一次颮線過程的閃電活動與雷達回波特征

王力艷，車向輝（.綏化市氣象局，黑龍江綏化5000；.海倫市氣象局，黑龍江海倫5300）

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一次颮線過程的閃電活動與雷達回波特征

王力艷1，車向輝2
（1.綏化市氣象局，黑龍江綏化152000；2.海倫市氣象局，黑龍江海倫152300）

摘要：本文通過地閃資料以及雷達回波資料，對2012年7月1日黑龍江省中西部地區產生的一次颮線過程進行了地閃時空分布分析和閃電特征性分析，并結合雷達回波資料，研究此次過程的閃電頻數與雷達回波之間的關系。結果表明：此次過程受冷渦系統南移影響，在鋒面上觸發強對流天氣，共出現地閃2404次，其中正地閃為1258次，負地閃為1146次，正地閃的頻數超過了負地閃，占總地閃的52.3%。地閃主要出現在大于30 dBZ的雷達回波內，在40 dBZ以上的強回波中心最為密集，且地閃密集區并沒有發生在雷達回波最強盛的時期，而是緊隨其后。

關鍵詞：颮線；地閃；雷達回波

1　引言

颮線是一種中尺度系統，是由許多雷暴單體（其中包括若干超級單體）側向排列而形成的強對流云帶［1］。它不僅常產生強烈的降水、破壞性大風和冰雹等嚴重的天氣災害，而且還伴有強烈的閃電，造成雷擊災害，破壞高壓輸電線、誘發森林火災、影響現代通訊和計算機的廣泛應用，造成飛行事故、干擾導彈和火箭的發射、破壞建筑物、造成人畜傷亡等［2］，給當地的工農業生產和人們的生活帶來嚴重的損失［3］，特別是隨著現代高科技的發展及其廣泛應用于各個領域，所造成的損失更加重大。

近年來，國內外利用閃電定位系統、多普勒雷達產品以及紅外衛星云圖等資料對颮線等強對流天氣做了大量的觀測。陳哲彰［4］指出暴雨過程地閃頻率很高，但正地閃所占比率很小；冰雹大風天氣的地閃頻率很低，正地閃所占比率很大。Holle等［5］對4個中尺度對流系統（Mesoscale Convective System，簡稱MCS）地閃分布的研究發現，風暴生成后幾個小時出現地閃頻數的峰值，在成熟階段正地閃比例增加，在消散階段負地閃頻數急劇下降。還有一些研究發現地閃極性分布和雷暴的強度之間存在密切的關系，那就是雷暴中正地閃活躍的地區，通常伴有龍卷和冰雹、災害性大風等強對流天氣，這已經引起了氣象工作者深入研究正地閃的興趣。

本文對2012年7月1日黑龍江省中西部地區產生的一次颮線過程進行了地閃資料、雷達回波資料的集合分析，探討雷達資料數據與閃電活動之間的特征相關性，促進閃電資料在強對流災害性天氣的監測和預警中的應用。

2　資料概述及天氣背景分析

2.1黑龍江省2012年氣象概況

黑龍江省是中國最東北的省份，屬溫帶大陸性季風氣候，冬季長而寒冷，夏季短而涼爽，南北溫差大，北部甚至長冬無夏。2012年全省平均年降水量為619.3 mm，比常年偏多18%，冬季特少，春、夏季正常，秋季特多。全省年平均氣溫為2.5℃，比常年偏低0.5℃，冬季偏低，春季正常，夏季偏高，秋季略高。平均年日照時數為2340 h，比常年偏少175 h。2012年氣象災害較為頻繁，主要包括：后冬異常低溫少雪、暴雨洪澇、東部干旱、臺風北上、埋汰秋、風雹、暴雪等。

2.2天氣過程及影響

2012年7月1日，在黑龍江省中西部地區產生一次較大范圍的降水過程，受颮線影響，綏化部分地區出現短時強降水，暴雨過程中雷電不斷。17-23時，20個鄉鎮雨量站6 h降水合量在50 mm以上，超過了“暴雨”定義中的24 h內降雨量40 mm的警戒線，其中青岡縣永豐鎮最大，為135 mm，其主要降水時段在18-21時，3 h降水量達到120 mm。降水強度較大的區域呈東北-西南向帶狀分布，整體向偏東方向移動，18-19時降水強度最大，青岡縣永豐鎮降水達84 mm。此次過程降水強度大，影響范圍廣，強降水區與颮線對應呈帶狀分布，農作物受災總面積57865畝，其中明水地塊1715畝，受風災倒伏面積35000畝，受雹災面積21150畝，損毀橋梁3座，房屋倒塌1間。據估算，經濟損失1450萬元。

2.3資料概述

2.3.1閃電定位資料的來源

閃電定位系統主要對閃電發生的時間、強度、位置進行監測和定位，一般通過對閃電中聲、光或電磁脈沖等［6-7］的測定進行遙測閃電回擊放電參數，并把經過預處理的閃電數據實時地通過通訊系統送到中心數據處理站實時進行交匯處理。本文閃電資料來自于黑龍江省氣象部門的ADTD閃電定位系統。該系統由21個探測子站組成，單站的探測范圍約為150 km，系統采用時差和方位混合多站綜合定位方法，主要探測的是云地閃電，定位誤差在1000 m以內。每個閃電資料包括的信息有時間、位置、性質、強度、陡度、能量等參數。

2.3.2雷達資料的來源

雷達資料來源于黑龍江省氣象部門設立的多普勒氣象雷達系統，該系統主要有8個站點，分別為大興安嶺、黑河、佳木斯、哈爾濱、伊春、牡丹江、齊齊哈爾、九三農場，24小時全天候運轉，每6 min完成一次體積掃描。新一代天氣雷達具有高增益（放大量）、高發射頻率、高接收靈敏度、高分辨率、探測距離遠等眾多優越性［8］。

3　地閃資料分析

3.1地閃時間分布

黑龍江省中西部地區于2012年7月1日17-23時發生了一次受颮線過程影響的強降水天氣。根據閃電定位系統顯示，此次過程共出現地閃2404次，其中正地閃為1258次，負地閃為1146次，正地閃的頻數超過了負地閃，占總地閃的52.3%。由圖1可知，此次颮線過程的地閃變化主要分為4個階段，每個階段都出現峰值。地閃總頻數達到2404次，且出現正地閃頻數多于負地閃的情況。

第一階段：17時-18時30分。地閃在颮線過程剛剛開始時頻數較大，但10 min之內閃電頻數直線下降，在17時50分-18時閃電頻數出現一次較小的峰值，即10 min閃電頻數為71次，但17時10分-18 時30分總體地閃頻數和強度均處于相對穩定的階段。

第二階段：18時30分-20時10分。地閃頻數出現陡增的現象，在19時20分-19時30分之間閃電頻數為141，達到整個雷暴過程的峰值。這一階段地閃總數為1075次，占整個過程地閃總數的42.3%，地閃頻數平均達到了10.8次/min。

第三階段：20時10分-21時50分。此階段地閃頻數較前一階段迅速降低，并呈現多峰值現象。先后出現四次地閃頻數峰值，但總體地閃頻數和強度均處于相對穩定的階段。此階段每分鐘地閃數目平均為7.2次。

第四階段：21時50分-23時。同第三階段相比較，雖然都呈多峰值現象，但總體頻數與強度略有降低，平均每分鐘地閃數目為3.6次。

圖1　2012年7月1日17-23時每10 min黑龍江省閃電頻數變化情況

3.2地閃空間分布

此次雷暴過程的地閃密集區域總體自黑龍江省西南部向中部移動。17-18時地閃數目較多，閃電密集區主要分布在黑龍江省西部地區（綏化、大慶），北部地區（大興安嶺、黑河）地閃分布稀疏。正地閃數目小于負地閃。18-19時地閃數目明顯增加，并且地閃總數和地閃密度也達到了峰值時段。閃電密集區主要出現在綏化和大慶兩個地區，此時段閃電落區已逐漸向中部移動。19-20時地閃數目略有減少，閃電密集區幾乎全部覆蓋綏化市，且正地閃數目稍有增加。20-21時地閃數目繼續降低，閃電落區逐漸向綏化北部移動，此時段正地閃數目大于負地閃數目。21時之后地閃數目明顯減少，但主要密集區依舊是綏化市，正地閃頻數依舊大于負地閃頻數，但相對21時數目明顯減少。22-23時綏化地區閃電落區分散，無主要密集區，但哈爾濱市相對之前閃電頻數稍有增加，且出現閃電密集區。

3.3正、負地閃對比特征分析

此次颮線過程中，正地閃略多于負地閃。17-20時，負地閃占地閃總數的百分比均保持在50%以上，此時正地閃所占比例小于負地閃。但是在20-23時，負地閃所占地閃總數的百分比都保持在 50%以下，其中20-21時，負地閃所占地閃總數比例僅為35%。此次颮線過程中負地閃最大強度大于正地閃的最大強度，但是負地閃平均電流強度為-40.01 kA，正地閃平均電流強度為45.28 kA，數值上正地閃的平均電流強度相對較大。雷暴初生和消散階段正負地閃最大電流強度都呈上升趨勢，雷暴成熟階段正負地閃的最大電流強度變化略有一致。初生階段正地閃最大電流強度為 229.5 kA，此階段負地閃最大電流強度低于正地閃。進入成熟階段之后，二者表現出同增同減的特征，且負地閃最大電流強度開始直線上升，但在臨近消散階段又直線下降。整個過程中，正地閃最大電流強度變化不明顯，數值一直保持在200 kA左右，而負地閃波動比較明顯（圖2）。

圖2　2012年7月1日17-23時黑龍江省正、負地閃最大強度變化情況

4　雷達回波特征

本次過程雷達回波反射率產品圖上颮線特征明顯，具有典型的帶狀分布，颮線經過之處產生強降水天氣。颮線演變過程經歷了生成-發展-強盛-減弱四個階段，強盛階段持續了將近2 h，也是降水強度最大的時段。

初生階段。17時59分，對流云帶分為南北兩段斷裂的回波帶，北半部分回波帶由分散的對流單體連成帶狀，并且在回波帶前緣不斷有新的對流單體觸發。新觸發的對流單體面積較小，回波中心強度強，超過50 dBZ，帶來較大強度的降水；南側回波帶為積層混合云系，鑲嵌在層云回波中的對流單體，相互影響，層云面積逐漸減小，回波整體向偏東方向移動。

風速場分析，整個對流帶有明顯的偏南急流，給發展中的風暴提供了源源不斷的暖濕空氣，與帶狀回波前緣的外流氣流交匯，在氣流的前側觸發新的單體發展。

發展階段。18時33分，北部對流帶前沿新生成的對流單體合并入回波帶中，形成結構密實的帶狀回波，長度和寬度同時增加；南部混合云回波中的對流單體連接成帶狀，層云面積進一步減小，對流性云帶形成。18時56分混合云、層云面積迅速減小，積云迅速發展，前緣發展的對流單體并入主云帶，南北兩條對流云帶連接成帶狀，形成颮線，此時，南北云帶連接處速度場輻合，風速增大，對流進一步發展。

強盛階段。19時31分，颮線達到最強盛階段，長度與寬度發展到最大，強回波質心懸垂，颮線在速度圖上有明顯速度輻合帶，出現“速度模糊”，此時的云帶整體向東移動，速度較快。19時42分，回波帶寬度變窄，結構更加密實。此階段是降水強度最大的時段，颮線所經之處都有較強的降水。

減弱階段。颮線降水出現后，雷暴中上升氣流減弱，下沉氣流增強，颮線進入減弱階段。20時05分，颮線中段前沿開始出現陣風鋒，出流明顯，較強下沉氣流的拖曳作用使得風暴強度減弱。到20時50分，回波帶結構逐漸松散，回波頂高和回波強中心高度都開始下降，回波強度減弱，層狀云面積逐步加大，強對流的組織性減弱，回波維持帶狀向東移動，趨于一般性降水。

5　閃電頻數與雷達回波的關系

雷達的組合反射率產品圖包含云中降水粒子的有關信息，可以很好的反應天氣系統的變化、對流云團等的生消發展狀態等。通過不同時刻地閃的空間分布與雷達獲得的組合反射率數據進行多次細致的對比分析得出，地閃的分布與組合反射率之間有較好的相關性。本文把閃電疊加到雷達回波上進行分析。為便于分析說明，分別選擇7月1日19時13分和19時19分在仰角1.5°、探測范圍150 km的雷達回波產品圖上疊加前6 min發生的閃電，保持與多普勒天氣雷達體掃間隔同步。

從多普勒雷達的探測結果可以看出，這是一次較典型的颮線過程，雷達回波非常強，強回波中心超過50 dBZ，閃電均發生在大于30 dBZ的雷達回波內，尤其在40 dBZ以上強回波中心區域地閃密集，在其后部大片連續的弱回波區（＜30 dBZ）內僅有零星閃電發生，同時還注意到偶爾的正地閃偏離強回波帶，出現在弱層回波區內。望奎、青岡等地處于強回波帶地區，青岡縣地閃密度最大，且多為正地閃。地閃密度隨著回波強度增大，總體上呈增強趨勢。地閃活動分布也存在一定規律，正地閃發生在強回波及其鄰近區域，而負地閃則發生在系統后部的穩定性降水區。19時19分的回波強度相對19時13分的明顯降低，≥50 dBZ的強回波中心已消散。但是，閃電密度明顯增加，地閃密集區同樣出現在＞30 dBZ的雷達回波內，并且正地閃占主導地位。

綜上所述，可以得出，此次颮線過程中地閃主要出現在＞30 dBZ的雷達回波內，在40 dBZ以上的強回波中心最為密集，并且通過對比可知，地閃密集區隨著強回波中心的消散而出現，也就是說，此次過程中，地閃密集區并沒有發生在雷達回波最強盛的時期，而是緊隨其后。

6　結論

通過對此次颮線過程中強雷暴過程的集合分析可以得出：

（1）根據閃電定位系統顯示，此次過程共出現地閃2404次，其中正地閃為1258次，負地閃為1146次，正地閃的頻數超過了負地閃，占總地閃的52.3%。通過空間分布得出，此次雷暴過程的地閃密集區域總體自黑龍江省西南部向中部移動。此次颮線過程中負地閃最大強度大于正地閃的最大強度，但是負地閃平均電流強度為-40.01 kA，正地閃平均電流強度為45.28 kA，數值上正地閃的平均電流強度相對較大。

（2）此次颮線過程中地閃主要出現在＞30 dBZ的雷達回波內，在40 dBZ以上的強回波中心最為密集，并且，通過對比可知，地閃密集區隨著強回波中心的消散而出現，也就是說，此次過程中，地閃密集區并沒有發生在雷達回波最強盛的時期，而是緊隨其后。

參考文獻

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中圖分類號：P458.1+2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-252X（2016）02-0013-03

收稿日期：2016-3-1

第一作者簡介：王力艷（1991-），女，黑龍江省綏棱縣人，南京信息工程大學，本科生，助理工程師.