引言

地闪是云与大地之间的一种放电过程。闪电定位系统可以连续记录闪电发生的时间和位置，通过分析闪电频数的演变，揭示生命史只有几十分钟到几小时的中小尺度对流天气系统活动。大量研究表明，中尺度对流系统(MCS)的发生发展与地闪活动特征(闪电频数，强度和极性、时空演变等)有很好的对应关系，而且中尺度对流系统的不同发展阶段对应的闪电活动特征也不相同。云对地闪电的击电位置和TBB等先后研究发现地闪发生在TBB等值线密集区^[1-7]。地闪和雷达回波研究说明负地闪主要发生在40 dBz以上的强回波区且能够很好地预示强回波未来移动方向^[8-10]。地闪活动与降水对比分析表明地闪活动与强降水有很好的对应关系，与弱的降水对应较差，地闪频数峰值提前于降水峰值，这些研究说明地闪信息的使用有助于降水预报和降水准确率的提高^{[4, 11-14]}。

2007年8月8日夜间，陕西关中中西部发生了一场50年一遇的特大暴雨过程，致使农田损毁，交通、通讯、电力中断、城镇内涝、洪水暴涨、山体滑坡塌方和泥石流等灾害，造成直接经济损失5亿多元，导致9人死亡。事实上，这次暴雨过程历时短、强度大、突发性强为历史罕见，暴雨发生前影响系统不明显，陕西关中处于中纬度高压坝控制之中，南部没有急流存在，没有明显的水汽和能量输送，在准确预报暴雨的落区、起止时间、雨量和分布等方面相当困难。因此，充分利用中尺度观测资料，分析它们与强降水的关系，揭示它们在暴雨预报中的指示意义十分必要。

近年来，卫星、雷达和地面加密观测资料在陕西暴雨预报和研究中已经得到了广泛的应用，但是地闪资料的应用和研究较少，尤其是地闪资料在暴雨中尺度系统的预报和研究中更少。尽管国内外在这方面的研究已经有了大量的成果，可是闪电特征及其与强对流的关系随不同的地理位置、气象条件、海拔高度都可能有很大的差异^[15]，并在一定程度上依赖于局地的对流状况^[16]。因此有必要通过不同的暴雨个例总结分析陕西地闪特征及其与中尺度系统和强降水的关系，为地闪资料在陕西强暴雨中尺度系统的监测和预警的应用积累基础资料和提供科学依据。本文以上述强暴雨过程为例，利用地闪、卫星TBB、雷达回波、加密降水资料和T213资料，分析揭示陕西关中平原强暴雨过程中的地闪活动特征、对流云降水与雷电活动的关系和地闪演变对强降水预报的指示意义，有助于提高MCS的综合分析能力，达到提高防灾减灾等预警服务水平和质量的目的。

1 强暴雨过程与资料概况 1.1 资料概况

本文地闪资料来自陕西省雷电监测定位系统的观测资料，该系统在全省布设9个定位点(图 1)，系统提供的每个闪电信息包括闪电发生的时间、位置、强度、陡度、电荷、闪电能量、误差和定位方式等雷电特征。降水资料是全国地面自动加密观测站、陕西地面自动观测站、区域加密自动观测站包括宝鸡、咸阳、西安、汉中、安康、商州区域加密观测站逐时降水量共2036站(陕西有240个站点)以及陕西98个地面自动观测站分钟降水量资料；天气形势场分析资料使用国家气象中心同化了卫星资料的T213(0.5625°×0.5625°)6 h一次的再分析高空资料和常规地面观测资料；卫星资料应用FY-2C 0.1°×0.1°的1 h一次的云顶亮温(TBB)资料；雷达资料为西安CB多普勒雷达气象观测资料。

1.2 强暴雨过程简介

2007年8月8日18时至9日02时(北京时，下同)，陕西中部关中地区出现了一次暴雨到大暴雨过程。暴雨过程有47站降水达50 mm以上，其中，12站达100 mm以上，2站在150 mm以上。强降水主要集中在8日20时至9日01时的6 h内，并在关中地区从西到东形成3个大暴雨中心，中心最大降水量分别为187、151和118 mm，最大降水强度79、95和92 mm·h^-1，为典型的中尺度强对流降水过程。

此次强暴雨是在高、中、低空有利的环流配置下，不同纬度天气系统共同作用的结果。对流层高层强大的南亚高压东北侧西北风与西风急流入口区西风(或西南风)共同作用，在西风急流入口区右侧形成的明显辐散有利于低空辐合加强和垂直上升运动的发展。对流层中层高纬度地区50°~120°E为稳定而宽广的低压环流，低压底部不断分裂冷空气随短波槽向东南扩散；中纬度地区青藏高原高压和西太平洋副热带高压打通后形成的高压坝在陕西中部断裂后形成切变线，使西太平洋副热带高压底部和热带辐合带北部的偏东暖湿气流在四川折向北与南下冷空气在暴雨区交汇。对流层低层河套小高压底部的东风气流与副热带高压西侧的偏东南风在关中中西部相遇形成东西向切变线；在地面图上，临近暴雨时在甘肃陇东形成冷高压，高压底部为东北—西南向冷锋，它们共同作用导致了强对流降水。

2 强暴雨的地闪活动特征

8日15时至9日01时，关中暴雨区附近(34°~35°N、106°~110°E)共发生了6459次地闪，其中，负闪为6310次，正闪只有149次，说明暴雨期间，地闪中负闪占绝对优势，占总地闪的97.7%，正闪只占总地闪的2.3%。从地闪的逐时演变来看(图 2a)，负闪频数和总闪频数的演变趋势完全一致，从非常少到突然增大，8日20时达到最大(3711次)后又突然减小，到22时达最少，23时又略增多，随后开始减少至消失，从而在整个暴雨过程中形成了两峰(一强一弱)一谷的趋势。正闪频数的变化不同于总闪和负闪的变化，呈现三峰两谷的趋势。从地闪的6分钟演变来看(图 2b)，负闪多发期主要集中在8日19时22分至21时28分时段内，除21时22分少于100次·6 min^-1外，其余时间均在100次·6 min^-1以上，最大出现在20时40分，为532次·6 min^-1，并且在这段时间内有多个波动；与负闪活跃期相对应，正闪也是明显的活跃期，同时也出现多个波动，而且与负闪的波数相等，但是正闪的波峰提前于负闪的波峰，如负闪的最大峰值出现在8日20时40分，而正闪的最大峰值(13次·6 min^-1)出现在20时28分，比负闪的峰值提前12 min。负闪在21时58分至23时基本上没有发生，23时后至9日01时30分为弱活动期，负闪在弱活动期也存在多峰结构。21时30分至24时30分没有正闪出现，正闪在暴雨发生前期和消亡期也比较活跃，呈现多峰结构。可见，暴雨期间，正、负闪不论在高频发时段，还是在低发时段，并非一成不变，而是高低交替的演变过程，说明造成暴雨的对流系统相对来说时强时弱。

3 地闪活动与中尺度系统的关系 3.1 地闪活动与云顶亮温的关系

分析逐时卫星云图TBB与地闪频数的变化发现，MCS在发生发展阶段、成熟阶段和消亡阶段的地闪频数分布是完全不一致的。从图 3清楚可见，MCS在发生发展期地闪发生先于对流云团的发展，地闪频数的快速增加早于对流系统的快速发展，即地闪密集区(发生区)与对流系统中心没有重合，而是位于对流系统的东侧或北侧的TBB等值线密集区; 地闪发生区域，未来1 h雨团向该区域发展，地闪频数突然快速增加后1 h对流系统快速加强，例如8日17时，秦岭山区和宝鸡西北部首先出现了地闪，8日18时，甘肃东部的对流云团向东南移至关中西部的陇县附近，秦岭山区对流云团强度增加，TBB值降低到-52℃，此时，秦岭山区对流云团北侧出现地闪，陇县东南部也有地闪发生，8日19时，南北两对流云向18时地闪发生区发展，形成西北—东南向的带状对流系统，西北侧低于-52℃的2个中心之间及其东部地闪频数快速增长，8日20时，两个中心合并且向东发展加强，形成中心强度为-62℃以下的β中尺度对流系统, 地闪增加更加猛烈，位于β中尺度对流系统中心偏东的TBB等值线密集处。8日21时，β中尺度对流系统向东扩展，范围明显增大，强度进一步增强，中心TBB低于-72℃，MCS发展为成熟阶段，但此时地闪频数急剧下降，并且分布在MCS强中心附近，即地闪均出现在中尺度对流系统中，8日22—24时，MCS范围在缓慢增大，但地闪频数降至很低，均分布在对流系统中心附近。MCS消亡期(9日01—02时，图略)，地闪频数进一步降低直至消失。

由此可见，地闪频数的发展增加，可作为MCS发生发展的判据之一；地闪的运动方向和地闪频数密集区与MCS的移动方向和未来发生区对应。说明负地闪可以很好地指示或有助于识别未来强对流区。

3.2 地闪活动与雷达回波的关系

第2节6 min地闪活动演变分析可见，地闪多发期主要集中在8日19时22分至21时28分且存在多峰结构，21时58分至23时基本上没有地闪发生。下面分析地闪多发期地闪活动与雷达回波的关系。

图 4是地闪多发期也是中尺度系统快速发展期和发展稳定期的3个地闪峰值(对应图 2b)时雷达组合反射率因子与其前6 min累积地闪叠加图。图中可见，负闪主要出现在回波强度＞40 dBz的区域，正闪则落到强回波中心两侧30~40 dBz的回波区(属于云砧和层状云区域)。MCS快速发展加强期，负闪密集区位于回波单体的前沿或前部，亦即对流单体向负闪密集区发展，例如8日19时20分有3个对流单体快速发展，其中西侧对流单体的东北部、南侧和后侧均有密集的负闪出现，未来该对流单体向东北移动，而且该对流单体的南侧和西侧未来又有对流单体发展，中部的对流单体前沿为密集负闪区，对应未来该对流体向东发展，东南部的小对流单体则向东北负闪区发展。MCS发展稳定少动期，负闪大部分集中在各对流单体的强回波中心附近，也有少数负闪与正闪分散在回波体的后部，如图 4b所示。当MCS发展成熟后向东移动时，负闪出现在对流单体的不同位置，正闪则位于对流体的前后部(图 4c)，未来对流系统向对流体前部密集的负闪区发展。这些分析说明发展中的对流单体将向其前部负闪密集区移动。

4 地闪活动与强降水的关系 4.1 强暴雨中尺度雨团活动特征

将在30 km²的范围内，连续2 h有2站或2站以上降水量≥10 mm·h^-1的降水定义为中尺度雨团，其中，25 mm≤1 h降水量＜50 mm的降水称为强雨团，1 h降水量≥50 mm的降水称为特强雨团。分析陕西地面观测站、自动加密站和区域加密自动站1 h降水资料发现，关中强暴雨过程是2个尺度较小雨团形成并快速东移合并成特强中尺度雨团，其生命史为9 h，水平尺度最大100 km×40 km。

8日18时在关中西北部陇县和秦岭山区太白生成后(图 6中的雨团1和2)，分别向东南和东北方向缓慢移动，1 h后发展为强雨团，强度分别为30和29 mm·h^-1，20时两雨团合并加强, 形成一个有7站1 h降水量超过40 mm、中心降水强度达77 mm·h^-1、水平尺度约为100 km×40 km的β中尺度特强大雨团，维持2 h；8日22时强降水略有减弱并向东偏北移动，降水强度为58 mm·h^-1，8日23时再次加强东移，中心降水强度高达95 mm·h^-1，此时，中尺度特强大雨团达到最强，有7站1 h降水量＞50 mm；8日24时有5站1 h降水量＞50 mm，中心降水强度92 mm·h^-1，形成直径为80 km的特强雨团，9日01时移至秦岭东坡，降水开始减弱，02时后减弱消失，强降水结束。

4.2 地闪活动与强降水结构的关系

图 5是暴雨期间逐时降水量和负地闪时间演变图，由于8日22时至9日02时负地闪频数很小，为了更好地显示其变化趋势，图中长虚线是扩大10倍后的负地闪频数，实线是逐时最大降水量，短虚线是8日17—21时逐时负地闪频数。图中可见，暴雨过程中，雨强与负地闪频数的变化趋势有很好的对应关系，它们均有2个峰值，分别出现在8日20时和8日23时；但是，雨强的大小与负地闪的频数并非呈现正的相关性，即最大雨强对应的不是最高负地闪频数，而是雨强突然增大时，相应负地闪突然达到最高频数，然后负地闪频数快速减小到很低，雨强再次增加时，负地闪频数也再次增大，但仍然很小。负地闪频数与雨强的变化关系可以说明，对流性强降水系统快速发展期间，相应负地闪频数最大，如对流系统快速发展期，雨强从8日19时的29 mm增加到20时的77 mm，1 h增加了48 mm，负地闪频数增加了2160次；当对流降水系统成熟期后，对应负地闪频数快速减少，但对流降水系统成熟期出现波动时，负地闪频数也相应出现波动，如对流系统成熟期，雨强从8日22时的58 mm增加到23时的95 mm，1 h增加了37 mm，负地闪频数增加了24次。

图 6是关中暴雨区附近(34°~35°N、106°~110°E)逐时地闪频数及其降水量，图 7同图 6，只是降水量为其后2 h总累积降水量。对比分析可见，暴雨过程中，地闪和强降水的关系随暴雨的发生发展的不同阶段而不同。暴雨发生发展期，地闪提前于强降水2 h发生，如暴雨发生发展期(8日17—21时)，地闪密集区同期没有降水对应(图 6), 但地闪密集区与其后2 h强降水区相对应(图 7)；暴雨系统成熟期(8日22—24时)，地闪频数明显减少，但相对而言，地闪与强降水同时发生，其密集区与强降水区基本重合(图 6)；暴雨系统衰亡期(9日01—02时)，几乎没有地闪出现(图略)。可见，利用地闪资料可以提前1~2 h预报出强对流性降水，为短时强对流降水的预报提供一种参考工具。

5 暴雨MCS不同发展阶段地闪活动差异的可能成因分析

前2节分析地闪活动与中尺度系统和强降水的关系中发现，在暴雨中尺度系统不同发展时期，地闪活动特征具有明显的差异。以下结合天气学分析出现这些差异的可能原因。

闪电发生的初始触发机制主要为云中正负极性电荷的碰撞放电。目前，虽然对雷暴云内的起电机制还没有清楚的结论^[17-18]，但普遍认为强上升气流和冰相粒子的碰撞是起电的基本条件。在强上升气流和对起电贡献较大的霰粒、冰晶等的共同作用下，使雷暴云中电荷分布形成^[19-20]，负地闪主要出现在对流云区，由于在对流云区的边界向层状云区传输过程中不同相态粒子碰撞几率增大，而该区域内的温度、粒子形态等有利于负电荷区的形成^[1]。

这次关中强暴雨发生在陕西关中中西部地区，该地区三面环山，其南侧秦岭山脉走向在关中中西部呈东西向到西安蓝田后向东北呈东北—西南走向，与关中北侧的黄土高原和西侧的六盘山一起使关中平原处于自西向东略偏北开口的喇叭口地形中；强暴雨过程分为发生发展加强期(8日18—21时)，成熟期(8日22时至9日00时)和消亡期(9日01—02时)3个阶段。关中西部喇叭口的收口处岐山附近强降水发生在强暴雨发展加强期，受这种喇叭口地形的辐合作用，不仅地形抬升明显，而且易于形成偏东风辐合区和偏东风、偏北风的中尺度辐合线，使垂直上升运动突然猛烈加强，造成垂直方向气流强烈的扰动，在这种强烈气流扰动作用下带电粒子碰撞几率增大，从而发生较多的地闪^[21]。强降水的发展加强是由2个小尺度的对流单体合并发展所致，2个对流单体在岐山西部合并碰撞也会导致垂直上升运动加强，从而进一步增大了带电粒子碰撞几率。另外，强降水发生发展在午后18—20时，此时地面温度明显升高，地面不稳定能量猛增，位温升高，而闪电活动很大程度上依赖于空气的热动力特性，进入云内能量越大，其电活动也越强，绝大多数地闪分布于地面相对位温较高的区域^[21-25]。暴雨成熟阶段，中尺度系统向东移动，喇叭口地形造成的辐合作用逐渐减小，在垂直方向上的气流扰动减小，粒子碰撞几率减小；温度很快降低以及不稳定能量的大量释放，进入云内能量减少，位温降低，地闪发生的几率大减；此外，暴雨成熟阶段，虽然垂直方向上的气流扰动减小，但是垂直上升运动达最强时刻，从发展加强期6 m·s^-1上升速度核(位于550~400 hPa)发展为14 m·s^-1特强速度核(位于200 hPa)，这种强上升气流抬高了雷暴中主负电荷区的高度，相当于拉大了负电荷区离地面的距离，而减少与其上部的主正电荷区的距离^[26]，正是这种“电荷抬升机制”^[27]使地闪频数(尤其是负地闪频数)减小。暴雨消亡期，因降水物下沉拖曳作用，垂直上升运动减弱，上升速度核减小为6 m·s^-1，位置也下降至550 hPa，主负电荷区的高度也随之降低，增加了对地放电的几率。

6 小结

本文分析了2007年8月8日18时至9日02时强暴雨的地闪分布和演变特征, 并结合TBB、雷达回波和地面加密降水资料，揭示了地闪活动与MCS和强降水结构的关系, 研究结果如下。

(1) 暴雨期共发生地闪6459次地闪，地闪中负闪(6310次)占绝对优势，占总地闪的97.7%, 正闪(149次)只占总地闪的2.3%。负闪频数和总闪频数的逐时演变趋势完全一致，呈现两峰一谷的趋势，但正闪频数变化呈现三峰两谷的趋势，正闪频数最大值(最大峰值)与总闪、负闪频数峰值时间一致。负闪活跃期正负闪6 min演变均表现为多峰结构，正闪的波峰提前于负闪的波峰12 min。

(2) MCS发生发展期，地闪位于对流云团前部TBB等值线密集区及其东侧，未来对流云团向地闪发生区发展，地闪频数的急剧增加意味着未来对流系统的猛烈发展，地闪频数极大值发生在MCS强烈发展期。MCS成熟阶段，地闪猛烈下降，地闪出现在对流云团强中心附近。MCS消亡期，地闪位于对流云团中心附近，但很快消失。

(3) 负闪主要出现在回波强度＞40 dBz的区域，正闪则落到强回波中心两侧30~40 dBz的回波区。MCS快速发展加强期，负闪密集区位于回波单体的前沿或前部，亦即对流单体向负闪密集区发展。MCS发展稳定少动期，负闪大部分集中在各对流单体的强回波中心附近。当MCS发展成熟后向东移动时，负闪出现在对流单体的不同位置。

(4) 暴雨发生初期和发展加强期，地闪的发生提前于强降水约2 h, 地闪急剧增加与降水强度猛增密切关联，即地闪频数极大值出现在强降水快速增长期。暴雨强盛期，负闪与强降水同时发生，而且负闪与降水中心基本重合，负闪频数快速降低。这些特征与Lang等^[28]的研究一致，一些强风暴产生非常低的地闪频数，并非通常认为的对流越强, 雷暴云中的地闪活动也越强。

(5) 地闪资料的应用可以为短时强对流降水的预报提供一种参考工具，根据初闪发生的时间、负地闪发生密集区和地闪的急剧增加可估计未来强降水可能发生的时间、地点和强度。

本文通过对陕西关中一次大暴雨过程中地闪特征及其与中尺度系统、降水的关系研究得出了一些结果，为短时强对流降水的预报增加了一种参考工具，但这些结果仅仅是通过一次个例分析得出的，其代表性如何还需要今后多选择一些个例做进一步的分析研究和验证，此外，文中虽然对所得结论的可能原因进行了天气学分析，但这些分析相当有限，其机理有待进一步深入分析研究。