針對雷暴的雙偏振雷達(dá)觀測量與閃電頻次的關(guān)系研究

張新宜 周曉宇 鄭文佳 劉熠炎

摘? 要：利用廣州市雙偏振天氣雷達(dá)與閃點(diǎn)定位觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，對雷暴的雙偏振雷達(dá)觀測量與閃電頻次的關(guān)系進(jìn)行研究和分析。結(jié)果表明，差分相移率、差分反射率與水平反射率能夠反映雷暴發(fā)展變化的特征，零滯后相關(guān)系數(shù)能夠判斷雷達(dá)回波降水類型與非降水，和閃電頻次并沒有太大的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：雷暴;雙偏振雷達(dá);閃電頻次

中圖分類號：P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0025-03

Abstract： Based on the data of Guangzhou dual polarization weather radar and flash point positioning observation network， the relationship between dual polarization radar observations of thunderstorms and lightning frequency is studied and analyzed. The results show that differential phase shift， differential reflectivity and horizontal reflectivity can reflect the characteristics of thunderstorm development， and zero lag correlation coefficient can judge that there is no great correlation between radar echo precipitation type and non-precipitation and lightning frequency.

Keywords： thunderstorm; dual polarization radar; lightning frequency

1 概述

雷暴的發(fā)生和季節(jié)、氣候、地理?xiàng)l件等諸多因素相關(guān)，過程中產(chǎn)生的降水、雷電與對流活動(dòng)導(dǎo)致的災(zāi)害事件不斷增加。發(fā)生閃電的初始觸發(fā)機(jī)制為云中正負(fù)極電荷碰撞放電，雷暴云中電荷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使閃電的發(fā)生存在不確定性和隨機(jī)性。雖然目前對于雷暴云內(nèi)起點(diǎn)機(jī)制并沒有清楚結(jié)論，但是一般表示為強(qiáng)上升氣流與冰粒子碰撞為起電基礎(chǔ)，強(qiáng)上升氣流與對于起電貢獻(xiàn)比較大的冰晶、霰粒等相互作用，構(gòu)成雷暴云荷電結(jié)構(gòu)[1]，負(fù)地閃在對流云區(qū)出現(xiàn)，正地閃在層狀云區(qū)出現(xiàn)。目前探測閃電的技術(shù)有限，所以通過雙偏振雷達(dá)探測技術(shù)能夠研究和探討雷電起電原理與機(jī)制，能夠更好地開展雷電預(yù)警與減災(zāi)服務(wù)。雙偏振雷達(dá)技術(shù)在不斷的發(fā)展，通過雙偏振雷達(dá)的觀測資料能夠分析判斷雷暴云降水粒子形狀、空間取向、尺寸大小等信息，此全新云物理信息能夠?yàn)樘峁┙o雷暴云微物理結(jié)構(gòu)模擬研究相應(yīng)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對于掌握雷暴云物理結(jié)構(gòu)、荷電分布結(jié)構(gòu)、雷暴電場的關(guān)系尤為重要[2]。

2 資料與方法

2.1 資料收集

本文以廣東省氣象局閃電定位觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)作為閃電觀測數(shù)據(jù)，使用離廣州雷達(dá)站最近的國家基本站清遠(yuǎn)站2019年8月2日08：00時(shí)的探空站資料，當(dāng)天0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃層高度分別為5.3km、6.5km、7km、7.8km、8.5km。

2.2 天氣過程

當(dāng)天14：00-16：30出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，回波云團(tuán)從東到西發(fā)展，在此過程中出現(xiàn)雷暴。在對個(gè)例選擇過程中充分考慮：此雷暴為孤立單體，整體生消過程處于獨(dú)立云團(tuán)中，以便于統(tǒng)計(jì)分析;云團(tuán)發(fā)展處于廣州雷達(dá)50-100km觀測范圍中，觀測距離理想。從14：06開始，深圳和惠州交界處存在對流單體，最強(qiáng)回波強(qiáng)度為40dBz，向西以40km/h的速度移動(dòng)。在14：54分回波強(qiáng)度已發(fā)展為50dBz，并且出現(xiàn)初閃。雷暴云團(tuán)持續(xù)發(fā)展，在15：42閃電頻次處于峰值，在16：18云團(tuán)逐漸減弱，在16：30結(jié)束[3]。

2.3 分析方法

利用中國科學(xué)院大氣物理研究所車載X波段雙線偏振雷達(dá)（LAP-714XDP-A），何宇翔等人的研究表明：通過卡爾曼濾波方法處理之后，差分傳播相移實(shí)現(xiàn)X波段反射率因子與差分反射率衰減訂正的穩(wěn)定性良好;劉亞男基于此方法創(chuàng)建了X波段雙偏振參量強(qiáng)對流云相態(tài)識別的方法。本文利用雙偏振雷達(dá)觀測的雷達(dá)回波強(qiáng)度衰減訂正，實(shí)現(xiàn)雷暴云降水粒子的相態(tài)識別。

3 雷達(dá)偏振參量和閃電關(guān)系研究

3.1 水平反射率

雷達(dá)反射率能夠?qū)⒃茍F(tuán)變化的垂直、水平特征充分的展現(xiàn)出來，圖1為廣州雷達(dá)1.5°仰角反射率（a）與剖面圖（b）。在云團(tuán)發(fā)展過程中，40dBz反射率在5km高度發(fā)展，強(qiáng)回波區(qū)處于3-7km高度。在初閃的時(shí)候，40dBz反射率為7-8km，35dBz反射率為10km，強(qiáng)回波區(qū)上升5km，持續(xù)發(fā)展。在峰值時(shí)，35dBz反射率在13km發(fā)展，強(qiáng)回波區(qū)逐漸深厚。在減弱過程中，40dBz反射率高度降低到5km以下，強(qiáng)回波區(qū)越來越松散[4]。通過圖1b可以看出，閃電時(shí)基本反射率高度發(fā)展為-15℃層，40dBz發(fā)展到-15℃層。對此回波進(jìn)行三維格點(diǎn)化處理和差值統(tǒng)計(jì)之后，可看出-15℃附近水平反射率為ZH≥40dBz的數(shù)據(jù)數(shù)量和此回波ZH總數(shù)量的占比情況，對閃電頻次關(guān)系進(jìn)行分析，詳見圖2。通過圖2可以看出來，ZH≥40dBz的數(shù)量與占比和頻次匹配性良好，尤其是處于雷暴發(fā)展和減弱過程中，能夠?qū)⒗妆┳兓厔莩浞终宫F(xiàn)出來，但是雷暴維持階段變化無法展現(xiàn)。-15℃層附近ZH≥40dBz數(shù)據(jù)數(shù)量和占比變化情況對于雷暴發(fā)展生消具有指示作用[5]。

3.2 差分反射率