)雷暴天气伴有微弱阵雨，以对流性降水为主，24 h累计降水量最大值为5 mm，此次降水落区主要发生在福建中北部武夷山、古田屏南宁德交界处、永泰闽侯福州连江等3个降水落区，其他区域没有明显降水。此次天气个例在永安、尤溪、德化、永泰等地及平和与南靖交界处监测到较密集的正地闪活动，正地闪最强值在22日21:53:26出现在南平市延平区，强度为167.5 kA，最小值在18:18:32出现在泉州市德化县，强度为5.3 kA；监测到的负地闪集中区与正地闪发生落区基本相吻合，但负地闪最强值相对正地闪偏东，19:18:07出现最大值（-4.9 kA），21:53:26最小值（139.2 kA）均出Analysis of Environmental Parameters Causing Two Severe Thunderstorms in Fujian ProvincePang Bo et al(Fujian Provincial Key Laboratory of Disaster Weather,Fuzhou,Fujian 350028)Abstract In view of the development and causes of the two thunderstorm weather processes in Fujian Province on July 22 and 25,2022,the ERA5 reanalysis data from the European Center for Medium Range Weather Prediction(ERMF)(horizontal resolution)and the monitoring data from 16 lightning locators in Fujian Province during the corresponding research period were used to analyze the high altitude environmental background fields and dynamic and thermal fields at different levels(500 hPa,700 hPa,850 hPa).The results showed that both thunderstorms were dominated by dynamic and thermal uplift thunderstorms.On July 25th,the strong convection in the northern region of Fujian Province was mainly affected by thermal factors.The southerly wind carrying the South China Sea water vapor converged in the central part of Fujian Province under the influence of the easterly flow,and the vertically upward warm and humid air flow caused convective movement in the central and southern part of Fujian Province.Secondly,the central region was in a significant shear line,and the combination of thermal and dynamic structures strengthened the development intensity of convection.Key words Thunderstorm;Lightning activity;Circulation background;Cause analysis基金项目 福建省自然科学基金（2022J011075）；福建省灾害天气重点实验室重大科技专项（2022BY01）；国家电网公司总部科技项目（5500-202221143A-1-1-ZN）。作者简介 庞波（1993），女，内蒙古呼和浩特人，助理工程师，主要从事雷电监测预警与数值预报研究。*通信作者：朱彪（1985），男，湖南常德人，高级工程师，主要从事雷电监测预警与防护研究，E-mail：。收稿日期 2023-06-06176Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.8现在三明市尤溪县。1.2 高空环流背景分析分析福建省2022年7月22日08:00、14:00、20:00UTC 3个时次850、700、500 hPa 位势高度场、温度场、湿度场及风场空间 分 布，2022年7月22日08:0020:00 500 hPa等压面上整个福建省均受副热带高压脊所控制，08:00高度场在福建中部地区形成自东南向西北走向的高压脊，其中，途经邵武顺昌南平闽侯福州长乐等地区，均位于脊线上，在尤溪、永泰、闽清等地受反气旋式环流围绕，形成1个闭合小高压，温度平流较弱，没有形成明显的冷暖温差，但闭合高压内，垂直北风气流促使该区域出现1个明显的温度脊，且等温线与等高线相垂直；14:00脊前东南气流加强使等高线向北压，强烈的被压形势导致在福建东南地区形成明显的冷中心，且沿海线一带等温线密集，出现较强的温度梯度，而中北部依然受平直西风和弱的西南气流的影响，在东部宁德市形成暖中心。北部脊后弱西风气流稳定发展，南部地区脊前东南气流将西太平洋暖湿空气源源不断输送至罗源和连江等地，停滞辐合与脊后西南气流形成明显切变，将冷暖空气汇合为福建省中部地区强对流天气；20:00整个高压系统向东移，脊前由强烈的东南气流转化成平直的东风气流，等高线的闭合小高脊消失，转而受弱低温系统控制，此次雷暴过程减弱3-4。1.3 水汽条件和输送来源水汽主要分布在大气低层，考虑到600 hPa以上水汽含量较少，因此，本个例从底层到高层以850、700 hPa为主，分析水汽含量及其饱和程度。700 hPa水汽主要集中在7月22日08:00福建中部和东北部落区，14:00水汽集中于中部，相对湿度达到95%，东北部地区水汽受西风气流影响有所消散，而20:00相对湿度减少至不足30%。850 hPa除08:00中南部水汽条件较差外，其他2个时次水汽条件基本稳定，全省相对湿度均维持在60%80%。结合福建省2022年7月22日08:00、14:00、20:00UTC的850、700 hPa的比湿 场、风场空间分布特征（图1）可知，低层水汽来源于西太平洋和副热带高压上的热带海洋气团，上午偏东气流将西太平洋水汽输送至福建中南部，下午垂直南风气流将南海水汽输送条件，两者气流汇合在福建中部地区形成辐合作用，为发生强对流天气提供有利条件。中北部地区受西风气流影响，该辐合区水汽随着气流而消散，且该区域风速较弱，输送能力微弱，本次雷暴天气并未产生明显降水。700 hPa以上在福建省中部产生1个明显暖平流，而850 hPa显示出该区域周围有明显的冷平流，上层高冷、下层暖湿的结构有利于充分储存和形成强的对流不稳定，产生雷暴等强对流天气。1.4 不稳定能量释放条件7月22日3个时次的K指数和对流 有效位能CAPE值空间分布上，08:00 14:00 K指数大值区基本都维持在福建省中东部，最大K值可达36 K，随后K指数开始减弱，直到20:00 K指数大值区东移出福建省，由此可知，在福建省中东部地区潜能较大，大气层为强的不稳定状态，最小K指数值在福建省西南部，在14:0020:00尤为明显，最小K值不足10 K，而在给定环境中，对流有效位能在此次雷暴天气过程中均为福建沿海岸地区做了很大贡献。随着时间推移，CAPE值也在东部，在3个时次中，最大对流有效位能达到5 000 J/kg，对流有效位能稳定区基本出现在西北部地区，没有产生不稳定能量；气块在东南气流的作用下上升产生较大正浮力能量，为产生雷暴天气带来有利 条件。2 2022年7月25日强雷暴天气个例分析2.1 天气实况概述2022年7月25日，福建以东南为界线，偏东地区出现大范围闪电活动，主要集中在12:0020:00，25日雷暴天气为东南部地区带来微弱降水，特别是在安溪、德化永泰交界处、宁德等地带来阵雨，24 h累计降水最大值在宁德，为5 mm，其次在安溪县，24 h累计降水量为2.5 mm。从正地闪和负地闪空间分布可知，地闪活跃区均出现在龙岩、安溪、永安、德化、尤溪、古田宁德屏南交界处等地，正地闪最强值在将乐县，正地闪最小值在25日16:07:20出现在宁德福鼎市，强度为2.6 kA；而负地闪主要发生在平和南靖交界处、龙岩边界、永安县、安溪县、德化县、尤溪县、永泰县、古田屏南宁德交界处等地，最强值在25日16:21:33出现在宁德福鼎市，强度为-3.3 kA，负地闪最小值在25日10:46:20泉州市德化县，强度为152.3 kA。2.2 高空环流背景分析福建省2022年7月25日08:00、14:00、20:00 UTC3个时次850、700、500 hPa 的位势高度场、温度场、湿度场及风场空间分布特征，发现500 hPa的08:00，（d）（e）（f）填色图表示比湿场，风杆表示风场。a.08:00 700 hPa;b.14:00 700 hPa;c.20:00 700 hPa;d.08:00 850 hPa;e.14:00 850 hPa;f.20:00 850 hPa 图1 福建省2022年7月22日08:00、14:00、20:00UTC的850hPa、700hPa、比湿场(单位:g/kg)、风场(单位:m/s)空间分布特征177农业灾害研究 2023,13(8)德化尤溪永泰交界处受偏西南气流的影响形成弱的暖平流，但等高线不密集，以平均2 m/s的风速将暖空气输送至该区域，该交界处周围存在2个明显冷区，冷暖空气交汇促使该区域形成强对流天气；14:00副热带高压脊线北抬，福建东南部沿海岸处形成明显的东南西南向切变，中部表现出较强温度梯度，福建中南部暖平流区范围扩大，东南部洋面上受副高北抬影响，形成切断低压；20:00切变线向西北方向移动，福建省西部地区也出现西南西北方向横切变。700 hPa湿度场显示14:00相对湿度明显高于20:00，14:00相对湿度在整个福建省表现出3个湿区，分别位于中南部尤溪德化永泰、东北部，以及中北部顺昌等地；850 hPa的14:00福建省西南部和沿海地区湿区加强，风速南部偏弱北部开始加强，南部暖湿空气开始向北输送，20:00沿海岸地区相对湿度较小，整个形势场减弱。2.3 水汽条件和输送来源由2022年7月25日08:00、14:00、20:00 UTC 3个时次850、700、500 hPa的 比湿场、风场空间分布特征可知（图2），此次强对流天气水汽输送主要源自南海，尤其是25日14:0020:00不同层次比湿场都在福建省中南部尤溪永泰德化等中南部和沿海岸地区形成明显湿区。850 hPa的14:00比湿场显示2股明显水汽输送路径：一是南风携带南海水汽至福建省沿海岸处，受东风影响，该水汽路径发生变化，继续向福建中南部地区输送，中南部地区风速开始变小，水汽停滞；二是西南风气流将南海水汽直接向北输送，在福建省西南沿岸诏安、平和、永定、上杭等地形成明显风向切变，两者水汽在此汇合，形成大量比湿，强度超过20 g/kg，从底层到高层随着高度增加比湿相对减弱。填色图表示比湿场，风杆表示风场。a.08:00 700 hPa;b.14:00 700 hPa;c.20:00 700 hPa;d.08:00 850 hPa;e.14:00 850 hPa;f.20:00 850 hPa 图2 福建省2022年7月25日08:00、14:00、20:00UTC850hPa、700hPa、比湿场(单位:g/kg)、风场(单位:m/s)空间分布特征2.4 不稳定能量释放条件分析福建省7月25日08:00、14:00、20:00 UTC 3个时次的K指数和对流有效位能CAPE值空间分布特征发现，25日对流有效位能在14:00强度最强，以14:00为参考，福建省东北西南为界，对流有效位能大值区和小值区分别占据福建省东南部和东北部，东南部最强对流有效位能出现在平和、华安、南靖、尤溪县等地，达到5 000 J/kg，最小值出现在分界线西北地区，大气层结相对稳定，没有释放对流不稳定能量；25日K指数从时间上分析和对流有效位能的结论相一致，依然是14:00的K指数强度最大，但空间上与对流有效位能的大小值落区不相符，K指数大值区在08:0014:00基本覆盖整个福建省，最大值于14:00出现在福建省中北部和东南沿海地区，强度达40 K。该区域有利于引发雷雨过程；西部地区K指数最小，因此判断此次天气过程北部强对流主要受热力因素影响，而南部是热力与动力结构相结合，加强对流发展强度，对触发对流和决定风暴类型起着重要作用。3 2次强雷暴天气个例总结（1）2022年7月22日雷暴主要影响福建省中东部地区，此次雷暴天气过程主要考虑热力条件，动力抬升为辅，受西太平洋副热带高压控制，脊前偏东气流将西太平洋水汽和暖湿空气输送至福建省沿海岸，南风气流将南海水汽和暖湿空气输送至福建省中部，与上述东风携带暖湿气气流汇合，北部脊后弱的平直西风气流导致前2股暖湿气流在福建中东部地区形成辐合，为其带来强对流天气；（2）2022年7月25日引发雷暴天气过程的主要因素以动力抬升雷暴和热力抬升雷暴为主导，福建省北部强对流主要受热力因素影响，南风携带南海水汽。在中部受东风气流影响辐合，与垂直至上的暖湿气流在福建中南部引发对流运动，中部地区处于明显切变线，热力与动力结构相结合，加强对流 发展。参考文献1 赵玉春,王叶红.我国东南沿岸及复杂山地后汛期降水日变化的数值研究J.大气科学,2020,44(2):371-389.2 张春燕,刘霞,高文俊,等.强雷暴天气的闪电和雷达回波特征个例分析J.热带气象学报,2021,37(3):419-426.3 李南,魏鸣,姚叶青.安徽闪电与雷达资料的相关分析以及机理初探J.热带气象学报,2006(3):265-272.4 赖悦,张其林,陈洪滨,等.深圳一次强飑线过程的闪电频数与天气雷达回波关系分析J.热带气象学报,2015,31(4):549-558.