強(qiáng)雷暴天氣的閃電和雷達(dá)回波特征個(gè)例分析

張春燕，劉霞，高文俊，周寶琴，張國平

(1.廣州市氣象公共服務(wù)中心，廣東 廣州511400；2.廣州市氣象臺(tái)，廣東 廣州511400；3.中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081)

1 引言

雷暴是南方夏季常見的一種天氣現(xiàn)象，它給建筑物、供電設(shè)施、電子電氣設(shè)施及人畜生命安全造成極大危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣東省每年平均雷擊傷亡人數(shù)約為140人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.2億元，間接經(jīng)濟(jì)損失近6億元[1]。廣州地處亞熱帶沿海，屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，年均雷暴日數(shù)73.4 d，屬于多雷區(qū)，雷電及其產(chǎn)生的次生災(zāi)害連年不斷，是廣東省災(zāi)種多、發(fā)生頻、危害重的災(zāi)害區(qū)域。例如，2015年7月29日，廣州番禺一村屋頂遭雷擊，擊死1人[2]；同年8月10日，廣州海珠湖公園一木屋5名游客避雨遭雷擊，傷5人[2]；2017年9月10日下午，廣州黃埔區(qū)某公司遭雷擊，損壞1套網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、控制CPU、消防主機(jī)、紅外監(jiān)控設(shè)備主機(jī)等設(shè)備，嚴(yán)重影響到了業(yè)務(wù)的正常運(yùn)作[3]。因此，通過研究雷暴發(fā)生發(fā)展規(guī)律，對(duì)雷暴天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警和預(yù)報(bào)技術(shù)的業(yè)務(wù)開展有重要的意義。

近年來，隨著閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)及其數(shù)據(jù)的積累和多普勒天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，國內(nèi)外很多學(xué)者結(jié)合這兩套資料對(duì)強(qiáng)雷暴天氣過程進(jìn)行了研究。例如：居麗玲等[4]通過分析秦皇島的一次致災(zāi)雷暴過程發(fā)現(xiàn)雷電密集區(qū)與強(qiáng)回波帶相對(duì)應(yīng)；賴悅等[5]分析了深圳市一次強(qiáng)颮線過程的地閃變化特征及其閃電活動(dòng)與雷達(dá)回波特征的相關(guān)性；李南等[6]對(duì)發(fā)生在安徽的3次天氣過程的閃電與雷達(dá)資料的相關(guān)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)閃電數(shù)目與ET有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Martinez[7]認(rèn)為發(fā)生閃電的條件為回波強(qiáng)度達(dá)到40 dBZ且回波頂高高于7 km。Macgorman等[8]發(fā)現(xiàn)云閃與8 km處的最大回波強(qiáng)度相關(guān)性較好。張騰飛等[9]發(fā)現(xiàn)負(fù)閃頻增是強(qiáng)降水開始的標(biāo)準(zhǔn)，而正閃頻增是強(qiáng)降水強(qiáng)盛和結(jié)束的標(biāo)志。王晨曦等[10]通過對(duì)華南一次雹暴過程的閃電活動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)地閃活動(dòng)在降雹階段和降雹后階段表現(xiàn)出明顯差異。氣候特征是具有明顯的地域性的，導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣的閃電特征也是具有明顯的區(qū)域特性[11-13]；另外，不同類型的強(qiáng)對(duì)流天氣的雷電特征不同[5,14-16]，因此針對(duì)不同地區(qū)、不同類型的強(qiáng)對(duì)流天氣的閃電活動(dòng)特征研究很必要。雖然對(duì)廣州地區(qū)雷暴的閃電活動(dòng)特征開展過研究[17-19]，但對(duì)于華南汛期典型強(qiáng)雷暴天氣過程中的閃電活動(dòng)特征研究較少。本文利用粵港澳合建的閃電定位系統(tǒng)資料和廣州多普勒雷達(dá)資料，對(duì)發(fā)生在廣州地區(qū)的一次強(qiáng)雷暴天氣過程的雷電活動(dòng)特征進(jìn)行分析，探討強(qiáng)雷暴發(fā)生發(fā)展過程中的地閃與雷達(dá)回波、回波頂高的關(guān)系，為雷電的預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)和指標(biāo)，為雷電預(yù)警預(yù)報(bào)提供決策依據(jù)。

2 資料來源

本文所用的閃電定位資料來源于粵港澳合建的閃電定位系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)網(wǎng)目前共有17個(gè)探測(cè)子站，其中廣東有13個(gè)站點(diǎn)，分別在三水、羅定、懷集、河源、陸豐、乳源、石巖、東莞、西涌、佛岡、江門、陽江和惠東；香港3個(gè)站點(diǎn)，在沙頭角、舂砍角和尖鼻嘴；澳門有1個(gè)站點(diǎn)（圖略）。系統(tǒng)定位采用方向-時(shí)差綜合定位方法，探測(cè)的數(shù)據(jù)包括閃電發(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度、雷電流強(qiáng)度(kA)、極性、閃型等。該系統(tǒng)對(duì)閃電的探測(cè)效率為93%，對(duì)下行閃電首次回?fù)簟⒗^后回?fù)艏吧闲虚W電回?fù)舻亩ㄎ徽`差平均值分別為361 m、252 m及294 m[20]。

雷達(dá)資料為廣州雙偏振多普勒雷達(dá)資料，該雷達(dá)探測(cè)半徑為230 km，海拔高度180.3 m，每次體掃時(shí)間間隔為6 min，能提供基本反射率因子、平均徑向速度和譜寬等信息。為使閃電資料和雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠在相同坐標(biāo)系中顯示，雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過了將極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)的處理。其它資料包括廣州市自動(dòng)站加密觀測(cè)資料和地面探空資料等。

3 強(qiáng)雷暴天氣過程特點(diǎn)

3.1 強(qiáng)雷暴天氣過程情況

2017年6月2 日下午至夜間，廣州中北部地區(qū)出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)降水、強(qiáng)雷電和短時(shí)大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。過程持續(xù)約8 h，最大降水量為140.4 mm，出現(xiàn)在廣州從化鰲頭鎮(zhèn)丁坑村；最大小時(shí)雨強(qiáng)為80.6 mm，20—21時(shí)(北京時(shí)間，下同)出現(xiàn)在花都區(qū)；從雷電發(fā)生情況來看，廣州境內(nèi)共監(jiān)測(cè)到地閃13690次。強(qiáng)雷暴主要發(fā)生在2個(gè)時(shí)間段，第一時(shí)段開始時(shí)間為6月2日14:00前后，番禺雷達(dá)站東北和西北區(qū)域有若干對(duì)流單體生成，回波呈小塊狀結(jié)構(gòu)向東北方向(廣州中北部)移動(dòng)并相互連接，隨著對(duì)流回波的繼續(xù)發(fā)展，在16:30前后形成強(qiáng)回波中心，強(qiáng)度超過45 dBZ的回波面積達(dá)到最大，對(duì)流發(fā)展成熟，主要影響了白云、黃埔和花都。這次對(duì)流過程是以局地短時(shí)陣雨和雷雨大風(fēng)為主，監(jiān)測(cè)到的地閃8226次，個(gè)別站點(diǎn)錄得降水量超過20 mm。造成廣州中心城區(qū)及北部大范圍強(qiáng)降水和雷雨大風(fēng)天氣的第二個(gè)時(shí)段是從19:00前后開始，在廣州西北部的清遠(yuǎn)、佛山生成并緩慢向廣州境內(nèi)移動(dòng)，到達(dá)廣州境內(nèi)時(shí)，離散的對(duì)流單體合并、加強(qiáng)(19:48)，強(qiáng)對(duì)流回波繼續(xù)沿著東北方向影響著廣州中心城區(qū)及北部區(qū)域，在花都和白云交界處形成一個(gè)強(qiáng)回波中心，回波強(qiáng)度和強(qiáng)回波面積不斷增大，于20:18達(dá)到成熟期，強(qiáng)回波中心發(fā)展旺盛，回波面積達(dá)到最大，雷暴所過之處從化、花都和中心城區(qū)出現(xiàn)了劇烈的雷雨大風(fēng)和強(qiáng)降水等嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，這一時(shí)段監(jiān)測(cè)到地閃5464次。隨后強(qiáng)回波中心逐漸減弱并繼續(xù)向東北方向移出廣州。整個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣過程于23:30結(jié)束。

3.2 天氣環(huán)流背景

本次強(qiáng)雷暴天氣是以西南急流和切變線為環(huán)流背景的一起典型的強(qiáng)對(duì)流天氣過程。2日早上，200 hPa廣東上空存在明顯輻散區(qū)；500 hPa上588線位于21°N左右，兩廣均位于副高北側(cè)的西南氣流控制當(dāng)中；850 hPa(圖1)從廣西境內(nèi)、粵北北部至福建中北部區(qū)域存在明顯的西南風(fēng)與西北風(fēng)的切變線，在其南側(cè)，從近廣西的北部灣海域至粵東與福建交界區(qū)域存在著明顯的西南急流軸，廣州市位于急流軸內(nèi)，風(fēng)速達(dá)16 m/s，且為風(fēng)速的輻合區(qū)。從T-lnP溫度對(duì)數(shù)壓力圖上看(圖2)，在700 hPa高度附近有明顯的喇叭口，這種上干下濕的層結(jié)有利于強(qiáng)雷電的發(fā)生。隨著白天太陽輻射，濕對(duì)流有效位能CAPE值從08時(shí)的2287.2 J上升到14時(shí)的3820.8 J，K指數(shù)也由41達(dá)到了43，隨著熱力條件的增加，更加有利于觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展。

圖1 2017年6月2日08時(shí)850 hPa天氣圖

圖2 清遠(yuǎn)探空站2017年6月2日14時(shí)T-ln P圖和風(fēng)廓線

4 閃電活動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)

本次過程(14:00—23:30)廣州地區(qū)共監(jiān)測(cè)到地閃13690次。整個(gè)閃電活動(dòng)過程中以負(fù)閃為主(9483次)，占到地閃總數(shù)的69.3%，平均負(fù)地閃強(qiáng)度為-18.65 kA；其中，負(fù)地閃最大強(qiáng)度-266.7 kA，發(fā)生在荔灣區(qū)，時(shí)間為20:33。正地閃4207次，占到總地閃數(shù)的30.7%，平均正地閃強(qiáng)度為7.1 kA；正地閃最大強(qiáng)度230 kA，發(fā)生在越秀區(qū)，時(shí)間為14:41。

為了與雷達(dá)資料時(shí)間分辨率相對(duì)應(yīng)，將6月2日14:00—23:30時(shí)段以6 min的時(shí)間間隔來分析閃電頻數(shù)隨時(shí)間的變化特征(圖3)。整個(gè)過程中大致分為以下5個(gè)時(shí)段。

圖3 地閃頻數(shù)隨時(shí)間變化曲線

第1時(shí)段是14:18—15:48，共發(fā)生地閃693次，占總地閃數(shù)的5.06%，正閃156次(占比22.5%)，地閃頻數(shù)較低，正閃比例隨時(shí)間先增加后減小。

第2時(shí)段是15:48—18:48，共發(fā)生地閃7083次，占總地閃數(shù)的51.74%，正閃1729次(占比22.4%)，該時(shí)段為對(duì)流單體逐漸發(fā)展成熟，閃電活動(dòng)旺盛，白云、從化相繼出現(xiàn)降水。其中，地閃頻數(shù)于16:06—16:12達(dá)到峰值483 fl/(6 min)。在隨后的16:12—18:48時(shí)段內(nèi)，地閃頻數(shù)雖呈下降趨勢(shì)，但仍維持在較高數(shù)值。

第3時(shí)段是18:48—19:30，共發(fā)生地閃450次，占總地閃數(shù)的3.92%，正閃158次(占比35.1%)，該時(shí)段地閃頻數(shù)較低。

第4時(shí)段是19:30—22:00，共發(fā)生地閃5176次，占總地閃數(shù)的37.81%，正閃2004次(占比38.7%)，新的對(duì)流單體生成與發(fā)展，總地閃數(shù)雖稍少于第2時(shí)段，但雷電活動(dòng)仍然頻繁、陣風(fēng)最大達(dá)到9級(jí)，小時(shí)雨量最大錄得80.6 mm。對(duì)流單體于19:18逐漸發(fā)展成熟，地閃頻數(shù)一直處于增加的趨勢(shì)，最終于20:06—20:12達(dá)到最大值393 fl/(6 min)。

第5時(shí)段是22:00—23:30，共發(fā)生地閃288次，正閃比例增大，地閃頻數(shù)迅速減少，雷暴減弱直至消失。

結(jié)合上述統(tǒng)計(jì)可看出，正閃在雷暴發(fā)展的初始和結(jié)束階段占比較大，甚至超過了50%。第4時(shí)段正閃相較于第2時(shí)段占比更高，原因可能是強(qiáng)風(fēng)切變的作用，雷暴上部的正電荷與中部的負(fù)電荷區(qū)發(fā)生傾斜，上部正電荷屏蔽減少，使正地閃增多[11]。

5 閃電、雷達(dá)資料分析

5.1 閃電活動(dòng)和雷達(dá)反射率因子的演變特征

為了定量分析雷達(dá)回波強(qiáng)度與閃電活動(dòng)的時(shí)間相關(guān)性，選取造成廣州中北部大范圍雷雨大風(fēng)和強(qiáng)降水天氣的第二個(gè)時(shí)段(19:00—23:30)作為參考，將組合反射率因子和其時(shí)間前6 min發(fā)生的閃電進(jìn)行位置疊加處理。

19:06(圖4a)，廣州中心城區(qū)、西邊區(qū)域新一輪強(qiáng)對(duì)流單體以零散的塊狀回波為主，強(qiáng)回波面積較小，位置分散，地閃數(shù)量較少且較分散，其多傾向分布于強(qiáng)回波邊緣和雷暴移動(dòng)路徑前側(cè)，與強(qiáng)回波中心的位置關(guān)系不太明顯。19:06—19:30時(shí)段內(nèi)閃電頻數(shù)保持較低數(shù)值。19:36(圖4b)后閃電頻數(shù)快速增加，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波向東北方向移動(dòng)并發(fā)展，零散的塊狀回波開始合并成強(qiáng)回波中心，最大回波強(qiáng)度一直處于增大趨勢(shì)，且回波面積不斷增大。20:18(圖4c)起雷暴進(jìn)入成熟期，地閃頻數(shù)則達(dá)到峰值393 fl/(6 min)，呈片狀密集在中心城區(qū)、白云和花都，且主要集中在40～53 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)內(nèi)，在其前部較弱回波區(qū)有零星閃電發(fā)生，而雷達(dá)回波強(qiáng)度和面積于20:24(圖4d)達(dá)到最大(55 dBZ)，地閃頻數(shù)峰值時(shí)間較雷達(dá)回波強(qiáng)度峰值時(shí)間有6 min的提前量。結(jié)合整個(gè)過程地閃頻次主、次峰值時(shí)間，提前雷達(dá)回波峰值時(shí)間平均11.1 min。21:12(圖4e)后地閃的數(shù)量減少，位置比較分散，集中出現(xiàn)在強(qiáng)度20～40 dBZ的回波區(qū)，但雷達(dá)回波強(qiáng)度和強(qiáng)回波面積仍較大，此時(shí)強(qiáng)降水仍持續(xù)但有所減弱。22:06(圖4f)后強(qiáng)回波中心移至從化，最大回波強(qiáng)度跌至50 dBZ以下，22:30后只有零星閃電在廣州上空，雷暴逐漸消亡。

圖4 組合反射率因子和前6 min的地閃頻數(shù)疊加圖

通過疊加分析發(fā)現(xiàn)，閃電的分布與雷達(dá)反射率分布之間存在著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，閃電基本隨著強(qiáng)回波區(qū)的移動(dòng)而移動(dòng)，而其他地方僅有零星的閃電發(fā)生。就整個(gè)第二時(shí)段過程而言，雷達(dá)回波強(qiáng)度并不是很強(qiáng)，多集中在40～53 dBZ，一般來說對(duì)于產(chǎn)生暴雨的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，整層水汽充足，其對(duì)流并不需要發(fā)展太高就可完成凝結(jié)降水。在整個(gè)過程中，負(fù)地閃始終占主要地位，原因可能是一般強(qiáng)降水過程中風(fēng)的垂直切變不太大，云上部的正電荷層在水平方向無法遠(yuǎn)離負(fù)電荷層直接暴露于地面之上，另外由于沒有足夠多的冰相粒子(如雹和霰粒)，少量的冰相粒子穿越零度等溫層時(shí)將全部融化而不會(huì)因?yàn)闅埓娴墓虘B(tài)粒子產(chǎn)生物理溫差起電而形成次正電荷層，因此產(chǎn)生了大量的負(fù)云地閃。閃電活動(dòng)頻繁往往會(huì)伴有回波發(fā)展，但強(qiáng)回波不一定有強(qiáng)雷電發(fā)生，高閃電頻數(shù)是強(qiáng)回波中心的充分而非必要條件。閃電頻數(shù)的變化對(duì)雷暴演變的3個(gè)階段有指示作用，閃電頻數(shù)的銳減提前于雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)的減弱，這可能是因?yàn)樵诶妆p弱的同時(shí)，上升氣流雖也在減弱，但強(qiáng)回波區(qū)并沒有完全消失，所以降水仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

5.2 閃電活動(dòng)和回波頂高的演變特征

回波頂高在一定程度上可指示閃電的發(fā)生，對(duì)流云發(fā)展越旺盛，云頂高度越高，就越有利于閃電的發(fā)生[22]。圖5為本次強(qiáng)雷暴過程最大回波頂高值與前6 min的地閃頻數(shù)隨時(shí)間的演變，可看出回波頂高對(duì)應(yīng)著地閃頻數(shù)的三個(gè)峰值處，地閃頻數(shù)峰值時(shí)間均落后于回波頂高峰值12～18 min。這是因?yàn)榈亻W密集區(qū)并不總是與回波頂較高的區(qū)域重疊，而是向其后部?jī)A斜(圖6，見下頁)，從而導(dǎo)致地閃頻數(shù)達(dá)到峰值的時(shí)間稍晚于回波頂高的峰值時(shí)間。另外，除了在發(fā)展的最初階段，整個(gè)過程的回波頂高均大于13 km，由此可見此次過程對(duì)流活動(dòng)十分劇烈。

圖5 地閃頻數(shù)與回波頂高隨時(shí)間的演變

在閃電發(fā)生前60 min內(nèi)，廣州境內(nèi)回波頂高從5 km逐漸增大到9.8 km，隨后的14:18第1次監(jiān)測(cè)到閃電的發(fā)生。這一現(xiàn)象的可能原因是在閃電活動(dòng)前期，雷暴處于發(fā)展階段，當(dāng)回波頂高達(dá)到一定高度，雷暴云中才發(fā)生起電過程，閃電才開始發(fā)生[23]。通過將回波頂高與閃電數(shù)據(jù)位置疊加發(fā)現(xiàn)(圖6，見下頁)，閃電較多分布在回波頂高9～15 km范圍內(nèi)，通過對(duì)各回波頂高值間隔內(nèi)的閃電比例發(fā)現(xiàn)，9～15 km占73%。進(jìn)一步證實(shí)了回波頂高的變化提前于地閃頻數(shù)的變化，因?yàn)榘l(fā)展較高的回波頂高需要強(qiáng)烈的上升氣流，而上升氣流為雷暴云中電荷分離提供了條件，從而更多的閃電會(huì)發(fā)生在回波頂高較高的地方。另外在回波頂高較低(低于2 km)的區(qū)域閃電占比12.1%，這可能與雷暴分裂出來的云砧和碎云有關(guān)[6]。

圖6 回波頂高和前6 min的地閃數(shù)據(jù)疊加圖

6 結(jié)論

本文通過利用粵港澳閃電定位儀、廣州多普勒天氣雷達(dá)和自動(dòng)氣象站等資料，對(duì)2017年6月2日發(fā)生在廣州地區(qū)的一次典型強(qiáng)雷暴天氣過程進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)閃電頻數(shù)的變化對(duì)雷暴演變的3個(gè)階段有指示作用，正地閃和負(fù)地閃頻數(shù)在雷暴生消的不同階段呈現(xiàn)不同的變化特征，整個(gè)閃電活動(dòng)過程中以負(fù)閃為主。在雷暴初始發(fā)展階段，閃電頻數(shù)逐漸增加，正閃明顯比負(fù)閃活躍；在發(fā)展成熟階段，閃電頻數(shù)顯著增加，負(fù)閃活動(dòng)加強(qiáng)；雷暴消亡階段，閃電頻數(shù)驟減，正閃活動(dòng)再次為主。因此閃電頻數(shù)是分析雷暴活動(dòng)的一個(gè)重要工具。

(2)在雷暴初期，閃電主要活動(dòng)在強(qiáng)回波周邊反射率因子梯度較大的區(qū)域；發(fā)展成熟階段，閃電主要分布在強(qiáng)回波中心及其前部區(qū)域，閃電頻數(shù)分布與強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)域存在著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，閃電活動(dòng)位置稍有提前；消亡階段，閃電活動(dòng)主要發(fā)生在回波中心外圍區(qū)域。閃電密集區(qū)的移動(dòng)反映了雷暴系統(tǒng)的移動(dòng)趨勢(shì)；高閃電頻數(shù)是強(qiáng)回波中心的充分而非必要條件；地閃頻數(shù)峰值的時(shí)間比雷達(dá)回波峰值時(shí)間平均提前了11.1 min，地閃頻數(shù)的銳減提前于雷達(dá)回波的減弱。

(3)回波頂高是產(chǎn)生閃電的先決條件，在閃電發(fā)生前最大回波頂高有明顯增大。閃電較多分布在回波頂高9～15 km范圍內(nèi)。地閃頻數(shù)達(dá)到峰值的時(shí)間均落后于回波頂高峰值12～18 min。因此有效利用閃電定位資料、雷達(dá)、衛(wèi)星等資料，可提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)有十分重要的意義。