華南颮線系統對流與層云區閃電起始和通道位置處的云微物理特征

趙川鴻，鄭棟，張義軍，劉顯通，張陽，姚雯，張文娟

(1.復旦大學大氣與海洋科學系/大氣科學研究院，上海200438；2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室/雷電物理和防護工程實驗室，北京100081；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641)

1 引言

閃電通常在云內不同極性電荷區之間始發，通道主要在電荷區內發展。因此，與閃電起始和通道發展相關聯的云內微物理特征體現了起、放電過程以及電荷載體的重要信息。

以往研究較多地分析了多單體雷暴、中尺度對流系統（MCS）以及超級單體等不同類型雷暴中閃電起始和通道對應的云微物理特征。對于多單體雷暴，Mecikasiki等[1]發現它們閃電起始的峰值高度位于8～10 km（-38.5～-24℃），對應回波強度的峰值區間為30～35 dBZ。Karunarathna等[2]發現地閃起始高度低于6.8 km，回波強度在30～35 dBZ之間；云閃起始高度在6.6～8.1 km，對應15～35 dBZ的回波。Bruning等[3]指出閃電起始主要發生在0～-6.5℃層，霰粒子與閃電起始和通道最為相關。對于MCS，Mecikasiki等[1]指出閃電起始的峰值高度位于8～9 km（-34.6～-27℃），對應回波強度的峰值區間為30～35 dBZ。Carey等[4]指出地閃通常起始自超過45 dBZ的回波中。Lund等[5]發現大多數閃電起始自兩個高度范圍，在7～10 km，閃電起始區域位于上部冰晶和下部霰粒子交界區域附近，在3～6 km，閃電起始自霰主導的區域。對于超級單體，Mecikasiki等[1]指出閃電起始的峰值高度分別位于10～12 km（-58.1～-42.6℃），對應回波強度的峰值區間為35～40 dBZ，強于多單體雷暴和MCS。Zheng等[6]發現分別有約44.3%和44.1%的閃電起始出現在霰和干雪主導的區域，另有約8.0%和3.0%的閃電起始分別出現在小雹和冰晶主導的區域。Liu等[7]還在一次暖云降水主導的暴雨過程中發現閃電起始位置對應的雷達網格中有87%為干雪主導，8%為霰主導；與閃電通道對應的雷達網格中，81%為干雪，9%為霰。此外，Ribaud等[8]結合三維閃電探測陣列（LMA）和雙偏振雷達對法國上空一次颮線系統進行分析，指出約70%（22%）的閃電起始和58%（33%）的閃電通道定位對應霰（冰晶）。

這些研究表明，不同類型雷暴，閃電起始和通道位置處的微物理特征可能存在明顯差異，有必要開展針對性的研究。颮線是華南地區暖季常見的雷暴災害天氣，其往往伴隨頻繁的雷電活動，比單體雷暴持續時間長、影響范圍大。以往基于觀測和數值模擬的研究[9-14]都表明華南地區雷暴結構十分復雜，并且指出這種復雜的電荷結構可能與云微物理過程相關，因此本文以華南地區兩次颮線過程為例，在對雙偏振雷達粒子相態反演算法進行改進的基礎上，結合雙偏振雷達和三維閃電觀測資料，研究閃電起始和通道位置處雷達參量以及主導性降水粒子特征。該研究有助于深化我們對華南地區颮線過程中起、放電特征的認識。

2 資料和方法

本研究分析了2017年5月4日與5月8日（北京時間，下同）發生于華南地區的兩次颮線過程（此后稱為颮線A和B），這兩次過程都具備明顯的弓形回波特征，且都屬于東北-西南向槽前型颮線，槽后伴隨明顯冷平流，大尺度環流背景相同[15-16]。分析使用了閃電低頻電場探測陣列（LFEDA，圖1中藍色三角形）以及廣州S波段雙偏振雷達（圖1中黑色方塊）觀測數據，還參考了清遠氣象站（圖1中黑色圓點）的探空數據。為確保數據質量，分析區域選取雷達半徑25～100 km、LFEDA站網中心半徑70 km的共同覆蓋范圍（圖1中陰影部分）。將雷達一次體掃（6分鐘）時間內的LFEDA閃電與雷達數據三維空間進行對應。

圖1 研究區域以及觀測系統分布陰影部分是選取的研究區域

2.1 閃電資料

低頻電場變化探測陣列（LFEDA）在160 Hz～600 kHz通過時差法定位閃電脈沖放電事件（Lightning pulse discharge event，LPDE）的三維位置，其水平定位精度優于100 m[13,17]，先前利用該數據的研究[7,14]也表明LFEDA具有可靠的高度定位。選取LPDE三維定位數據中，卡方擬合優度小于5，定位高度在3～20 km的樣本（本研究關注閃電放電事件對應的雷暴云微物理特征，3 km以下的定位主要對應地閃的出云通道，所以排除）。將LDPE數據歸為閃電的方法同Shi等[13]和Zheng等[14]，即屬于一次閃電的LPDE必須發生在當前這個閃電時序上最后一個LPDE之后的0.4 s內，并且與屬于當前閃電的其它任意一個LPDE在空間上滿足距離在4 km之內，時間在0.6 s內。為排除離散定位的干擾，只選擇包含LDPE數目不小于5的閃電。圖2展示了一次閃電的定位結果，并給出了這次閃電疊加雷達回波的垂直剖面圖。參照Zheng等[14]和Liu等[7]的方法，取閃電通道的第一個LPDE（圖2中紫色方塊）作為閃電起始位置，其余的LPDE則對應閃電通道傳輸過程中的擊穿事件，體現閃電通道位置。本研究中將閃電起始以及通道傳輸分開考慮，主要是由于兩者對應不同的環境。閃電往往起始自兩層電荷區之間，始發位置有強的環境電場；閃電始發后，通道向電荷區發展并在電荷區內傳播，支持閃電通道發展的動力主要是通道頭部電荷與周圍異種極性電荷之間形成的強電場。并且閃電起始與閃電通道傳輸不僅在水平位置上可以差異很大，在垂直方向上的位置也往往不同（如圖2的示例）。

圖2 LFEDA于18:19:37.56（北京時間）在颮線B中探測的一次閃電

2.2 雷達資料

廣州S波段雙偏振雷達提供了A、B兩次颮線過程的觀測數據，觀測時間分別為2017年5月4日04：00—10：00和2017年5月8日15：00—19：24，共包含99個體掃，在本研究時空范圍內，這兩次颮線都屬于其成熟期。雷達位置見圖1，在應用其資料前首先進行質量控制，包括：（1）參照Park等[18]（此后稱為P09）對偏振參量平滑處理；（2）對ZDR進行誤差標定和校正。參照氣象回波法[19]，統計低仰角上ZH≤10 dBZ，CC≥0.97的數據對應的ZDR平均值來確定其與理論零值的偏差并進行調整；（3）參照P09和Wu等[20]（此后稱為W18）對ΦDP進行濾波并估算KDP。颮線A和B中，雷達分析數據的起止時間分別為4:00—10:00和15:00—19:24。雷達極坐標數據通過雙線性插值處理為水平分辨率0.25 km×0.25 km，垂直分辨率0.5 km的直角坐標數據。

3 雙偏振雷達降水粒子識別算法改進

本研究降水粒子識別算法的基本框架沿用P09方法，同時對方案中的部分模塊進行了改進。

首先，改進P09中的輸入變量和隸屬度函數模塊，包括：（1）使用探空環境溫度（T）作為粒子相態識別的溫度參考，以規避P09算法中通過識別融化層判斷粒子相態可能引起的錯誤[18,20]；同時參考相關研究[21-24]，引入各類型降水粒子對應的T取值范圍（詳見表1），作為粒子識別的其中一個參考量。（2）模糊邏輯算法的隸屬度函數設置采用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）預警決策培訓科（WDTB）方案[25]，其采用一維變量構建隸屬度函數，同時各類型降水粒子對應偏振參量取值區間與P09方案基本相同，既保證與P09方案中降水粒子反演的一致性又避免P09中采用包含二維變量的隸屬度函數[18,20]而對計算資源較大的需求。同時，考慮本地化的因素，在部分降水粒子（干雪、濕雪）偏振特征閾值范圍上參考W18對廣州雷達的設定。

表1 降水粒子識別中不同粒子對應T的取值范圍

其次，改進對流區和層云區識別方法。對流區和層云區的劃分對降水粒子類型具有重要影響[18,20]，P09通過判斷垂直柱上是否有超過45 dBZ的回波存在，或者在融化層上方是否有超過30 dBZ的回波存在進行對流和層云劃分，方法相對簡單，但如果融化層特征不明顯或識別存在誤差，就可能出現誤判。本研究借鑒Steiner等[26]提出的對流云-層云識別算法（此后稱ST95算法），該算法具備良好的對流云、層云識別效果[27-28]，其基本思路包括：（1）確定雷達100 km范圍內1.5 km高度、100～150 km范圍3 km高度上水平反射率（ZH）＞40 dBZ的格點為對流區；（2）不滿足(1)的任意格點，如果其ZH值超過背景ZH（該格點11 km半徑范圍內平均ZH），則其屬于對流區；（3）以上被視為對流區的格點，根據其對應的平均背景ZH值分配不同的半徑范圍（見ST95中圖6b），該范圍內格點屬于對流區；（4）不滿足以上條件的其它格點屬于層云區。

圖3展示了颮線A和B各一個時次由ST95和P09中使用方法得到的對流云、層云識別結果以及與三維閃電定位數據的疊加。可以看出兩種方法的最大區別是后者將圖中組合反射率大約35～40 dBZ存在的區域（圖中標為S）識別為對流區，而前者將其識別為層云區。從圖3a2和3b2可以看出，該區域中30 dBZ回波在-10℃層下方，而對流區（圖中標為C）中30 dBZ回波可超過-40℃層，且存在“凸頂”現象。疊加的閃電活動也集中于ST95算法識別的對流區。因此，ST95算法判定S區域屬于層云更為合理。我們也給出了此時基于更為合理的ST95算法的粒子識別結果垂直剖面（圖3a3、3b3）。

圖3 ST95和P09的對流云、層云識別結果對比

4 閃電起始和通道位置處的雷達參量和降水粒子特征

LFEDA在颮線A和B經過分析區域時分別探測到4560次和7542次閃電（包含閃電起始定位12102個和與閃電通道延展對應的LDPE樣本235724個）。絕大多數的閃電起始（A：81%；B：79%）以及與閃電通道對應的LPDE（A：83%；B：80%）位于對流區。需要說明的是，如果一次閃電被探測到的LPDE在對流區和層云區都有分布，那么落在對流區內的LDPE作為對流區對應的樣本，落在層云區內的LPDE作為層云區對應的樣本。在接下來的分析中，我們將閃電所有的LPDE位置三維網格化（水平分辨率0.25 km，垂直分辨率0.5 km，與雷達網格一致），統計閃電起始位置和通道對應LPDE定位所在雷達網格的偏振參量和粒子類型分布情況，需要注意的是，如果有多個LPDE在一個雷達體掃時刻處于同一網格，那么該網格的雷達變量信息只被統計一次。在涉及相關參量隨高度變化的分析中，要求每個0.5 km高度區間內被統計雷達網格數不小于25個。

4.1 閃電起始和通道位置處的雷達偏振參量特征

由表2可知，兩次颮線中，對流區閃電放電（統指閃電起始和通道延展）對應的平均ZH要比層云區閃電放電對應的ZH大4～5 dBZ；兩個區域對應的差分反射率（ZDR）都較小，對流區稍小于層云區，它們的差分傳播相移率（KDP）相似都接近于0，共極化相關系數（CC）都接近1。這些數值說明，閃電放電位置處以尺度適中或偏小的冰相粒子為主，液態水滴存在的信號不明顯，同時對流區閃電放電位置處冰相粒子的尺度和濃度大于層云區。閃電起始和通道對應雙偏振參量的均值和中值較為接近，只是前者對應的平均ZH稍大于后者，差值為1～2 dBZ。

表2 颮線A、B中閃電起始和通道對應LPDE在對流區和層云區的各雷達偏振參量統計特征

圖4顯示了閃電放電位置處雷達偏振參量中值在不同高度上的分布。可以看到，颮線A和B中，不同參量的垂直分布形態是相似的。

閃電放電位置對應的中值ZH整體表現出隨高度增加而減小的趨勢（圖4a1和4b1）。颮線A中，對流區閃電起始（通道）對應的中值ZH比層云區相應值在統計高度范圍內平均大7.4（5.7）dBZ；颮線B中相應的差值為8.3（6.4）dBZ。流云區和層云區內，-10℃層以上ZDR、KDP數值接近于0，CC在0.99～1.00之間，表明云內有冰相粒子主導，冰粒子水平和垂直方向尺寸相當。在-10℃層之下，ZDR隨高度下降而增大（圖4a2和4b2），特別是對流區，意味粒子形狀趨向扁平。對流區中，KDP隨高度下降也快速增大（圖4a3和4b3），表明該區域閃電放電位置存在液態水滴。層云區內，KDP在-10℃層之下變化不明顯，意味著閃電放電位置上雖然有較大扁平狀粒子（如濕雪、雨滴），但數濃度低。

閃電起始和通道位置處雷達偏振參量的最大差異體現在-20℃層以上的ZH（圖4a1和4b1）。颮線A的對流區，兩者的平均差值約為3.3 dBZ，峰值差值約為5.5 dBZ（層云區閃電起始的樣本不足，未統計）；颮線B，兩者在對流區平均差值為2.8 dBZ，峰值差值為5.4 dBZ，在層云區平均差值為2.7 dBZ，峰值差值為7.0 dBZ。閃電起始和通道位置處其它偏振參量差異并不明顯。

圖4 閃電初始以及通道位置處雷達偏振參量中值隨高度的分布

圖5顯示了颮線A和B閃電起始以及通道位置處ZH的分布圖。兩次颮線過程的對流區內，閃電起始位置對應ZH的峰值區間（25～30 dBZ）弱于通道位置（30～35 dBZ），在層云區內，閃電放電對應的ZH峰值區間在颮線A中為25～30 dBZ，在颮線B中為20～25 dBZ。但是，在-20℃層上方的對流區（圖5a2和5b2），閃電起始位置ZH峰值區間（25～30 dBZ）要大于通道位置對應的ZH峰值區間（20～25 dBZ）；而在-20℃層下方，它們在對流區對應的ZH峰值分布區間都為30～35 dBZ（圖5a3和5b3）。層云區閃電起始和通道位置處的ZH峰值區間在不同颮線過程和不同溫度區間（高度層）彼此相同。

圖5 閃電起始以及通道位置處Z H的分布特征

4.2 閃電起始和通道位置處降水粒子類型

圖6和表3給出了颮線A、B對流區中閃電起始和通道位置及其它們對應不同類型降水粒子網格占比隨高度分布。A和B中閃電起始的峰值高度都為9 km，與閃電通道對應的LPDE定位的峰值高度分別為7.5 km和9.5 km。在-10℃層以上，閃電起始和通道都出現在霰和冰晶主導的區域；在-10℃層以下，它們可以發生在霰、雨滴、雹出現的區域。整體來看，對流區閃電起始和通道位置主要是霰和冰晶，而且它們的區域占比較為接近（表3）。

圖6 颮線A（a1和a2）、B（b1和b2）對流區閃電起始（a1和b1）和通道位置（a2和b2）及其對應降水粒子在垂直方向的分布紅色線分別對應閃電起始和通道位置的高度分布，灰色陰影指出了閃電起始和通道位置最密集的高度。填色為降水粒子類型，粒子類型及其縮寫的意義詳見表1。

表3 颮線A、B對流區閃電起始和通道位置及其對應降水粒子類型分布

層云區內閃電起始以及通道的高度明顯低于對流區（圖7和表4），對于颮線A，它們的峰值高度分別為5.5和6.5 km，對于颮線B，相應值為7.5和8.5 km。在～-6℃層以上，閃電起始和通道位置都由干雪和冰晶主導，在這個溫度層以下，部分閃電放電位置也對應了濕雪、雨滴。整體看，層云區內與閃電放電對應的主要粒子為干雪和冰晶，同時干雪區域的占比明顯大于冰晶（表4）。

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圖7 同圖6，但為層云區

表4 颮線A、B層云區閃電起始和通道位置及其對應降水粒子類型分布

5 結論和討論

本研究結合廣州S波段雙偏振雷達觀測數據和低頻電場探測陣列三維閃電定位數據，分析了2017年5月4日和5月8日兩次颮線過程中閃電起始和通道位置處的雷達偏振參量和降水粒子特征。研究首先對P09粒子相態識別算法中的輸入變量、隸屬度函數和對流-層云識別方法進行了改進，改善了降水粒子相態識別效果。進而通過在空間上將三維閃電定位與三維雷達參量和粒子相態反演數據對應。

（1）約80%的閃電起始和通道定位數據出現在對流區。

（2）閃電起始和通道位置處的平均雷達反射率（ZH）在對流區比層云區大4～5 dBZ，其它偏振參量的平均值較為接近。

（3）閃電起始和通道位置處的ZH中值隨高度增加整體下降。ZDR、KDP和CC在-10℃層以上隨高度的變化不大，前兩者接近0，后者在0.99～1.00之間變化；-10℃層以下，對流區閃電起始和通道位置對應的ZDR和KDP隨高度下降明顯增大，在層云區，閃電對應的ZDR隨高度增大而下降，但KDP變化不大。

（4）從雷暴整體看，閃電起始位置處的平均ZH大于閃電通道位置處的平均ZH1～2 dBZ，閃電起始和通道對應ZH的差異在-20℃層以上較為顯著，不同颮線過程的不同區域，各個高度上中值ZH的平均差值大于2.5 dBZ，峰值差值大于5 dBZ。

（5）從閃電起始和通道位置處ZH分布的峰值區間看，對流區內，前者為25～30 dBZ，弱于后者的30～35dBZ；層云區內，它們的分布區間相同，在颮線A和B中分別為25～30 dBZ和20～25 dBZ。但是，在-20℃層之上的對流區，閃電起始位置對應的ZH峰值區間（25～30 dBZ）大于閃電通道位置對應的ZH峰值區間（20～25 dBZ）；在-20℃層之下的對流區，兩者對應的峰值區間都為30～35 dBZ。

（6）對流區閃電起始和通道位置處的主導性粒子是霰和冰晶，它們的區域占比較為接近。層云區閃電起始和通道位置處主要是干雪和冰晶，干雪區域的占比明顯大于冰晶。

分析表明，颮線過程中閃電起始和通道位置主要位于0℃層以上，它們與主要降水粒子的對應關系與非感應起電機制[29]所指出的霰和冰晶是對流區主要的起電粒子是一致的；層云區的電荷主要來自對流區荷電小尺度冰粒子的水平輸送，因此冰晶在層云區聚合形成的干雪以及層云區上部冰晶是該區域主導性的荷電粒子。颮線A和B中閃電放電對應的降水粒子與其它研究也存在差異。比如，Liu等[7]分析暖云降水主導暴雨過程中閃電放電位置超過80%的區域為干雪主導，其次是霰。Zheng等[6]分析的超單體聚合體中閃電起始位置的主要是霰和干雪，對應冰晶的閃電起始只占3%。這種差異性可能體現出不同類型雷暴中動力和微物理過程的差異導致荷電的主導性粒子存在不同。

與Mecikasiki等[1]指出的閃電起始對應的雷達反射率峰值區間大于閃電通道對應的雷達反射率峰值區間不同，本研究發現在對流區，前者小于后者。這可能與兩種分析使用的閃電定位系統的觀測屬性有關系。Mecikasiki等[1]使用的數據來自LMA的觀測，其運行在甚高頻頻段，在該頻段，負極性擊穿往往具有更強的輻射，所以LMA數據中對應負極性擊穿的輻射源占據更大的比例。對于典型的三極性電荷結構而言，大部分的閃電由上部正電荷區和下部負電荷區貢獻，大部分對應負極性擊穿的輻射源定位（對應閃電通道）會出現在上部正電荷區內，而閃電起始位置主要位于正電荷區之下。在這樣的情況下，下部閃電起始位置對應的反射率就比上部閃電通道對應的反射率大，這可能是導致他們研究結果的其中一個原因。本研究使用的閃電數據由LFEDA提供，其運行在低頻頻段，主要觀測閃電擊穿過程引起的垂直電場變化，對擊穿過程導致的電荷轉移更為敏感，特別是垂直方向的電荷轉移，而對擊穿極性的依賴性不明顯。同時，由于閃電初始擊穿的環境電場隨著氣壓增大而增大，在雷暴下部可能存在更大的環境電場，閃電擊穿低頻能量更強，可能會有更多的LPDE被探測到，這一點從圖6閃電通道對應LPDE的空間分布也看出來：圖6中，LPDE數量在高度分布上并沒有明顯偏向上部正電荷區的情況。這就可以解釋圖5中發現的在-20℃層之上，閃電起始（高度較低）相比上部正電荷區內的閃電通道（高度較高）對應更大反射率。而在-20℃層之下，閃電起始位置（在負電荷區邊緣）與閃電通道位置在高度上比較接近，兩者對應的反射率平均相差較小，前者稍小于后者。