引言

多年来气象工作者对各类强对流天气分别从天气形势、物理量场、能量场、卫星云图、雷达回波特征等方面进行了分析和研究^[1-7]，揭示了强对流天气发生、发展的一些特点和成因。近些年来, 随着闪电探测技术的飞速发展, 国内外利用闪电定位系统和多种雷达获取的资料对强对流天气过程进行了大量的观测, 并取得了许多有意义的结果。Rutledge等^[8]发现, 闪电频数和地闪的位置分布与观测的风暴降水结构相关。张义军等^[9]对对流和层状云系的电活动、对流及降水特性的相关性进行了分析。周筠君等^[10-11]利用对地闪的观测，研究了对流性天气系统中降水的估算。最近袁铁^[12]利用卫星观测的闪电资料研究了青藏高原闪电活动特征及其与气象要素之间的关系。纵观国内外对强对流天气的闪电特征的大量研究发现, 目前对突发性强降水闪电活动的时空分布特征的认识仍十分有限, 对闪电与强降水的关系了解依然不够深入。正如Relepez等指出的，在美国佛罗里达州的对流云降水与雷电活动的关系复杂：第一，有时很少或没有闪电活动却产生显著的降水；第二，有时有大量闪电发生却降水很少；第三，闪电和降水间存在很好的相关。再如Williams^[13]所指出的，大量个例分析表明该关系具有很大的可变性, 因为不同的地理位置、气象条件、海拔高度都可能引起雷暴放电特征的差异。

2007年7月29—30日，受副高西进东退影响，山西南部23个县市24小时降水量超过50mm，其中4个县市的雨量超过100mm，运城市垣曲县24小时降雨量达313.3mm，1小时降水强度为78.8mm，位于该县暴雨中心的朱家庄自动雨量站记录24小时降雨量达384.7mm。强降雨造成运城市16条主要河流、117条峪口沟道爆发超标洪水。政府公布的灾情调查称：这次强降水造成的灾害，范围之广、程度之重、损失之巨，均为历史上所罕见。据不完全统计，仅运城市受灾人口达20万余人，死亡13人、失踪3人、受伤14人，倒塌损毁房屋3857间(孔)，桥梁被毁138座，道路被毁297km，河堤被毁72km，农田及大田作物被毁1.7×10⁴hm²，直接经济损失达14.9 6亿元。本文试图通过垣曲县每分钟的加密雨量站资料，阳城、沁源、绛县每小时的多要素自动站资料，卫星云图资料和山西省7个地市组网后每分钟累积地闪资料，分析地闪密度与高低空系统配置的关系、对流云团的演变特征、地闪分布与云顶亮温的关系，揭示特大暴雨区两个中尺度云团合并的时刻和地点与闪电频次、降水强度的关系；高低空系统配置、TBB、地闪密度与暴雨落区的关系；同一对流云团中不同地域地闪频数与降水的相关性，同一地域不同对流云团地闪频数与降水的关系，为突发性强降水的临近预报提供参考依据。

1 影响系统动态与观测资料来源 1.1 天气背景及影响系统

表 1给出了2007年7月28—30日，30~40°N、105~115°E 700hPa冷切变和暖切变、500hPa槽线和暖切变线的动态变化及35~40°N 5880gpm线和5840gpm线的位置变化，及垣曲县气象站不稳定指数。

由表 1可知，2007年7月28日08时至29日20时副高西进，29日20时以后副高东退，30日20时，5880gpm东撤到118.0°E处。28日08时，700hPa暖切变位于38.5°N，之后逐渐南压，29日20时南压到36.0~37.0°N(110.0°E处暖切变位于36.0°N，115.0°E处暖切变位于37.0°N)，30日08时暖切变消失。从垣曲县各项指数表明，28日08时至29日20时，随着副高的西进大气层结不稳定度迅速增加，29日20时以后随着冷空气的入侵副高东退，不稳定能量释放，大气层结由不稳定趋于稳定状态。

1.2 观测资料来源

2005年，山西省气象局在太原、长治、晋中、阳泉、大同、离石和运城7个地市安装了中国科学院空间科学与应用研究中心研制的ADTD雷电监测定位系统。该雷电监测定位系统的特征参数见表 2。

本文所用的雷电资料为上述7个地市组网后每分钟的累积地闪资料(组网后的特征参量见表 3)，山西78个自动站的逐时雨量、垣曲县加密雨量站每分钟的雨量资料、108个县常规气象观测资料和自记雨量资料。卫星资料为风云2C卫星每30分钟的TBB资料。

2 地闪特征分析 2.1 地闪密度分布与高低层系统配置

2007年7月29日08时至31日08时，全省范围总地闪次数为7376次，其中负地闪6815次，正地闪561次, 在总地闪次数中，负地闪所占比例为92.4%；1分钟地闪频数的最大值是22次。地闪出现在500hPa的5840gpm与5880gpm之间的区域(图 1a, 5880gpm线是副高的特征线, 用以表示副高的动态, 在副高东退南压过程中5840gpm线象征着西风带中纬度系统, 表示冷空气动态, 若5840gpm线偏西或偏北, 与5880gpm线之间的距离超过4个经纬距, 则说明中低纬系统的相互作用不明显)，地闪密集区位于低空急流左侧3个经距内、700hPa暖切变南侧2~3个纬距内(图 1a，见彩页)，地闪密集区与暴雨落区有较好的对应关系(图 1b，见彩页)。

2.2 影响特大暴雨区的对流云团及地闪分布特征

(1) 中尺度对流云团的演变

卫星红外云图动画显示，29日12：00位于运城市的1号对流云团东移发展，13：30进入垣曲县，此时云顶亮温TBB(以下简称TBB)达210K(图 2，见彩页)，13：00—14：00，垣曲县1小时降水量达40.1mm，同时有2号中-α尺度对流云团覆盖在晋东南地区，3号中-β尺度对流云团在河南省境内生成。1号对流云团在垣曲县滞留2小时后东移与发展北上的3号对流云团16：00在晋东南地区合并。18：30，4号中-β尺度对流云团在山西西南边界生成；19：30，5号中-β尺度对流云团在垣曲县附近生成；20：00，北上发展的4号中-β尺度对流云团与5号中-β尺度对流云团在垣曲县合并发展，22：00—23：00，垣曲县1小时降水量高达78.8mm。17：00，在河南省境内又有两个中-β尺度对流云团生成，18：30，这两个中-β尺度对流云团合并，之后在北上过程中不断发展，21：00已经发展成为TBB值达210K的中-α尺度的6号对流云团(达到MCC的标准^[14-15])。6号对流复合体在30日0：00进入山西省境内，之后不断北上发展，30日01：00—04：00影响垣曲县，该县3小时降水量达86.0mm。30日04：00—09：00，6号中尺度对流复合体在北上东移过程中使临汾东部、长治、晋城地区出现区域性暴雨，沁源县6小时降水量达91.0mm。

(2) 影响垣曲县的对流云团及地闪分布

由图 2对流云团的演变及地闪分布可知，造成垣曲县特大暴雨的主要影响云团有：1号中-β尺度对流云团、4号与5号中-β尺度对流云团合并发展后的中尺度对流云团、以及在河南生成北上发展的6号中尺度对流复合体(MCC)。由图 2还可看出，地闪主要分布在云顶亮温TBB≤230K的区域内以及云团南部TBB水平梯度的大值区。图 3是7月29日12时至30日08时垣曲县地闪频数与TBB的时间序列图。由图 3可知，7月29日12时至30日05时单站的地闪频数与TBB呈反比，TBB越小，地闪频数越高。

2.3 地闪频数与雨强的相关性分析

7月29日08：00至30日08：00，特大暴雨过程的降水主要分3个时段。第一个降水时段为29日12：00—14：00。在此时段，垣曲县受1号中-β尺度对流云团影响，1小时最大降水量达40.1mm，1分钟最大降水量为2.1mm。第二个降水时段为29日20：00—23：00。该时段，垣曲县首先受本地生成的5号中-β云团影响, 接着又受4号与5号中-β尺度对流云团合并发展的影响，垣曲县3小时降水量为125.5mm，1小时最大降水量达78.8mm, 1分钟最大降水量为2.2mm。第三个降水时段为30日的01：00—04：00。该时段主要受6号中尺度对流复合体(MCC)影响，3小时降水量为86.0mm，1小时最大降水量为42.9mm，1分钟最大降水量为1.8mm。

图 4a给出了垣曲县地闪频数与雨强的时间相关图。图中的雨量曲线和地闪曲线分别由垣曲县加密雨量站每分钟的雨量资料6分钟累计、每秒钟的地闪6分钟累计次数点绘。

图 4b为垣曲县、绛县每小时的地闪频数与每小时的雨量随时间的变化。闪电探测距离为300km；探测范围分别取垣曲县和绛县辖区。绛县与垣曲县交界，位于垣曲的北部。由图 2对流云团的演变可知，特大暴雨过程中绛县与垣曲县受相同的对流云团影响。

此次特大暴雨过程的特征从图 4b可得到印证：垣曲县和绛县降水时段为3段，4次地闪峰值分别对应有4次雨峰。第一和第三时段，降水为单峰型，分别由1号中-β尺度对流云团和6号中尺度对流复合体(MCC)引起；第二时段，降水为双峰型，首先由本地生成的5号中-β尺度对流云团单独影响，随后4号、5号中-β尺度对流云团合并发展再度影响。由图 4b可以看出，逐时累积地闪与逐时累积雨量随时间的演变，可以识别中-β尺度的对流系统。

此次特大暴雨过程的特征从图 4a可以得到更有力的说明。降水主要分3个时段，这与图 4b的描述是一致的。不同的是，第一、第二时段，地闪与降水均为双峰型；第三时段，地闪与降水均为三峰型。说明在第一和第三降水时段，还有中-γ尺度的对流系统活动。图 4a表明，每6分钟累积地闪与累积雨量随时间的演变，可以识别中-γ尺度对流系统，可提前30~40分钟预测雨强峰值的到来。

由图 4、图 2综合分析可知：4号、5号中-β尺度对流云团在29日19：30—20：00合并，合并的时刻是闪电频次跃升的时刻，合并的地点垣曲县在29日20：48出现了第二降水时段的第一次雨峰；29日21：00—21：30，4+5号对流云团与1+3号对流云团结合，在结合地垣曲县21：24—21：30，6分钟累积地闪达10次，22：48，6分钟降水量达10mm，出现了第二降水时段的第二次雨峰；30日01：00—01：30，从河南北上的6号对流复合体(MCC)与4+5号对流云团后部新生的中-β对流云团结合，01：12，在结合点垣曲县闪电频次再度跃升，01：36，在结合地垣曲县出现了第三降水时段的第一次雨峰。另外，图 2中还显示，在29日15：00—16：00，1号中-β尺度对流云团和3号中-β尺度对流云团在沁水结合，沁水县闪电频次跃升，16：00沁水县1小时降水量(图略)达21.0mm。

综合分析结果证实两个中尺度云团合并的时刻和地点是闪电频次更高、降水强度更大这一观测事实。

观测和分析结果表明：29日08时至30日05时，垣曲县和绛县地闪频数与雨强随时间的变化都有很好的相关性；负地闪的出现及其频数的增加意味着影响该地区的对流风暴正在发展并向本地移来，地闪频数峰值的出现意味着雨强峰值的迅速到来。30日05：00—07：00，垣曲县和绛县都出现了频数很高的地闪，但随后并没有再度出现雨峰，且实况降水量特小或无降水。这说明仅靠单站地闪频数峰值还不能更准确地预测未来雨强的峰值。

2.4 干打雷空地闪成因探讨

由表 1可知，30日08时，850hPa~500hPa的暖切变全部消失，5880gpm线已东退到116.5°E，5840gpm线已东退到113.4°E(山西省的东部地区)，准确地说，特大暴雨区已经丧失了副高边缘充足水汽输送的条件，这一点可以从30日08时水汽通量散度(29日20时为-1.0×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，30日08时为0.4×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1)的分析场得到证实(图略)。此时能促使特大暴雨区产生高频数雷电的动力条件是700hPa的冷式切变和500hPa的槽线。

3 结语

(1) 2007年7月28—30日山西南部特大暴雨过程发生在副高西进和东退过程中。地闪出现在500hPa的5840gpm与5880gpm之间、TBB≤-43℃的区域内；低空急流左侧3个经距、700hPa暖切变南侧2~3个纬距所围区域与TBB≤-63℃的区域或云团南部TBB水平梯度的大值区相叠合的区域是地闪的高频数区和密集区，该区域与暴雨落区有较好的对应关系。

(2) 特大暴雨过程主要由：1号中-β尺度对流云团、4号与5号中-β尺度对流云团合并发展、以及在河南生成北上发展的6号中尺度对流复合体(MCC)引起。

(3) 两个中尺度云团合并的时刻和地点闪电频次更高，降水强度更大。

(4) 利用单站逐时地闪与雨强随时间的演变关系可以识别中-β尺度的对流系统，利用单站每分钟地闪的累积数以及与加密雨量站每分钟雨量的关系，可以识别中-γ尺度对流系统，可提前35~40分钟预测雨强峰值的到来。

(5) 只有在5840与5880gpm控制区域、低空急流左侧3个经距、700hPa暖切变南侧2~3个纬距内，局地地闪频数与雨强随时间的变化才有很好的相关性，利用地闪频数峰值才能准确地预报强对流风暴产生的局地强降水。