永州市雷暴氣候特征及預警指標研究

馮憬婉 宋伊文 馮平榮 宋定滿

[摘要]利用永州市1960～2013年的雷暴日資料，通過數理統計、線性趨勢擬合，研究了永州市近54a來雷暴的年代際變化特征、空間分布特征。結果表明：永州市雷暴日數年際間變化幅度較大，年均雷暴日總體呈下降趨勢，大約每10a減少6d，雷暴日分布南多北少。永州市月均雷暴日變化呈明顯的雙峰型，夏季（6～8月）持續較多，占49.7%。利用雷達和衛星資料對2016～2017年永州地區發生的20次雷暴天氣過程進行研究發現：永州地區在基本反射率達到了35dBz，組合反射率達到40dBz，回波頂達到6km，垂直積分液態水含量超過5kg/m2，黑體溫度變溫率大于等于7℃/h和黑體溫度低于等于-27℃等條件時，預報有雷電發生。

[關鍵詞]雷暴;氣候特征;預警;雷達;衛星? ?[中圖分類號]P446[文獻標識碼]A

引言

雷暴是一種伴有冰雹、大風和雷電等多種天氣現象的中小尺度天氣過程，雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀的放電現象。由于雷暴這種對流性天氣過程具有范圍小、發展快、持續短、影響大的特點，分析雷電的時空分布特征，了解雷電發生發展規律，及時發布雷電預警信號，對減少雷電災害造成的損失有重要意義。

近年來一些氣象科技人員研究和探討了多普勒雷達資料在雷電短時預報中的應用，得出了一些雷電預警指標。但是針對永州市雷暴氣候特征及預警的研究尚少，僅李湘祁等簡要分析了永州市雷暴的空間分布情況。本文利用永州市雷暴日資料，詳細分析了永州市雷暴的年、月、季變化特征，利用新一代多普勒天氣雷達和衛星資料，分析數據資料相關特征，提取用雷達和衛星資料進行雷電預警的預報因子，為閃電的臨近預報提供有力的證據。

1? ? 永州市雷暴氣候特征分析

1.1? ? 研究資料和方法

利用永州市11個氣象觀測站1960～2013年54a的雷暴日資料，進行了永州市雷暴氣候特征分析及其區劃研究。

可以用一元線性函數y=ax+b來表示氣象要素y序列的長期趨勢變化，x表示時間序列（x=1960、1961、、2013），b為常數項，a表示線性傾向值。a為正（負）時表示氣象要素在所計算的時間序列內有線性增（降）的趨勢，|a|反應增或降的速率。定義線性傾向值a乘以10為氣候傾向率，雷暴氣候傾向率單位為d/10a。

1.2? ? 永州市雷暴年變化特征

永州市11個氣象站1960～2013年54a平均雷暴日數為55.7d。從圖1中可以看出，54a來永州市雷暴日數年際間變化幅度較大，最大為1975年的83.8d，最小為2011年的29.5d。由5年滑動平均曲線可以看出，60年代初期雷暴日開始增多，直到80年代一直上下波動，到80年代中期開始在波動中持續減少。通過計算得到永州市雷暴日的趨勢定量化一次線性方程為y=1253.1642-0.6021x，氣候傾向率為-6.021/10a，即自1960年以來，永州市年均雷暴日總體呈現下降趨勢，大約每10a減少6d。

分析雷暴日的年代際變化趨勢（見表1），60年代各縣平均雷暴日數明顯多于多年平均值，而21世紀以來則顯著小于多年平均值，80年代中期前后是永州市雷暴日數由多變少的轉折點。各縣雷暴日數均呈下降趨勢，但下降幅度不同，祁陽縣的下降趨勢最明顯，氣候傾向率為-8.491d/10a，而東安縣的下降趨勢最弱，氣候傾向率僅為-3.155d/10a。

1.3? ? 永州市雷暴月、季變化特征

永州市月均雷暴日變化（見圖2）呈明顯的雙峰型，1～4月開始逐漸增多，4月達到第一個峰值;5月有所減少，之后6～8月持續增多，8月份達到第二個峰值。夏季（6～8月）持續較多，占49.7%，9～12月逐漸減小。這主要是由于永州地區夏季高溫潮濕，容易產生強對流，形成雷暴天氣。

1.4? ? 永州市雷暴空間分布規律

永州市位于湖南省東南西三面環山、向東北開口的馬蹄形盆地的南緣，南北緯度跨越較大。受地形和氣候條件的影響，永州市雷暴空間分布不盡相同。由圖3可以看出，永州市雷暴日分布南多北少，這可能是由南部山區偏多的地形原因造成的。但是這個結果與閃電定位數據密度空間分布呈現的南少北多規律不一致，主要原因是永州處于本省南部邊界，本站及附近站點的分布在永州市北部及東北部，且探測范圍沒有完全覆蓋到永州市的南部地區。

2? ? 雷電預警因子研究

閃電的發生與云體發展有關，新一代天氣雷達和衛星資料，能夠綜合直觀地了解天氣過程的發生發展趨勢。選取永州市區域內2016～2017年發生的20次雷暴天氣作為研究對象，利用閃電定位儀、雷達和衛星資料，找出雷電發生的共同特征。

2.1? ? 資料選取

雷達資料選取的是新一代天氣雷達監測PUP產品中的基本反射率（R）、組合反射率（CR）、回波頂高（ET）、垂直積分液態水含量（VIL）;衛星資料選取的是黑體溫度，通常將氣象衛星紅外通道的觀測值以相當黑體溫度（TBB）表示，也稱之為“亮度溫度”或者“亮溫”。將雷達和衛星資料進行分析驗證，以期得到比較可靠的雷電預警指標。

2.2? ? 基本反射率和組合反射率特征分析

從表2的參數來看，閃電發生時基本反射率基本都達到了35dBz，但是也有30dBz時發生閃電的少量情況，這與Mac Gorman and Rust1988年發現的，當雷暴云在雷達反射率因子大于或者等于35dBz時，就可能產生足夠高的軟雹濃度促使閃電發生相符合。組合反射率因子表示的是在一個體積掃描中，將常定仰角方位掃描中發現的最大反射率因子投影到笛卡爾格點上的產品。由圖4可以看出：組合反射率在40dBz時是發生雷暴的一個重要參數特征。

2.3? ? 回波頂高特征分析

雷達回波頂高是判斷冰雹云的一個重要指標，雷暴云的回波頂高平均值為9.3km（因地區不同有所差異），從圖5可以看出只有3個個例的回波頂高在6km以下，6km及以上的占個例總數的85%，所以將6km回波頂高作為永州地區將要發生閃電的預警參數，有著可靠的依據。

2.4? ? 垂直積分液態水含量特征分析

垂直積分液態水含量與基本反射率的強度有關，持續高的垂直積分液態水含量又對應于超級單體回波，這一特性可以識別出更強的雷達回波，從而可以進一步確定雷暴出現的可能性。圖6中垂直積分液態水含量的特征比較離散，超過半數以上的個例中垂直液態水含量超過了5kg/m2，可以將此數據作為初步判斷雷電發生的依據。

2.5? ? 黑體溫度特征分析

黑體溫度變溫率可以間接反映出云頂高度發展情況。在選出的20次個例中，有17次云頂黑體溫度降溫率大于等于7℃/h，有14次云頂黑體溫度低于等于-27℃;同時滿足降溫率大于等于7℃/h和黑體溫度低于等于-27℃的有11次（見圖7）。這與Goodman and Mayer（1988）研究的衛星云圖特征，發現產生放電的對流云頂溫度一般低于-30℃基本吻合。

3? ? 結論

（1）永州市54a平均雷暴日數為55.7d，永州市雷暴日數年際間變化幅度較大，年均雷暴日總體呈下降趨勢，大約每10a減少6d。永州市月均雷暴日變化呈明顯的雙峰型，夏季（6～8月）持續較多，占49.7%。雷暴日分布南多北少，這可能與南部山區偏多的地形有關。

（2）永州地區可以在基本反射率達到35dBz，組合反射率達到40dBz，回波頂達到6km，垂直積分液態水含量超過5kg/m2，黑體溫度變溫率大于等于7℃/h和黑體溫度低于等于-27℃等條件時，預報有雷電發生。

[參考文獻]

[1] 徐永勝，趙景昭，王耀悉，等.雷電預警預報與防護技術[M].長沙：湖南科學技術出版社，2015.

[2] 安昕，張國林.遼寧西部半干旱區近50年降水趨勢及周期變化[J].中國農學通報，2012，28（5）：214-220.

[3] 李湘祁，賓雍偉，龍斌，等.2007-2012年永州地區閃電數據分析[J].氣象研究與應用，2014，35（2）：217-218.

[4] 胡中明，張智勇，王曉明，等.吉林省一次區域性暴雨天氣過程的TBB圖像特征分析[J].暴雨災害，2007，26（2）：130-133.

[5] 俞小鼎，等.多普勒天氣雷達原理與業務應用[M].北京：氣象出版社，2006.