鄂爾多斯市一次強雷暴天氣雷達回波和地閃特征

張彩云+張永才

摘要 選用鄂爾多斯市氣象局新一代多普勒天氣雷達、閃電定位以及常規氣象觀測資料，針對2012年8月2日發生在內蒙古鄂爾多斯市一次強雷暴天氣伴隨的暴雨和冰雹進行分析和判斷。結果表明，影響系統為前傾槽、切變線和輻合線，溫度對數壓力圖出現了2個不穩定層。雷達產品表現在反射率因子有2個相連的指狀回波，垂直積分液態含水量60 kg/m2，平均徑向速度圖有輻合帶，RCS和地閃在暴雨和冰雹2種天氣現象中有著各自不同的特點。

關鍵詞 暴雨；冰雹；雷達回波；地閃特征；內蒙古鄂爾多斯

中圖分類號 P446 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）23-0227-03

雷暴指積雨云中所發生的雷電交作激烈放電現象，其過境時，氣象要素和天氣現象會發生劇烈變化，強烈的雷暴甚至會帶來冰雹、龍卷等災害。特點是突發性、局地性強，給農牧業生產和人們的日常生活造成諸多不便。多普勒天氣雷達是探測強對流天氣的重要工具之一，為此鄂爾多斯市（以下“鄂市”）氣象局于2005年10月安裝了新一代多普勒天氣雷達。正因雷暴天氣帶來的災害，我國各地氣象科技人員對當地強對流天氣的雷達回波、閃電活動進行了分析和研究。如茍阿寧等[1]分析了2個強風暴系統生命期雷達回波和地閃特征，發現2個風暴的地閃演變特征及閃電在風暴生命史各階段分布的位置不同。張俊蘭[2]利用多普勒天氣雷達資料分析強風暴天氣得到雷暴的直接影響系統、水汽輸送的作用以及在雷暴單體成熟期中層反射率有回波懸垂和弱回波區。王福俠等[3]發現徑向速度的大值區是雷暴大風最重要的雷達回波特征，其最早于弓形回波和陣風鋒回波。本文通過對閃電定位資料和雷達產品進行分析，找出暴雨和冰雹天氣的一些特征，希望為人影指揮作業（增雨和防雹）提供一定幫助。

1 資料來源

雷達回波資料來自鄂市氣象局新一代多普勒天氣雷達（CINRAD/CB），每6 min生成1幅產品。閃電定位資料來自鄂市氣象局閃電定位系統。垂直剖面圖來自鄂市人工影響天氣三維決策指揮系統以及MICAPS常規氣象觀測資料。

2 天氣實況和災情

2012年8月2日鄂市出現了強雷暴天氣，系統自西向東移動，雷暴和降水首先從達拉特旗（以下“達旗”）開始，接著與其相鄰的伊和烏素、東勝、伊金霍洛旗、準格爾旗（以下“準旗”）也陸續開始，達旗的宿亥圖鄉降水量達80.6 mm，東勝的布日都梁也達到暴雨。其中布日都梁18：00左右受短時強降水、雷暴、冰雹（黃豆大小）等30 min的襲擊，造成多處路面積水。達旗中和西鎮挖掘機、推土機各1臺，摩托車、四輪車各1輛被河水淹沒。東勝因雷電太強，造成多戶電視、電纜被擊。

3 天氣背景分析

3.1 中分析

由2012年8月2日8：00中分析得到：貝爾加湖以南、河套以北500、700 hPa槽線非常接近，700 hPa槽線位于500 hPa之前，是典型的前傾槽結構，這種形勢場有利于強對流天氣產生。850 hPa切變線及500 hPa輻合線位于達旗、東勝、準旗等地，造成水汽和不穩定能量在此聚集，上升運動加強。當能量達到一定時，在外力作用下，雷暴天氣開始，系統整體位置在鄂市北部。

3.2 溫度對數壓力圖

由2012年8月2日8：00東勝站（53543）溫度對數壓力圖顯示：有2個不穩定層，分別為510～590 hPa，高度為4.5～5.8 km；380～400 hPa，高度為7.3～9.0 km。自由對流高度4.5 km，CAPE=82.1 J/kg，K=29 ℃。雖然CAPE、K值都不是很大（僅反映8：00大氣狀態），但是大氣已處在不穩定狀態，由于午后氣溫升高，下墊面加熱顯著，產生強對流天氣可能性很大，加之250～500 hPa風向逆轉風速猛增，造成高層冷平流強，為強對流天氣提供動力條件。

4 雷達回波特征

4.1 反射率因子特征

10：44仰角0.5°觀測到距離東勝西北120 km處有弱回波，以后東移加強面積增大，15：00進入達旗、東勝。16：01距離東勝西北75 km回波呈2個相連指狀結構，由圖1（a）可知，16：31回波強度達到60 dBZ，長度約50 km，造成宿亥圖鄉降水量80.6 mm。由圖1（e）可知，17：26距離東勝西25 km回波強度55 dBZ，持續到18：00，造成布日都梁30 min的降水、雷暴、冰雹天氣。20：14減弱成30 dBZ。在整個天氣過程中，不斷有新的雷暴單體生成合并增強分裂。其移動速度快，生消變化大，回波強度在30～60 dBZ之間。從進入到移出鄂市，只有16：31是影響這次天氣的主要回波強度，表現為結構密實、呈指狀、強度大，回波一直在鄂市北部移動，與天氣系統配合一致。說明大氣層結非常不穩定，造成局地對流非常強，對生成強降水、冰雹、雷暴等天氣非常有利。

4.2 垂直積分液態含水量特征

垂直積分液態含水量在不同時間段內表現出不同的特征，10：51距離東勝西北120 km為35 kg/m2，15：43宿亥圖鄉為45 kg/m2，16：31達到最大，為60 kg/m2，見圖1（b），17：15布日都梁為25 kg/m2，一直持續到18：16。在整個天氣過程中VIL維持在25～60 kg/m2，當指狀回波強度和面積達最大時，VIL躍增到60 kg/m2。垂直積分液態含水量如此大，對產生暴雨和冰雹非常有利[4]。VIL的大值區與反射率因子強回波中心形成對應，需關注強降水天氣應對VIL的躍增現象。

4.3 平均徑向速度特征

平均徑向速度圖使用2.4°仰角。分為正速度區，方向遠離雷達；負速度區，方向向著雷達。16：07距離東勝西北75 km大面積負速度區內出現正速度，在正負速度交匯西北側有風向（東南風與西北風）風速（-15 m/s、+10 m/s）輻合，16：38演變成輻合帶，見圖1（c），正負面積幾乎相等，造成大量冷暖空氣、水汽及能量在此堆積，促成大氣層結不穩定，最終導致80.6 mm的降水。

4.4 RCS特征

分別對16：31和17：26的2個體掃數據進行剖面（RCS）發現，16：31云頂高度超過16 km，最大回波強度60 dBZ的高度在6 km，見圖1（d）。分析該雷暴單體，強度表現在由內向外減弱，邊緣光滑整齊，結構密實，呈橢圓形，是一個完整的雷暴單體。回波強度≥50 dBZ云頂高度在9 km，結合最近東勝站8：00探空資料得到0 ℃和-20 ℃層高度分別是4.3、7.0 km，而50 dBZ以上回波頂高度超過了-20 ℃層的高度，表明雷暴單體非常旺盛，對強降水非常有利。由圖1（f）可知，17：26云頂高度達到12 km，最大回波強度55 dBZ的高度在4.2 km，回波強度≥50 dBZ云頂高度在5.8 km，超過了0 ℃層高度，相比16：31的雷暴單體發展要弱些，卻出現了冰雹天氣。

5 地閃演變特征與雷達回波的關系

分別選取宿亥圖鄉（109°08′E，40°12′N）暴雨和布日都梁（109°56′E，39°45′N）冰雹為中心，半徑10 km范圍內10 min累計地閃資料進行統計。

5.1 暴雨的地閃演變與雷達回波的關系

選取地閃時間15：30—16：50進行統計（圖2）發現：地閃共159次（負閃153次、正閃6次），負閃占96.23%，主要集中在16：10以前，15：40—16：00負閃次數猛增，15：50—16：00達到峰值71次/10 min，是槽前上升氣流最強的時候。正是由于受強烈上升運動影響，導致粒子碰撞幾率高而造成。對應雷達產品出現指狀回波，此后負閃猛減，16：20—16：40全部是正閃，指狀回波長度達到最大50 km，強度達到最強60 dBZ。垂直積分液態含水量達到最大60 kg/m2，平均徑向速度出現輻合帶，以后幾乎無地閃現象，指狀回波分裂成塊狀或條狀。由此而知，指狀回波出現時負閃達到高峰。當指狀回波強度和長度、垂直積分液態含水量都達到最大，平均徑向速度出現輻合帶時，地閃全部成正閃。

5.2 冰雹的地閃演變與雷達回波的關系

選取地閃時間17：40—19：10進行統計（圖3）發現，地閃67次全部是負閃，在冰雹天氣過程中體現為波動性，17：40—18：30總體呈上升趨勢，18：20—18：30出現峰值21次/10 min。地閃頻次沒有暴雨多，這與布日都梁位于槽底部上升氣流不是很強有關，此時冰雹天氣已結束。18：30—19：10總體呈下降趨勢，18：40—18：50出現極小值1次/10 min。分析發現，回波強度和垂直積分液態含水量都增大時，地閃頻次緩慢上升。當回波強度和垂直積分液態含水量開始減小，地閃頻次猛增到峰值。需關注：冰雹天氣在地閃頻次緩慢上升中發生，地閃頻次達到峰值時，冰雹天氣結束，回波強度和垂直積分液態含水量都趨于減小。

綜合分析：2種天氣地閃的特點與鐘 敏等[5]的研究相吻合，以降水為主的強對流天氣，負閃占絕大多數，且閃電頻次較多、分布比較集中；而以冰雹、雷雨大風為主的強對流天氣，閃電頻次較少且分布零散。與蘇邦禮等[6]的研究也吻合，若云塊自西向東移動，地磁場磁力線由地球的南極指向北極，因此大量正電荷向云塊上方移動，負電荷向下方移動，當電磁強度達到足夠大時將引起強烈放電而產生負閃。本次天氣過程雷暴云整體自西向東移動，正電荷位于雷暴云上方，負電荷位于下方，地面受雷暴云下方負電荷的靜電感應而形成負閃。

6 結論

（1）本次天氣影響系統為前傾槽、切變線和輻合線，溫度對數壓力圖出現2個不穩定層。切變線南側和輻合線是不穩定區域，有豐富的水汽。高空的冷平流使大氣層結處于不穩定狀態，有利于形成雷暴天氣。

（2）雷達產品表現為2個相連的指狀回波，強度達到60 dBZ，垂直積分液態含水量60 kg/m2，速度圖有輻合區。RCS顯示暴雨和冰雹的垂直伸展高度分別超過-20 ℃和0 ℃層高度，天氣現象發生在這些區域內。

（3）VIL的大值區與強回波中心一致，需關注強降水對應VIL的躍增現象。

（4）在地閃中暴雨和冰雹天氣的生命史特征各不相同，暴雨159次，負閃占96.23%，閃電分布集中，頻次多。指狀回波出現時負閃達到高峰，指狀回波強度和長度、垂直積分液態含水量都達到最大，平均徑向速度出現輻合帶時，地閃成正閃。冰雹67次，全部是負閃，閃電分布零散且頻次少。冰雹天氣在地閃頻次緩慢上升中發生，地閃頻次達到峰值時，冰雹天氣結束，回波強度和垂直積分液態含水量都趨于減小。

7 參考文獻

[1] 茍阿寧，吳濤，高琦，等.襄陽一次強雷暴過程的雷達回波與地閃特征分析[J].暴雨災害，2012，31（4）：365-372.

[2] 張俊蘭.南疆柯坪強雷暴的天氣分析[J].氣象，2011，37（7）：880-888.

[3] 王福俠，俞小鼎，裴宇杰，等.河北省雷暴大風的雷達回波特征及預報關鍵點[J].應用氣象學報，2016，27（3）：342-350.

[4] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與應用[M].北京：氣象出版社，2007：185-187.

[5] 鐘敏，吳翠紅，張兵，等.湖北省兩類強對流天氣云地閃特征及其環境條件對比研究[J].暴雨災害，2010，29（2）：181-185.

[6] 蘇邦禮，崔秉球，吳望平，等.雷電與避雷工程[M].廣州：中山大學出版社，1999.