作为强对流天气 (雷暴) 产物之一的雷电，因对工农业生产和人民生命财产带来巨大损失而引起人们的广泛关注^[1]，同时雷暴天气不仅产生雷电，还伴有大风和暴雨，有时甚至出现冰雹等灾害性天气。国内许多学者^[2-9]相继对不同地区的闪电活动观测资料和活动特征以及闪电活动特征与降水结构和特性的关系进行了分析研究，认为闪电活动地域差异较大，同时也认为不仅闪电活动与强对流天气密切相关，而且不同的闪电活动极性特征对应不同类型的灾害性天气类型，在冰雹大风天气过程中正闪电占优势，负闪电则与强降水相关，因此可以利用闪电活动区域和特征来有效识别强对流灾害性天气落区和类型，而如何准确预警预报强对流雷暴天气 (雷电活动) 却是当前天气预报的一个难点和热点问题^[10]。

陶诗言研究指出，强风暴的形成必须具备明显的位势不稳定、上干下湿的水汽垂直空间分布和强的垂直风切变3个条件^[11]。闪电活动会受环境水汽条件、温度条件及上升气流等气象因素的影响，研究其对环境气象要素的响应关系对于闪电的预报和预警及大范围闪电参数化具有十分重要的意义。近年来闪电活动与环境气象因素关系研究已经成为一个重要的研究领域^[12]，其中水汽条件是产生雷电活动的一个必不可少的气象要素，因为水汽对大气电场有一定作用^[13]，国内外许多学者对闪电形成的大气湿度要素特征及其对水汽环境气象要素的响应关系都进行了大量研究，取得了许多有意义的成果。Betts^[14]曾在模式研究中发现，地面过大的相对湿度由于存在蒸发会抑制上升速度，而不利于对流发展，但对流的发生、发展又需要一定的湿度条件，较小的湿度难以形成产生闪电活动所需一定强度的云，因此湿度过小或者过大都不利于不稳定对流的发展，从而可能不利于闪电活动的产生，地面相对湿度值在50% 60%时比较有利于雷暴云的放电；郑栋等^[15]研究认为，地闪高密度区主要出现在下垫面为山脉和水体的地方，闪电活动与下垫面的水汽条件关系密切；袁铁等^[16]、熊亚军等^[17]研究了区域闪电密度对地面相对湿度的响应发现，当地面相对湿度过大时，相对湿度的增加不利于闪电活动发生，而当相对湿度较小时，相对湿度的增加有利于闪电活动的发生，地面相对湿度的临界值域约为72%74%。张翠华等^[18]对青藏高原雷暴天气层结特征分析后认为，无论是强雷暴天气还是弱雷暴天气近地层相对湿度有“逆湿"现象，厚度约1 2km，相对湿度平均为60% 80%。

云南省由于地形地貌和地理位置的特殊性，冰雹、暴雨、大风等强对流是云南省常见的天气现象^[19-20]，这些强对流天气往往伴随有闪电活动，云南省年平均雷暴日为80d左右^[21]，雷暴分布呈南多北少的趋势，最南端的西双版纳州勐腊县年平均雷暴日数高达138d，闪电形成和活动也可能有其自身的特征，因此本文将利用云南省闪电定位系统监测资料和NCEP/NCAR再分析资料中的大气各层相对湿度资料，研究2007年6—8月云南省主要闪电过程形成时大气湿度要素诊断特征及闪电活动与大气湿度要素的响应关系，以期为云南省雷电预警预报提供依据。

云南省23个闪电定位仪组成的闪电定位系统探测的2007年6—8月闪电 (本文均指地闪，即云-地之间发生的闪电) 资料，探测资料覆盖全省；2007年6—8月逐日02：00，08：00，14：00，20：00(北京时，下同) NCEP/NCAR再分析气象资料，格距为1°×1°，垂直方向共有21层。

根据云南省闪电定位网的闪电监测数据统计，2007年云南省共发生549003个闪电。云南雷电活动虽然一年四季都有，但从云南省月闪电频数分布 (图 1a) 可以看出，各月分布异常不均匀，云南闪电集中发生在4—9月，共537607个，占年闪电频数的98%，其中盛夏6—8月发生闪电396425个，占年闪电频数的72%，尤其是8月发生闪电频数就达213876个，占年闪电频数的39%，其次是6月发生闪电频数97586个，占年闪电频数的18%。因此云南省具有月闪电频数分布不均匀的特点，这是由于云南省夏季有较好的温度、湿度条件，夏季闪电发生频数高，成为云南省闪电发生的高发期。

图 1

图 1. 2007年云南省闪电频数时间分布 (a) 月变化，(b) 日变化 Fig 1. Temporal distribution of Yannan Province lightning frequency in 2007 (a) monthly variation, (b) diurnal variation

从闪电频数日分布来看 (图 1b)，14：00开始闪电活动逐渐加强，峰值出现在16：00—17：00，夜里逐渐减弱，谷值出现在08：00—11：00，这主要由于云南地处低纬度高原，午后强烈的太阳辐射，能量逐渐累积，局地对流加强，闪电活动开始剧增，午后到夜里保持较大的闪电频数，然后随着地面的不断辐射冷却和大气能量的不断释放，凌晨开始闪电活动逐渐减弱，因此，2007年云南省闪电活动的日分布基本呈一峰一谷的变化特征。

本文对2007年6—8月思茅、昆明、丽江、昭通和文山5个代表站周围50km范围内逐日闪电频数进行统计，制作了6，7，8月各代表站闪电频数逐日演变分布 (图 2)。从图 2可以看出，各月5个代表站闪电频数参差不齐，闪电频数日最大振幅出现在8月；在逐日演变上具有不均匀和阶段性特点，有些时段闪电活动很少或者没有，而有些时段闪电活动频繁且剧烈，全省性的闪电过程主要发生在6月3—9日、6月23日—7月2日、7月9—12日、8月8—11日、8月20—28日。这主要是由于闪电的形成和闪电活动的发生需要一定湿度、不稳定能量和抬升动力等特定的大气物理量环境条件，一方面低层过大的湿度条件由于存在过多蒸发而会抑制对流发展的上升运动，而较小的湿度不能形成产生闪电活动所需一定强度的云；另一方面闪电活动是大气中不稳定能量积累到一定程度时一些触发动力条件引起对流发展、加强，形成强烈的上升气流，使得对流云体向上发展，而云体中由起电机制^[]形成的正负带电粒子存在相态和尺度的差异，上升气流将这些不同粒子带到不同区域，形成云体中的电荷分布，当电荷分布使得电场强度达到一定强度时，闪电现象才能产生。因此，只有在一定环境湿度条件下，具备有一定的不稳定条件和动力条件，闪电活动才能发生。

从图 2中还可以看出，代表滇中的昆明附近各月发生闪电频数最高，6月、7月、8月50km范围内分别发生闪电2856个、6919个、9580个，其次是滇西南和滇东南。

图 2

图 2. 2007年6—8月各代表站闪电频数逐日演变 (a)6月，(b)7月，(c)8月 Fig 2. Day-to-day variation of lightning frequency for the representative stations from June to August in 2007 (a) June, (b) July, (c) August

由于昆明站在上述主要闪电活动时段都有闪电频繁发生，并且主要发生在午后到傍晚时段，因此本文选定2007年6—8月昆明站上空逐日14：00相对湿度的演变 (图 3) 来进行分析。

由图 2a可以看出，6月昆明站周围50km范围闪电活动逐日演变呈现波动起伏的特点，日闪电频数具有很大的差别，闪电频发阶段出现在6月下旬，23—30日发生闪电2080个，约占全月发生闪电频数的73%。对照6月昆明站上空逐日14：00相对湿度垂直剖面的演变 (图 3a) 发现，相对湿度各日的垂直分布也不一致，其中在23—30日闪电频发阶段，低层850hPa附近相对湿度保持在40% 60%，相对湿度随高度增加到700hPa左右，在中层650700hPa之间存在相对湿度达到90%的高湿度层，在其上又出现相对湿度随高度迅速减小。而在6月中层高湿层不明显或者低层到整层都保持有较大相对湿度的其他时段，闪电活动很少或者几乎没有闪电发生。这样可以看出，在中低层水汽随高度增加的环境条件由于不存在较大的蒸发而有利于水汽的上升运动，从而凝结形成云；中高层水汽随高度迅速减小的环境条件则由于存在上干下湿的大气对流不稳定而有利于对流云进一步发展，产生闪电活动。

图 3

图 3. 2007年6—8月昆明站上空逐日14：00相对湿度演变 (单位：%)(a)6月，(b)7月，(c)8月 Fig 3. Day-to-day variation of relative humidity above Kunming Station at 14:00 from June to Augustin 2007 (unit:%) (a) June, (b) July, (c) August

另外从7月昆明站周围50km范围闪电活动逐日演变 (图 2b) 和其上空相对湿度的演变 (图 3b) 可知，7月昆明站附近的闪电活动时间演变上更具有不均匀性的特点，多闪电时段主要在7月上旬、中旬前期和下旬后期，闪电活动主要发生在7月1—2日和12日，3d发生闪电3685个，占全月发生闪电频数的一半以上，达53%，而在中旬中期到下旬中期很少或者几乎没有闪电发生。相应多闪电活动时段同样具有低层相对湿度低、中层出现高湿的特点，其中1—2日低层850hPa相对湿度为50%左右，中层600 700hPa之间的高湿度层，相对湿度也为90%，中、高层400 600hPa之间也存在较大的相对湿度，为70% 80%，350hPa以上相对湿度随高度才迅速减小；7月12日低层850hPa相对湿度为60%左右，中层600 700 hPa之间相对湿度为90%，在600hPa高度以上也一直保持80% 90%的较大相对湿度。在中旬中期到下旬中期闪电不活跃，从低层到中层都保持有较大的相对湿度，低层850hPa附近相对湿度在80%以上，甚至达到100%，中低层没有明显的相对湿度随高度增加的现象，中层700hPa附近也没有明显的高湿中心。因此，低层湿度高不利于闪电发生，7月2日和7月12日昆明站上空低层湿度不高、中层到中、高层都保持较大相对湿度的环境条件利于闪电产生，而且中、高层深厚湿层的存在可以为对流云团的进一步发展提供充沛的水汽，这也是昆明站周围7月2日、12日闪电活动比较频繁的原因，分别发生闪电1036个和1836个。

从8月昆明站周围50km范围闪电活动逐日演变 (图 2c) 看出，8月昆明站附近的闪电活动比较活跃，但时间演变上仍具有不均匀性的特点，闪电活动主要发生在8月11日和20—23日，5d发生闪电6431个，占全月发生闪电频数的67%。从8月昆明站上空逐日14：00相对湿度垂直剖面的演变 (图 3c) 分析发现，大多数时段都具有低层湿度不高、中层高湿、高层干的相对湿度垂直结构特征，这也是8月闪电比较活跃的原因。其中8月11日低层850hPa相对湿度为60% 70%，中层650700hPa之间相对湿度为90%的高湿度中心比较明显，其上相对湿度迅速随高度减小，具有低层湿度不高、中层高湿、高层偏干的典型垂直结构特征，导致昆明站附近14：00—15：00发生闪电1004个；20—23日低层850hPa相对湿度为50% 60%，中层700hPa附近出现高湿层，相对湿度在90%以上，650hPa高度以上相对湿度的垂直分布出现了两种情况，连续的闪电过程前期相对湿度随高度迅速减小，后期中、高层都保持70% 90%的较大相对湿度。

因此可见，低层较大或者较小的相对湿度都不利于雷电的发生发展，这与Betts^[14]、袁铁等^[16]、熊亚军等^[17]的研究一致；闪电活动只能发生在具有低层湿度不高、中层高湿、高层偏干的环境大气中，有时中、高层也具有较大的相对湿度，中、低层水汽随高度增加的环境条件有利于水汽的上升运动和云的凝结形成，中、高层水汽随高度迅速减小的环境条件有利于形成大气对流不稳定，促使对流云进一步发展，从而产生闪电活动。

本文对2007年6月4日、6月24日、7月1日、7月6日、8月11日、8月21日和8月23日等7次主要闪电过程在主要闪电发生时段或之前14：00相对湿度进行合成 (图 4)。由图 4可以看到，闪电发生的相对湿度典型垂直结构特征，在云南省主要闪电发生区域 (23° 27°N) 低层850hPa附近相对湿度低，为55% 75%;中层以下相对湿度随高度增加，到达中层600 700hPa相对湿度较高，达90%95%;中层以上相对湿度随高度减小，在高层250350hPa左右相对湿度减小到45% 60%。可见闪电发生时大气相对湿度具有低层湿度适中、中层高湿、高层偏干的典型垂直结构特征，这样的环境相对湿度条件非常有利于雷暴天气的发生和闪电的形成。一方面中层以上的上干下湿的现象有利于形成对流不稳定；另一方面由于低层湿度不高的环境条件不会出现过多水汽蒸发而抑制上升速度和对流的发展，相反有利于水汽蒸发到中高层；再者中层保持湿层又对闪电的形成和发展提供充沛的水汽条件。

图 4

图 4. 2007年6—8月7次主要雷闪电过程沿102.5°E相对湿度垂直剖面合成 (单位：%) Fig 4. Vertical cross-section resultant diagram of relative humidity along 102.5°E for 7 times of major thunder processes from June to August in 2007 (unit:%)

从2007年6月24日0.1°×0.1°闪电频数空间分布 (图 5a) 可以清楚地看到，6月24日闪电主要发生在滇中及以东地区，云南省发生的闪电频数为15683个，也是6月发生闪电最多的一天，闪电高发区域在曲靖和昆明地区；由昆明站和曲靖站周围50km范围内00：00—24：00闪电逐时演变 (图 5b) 来看，闪电主要发生在12：00—22：00，高峰在15：00—19：00。

图 5

图 5. 2007年6月24日闪电频数时空分布 (a)0.1°×0.1°闪电频数空间分布，(b) 代表站逐时闪电频数演变 Fig 5. Temporal and spatial distribution of lightning frequency on 24 June 2007 (a) 0.1°×0.l° spatial distribution of lightning frequency, (b) hourly variation of lightning frequency for the representative stations

根据本次过程闪电活动区域和闪电活动时段的特点，选取闪电发生相应时段14：00低层850hPa (图 6a)、中层700hPa (图 6b) 相对湿度分布以及沿25°N (经过昆明站和曲靖站附近) 的相对湿度垂直剖面 (图 6c) 进行诊断分析。从图 6可以看出，在850hPa除滇东北、滇西北和滇东南边缘相对湿度等值线密集和相对湿度较大外，云南省大部处于相对湿度低值区中，相对湿度为40% 60%，闪电活动发生在相对湿度为40% 60%的低值区域内，可见低层合适的相对湿度大气环境有利于水汽上升运动，促使对流的凝结形成和闪电的发生；在700hPa上云南省相对湿度变化不大，整个云南上空都具有较大的相对湿度，相对湿度为80% 95%，可见在中层较大的相对湿度大气环境有利于提供充沛的水汽，促进对流云的进一步发展和闪电的发生，闪电就在高湿度区域内活动；在沿25°N相对湿度垂直剖面上，云南省尤其是滇中到滇东 (102° 105°E) 闪电多发区域，在700hPa以下相对湿度随高度增加，低层800 850hPa之间相对湿度较低，处于低湿中心，相对湿度为45% 50%;大约650 700hPa高度处存在一个明显的湿层，相对湿度达90%95%，为高湿中心；650hPa高度以上相对湿度随高度减小，可见闪电就是发生在低层湿度不高、中层潮湿、上层偏干的环境大气中。

图 6

图 6. 2007年6月24日14：00相对湿度分布 (单位：%)(a)850hPa，(b)700hPa，(c) 沿25°N垂直剖面 Fig 6. Relative humidity distribution at 14:0024 June 2007(unit:%) (a) 850hPa, (b)700hPa, (c) vertical cross-section along25°N

2007年8月20—28日是当年闪电发生最集中的时段，其中8月23日发生的闪电频数为23016个，是全省发生闪电最多的一天。图 7给出8月23日0.1°×0.1°云南省闪电频数空间分布 (图 7a) 以及昆明站和文山站周围50km范围内00：00—24：00闪电频数逐时演变 (图 7b)。从图 7可以清楚地看到，8月23日闪电发生区域分布范围广，但主要还是发生在滇中和滇东地区，高发区域在昆明、曲靖和文山地区；又从昆明站和文山站周围50km范围内00：00—24：00闪电频数逐时演变来看，2个代表站闪电主要发生在12：00—24：00，但昆明站发生闪电的时间滞后文山站2 3h，出现闪电频数峰值也滞后23h，文山站闪电频数高峰出现在15：00—16：00，而昆明站闪电频数高峰出现在18：00—19：00。

图 7

图 7. 2007年8月23日闪电频数时空分布 (a)0.1°×0.1°闪电频数空间分布，(b) 代表站闪电频数逐时演变 Fig 7. Temporal and spatial distribution of lightning frequency on 23 August2007 (a)0.1°×0.1°spatial distribution of lightning frequency, (b) hourly variation of lightning frequency for the representative stations

同样根据闪电活动区域和闪电活动时段特点，选取闪电发生或者即将发生时段14：00850hPa (图 8a)、700hPa (图 8b) 相对湿度分布以及沿102.5°E (经过昆明附近) 的相对湿度垂直剖面 (图 8c) 进行诊断分析。在850hPa上，滇西南属于高相对湿度区域，其他区域相对湿度小，处于低相对湿度区域，对照8月23日闪电主要集中在云南省中部和东部地区活动的特点，闪电活动在相对湿度为50%70%的区域内发生和活动；在700hPa上云南省上空相对湿度具有北部小、南部大的特点，闪电主要活动区域 (昆明、文山、曲靖、玉溪等地区) 相对湿度为75% 95%;在沿102.5°E垂直剖面上，24° 27°N之间 (云南省境内) 同样具有中层相对湿度较大的特点，低层850hPa相对湿度为40% 65%，中层600700hPa相对湿度为90% 95%，之上相对湿度虽然随高度减小，但中高层450 600hPa相对湿度减小慢，也保持较高的相对湿度为75% 90%，其上相对湿度才迅速减小，300 400hPa减小到为35%。因此，此次雷电过程仍然具有低层湿度适中、中层湿、高层偏干的特点，但中层到中、高层的高相对湿度层比较深厚，450 700hPa仍然保持较大的相对湿度，可以为雷暴云的发展提供更加充沛的水汽，这可能也是造成此次闪电活动最强的原因。

图 8

图 8. 2007年8月23日14：00相对湿度分布 (单位：%)(a)850hPa，(b)700hPa，(c) 沿102.5°E垂直剖面 Fig 8. Relative humi ditydistribution at 14:0023 August 2007(unit:%) (a) 850hPa, (b)700hPa, (c) verticalcross-section along 102.5°E

因此，闪电只能在具有一定大气湿度的环境中发生，低层850hPa附近湿度不高，一般为40%75%，中层600 700hPa为高湿，相对湿度达80%以上，一般为90% 95%，而高层250 400hPa干，相对湿度为35% 60%，进一步证实了低层湿度不高、中层高湿、高层偏干的环境条件利于雷电天气的发生。

通过对2007年云南省主要闪电过程发生前和发生过程中相对湿度进行诊断分析研究，得到了以下结论：

1) 云南省闪电活动具有时间上分布不均匀的特点，夏季由于高温高湿，闪电频数高，成为云南省闪电发生的高发期；同时闪电活动日分布具有呈一峰一谷变化特征，午后强烈的太阳辐射，能量逐渐累积，局地对流加强，雷电活动逐渐加强，闪电峰值出现在16：00—17：00。

2) 只有在一定环境湿度条件下具备一定的不稳定条件和动力条件闪电才能形成，闪电活动才能发生，因此闪电活动随时间演变具有不均匀和阶段性特点。一方面低层过大的湿度条件会抑制对流发展的上升运动，而较小的湿度不能形成产生闪电活动所需的具有一定强度的云；另一方面大气中不稳定能量积累到一定程度时一些触发动力条件引起对流发展、加强，促使对流云体向上发展，而由起电机制形成云体中的电荷分布使得电场强度达到一定强度时，闪电现象才能产生。

3) 闪电活动只能发生在具有低层湿度不高、中层高湿、高层偏干的典型垂直结构环境大气中，有时中高层也具有较大的相对湿度。一方面低层湿度不高和中低层水汽随高度增加的环境条件不会出现过多水汽蒸发而抑制上升速度和对流的发展，相反利于水汽蒸发到中高层，促使云凝结形成，同时中层 (甚至中高层) 保持高湿又为对流云发展提供充沛的水汽条件；另一方面中高层水汽随高度迅速减小的环境条件有利于形成上干下湿的大气对流不稳定，促使对流云进一步发展，从而产生闪电活动。

4) 云南省闪电活动发生的特定大气相对湿度环境条件是低层850hPa附近相对湿度低，为40%75%;中层600 700hPa之间相对湿度较高，一般达80% 95%，并且中层湿层越深厚，由于提供充沛的水汽条件，闪电过程会越强烈；在高层250400hPa左右相对湿度减小到35% 60%之间。