基于雷達、衛星資料對河南省一次雷暴過程的地閃演變分析

楊美榮

（河南省氣象災害防御技術中心，河南 鄭州450003）

雷暴（Thunderstorms）是伴有雷電的嚴重災害性天氣，具有極強的破壞性和殺傷力，直接威脅著人們的生命和財產安全。近年來隨著探測技術的發展，人們利用多種觀測資料對不同類型強對流如冰雹、颮線、臺風、雷暴大風、暴雨等天氣過程進行了大量的觀測和分析研究[1-5]，發現不同強對流天氣的閃電活動特征有差別，比如冰雹天氣過程中正地閃發生的比例一般較高[6-8]。 研究發現閃電對強對流天氣具有較好的指示作用，可以用來確定對流過程的發展趨勢和強度[9-14]。 馮桂力等[13]研究中尺度對流系統中的地閃分布特征，發現負地閃主要出現在強對流區，其持續時間和強對流的維持時間幾乎相當。 在雷暴對流參數與閃電活動的定量分析方面，學者們也做了不少的研究[15-18]。 袁鐵等[15]研究了中國華南一次強颮線過程的閃電活動及其與降水結構的關系，發現對流單體的最大雷達反射率垂直廓線可以較好地指示單體的閃電頻次和對流發展強度，對流單體總閃電頻次與冰相降水含量的相關系數為0.92。 吳學珂等[17]分析山東一次強颮線過程發現， 地閃頻次與45 dBZ 強回波面積相關系數為0.89。

本文對河南省夏季多見、 具有代表性的一次對流過程進行分析， 希望對強對流天氣的預報預警工作有所幫助。

1 資料與方法

本文所用的地閃資料由河南省氣象局ADTD地閃探測系統提供， 該系統共有19 個ADTD 地閃探測儀，站網分布見圖1。 ADTD 地閃探測系統由中國科學院空間中心研制，該系統分為5 部分：探測站網、中心處理站、數據庫+WebGIS 服務器、圖形顯示工作站以及將上述部分聯結起來的通訊和網絡系統。 ADTD 地閃探測系統計算的參量有地閃閃擊的時間、位置、放電極性、峰值電流強度、陡度等信息。單站探測范圍約150 km，3 站及以上定位誤差約在390～1850 m[19]，4 站定位誤差在1 km 以內[20]。考慮到ADTD 地閃探測系統觀測到的＜10 kA 電流的正地閃可能是云閃，本文濾除了＜10 kA 的正地閃。另外，地閃探測系統觀測的數據為閃擊數據，一般一次地閃有多次閃擊，為了科學分析，本文將時間間隔＜1.0 s、水平距離在10 km 之內、極性相同的閃擊判定為同一次地閃。

圖1 河南省ADTD 地閃探測系統分布

雷達能提供強度、速度和譜寬等信息，是監測中小尺度對流系統最有效的工具。 但雷達探測也有一些缺陷，雷達掃描時距離站點越遠，相鄰方位角、仰角之間的空間距離就會越大， 使得觀測值的空間分布比較稀疏；而在雷達站點附近，由于距離地面太近會有地物雜波出現，且上部存在觀測盲區。因此為了能更準確地分析雷達反射率因子與地閃活動之間的關系，本文選取距離雷達站點50～130 km 作為研究對象，該范圍也基本涵蓋了此次雷暴過程從生成、發展到最后減弱、消散的全過程。

本文選取的雷達站點為駐馬店雷達觀測站，使用的雷達數據為雷達體掃基數據。 為了方便數據分析， 需要將極坐標系下的雷達基數據插值到笛卡爾坐標系， 處理成大小約1 km×1 km×1 km 的三維網格， 垂直方向上共24 層， 即從1 km 高度至24 km高度。經過比較幾種插值方法，本文選取了徑向和方位上最近鄰居法和垂直方向上線性內插法（NVI）[21]，該方法既能得到空間比較連續的反射率分析場，同時也最好地保留雷達體掃數據中原有反射率的結構特征。共選取25 個雷達體掃文件，從20：08—22：33（北京時），包括了雷暴從生成到消亡的整個時段。

2 雷暴整體特征

因局地不穩定能量的產生，2012 年8 月18 日20：02 在駐馬店與周口交界處有小片回波開始出現，最大雷達反射率因子為35 dBZ；回波朝東北方向移動并發展，20：20 最大雷達反射率達到60 dBZ（圖2a）；20：23 左右開始觀測到地閃，此后雷暴持續增強（圖2b），地閃頻次也隨之增加；21：14 雷暴與東北方向對流單體開始合并（2 個對流單體30 dBZ 雷達回波相連即被認為合并[22]），21：20 兩個雷暴已經完全融合在一起（圖2c）；22：03 雷暴逐漸減弱（圖2d）并于22：33 消亡。 該雷暴共持續約2.5 h，所經區域出現了短時強降水，如李埠口、鄲城和黃寨鎮最大小時降雨量分別為63、43 mm 和48 mm， 屬于夏季比較典型的局地性小尺度雷暴天氣過程。

3 雷暴的地閃活動特征

為了方便雷暴中地閃與雷達數據進行對應分析， 將單個雷達基數據體掃時間內的地閃數量統計出來，再除以雷達基數據體掃時間，計算出該雷達基數據文件對應的地閃頻次， 單位為fl/min。 統計發現，在整個雷暴過程中共探測到地閃2373 次，其中負地閃為2360 次，占總地閃的99.5%；正地閃僅有13 次，占總地閃的0.5%；最大地閃頻次為46 fl/min，平均地閃頻次為16.7 fl/min。

圖3 給出了雷暴正負地閃頻次隨時間的變化情況。地閃隨時間的波動性比較大，整個過程中出現了3個峰值2 個谷值。20：56 之前，地閃頻次雖然有波動但一直在增加，20：56 地閃頻次達到29.7 fl/min。 21：14雷暴與東北方向的對流單體合并，此時雷暴地閃達到峰值，頻次為46 fl/min，在合并之前地閃有一個相對不活躍期，約維持一個雷達體掃時間。 觀察雷達回波參量發現，在地閃不活躍期雷暴并沒有減弱，強回波體積和強回波面積反而在增強。 21：14 之后地閃頻次驟減，21：32 地閃頻次降為27.5 fl/min，21：51 地閃頻次稍有增加，22：03 之后隨著雷暴的減弱，地閃頻次也直線降低。整個雷暴過程中大部分時段地閃頻次維持在10 fl/min 以上，但正地閃非常少，僅有13 次，且出現的時段比較集中， 僅出現在雷暴合并之后的約半小時內。

根據整個雷暴地閃活動特征并結合雷達回波的變化情況可以將雷暴分成3 個階段：21：14—22：03，雷暴與東北方向的對流單體合并， 合并后地閃頻次顯著增大，將該階段定義為雷暴的合并階段；在合并階段之前20：08—21：08， 雷暴初生并獨立發展，定義為雷暴的合并前階段； 在雷暴合并之后22：09—22：33，隨著雷暴減弱，地閃頻次迅速降低，定義為雷暴的減弱階段。

圖2 2012 年08 月18 日雷暴過程的雷達組合反射率

圖3 正、負地閃頻率隨時間的變化曲線

圖4 給出了該雷暴地閃強度隨時間的演變情況。地閃平均強度表現出中間低兩頭高的趨勢，即在雷暴合并前階段、雷暴減弱階段地閃平均強度較高，特別是在減弱階段的后期，地閃平均強度達到65 kA。在雷暴開始產生地閃的時段內， 發生地閃的時間間隔較大，Chronis 等[23]發現雷電峰值電流和雷電放電的間隔時間成正相關關系。Zheng 等[24]揭示了對流相對較弱的雷暴更有可能產生雷電流較大的地閃。 在雷暴的減弱階段，特別是22：15 之后，結合雷達回波與地閃的分布圖發現地閃發生在層云區的比率變大，Wang Fei 等[25-28]研究發現層云區的地閃比對流云區的地閃平均強度要大。

圖4 地閃頻次、強度隨時間的變化曲線

4 雷暴地閃與雷達回波

4.1 地閃頻次與雷達回波的時間演變關系

在分析地閃與雷達回波的關系時， 通常選擇雷暴云0 ℃層高度之上的區域作為分析對象。 通過查看雷暴過程當天鄭州和南陽探空資料發現，5 km 高度溫度約為0 ℃，6 km 高度溫度約為-3 ℃， 本文對雷暴云0 ℃層高度之上區域的多種雷達參量進行了分析， 經過比較最后選取了與地閃頻次相關性較好的3 個雷達參量，分別是40 dBZ 強回波頂高、6 km高度50 dBZ 強回波面積和5 km 高度之上50 dBZ強回波體積， 為了方便表述下文分別簡稱為強回波頂高、強回波面積和強回波體積。3 種雷達參量與地閃頻次均表現出明顯的正相關關系， 相關系數分別為0.80、0.91 和0.93（表1）。強回波體積與地閃頻次的相關性最好， 強回波頂高與地閃頻次的相關性弱一些。 將雷暴不同階段地閃頻次與3 種雷達參量進行相關性計算， 發現不同階段3 種雷達參量與地閃頻次的相關系數存在差異。在合并前階段，地閃頻次與強回波體積的相關系數達到0.96， 與強回波面積也達到0.95；在合并階段，地閃頻次與強回波頂高的相關系數僅為0.42，與強回波面積相關性最好，相關系數為0.90；在減弱階段，地閃頻次與強回波頂高的相關系數高達0.96， 而強回波面積和強回波體積與地閃頻次的相關性則較弱一些。

表1 雷暴不同階段地閃頻次與強回波頂高、強回波面積、強回波體積的相關系數

雷暴開始產生地閃時（20：23），雷達回波快速增強，強回波面積由42 km2增加到187 km2（圖5），強回波體積由16 km3增加109 km3（圖6）。 雖然減弱階段地閃頻次與雷暴開始觀測到地閃時相當， 但雷暴強度卻明顯較弱，如20：20 地閃頻次為0.83 fl/min，此時強回波面積為187 km2、強回波體積為109 km3；22：33 地閃頻次為1.33 fl/min，此時強回波面積和強回波體積均為0。 原因可能是在地閃初生階段地閃的產生主要依賴雷暴內的上升氣流， 強的上升氣流將水汽帶到0 ℃層高度之上， 然后在感應和非感應起電機制作用下產生電荷，且電荷層高度高，產生地閃的難度相對較大； 而在雷暴減弱階段云中不僅存在殘留的電荷，起電機制也會產生作用，并且此時雷暴云中的下沉氣流將電荷層的高度降低， 有利于地閃的產生。

從圖5、圖6 和圖7 中可以看出，強回波面積與強回波體積的時間演變曲線比較相似， 但二者與強回波頂高的曲線差別比較明顯。 強回波面積和強回波體積在雷暴合并前階段雖然一直在增強， 但相比雷暴合并階段數值是比較小的， 主要是由于2 個雷暴合并后整體空間尺寸成倍增大； 強回波頂高在雷暴初始產生地閃時快速增加， 然后在合并前階段緩慢增長，在雷暴合并階段回波頂高下降比較明顯。回波頂高是對雷暴內上升氣流的響應， 當雷暴上升氣流比較強時，冰相粒子被帶到比較高的地方，在雷達圖上表現為回波頂高比較高。在雷暴合并前階段，雷暴的上升氣流占主導地位， 強上升氣流一直推動強回波頂高增大；而雷暴合并后強回波頂高下降，對流強度明顯減弱了。

圖5 地閃頻次與6 km 高度50 dBZ回波面積的關系

圖6 地閃與雷暴5 km 以上高度50 dBZ回波體積的關系

圖7 地閃頻次與40 dBZ 回波頂高的關系

4.2 地閃與雷達回波的空間對應關系

考慮到ADTD 地閃探測系統兩站定位數據誤差比較大[19]，在分析地閃與雷達回波空間分布特征時剔除了兩站定位的地閃數據。 從圖8 可以看出地閃的落點與6 km 高度雷達強回波具有較好的對應關系，地閃分布在強回波中心或其周圍，一般在≥40 dBZ 的回波區域。 另外，隨著雷暴的時間演變，地閃的空間分布特征存在微妙的變化。 20：44 之前地閃分布沒有明顯的特征，分布比較集中，沒有出現松散的情況，雷暴內上升氣流占主導地位，雷暴主體在垂直方向上傾斜度比較小。20：50—21：08 雷暴接近東北方向相對較弱的雷暴單體， 地閃傾向于分布在強回波移動方向的前側（圖8a、8b）；在雷暴合并階段，雷暴的西南部分向東北方移動， 而雷暴的東北部分繼續向東南移動，二者交匯并相互影響，在此過程中地閃的分布特征也發生著變化。從圖8c、8d 可見，雷暴西南部分地閃仍分布在該部分移動方向的前側，而雷暴東北部分的地閃受到影響也傾向于分布在強回波的右側（圖8d）；當雷暴西南部分減弱后，地閃的分布逐漸傾向于回波移動方向的后方（圖8e、8f）。兩個雷暴在合并之前，東北方向雷暴相對比較弱，在合并之后反而越來越強， 而原來較強的西南方向雷暴卻逐漸減弱消失，可見雷暴合并是一個多尺度、非線性過程，包含了復雜的動力和微物理過程[26-27]，在此過程中可能伴隨著主要起電區域的轉移或者不同區域電荷結構的變化。

5 地閃與紅外云圖的對應關系

文中所用衛星資料是MTSAT 衛星IR1 通道云圖資料， 每幅云圖的覆蓋范圍為70°～160°E，20°～70°N，分辨率為0.05 經緯度。 由圖5、圖6 和圖7 可知，21：02 和22：03 的雷暴強度相差較小，21：02 的雷暴強度稍強一點，但從云頂亮溫（圖9）來看，22：00的雷暴云頂亮溫較低，對流強度更強。這種差異主要是衛星觀測空間分辨率較低造成。當云區較大，而且云較厚，云下的輻射不能透過云頂，衛星觀測到的云頂亮溫比較符合實際情況；當云區內面積較小，或者云區內有小裂縫或者晴空區， 而小裂縫或者晴空區低于衛星儀器的分辨率， 這時衛星測到的云頂亮溫比實際要暖，21：02 雷暴雖然回波較強，但雷暴面積較小，所以21：02 的云頂亮溫比實際偏高，因此本文主要參考22：00 地閃與云頂亮溫統計的結果。

圖9 為地閃與云頂亮溫空間分布圖， 地閃數據的統計時間分別為21：00—21：10（圖9a）、22：00—22：10（圖9b）。21 時云圖中雷暴（圖9a 黑色圈內）地閃非?；钴S，10 min 內觀測到地閃數量為243 次，由于觀測的云頂亮溫比實際偏暖， 圖中顯示地閃并未全部在低于200 K 的亮溫區（圖9a、 圖10a）；22時云圖中10 min 內觀測到地閃132 次，地閃活動相對較弱， 絕大部分分布在低于200 K 的亮溫區（圖9b、圖10b）。 這和馮桂力[13]發現的地閃傾向于發生在最低溫度區域內或周圍的結論一致。

圖8 地閃與6 km 高度雷達回波分布

圖9 衛星云圖云頂亮溫與地閃的分布

圖10 云頂亮溫與對應地閃數量統計

6 結論

本文選取2012 年8 月18 日河南省一次夏季雷暴過程，利用地閃探測系統、雷達和衛星資料分析了地閃特征及其與云體結構的關系，結論如下：

（1）在雷暴整個生命史中負地閃占據主導地位，占總地閃的99.5%； 正地閃極少， 僅占總地閃的0.5%。 在雷暴合并前地閃震蕩增長、在雷暴合并階段地閃頻次先躍增后驟減、 減弱階段地閃頻次急劇下降。地閃平均強度與地閃頻次存在負相關的關系，在地閃頻次較低時平均強度較高， 而在負地閃頻次較高時平均強度較低。

（2）初次地閃出現時，雷暴強度快速增強。 40 dBZ強回波頂高、6 km 高度50 dBZ 強回波面積以及5 km 高度之上50 dBZ 強回波體積都與地閃頻次存在明顯的正相關關系， 在整個雷暴過程中的相關系數分別為0.80、0.91 和0.93，而在雷暴不同發展階段3 種雷達參量與地閃頻次的相關系數有不同的變化趨勢。

（3）地閃與雷達回波有較好的空間對應關系，地閃一般發生在6 km 高度雷達回波≥40 dBZ 的區域。 雷暴不同階段地閃與雷達回波的空間分布特征也不一樣，20：44 之前地閃分布位置沒有明顯的特征；20：50—21：08 受東北方向雷暴氣流的影響，地閃傾向于分布在強回波的前側；21：14—21：26 兩個雷暴相互影響， 地閃傾向于分布在強回波的右側；21：32 之后雷暴西南部分逐漸減弱， 地閃傾向于分布在強回波的后方。

（4）分析地閃與云頂亮溫的關系發現，地閃基本出現在云頂亮溫低于200 K 的區域。

致謝：感謝河南省氣象臺提供的雷達資料，感謝日本高知大學提供的MTSAT 云圖資料。