利用ADTD地閃數(shù)據(jù)對(duì)河南省一次雷暴過(guò)程的分析

楊美榮 劉超

摘要選取河南省2018年5月15日一次雷暴天氣過(guò)程，利用ADTD地閃定位系統(tǒng)以及多普勒天氣雷達(dá)等資料，分析地閃在該天氣過(guò)程中的特征、初始地閃發(fā)生時(shí)的雷達(dá)回波特征以及地閃與垂直液態(tài)水含量、雷暴頂高的關(guān)系。結(jié)果表明，地閃在隨時(shí)間的變化中具有多峰特征，整個(gè)雷暴過(guò)程中正地閃占總地閃的比例達(dá)50.8%;正地閃的突然增加能指示降雹的發(fā)生;地閃頻數(shù)的變化與液態(tài)水含量高值區(qū)面積的變化趨勢(shì)較一致;40dBz回波高度與地閃頻數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。

關(guān)鍵詞地閃;雷暴;垂直液態(tài)水含量;雷暴頂高

中圖分類號(hào)P458文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2020）04-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.063

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis of a Thunderstorm Process in Henan Province Using ADTD Ground Flash Data

YANG Mei-rong1，LIU Chao2（1.Henan Meteorological Disaster Prevention Technology Center， Zhengzhou，Henan 450000;2.Henan Meteorological Observatory， Zhengzhou，Henan 450000）

AbstractWe selected a thunderstorm weather process in Henan Province on May 15， 2018，using the data of ADTD ground lightning location system and Doppler weather radar and other data，the characteristics of ground flash in this weather process，the radar echo characteristics of initial lightning occurrence and the relationship between ground flash and vertical liquid water content and thunderstorm top height were analyzed.The results showed that the ground flashes had multi-peak characteristics in the change with time， and the proportion of positive ground flashes to total ground flashes during the entire thunderstorm process reached 50.8%;the sudden increase in positive ground flash could indicate the occurrence of hailfall; the change of ground flash frequency was more consistent with the change trend of the area of high value area of liquid water content;and the echo height of 40 dBz had a good correlation with ground flash frequency.

Key wordsGround flash;Thunderstorms;Vertical liquid water content;Thunderstorm top height

雷電（也稱為“閃電”）是雷暴天氣中發(fā)生的一種長(zhǎng)距離瞬時(shí)放電現(xiàn)象。自然界中1/3左右的雷電會(huì)擊中地球，被稱為地閃。雷電災(zāi)害一直是影響河南省以及我國(guó)的重要?dú)庀鬄?zāi)害，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，雷電災(zāi)害的發(fā)生頻率和危害程度越來(lái)越大。關(guān)于閃電的研究一直是氣象科學(xué)研究中比較活躍的分支領(lǐng)域。Soula等[1]、馮桂力等[2]研究發(fā)現(xiàn)降雹的雷暴正地閃比例通常較高，降雹階段恰好對(duì)應(yīng)著正地閃快速增加的階段。袁鐵等[3]研究我國(guó)華南一次強(qiáng)颮線過(guò)程的閃電活動(dòng)及其與降水結(jié)構(gòu)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，對(duì)流單體的最大雷達(dá)反射率垂直廓線可以很好地指示單體的閃電頻數(shù)和對(duì)流發(fā)展強(qiáng)度。張一平等[4]對(duì)河南省強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程中雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)及閃電時(shí)空特征進(jìn)行了細(xì)致分析。不僅不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣閃電活動(dòng)特征不同，不同季節(jié)的天氣過(guò)程也表現(xiàn)出不同的閃電特征。陳濤等[5]分析了我國(guó)南方春季中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）的發(fā)生、發(fā)展特征，重點(diǎn)探討了環(huán)境條件差異及其對(duì)MCS的影響。于庚康等[6]對(duì)2次颮線過(guò)程進(jìn)行了分析，認(rèn)為夏季發(fā)生的颮線過(guò)程的熱力作用更強(qiáng)。除了研究閃電資料對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的指示作用外，閃電自身的預(yù)報(bào)也是當(dāng)前探討的重要問(wèn)題。鄭棟等[7]分析北京地區(qū)雷暴發(fā)現(xiàn)，閃電活動(dòng)與潛在對(duì)流性穩(wěn)定度指數(shù)、對(duì)流有效位能、抬升指數(shù)和700 hPa相當(dāng)位溫具有較強(qiáng)的相關(guān)性。Martinez[8]研究14個(gè)對(duì)流單體在形成初期雷達(dá)反射率因子和閃電活動(dòng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，要想單體中能夠發(fā)生閃電，單體回波中40dBz以上回波的頂高必須高于7 km;只發(fā)生云閃和將要發(fā)生地閃的單體在閃電初始激發(fā)高度，以及激發(fā)位置的雷達(dá)反射率都是不同的。Deierling等[9]研究指出云中起電主要發(fā)生-30～-15 ℃溫度層;在電荷分離時(shí)，每次碰撞轉(zhuǎn)移的電荷量隨著冰晶尺度的增大而增加。Vincent等[10]認(rèn)為在-10 ℃層結(jié)高度處40 dBz回波強(qiáng)度是預(yù)測(cè)初次地閃發(fā)生的最佳預(yù)測(cè)因子。雖然對(duì)雷暴天氣閃電活動(dòng)特征的研究已經(jīng)有很多，但由于閃電物理機(jī)制的復(fù)雜性，不同地區(qū)、不同類型甚至不同季節(jié)的雷暴閃電活動(dòng)都表現(xiàn)出不同的特征，目前尚未獲得對(duì)雷暴天氣閃電特征完全清晰的認(rèn)識(shí)。筆者利用ADTD閃電資料、新一代天氣雷達(dá)資料對(duì)河南省一次雷暴過(guò)程進(jìn)行分析，以期為雷暴的閃電活動(dòng)特征提供有價(jià)值的參考信息。

1資料與方法

1.1閃電資料該研究所用的地閃資料為河南省ADTD雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，探測(cè)的雷電參量為地閃回?fù)暨^(guò)程的時(shí)間、位置、放電極性、峰值強(qiáng)度、陡度等信息。標(biāo)準(zhǔn)四站定位網(wǎng)的定位誤差在500 m以內(nèi)，強(qiáng)度相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，極性判定正確率99.99%，探測(cè)效率80%～90%，探測(cè)范圍平均300 km。地閃一般有多次回?fù)簦撗芯繉㈤W擊數(shù)據(jù)通過(guò)一定算法統(tǒng)計(jì)為地閃數(shù)據(jù)，方法如下：將時(shí)間間隔小于1.0 s、水平距離在10 km之內(nèi)、極性相同的閃擊判定為屬于一條地閃;地閃的位置取定位站數(shù)最多的閃擊的位置，如果有多個(gè)閃擊定位站數(shù)一樣多，取其平均位置。

1.2雷達(dá)資料

雷達(dá)能提供強(qiáng)度、速度和譜寬等信息，是監(jiān)測(cè)中小尺度對(duì)流系統(tǒng)最有效的工具。該研究共使用2部多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別為鄭州雷達(dá)（34°42′14″N，113°41′49″E）、商丘雷達(dá)（34°24′25″N，115°37′48″E）。為了方便分析閃電與垂直液態(tài)水含量的關(guān)系，分別計(jì)算了液態(tài)水含量≥10 kg/km2（下文簡(jiǎn)稱VIL10）和≥30 kg/km2（下文簡(jiǎn)稱VIL30）區(qū)域內(nèi)的液態(tài)水總量。

2結(jié)果與分析

2.1雷暴過(guò)程2018年5月15日11：36鄭州雷達(dá)組合反射率圖中西華縣與商水縣交界處開(kāi)始出現(xiàn)小片回波，回波頂高僅有5 km，云團(tuán)向東北方向移動(dòng)，在12：30開(kāi)始出現(xiàn)55 dBz回波色塊，之后快速增強(qiáng)，ADTD于12：46：21觀測(cè)到第一次地閃，其后繼續(xù)向東北方向發(fā)展，并數(shù)次與周邊的小塊回波合并、加強(qiáng)，發(fā)展至商丘市睢陽(yáng)區(qū)路河鎮(zhèn)單莊村時(shí)（約15：30）其產(chǎn)生的雷電使該村一村民遭雷擊死亡。雷暴發(fā)展至商丘區(qū)段時(shí)（約15：50）產(chǎn)生冰雹，然后在商丘地區(qū)減弱并消散。此次過(guò)程中有10個(gè)自動(dòng)雨量站顯示小時(shí)降雨量超過(guò)20 mm，其中最大小時(shí)降雨量為36.3 mm。此次雷暴過(guò)程ADTD觀測(cè)到地閃57次，其中正地閃29次，平均正地閃強(qiáng)度84.76 kA;負(fù)地閃次數(shù)26次，平均負(fù)地閃強(qiáng)度-23.59 kA。

2.2閃電特征

分析ADTD地閃數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（圖1），地閃在隨時(shí)間的變化中具有多峰特征。該雷暴過(guò)程中負(fù)地閃在15日15：10之前數(shù)量上超過(guò)正地閃，在15：10—15：30正地閃數(shù)量突然增加。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在整個(gè)雷暴過(guò)程中正地閃占總地閃的比例達(dá)50.8%。15：18雷達(dá)回波圖顯示，此時(shí)出現(xiàn)了三體散射長(zhǎng)釘，這預(yù)示著10～30 min會(huì)有冰雹降落[11]，結(jié)合圖1發(fā)現(xiàn)15：20正地閃達(dá)到峰值。雖然整個(gè)雷暴過(guò)程閃電數(shù)量不多，降雹過(guò)程也比較短暫，但其正地閃的變化特征與前人分析的雹暴過(guò)程的閃電特征相似[2-3，12]，這說(shuō)明在較弱的降雹過(guò)程中，正地閃的突然增加也能指示降雹的發(fā)生。

2.3初始地閃的發(fā)生云團(tuán)第一次觀測(cè)到地閃是在15日12：46，對(duì)12：48雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面分析（圖2），發(fā)現(xiàn)該時(shí)刻云團(tuán)強(qiáng)回波中心在6 km高度，強(qiáng)度達(dá)60 dBz，說(shuō)明該時(shí)刻雷暴的上升運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)，能將大冰粒子維持在6 km高度。研究發(fā)現(xiàn)，云內(nèi)電活動(dòng)的強(qiáng)弱取決于冰相粒子的密度、碰撞、電荷轉(zhuǎn)移和分離等因素，只有上升氣流足夠強(qiáng)，才能將過(guò)冷卻水帶到高處，凝結(jié)或凍結(jié)成更多的冰相粒子，同時(shí)上升氣流對(duì)冰晶和霰碰撞、轉(zhuǎn)移電荷量以及冰晶彈開(kāi)分離等方面均起著積極的作用[13]。

2.4地閃與垂直液態(tài)水含量的關(guān)系

閃電和降水關(guān)系是近年來(lái)被普遍關(guān)注的一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。一方面，對(duì)于具有強(qiáng)對(duì)流特征的雷暴來(lái)說(shuō)，閃電活動(dòng)與對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)度和云內(nèi)的冰相過(guò)程關(guān)系密切，同時(shí)對(duì)流活動(dòng)也是雷暴產(chǎn)生強(qiáng)降水的關(guān)鍵原因，因此從雷暴動(dòng)力和微物理角度來(lái)說(shuō)，閃電和降水之間存在內(nèi)在聯(lián)系。雷達(dá)產(chǎn)品垂直液態(tài)水含量（VIL）是反映云內(nèi)某一面積內(nèi)柱體的所有液態(tài)水的含量，能把三維的云體信息通過(guò)二維的圖像直觀地表達(dá)出來(lái)。高VIL值對(duì)應(yīng)于強(qiáng)上升氣流的高反射率、深厚區(qū)域，且高VIL值與強(qiáng)降水有關(guān)[14]。

選取10 min內(nèi)最貼近地閃發(fā)生時(shí)間的雷達(dá)VIL產(chǎn)品，分別計(jì)算雷暴范圍內(nèi)VIL≥10 kg/km2（簡(jiǎn)稱VIL10）和≥30kg/km2（簡(jiǎn)稱VIL30）區(qū)域內(nèi)的液態(tài)水總量，分析2種液態(tài)水含量與地閃頻數(shù)的關(guān)系（圖3）。對(duì)比VIL10、VIL30發(fā)現(xiàn)，VIL30的變化與地閃頻數(shù)演變的關(guān)系較好，峰值谷值均能較好的對(duì)應(yīng)，而VIL10則對(duì)地閃的變化沒(méi)有靈敏的響應(yīng)。進(jìn)一步計(jì)算相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)VIL10、VIL30與地閃頻數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.30和0.72。這與孫自勝等[15]的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)VIL大值區(qū)的移動(dòng)以及VIL大值區(qū)面積的變化與地閃頻數(shù)的整體變化是一致的。

2.5地閃與雷暴頂高的關(guān)系

回波頂高（ET）與閃電發(fā)生的關(guān)系是比較密切的，回波發(fā)展的高度是產(chǎn)生閃電的一個(gè)很重要的先決條件，沒(méi)有發(fā)展很高的云頂就沒(méi)有產(chǎn)生大量冰相粒子的條件和凈電荷分離的起電機(jī)制，即使在VIL不是很大的地方，如果ET較大也會(huì)發(fā)生大量的閃電。統(tǒng)計(jì)雷暴40 dBz回波的高度（簡(jiǎn)稱ET40）和雷暴25 dBz回波高度（簡(jiǎn)稱ET25）隨時(shí)間的變化趨勢(shì)（圖4）發(fā)現(xiàn)，雷暴頂高與地閃頻數(shù)在隨時(shí)間的變化中峰谷值均能對(duì)應(yīng)，特別是當(dāng)?shù)亻W頻數(shù)達(dá)到最高時(shí)，ET40突破12 km高度、ET25突破14 km高度，均達(dá)到了最高值。計(jì)算發(fā)現(xiàn)ET40、ET25與地閃頻次的相關(guān)系數(shù)分別為0.68、0.67。ADTD地閃峰值在14：40之前總是滯后于ET40的峰值時(shí)間，考慮是因?yàn)樵谠茍F(tuán)體積不大、云團(tuán)重心隨高度傾斜不明顯的情況下，強(qiáng)上升氣流將云體高度推到最高處，但此時(shí)雷暴電荷的積累并不是很強(qiáng)，需要上升氣流維持一定時(shí)間甚至是開(kāi)始減弱時(shí)才有足夠的電荷量觸發(fā)地閃。而在14：50和15：20地閃與雷暴頂高同時(shí)達(dá)到峰值，是因?yàn)樵企w體積較大，電荷積累已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)并且云體傾斜度相對(duì)較高，所以觸發(fā)地閃相對(duì)更容易。結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn)，15：20正地閃頻數(shù)達(dá)到峰值，而此時(shí)ET40達(dá)13 km，說(shuō)明此時(shí)雷暴對(duì)流活動(dòng)很強(qiáng)。朱義青等[16]研究表明正地閃的發(fā)生需要更強(qiáng)的對(duì)流活動(dòng)。