鷹潭市雷電天氣分型和雷達PUP產品特征分析

李 密，馬中元，余劍浩，劉懿樞，姜 磊，戴震天

(1.江西省氣象科學研究所，南昌 330046；2.鷹潭市氣象局，鷹潭 335001)

0 引言

雷電災害是江西十大自然災害之一。據數據統計：2005—2021年，江西因雷擊事件身亡人數高達575人，主要分布在3-9月，其中7月雷擊發生最頻繁，有176人喪生。因此，開展雷電災害的監測預警研究和預報服務十分有意義。

國內外學者對雷電災害性天氣監測預警技術進行了大量研究，例如：主觀臨近預報技術包括基于雷達觀測并結合其他資料，對雷暴生成、發展和衰減的臨近預報；層結不穩定是雷暴發生的3要素之一[1，2]。冰雹回波具有高懸的強回波、低層的弱回波區、中高層的回波懸垂和有界弱回波區、中氣旋、風波頂輻散和三體散射長釘；任何對流風暴(雷暴)都是由對流單體構成，對流單體在雷達反射率因子圖上表現為一個分立的密實區域[3，4]。雷達回波反射率因子的回波面積大小和強回波中心的移動與閃電發生的時間、地點有很好的一致性；強雷電回波具備強度大于50 dBz、強回波中心密實、強回波邊緣梯度大等條件[5，6]。江西雷電天氣具有明顯的季節變化與日變化特征，每年2—5月集中在08：00—20：00，6—9月集中在11：00—20：00[7]。水汽云圖上的強水汽累積區、雷達回波上的回波合并與高層強回波區以及雷達回波速度場上的“零值線”等特征，是判斷雷電發生和強對流天氣的重要依據[8-12]。颮線移動前方不斷產生具有“前伸”、TBSS 、虛假回波結構和局地雹云超級單體回波群，這些颮前中小尺度系統是產生強對流天氣的主要回波系統[13]。強垂直風切變、適宜的 0～-20 ℃高度、“上干下濕”的結構配置是形成地面降雹和雷雨大風的有利環境條件[14]。局地冰雹回波強度CR 達到 60～65 dBz，回波頂高ET 達到 9～12 km，垂直累積液態水含量VIL 達到 40～60 kg/m2，伴有強雷電活動[15]。8種云型是構成江西強對流天氣的典型云型和兩種回波形態[16-18]。

文章通過雷電資料、天氣資料和雷達PUP產品進行統計分析，總結出鷹潭市雷電天氣的天氣類型、雷達拼圖特征和雷達PUP產品特征，為開展鷹潭市雷電天氣的監測預警和預報服務提供分析依據。

1 資料與區域劃分

1.1 資料

雷電資料來源于江西強天氣監測平臺(http：//10.116.36.68/，2013年)和CIMISS數據庫雷電數據。雷達資料有兩種：一是江西WebGIS雷達拼圖資料(http：//10.116.32.81/，2012年)；二是撫州(9794)SA雷達PUP產品數據。文章統一使用北京時間。

1.2 區域劃分

雷電區域的統計范圍是以鷹潭117.8°E/28.26°N為中心點，掃描半徑0.5°(約55 km)的同心圓，該范圍包含了鷹潭市所屬縣市和周邊縣部分區域。在江西強天氣監測平臺上設置好中心經緯度和半徑，然后以鷹潭市為中心點的1°經緯距(110 km)覆蓋圓內統計雷電日、雷電單日次數和雷電最大強度值。

2 雷電天氣分型和雷達拼圖回波特征

2.1 雷電數據統計和天氣系統分型

2016—2018年，鷹潭市落雷密度≥500次/日的強雷電天氣過程共有39次，對其進行數據統計和天氣系統分型得出，鷹潭市雷電天氣過程主要有4種天氣系統：1)冷鋒型(20次)；2)副高邊緣型(11次)；3)東部臺風型(5次)；4)南部臺風型(3次)。

冷鋒型(圖1a)指對流觸發主要由地面冷鋒造成，并伴隨著高空槽、中層切變和地面倒槽。特別是3—4月，強對流天氣過程與地面倒槽的劇烈發展有關，而往往倒槽以北又有冷空氣堆積、南下。前期輻射增溫，在“舌”狀倒槽最明顯的時段，倒槽附近先出現強對流天氣過程，有強雷電，并常伴有雷暴大風、強降水等強對流天氣。隨著冷空氣南下，冷暖氣團交匯，冷鋒不斷向倒槽侵入，在鋒面附近又會激發出劇烈對流，有時強度更強，強雷電并伴有冰雹、雷暴大風。冷鋒型過程有時會持續3～4 d，先是暖區強對流，后冷鋒南下，冷暖氣團交匯，冷平流又激發強對流，直到冷鋒南移至贛南，贛北、贛中的強對流天氣過程才趨于結束。高空低槽、中低層切變線，切變線以南700 hPa、850 hPa、925 hPa有顯著的西南氣流從西南伸向贛北、贛中。850 hPa的18 ℃露點線由福建南部經贛東南、贛西北伸向湘中。受低槽、切變影響，在上干、下濕、200 hPa分流區、低層輻合中心附近等對流易發區出現強雷電。

副高邊緣型(圖1b)是熱力條件、水汽條件很好的地方，在副熱帶高壓(588 dagpm線)進入江西省，在6-8月，受低槽東移或臺風影響，有一定的動力條件，也容易出現強對流天氣。鷹潭位于副高邊緣，500 hPa高空有低槽移動，低槽附近有干舌配合，江西處槽前；當低槽翻過110°E移近江西時，在槽前上干、下濕、700 hPa急流、200 hPa分流區等系統重合區域出現強雷電。

東部臺風型(圖1c)受臺風低壓沿副熱帶高壓邊緣東北方向運動影響，副熱帶高壓斷裂成東西二環，日本海以東海面的副熱帶高壓，河套地區的大陸高壓。臺風低壓中心向東部伸出輻合線或低層切變線，在上干、下濕、地面輻合線或低層切變線附近等對流易發區出現強雷電。

南部臺風型(圖1d)副熱帶高壓控制華東大部地區，588 dagpm線伸入江西中西部。此時南部或西南部有臺風活動，低壓中心向北部伸出南北向或西南—東北向的倒槽；或東南方向有東風波從東南沿海向西北方向移動；熱帶系統活躍導致副熱帶高壓強度有所減弱，控制區內出現輻合線或切變線，受臺風倒槽或東風波等熱帶系統影響，在上干、下濕等對流易發區出現強雷電。

圖1 鷹潭市雷電天氣的4種天氣系統配置

2.2 雷電天氣過程雷達拼圖回波特征

雷達拼圖比單部雷達探測范圍要廣泛，多部雷達資料拼圖彌補了單部雷達近距離擋角、盲區，遠距離地球曲率、衰減等因素的影響，使得雷達拼圖探測回波系統更加完整和完善。雷達拼圖可以在網站上采用不同方式隨時進行調閱，因此，在實際業務中使用頻率最高。

鷹潭雷電的雷達拼圖主要是帶狀回波(圖2)，由多個對流單體排列成帶形成。例如：颮線帶狀回波、短帶回波和臺風外圍螺旋雨帶回波。在單部雷達產品分析團塊狀回波和塊狀回波結構中，也能看出尺度不同的短帶回波結構。

颮線回波帶(圖2a)是由多個對流單體回波排列成東北—西南走向的緊密回波帶，帶上強回波單體強度可達60 dBz以上，整體回波朝東南方向移動，途經鷹潭時產生雷電。短帶回波(圖2b)是由多個對流單體回波排列成近似南北走向的回波帶，回波帶長度比颮線回波帶要短，回波強度可達60 dBz以上，整體回波朝偏東方向移動，途經鷹潭時產生雷電。

臺風外圍回波帶是由臺風外圍螺旋雨帶或環流引起的雷暴回波帶。根據臺風來向位置不同，大致分為東部臺風(圖2c)和南部臺風(圖2d)兩種。東部臺風一般為南北走向的回波短帶，強回波單體強度可達60 dBz以上，整體回波朝偏西方向移動，途經鷹潭時產生雷電。南部臺風一般為東南—西北走向的回波帶，結構較松散，強回波單體強度可達50～55 dBz，整體回波朝東北方向移動，途經鷹潭時產生雷電。

3 雷達PUP產品特征

雷達產品選擇距離鷹潭最近的撫州SA雷達(9794)，主要分析：組合反射率CR、回波頂高ET、垂直累積液態水含量VIL、垂直剖面反射率因子RCS和徑向速度垂直剖面VCS。組合反射率CR 反映了整層回波的強度分布；回波頂高ET從0 dBz開始取消了18 dBz的限制；垂直累積液態水含量VIL將4×4精度改進為1×1精度(肖艷嬌等[19]2009)；反射率因子垂直剖面RCS和徑向速度垂直剖面VCS用來反映反射率因子Z與速度場V之間的關系。

徑向速度場上“中氣旋 (mesocyclone)”的小尺度渦旋(Fujita[20]1963)，與最早 Brooks通過分析龍卷周圍的地面氣壓場得出的龍卷母氣旋是同一個概念(Brooks[21]1949)，在速度場上重點監測速度對、正負速度大值區、或者明顯速度分層；垂直累積液態水含量(VIL)定義為液態水混合比的垂直積分(Greene et al[22]1972)，液態水混合比是通過雷達測量的反射率因子和雨滴之間的經驗關系：M=3.44×10-3Z4/7進行垂直積分計算得到垂直累積液態水含量VIL。

為了便于分析，雷達產品按照回波形態分為：帶狀回波、短帶回波、團塊狀回波和塊狀回波4類，并針對這4類回波的組合反射率CR、回波頂高ET、垂直累積液態水含量VIL、垂直剖面反射率因子RCS 和徑向速度垂直剖面VCS等5個產品進行分析。團塊狀回波類似“絮狀”回波，不同的是在團狀回波中塊狀對流回波更為旺盛[23-26]。

3.1 颮線帶狀回波特征

2018-05-01T17：56，整個颮線回波帶呈東北—西南走向，帶上回波單體排列緊密，回波強度CR在55～60 dBz，回波帶影響鷹潭市時，造成鷹潭市區域落雷861個，最大雷電強度-174.6 kV。2018-05-01T17：56，回波帶上強中心回波頂高ET在14～15 km，大部分回波頂高ET 在10～12 km。2018-05-01T17：56，回波帶上強中心回波的垂直累積液態水含量VIL在35～40 kg/m2。

2018-05-01T17：56，反射率因子垂直剖面RCS強中心強度在55～60 dBz，45 dBz強回波頂高在8 km，0 dBz最高回波頂高超過16 km，強回波呈柱狀；徑向速度垂直剖面VCS具有正負速度對(上下結構)[27]。

3.2 短帶回波特征

2018-05-22T13：00，短帶回波帶呈東北—西南走向，帶上回波單體排列緊密，回波強度CR 在50～55 dBz，回波帶影響鷹潭市時，造成鷹潭市區域落雷1396個，最大雷電強度-132.9 kV。2018-05-22T13：00，回波帶上強中心回波頂高ET 在14～15 km，大部分回波頂高ET 在10～11 km。2018-05-22T13：00，短帶回波上強中心回波的垂直累積液態水含量VIL 在25～30 kg/m2。

2018-05-22T13：00，反射率因子垂直剖面RCS 強中心強度在50～55 dBz，45 dBz強回波頂高在10 km，0 dBz最高回波頂高超過18 km，強回波呈柱狀；徑向速度垂直剖面VCS具有正速度核。

3.3 團塊狀回波特征

2017-08-17T18：01，團塊狀回波影響鷹潭市，回波結構緊密，回波強度CR 在55～60 dBz，回波影響鷹潭市時，造成鷹潭市區域落雷2264個，最大雷電強度-70.1 kV。2017-08-17T18：01，團塊狀回波頂高ET 在14～15 km，大部分回波頂高ET 在10～12 km。2017-08-17T18：01，團塊狀回波上強中心回波的垂直累積液態水含量VIL 在40～50 kg/m2。

徑向速度垂直剖面VCS具有正負速度對；反射率因子垂直剖面RCS 強中心強度在60～65 dBz，45 dBz強回波頂高在12 km，0 dBz最高回波頂高超過18 km，強回波呈柱狀[28]。

3.4 塊狀回波特征

2018-08-05T17：57，塊狀回波影響鷹潭市CR 在55～60 dBz，造成鷹潭市區域落雷275個，最大雷電強度-154.0 kV。2018-08-05T17：57，塊狀回波頂高ET 在14～15 km。2018-08-05T17：57，塊狀回波上強中心回波的垂直累積液態水含量VIL 在15～20 kg/m2。

徑向速度垂直剖面VCS具有上下結構的正負速度層；反射率因子垂直剖面RCS 強中心強度在45～55 dBz，45 dBz強回波頂高在8 km，0 dBz最高回波頂高超過16 km，強回波呈柱狀。

由此可見，單部雷達產品特征表現為：組合反射率CR在50～60 dBz；回波頂高ET在14～15 km；垂直累積液態水含量VIL在15～50 kg/m2；反射率因子垂直剖面RCS在45～65 dBz；45 dBz強回波頂高在8 km以上，有時超過10 km；強回波呈柱狀；有時強回波上方有旁瓣引起的虛假回波；徑向速度垂直剖面VCS具有正負速度對(包括上下結構速度層)和正速度里面的強速度核。

4 結束語

文章通過使用雷電資料、天氣資料和雷達PUP產品進行分析，得出鷹潭市雷電天氣的天氣類型、雷達拼圖特征和雷達PUP產品特征。

雷電天氣來自于雷暴單體，雷暴單體雷達回波是產生雷電天氣的主要回波系統，了解和把握雷達回波特征，是監測預警雷電天氣的有效手段。雷電天氣的預測，取決于對雷暴回波系統的識別和外推，同時，雷電天氣的產生還與環境條件相關。因此，不斷積累雷電天氣過程數據，更好地總結分析雷電天氣特征、雷達拼圖回波特征和雷達PUP產品特征，是今后繼續研究和努力的方向。