成都“8·11”強對流天氣多普勒雷達與閃電特征分析

謝曉林, 胡 迪, 羅宇昂, 李 翔, 王 杰, 景號然

(1.四川省氣象探測數據中心,四川 成都 610072;2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,四川 成都 610072;3.四川省氣象臺,四川 成都 610072)

0 引言

區域性強降水常伴隨雷電、大風等災害性過程,災害性天氣的預報是目前世界性的難題,仍未得到完全解決[1-2]。四川地形特殊,西高東低,川西高原及攀西地區夏季降雹多發,成都平原夏季多夜雨并伴有閃電大風,短時強降水常引發城市內澇[3-4]。2020年8月11日08時(北京時,下同)四川省氣象臺發布近7年來的首個暴雨橙色預警,成都市共出現暴雨72站,大暴雨193站,特大暴雨9站,單日最大單站雨量為373.8 mm,城市交通癱瘓,河流漫堤,形成內澇,造成嚴重經濟損失。

多普勒天氣雷達是監測中小尺度災害性天氣系統的主要工具,它能提供反射率因子、徑向速度等數據,從而得到降水過程的強度信息或降水粒子運動的徑向風速特征[5]。近代天氣預報技術的快速進步除了得益于數值預報外,天氣雷達等遙感觀測技術也有很大功勞[6-7]。四川現有由12部多普勒天氣雷達組成的觀測網,盆地內的觀測覆蓋較完整,川西高原及攀西地區由于地形復雜、建設難度大等原因,雷達覆蓋區域不足40%。

閃電定位儀能通過閃電輻射的聲、光、電磁場特性來探測雷電過程,通過自動化組網,可精確定位閃電發生的位置、強度等信息,對開展雷暴預報、森林防火、氣象防災減災、人工影響天氣等工作有很大促進作用[8]。四川已經建成由24部閃電定位儀加24部大氣電場儀構成的雷電監測網,在2019年四川木里森林火災、2020年四川涼山森林火災等防災減災氣象服務中發揮了重要作用。

利用新一代天氣雷達結合閃電定位儀對強降水進行預測分析,對閃電的形成、雷暴云的生消、防雷防災、城市內澇預防都有重要意義[9-10]。研究表明,當對流層中層有干空氣侵入,下層氣流具有較大不穩定性,低層環境氣溫直減率較大時有利于雷暴的出現[11]。龍柯吉等[12]將影響四川的雷暴大風系統分為5大類,分別為混合性大風類,深厚低槽(低渦)后部類、低槽(切變)東移類、副熱帶高壓西側切變類和東風擾動類,不同種類的系統有著不同的雷達回波特征,而相同系統種類在不同時間段的雷達回波有何特征并未有深入研究。雷達徑向速度圖中同一方向的速度區出現零速度閉合線,說明存在逆風區,反映了強對流天氣的生消特征和渦旋結構,研究逆風區在雷暴云中的回波特征有重要意義[13]。國內外文獻常將天氣雷達探測到的閃電回波進行個例分析,而少有結合閃電定位儀,對閃電發生的位置與強度和雷達反射率因子、速度等產品信息之間關聯特征的深入分析[14-16]。成都“8·11”強對流天氣過程共探測到11957次,單日閃電次數占整個汛期的近1/3,利用天氣雷達和閃電定位儀數據,分析整個強對流天氣的生消過程,結合天氣形勢和環流背景,提取雷暴過程的強度和速度特征,并統計整個汛期雷暴過程這些特征的出現頻次,驗證特征結果的典型性,以期能提高對強雷暴天氣的預警預報時效。

1 資料

利用架設于成都市區的新一代天氣雷達(CINRAD/SC)和成都周邊的4部閃電定位儀,分析2020年4-9月汛期的所有雷暴數據,得到雷達數據與閃電數據特性關系。

表1 成都新一代天氣雷達站與閃電定位儀的位置分布

雷達數據采用成都雷達連續VCP21模式體掃基數據,閃電數據采用4部閃電定位儀探測到的成都雷達觀測區域內的閃電發生時間、經度、緯度、強度、極性。

2 2020年汛期雷達和閃電數據統計分析

由于天氣雷達數據時間分辨率為6 min,閃電定位儀時間分辨率為2 min,閃電發生時間與雷達數據時間無法準確對應,通過編程將雷達反射率因子數據和閃電發生時間、位置進行統計,盡量減少時間匹配誤差。圖1給出了2020年主汛期(4-9月)成都雷達反射率因子與閃電定位儀閃電強度數據的對應關系。

圖1 反射率因子與閃電強度對比散點圖

2020年4-9月成都區域共探測到35373次閃電過程,其中4月發生30次,5月發生608次,6月發生5612次,7月發生2422次,8月發生26433次,9月發生268次。與雷達數據對比,由圖1(a)可見成都4月雷暴少,強度弱,無明顯特征可供分析;2020年5月成都雷達探測范圍內共發生1644次閃電過程,由圖1(b)可見反射率因子大于40 dBZ后,閃電數量明顯增加,且反射率因子介于40～60 dBZ時,閃電發生最為頻繁,閃電強度主要集中在20～60 kA。圖1(c)～(e)給出了6-8月成都雷達觀測范圍內的21255次閃電過程的反射率因子與閃電強度對比散點圖,它們都有相似的特征,反射率因子大于15 dBZ后,閃電發生頻次明顯增加;反射率因子介于40～60 dBZ時,雷電活動最為頻繁,閃電強度主要集中在30～100 kA。由圖1(f)可見9月成都雷暴活動較8月明顯減少,雖有強度超過100 kA的閃電發生,但數量不大,不足以形成災害。

通過分析可以發現,2020年4月為汛前,成都發生的強對流過程較少,雷雨天氣主要發生在清明后,春雷強度不大,閃電強度低于100 kA。5月進入汛中后,閃電發生的次數多、強度大,且以8月數量最多,占比超過7成。其中,8月11日共計發生閃電11957次,占全月的45.23%,整個汛期的33.80%。到9月汛末,閃電次數急劇減少。

3 “8·11”成都強降水個例分析

2020年8月11日四川省氣象臺發布了近7年來的首個暴雨橙色預警,北方的冷氣團與南方的暖氣團在四川盆地西部形成明顯的氣團“對峙”現象,帶來了持續性強降雨天氣過程。由于處在迎風坡方向,成都西部地區降水最為明顯。圖2給出了8月11日00時至12日00時成都降水量分布圖。

圖2 8月11日0時-12日0時成都降水量分布圖

成都市共出現暴雨72站,大暴雨193站,特大暴雨9站,單站最大雨量為373.8 mm。

3.1 天氣形勢和環流背景

200 hPa南亞高壓脊線位置偏南,在28°N附近。從500 hPa高度場(圖3a)來看,中高緯地區為兩槽一脊的形勢,四川盆地西部存在低槽。11日08時到12日08時,槽線一直在盆地西部邊緣擺動,隨著西太平洋副高的西進,13日08時槽線明顯東移,槽前的上升氣流配合副高前端持續偏南暖濕氣流為盆地內降水提供了適宜的動力和水汽條件。從低層動力條件(圖3b)來看,11日08時700 hPa在甘孜州西部白玉縣附近有西南渦生成,并在之后兩天迅速東移至盆地內,西南低渦的存在提升了盆地區域上升氣流的同時進一步加速了中低層偏南暖濕氣流進入盆地降水區。

圖3 8月11日08時-13日08時500 hPa高度場與低層系統演變圖

3.2 閃電次數與降水量關系對比

圖4給出了8月11日00時-8月12日03時閃電發生次數與小時最大降水量的對比圖。可見當日閃電的發生主要集中在3個時間段,分別是11日06-07時,共發生閃電4923次,其中負閃4675次,閃電發生區域的小時降水量均超過50 mm,分別達到77.5 mm和80.6 mm;11日13時,發生閃電741次,其中負閃706次,閃電發生區域的小時降水量為64.6 mm;11日22時-12日00時,共發生閃電2081次,其中負閃1966次,閃電發生區域的小時降水量分別為68.3 mm、69.2 mm和99.8 mm。

圖4 11日00時-12日03時閃電次數與最大降水量的對比圖

8月11日00時-12日03時的最大降水量分布呈多波峰的分布,閃電發生的密集時間段,能對應到較強的降水量,如11日06-07時(時段1)。而強降水發生時,閃電發生不一定頻繁,如11日17時(時段2)最大降水量達到90.1 mm,而對應的閃電發生次數僅為95次。

在同一降水個例時間區間內,同樣具有較強降水的前提下,時段1和時段2閃電次數差別巨大,下文將根據現有資料,從雷達回波強度,速度場,VIL、回波垂直結和閃電位置等方面對其特征進行對比,找到雷暴云的雷達回波典型特征。

3.3 雷暴云的雷達與閃電數據對比分析

組合反射率(CR)是根據雷達體掃基數據,將各個高度的最大反射率因子投影到同一等高面得到的二次產品,反映了反射率因子最大值的水平分布。垂直積分液態水含量(VIL)是根據雷達體掃基數據,通過反演算法得到。由于業務雷達體掃模式的局限,得到的液態水含量雖有一定誤差,但也能定性地說明雷暴云中液態水含量分布與閃電位置分布的特性關系[17]。

3.3.1 時段1雷達CR產品、VIL產品與閃電位置分布的對比分析

圖5給出了11日06-07時(時段1)雷達CR產品、VIL產品與閃電位置分布的對比關系,可見強回波中心主要集中在成都雷達西南方向,南北跨度超過100 km,東西方向跨度在80 km左右,回波強度普遍超過40 dBZ,最強中心可達58 dBZ。06時47分(圖5d)逐漸分離為3個部分,到07時03分(圖5e)時完全分離,而強度并未有明顯減小。另外,位于成都北偏東方向100 km處有零散的強回波,06時04分(圖5a)可見3個小的局地性單體,每個單體半徑為5 km左右。06時15分(圖5b)3個單體回波合并為1個條形單體,有一個強度大于40 dBZ的質心,大概維持了30 min后,07時14分(圖5f)強度開始減弱。

圖5 時段1雷達CR產品、VIL產品與閃電位置分布對比圖

從閃電發生的位置分布圖可見該時段雷暴發生密集,其中06時00分-30分(圖5i)共發生閃電1153次,其中負閃1104次;06時30分-07時00分發生閃電1184次,其中負閃1134次;07時00分-30分發生閃電1292次,其中負閃1216次;07時30分-08時00分發生閃電1294次,其中負閃1221次。雷達強回波帶主要集中在成都西南方,閃電發生位置與雷達強回波帶位置有很好的對應關系。雷達北方雖然有尺度較小的強回波帶,但是未有較強閃電過程發生。可以看出,閃電發生位置呈東移趨勢,這與雷達強回波帶的移動關系也有很好的對應關系,且閃電發生的密集區域與雷達反射率因子大于40 dBZ的區域也有正相關性。

對比VIL產品可見,06時25分(圖5m)VIL的大值區集中在雷達西南方,最大值超過25 kg·m-2,VIL大值區的分布與閃電位置分布有較好的對應關系,閃電發生密集的區域,其VIL產品都會有一個超過10 kg·m-2的質心(圖5m～5p)。

3.3.2 時段1雷達徑向速度特征分析

圖6給出了時段1兩個時次的雷達徑向速度,其中圖6(a)～6(c)為06 時15 分雷達1.5°、3.4°和9.9°3個仰角的徑向速度圖,圖6(d)～6(f)為07時35分對應3個仰角的徑向速度圖。對比圖(5b)可見,06時15分,強回波中心位于雷達西南方向,低層有明顯輻合(圖6a),中層存在零速度閉合線,稱為逆風區,且逆風區位置正好位于反射率因子大值區域(圖6b),高層有明顯的輻散特性(圖6c);07時35分,強回波中心移動到雷達南方,回波低層和中層依然存在明顯的輻合特性與逆風區(圖6d～6e),高層存在輻散特性(圖6f)。雷達北方存在速度大值區,與強回波中心位置無重合關系。

圖6 時段1雷達徑向速度圖

3.3.3 時段2雷達CR產品、VIL產品與閃電位置分布的對比分析

圖7給出了8月11日17時08分-51分(時段2)雷達CR產品、VIL產品與閃電位置分布的對比關系。可見17時08分雷達西南方形成一個強回波中心,最強反射率因子超過50 dBZ,發生閃電57次,最大降水量發生在西南方的新津站,小時降水量90.1 mm;17時24分,強回波依然未減弱,17時00分-24分共發生閃電90次,占該小時總閃電數量的94.74%,17時51分,回波強度開始減弱,閃電發生次數也相應減少。

圖7 時段2雷達CR產品、VIL產品與閃電位置分布對比圖

對比VIL產品可見,17時08分(圖7g)VIL的大值區集中在雷達西南方,最大值超過20 kg·m-2,VIL大值區的分布與閃電位置分布有較好的對應關系。閃電主要發生在17時24分以前,該時間段的VIL產品都可見一個大于10 kg·m-2的質心,該特征與時段1相符。

3.3.4 時段2雷達徑向速度特征分析

圖8(a)～8(c)給出了17時24分時段2的1.5°、3.4°和9.9°3個仰角的徑向速度。可見時段2低層無明顯輻合特征,強回波中心有逆風區(圖8a),該段時間有部分閃電發生,雷達東北方存在速度大值區,速度超過20 m·s-1,而反射率因子不超過40 dBZ;中層有一定輻合特征(圖8b);高層無輻散特征(圖8c)。圖9(d)～9(f)給出了17時51分時段2的1.5°、3.4°和9.9°3個仰角的徑向速度。低層逆風區消失,該段時間閃電發生很少,其他層仰角與17時24分速度特征相同。可見代表對流運動的逆風區與閃電的發生有正相關性,同時,與時段1相比,在反射率因子都超過40 dBZ、速度場都存在逆風區的情況下,代表了對流的存在,而速度場低層存在輻合區,高層存在輻散區的特征是對流是否旺盛的關鍵。

圖8 時段2雷達徑向速度圖

3.3.5 時段1和時段2雷達反射率因子垂直剖面圖特征分析

圖9(a)～9(c)是時段1在11日06時15分、06時47分和07時14分3個時次的反射率因子垂直剖面圖。可見06時15分,時段1對流發展旺盛,云頂高度超過15 km,質心在6 km左右,水平寬度超過65 km;06時47分時段1開始分裂成3個單體,質心下移,高度在5 km左右,水平寬度仍然在60 km左右;07時14分時段1繼續分裂,質心繼續下移到5 km以下,并且水平寬度已經超過80 km,強度始終維持在一個較高的水平,對流運動旺盛,閃電發生頻次密集。原因是質心下移到零度層高度附近時,此時云中冰粒和雨滴通過彼此碰撞和感應起電,云地間的電場因為閃電放電而破壞,同時恢復快,此時閃電多發且頻率較高。

圖9(d)～9(f)是時段2在11日17時08分、17時24分和17時51分的反射率因子垂直剖面圖。可見時段2的垂直高度低于時段1,云頂高度仍然超過10 km,由于對流不夠旺盛,質心高度不超過5 km,位于融化層高度以下,水平寬度不超過20 km;17時24分質心下移到2.5 km左右,強度依然超過45 dBZ,水平寬度維持在20 km左右,到17時51分,時段2已經明顯減弱,雖然有一定的強度,但是水平尺度不超過5 km。

圖9 時段1與時段2雷達反射率因子垂直剖面對比圖

3.3.6 雷暴云雷達回波特征統計分析

通過對比同一雷暴天氣過程中的兩個不同時間段的數據,得到雷暴云發生閃電時的4個雷達回波特征。分別是速度場中層存在逆風區(RW)、速度場低層存在輻合區,高層存在輻散區的特征(VEL)、閃電位置與雷達VIL超過10 kg·m-2的區域呈正相關對應關系(VIL10)和雷達反射率質心下移特征(CD),統計2020年4-9月的35373次閃電過程中這4種特征發生占比情況(圖10),RW特征占比85.94%,VEL特征占比66.15%,VIL10占比82.83%,CD占比為75.19%。另外,當4種特征同時出現時,閃電強度大,頻率高,占比14.27%。

圖10 4種雷暴云回波特征占比柱狀圖

通過對雷暴云發生閃電時的4個雷達回波特征在主汛期所有閃電過程的占比分析,發現回波特征的出現頻率高,具有很好的代表性和典型性,這對預報員提高雷暴云的識別和災害預警速度有一定參考價值。

4 結束語

通過以上分析,得如下結論:

(1)2020年4-9月,成都地區閃電8月發生最為頻繁,占整個汛期的74.72%;閃電主要發生在雷達反射率因子40～60 dBZ,強度一般低于100 kA。

(2)通過對比“8·11”成都強降水過程雷達和閃電數據,得到4個雷暴云的雷達回波特征,并在整個汛期的閃電過程中進行典型性驗證。特征1在雷暴云對流發生的過程中,雷達中低層仰角徑向速度存在逆風區,位置與強回波中心對應,此時有閃電發生;速度大值區和強回波中心位置不重合;逆風區可作為對流云中閃電發生的標志。

(3)特征2當雷暴云發展到成熟階段,反射率因子超過40 dBZ時,雷達徑向速度低層存在輻合,中層存在零速度閉合線,高層存在弱輻散特征,閃電發生量明顯增加,位置主要分布在雷達VIL超過10 kg·m-2的區域附近(特征3)。

(4)特征4雷暴云存在質心下移現象。當質心下移到零度層高度附近時,如質心發生分裂,云中冰粒和雨滴通過彼此碰撞和感應起電,云地間的電場因為閃電放電而破壞,同時恢復得也很快,此時閃電多發且頻率較高。

由于天氣雷達觀測模式的局限性,雷達數據與閃電資料時間分辨率相差3倍,雷暴云發生發展劇烈,云中風場變化很快,雷達徑向速度并不代表雷暴云中的實際流場,只能分析出一定回波特征。采用雙偏振雷達增加雷達觀測量,相控陣天線加快觀測時間分辨率,多雷達協同觀測得到雷暴云實際風場與閃電資料結合,分析雷暴云不同階段的云中流場關系還需進一步研究。