江西兩次雷擊事件雷達回波特征分析

黃中根，馬中元，諶 蕓，陳鮑發，段和平

（1.九江市氣象局，江西 九江 332000；2.江西省氣象科學研究所，江西 南昌 330046；3.國家氣象中心，北京 100081；4.景德鎮市氣象局，江西 景德鎮 333000；5.江西省氣象災害防御技術中心，江西 南昌 330046）

2021年3月30—31日，江西先后經歷了6次冰雹、雷暴大風等強對流天氣回波系統影響過程。在這次罕見的連續性大冰雹天氣過程中，江西發生兩起雷擊事件，分別是3月30日16：40余干縣玉亭鎮百湖村發生雷擊事件和3月31日14：40南昌縣塘南鎮西聯村發生的雷擊事件。這兩起雷擊事件分別由超級單體回波和強單體回波導致，因此，有必要針對產生雷電的這兩類回波系統進行分析和總結，有利于識別產生雷電的雷暴系統，更好地為預防雷擊事件提供幫助。

國內外對雷擊事件形成原因研究頗多，取得不少研究成果。有研究指出，閃電先于降水之前開始，降水量峰值與閃電頻數峰值同相或者落后1～2 h；強對流暴雨的閃電活動與強回波區有較好的對應關系[1-3]。低緯高原地區春夏季節，80%的短時強降水過程伴隨有閃電活動發生[4-5]。負地閃廣泛分布于25～55 dBZ雷電回波區域[6-8]。總閃頻數與30 dBZ雷達回波頂高、-20℃溫度層上＞20 dBZ的回波體積具有較好的相關性[9-10]。地閃發生位置附近的雷達最大反射率因子呈正態分布；30 dBZ回波頂高分布的峰值區間則為8.5～12 km[11-13]。采用Kalman濾波算法實現雷暴的追蹤與外推，算法具有較好的0～60 min臨近外推預報能力[14]。雷電活動3月開始增多，峰值出現在7—8月[15]。45 dBZ以上回波伸展高度越高，伴隨的地閃數也越多[16-17]。大氣動力和大氣溫濕類參數與雷電活動關系密切，副熱帶高壓邊緣型雷電天氣明顯受大氣動力參數影響[18-20]。雷電災害的發生不僅與致災因子（雷電）有關，還與承載體的暴露度、脆弱性和雷電防護水平有關[21]。地表的不規則起伏程度會引起垂直電場峰值的衰減和上升沿時間的滯后[22]。正、負地閃中單回擊地閃所占比例分別為91.1%和24.2%[23-26]。皖南山區地閃發生頻次占安徽全省地閃發生頻次的28.2%[27]。大興安嶺地區的年平均雷電次數為36 013.4次，以負閃為主[28]。地面相對濕度（RH）過小或過大都不利于閃電活動產生[29]。雹暴整個生命史內主要以負地閃為主，且伴隨強降水[30-33]。雷電災害事件最為嚴重的是電力行業，人員傷亡事故主要發生在鄉村[34-36]。雷電強度和回波強度有很好的對應關系，但產生強雷電的回波要具備強度＞50 dBZ、強回波中心密實、強回波邊緣梯度大等條件[37-39]。這些成果為本文研究提供了理論依據，但使用雷達拼圖資料，監測預警雷電天氣的研究較少。

本文采用天氣學、統計學和雷達氣象學等分析方法，從產生雷電現象的超級單體和強單體回波角度進行分析，試圖揭示雷電天氣與雷達回波系統之間的關系，為雷電天氣的監測預報提供有指導意義的范例。

1 資料來源和江西雷擊事件

1.1 資料來源

天氣資料來源于MICAPS平臺常規天氣圖、地面要素、探空等資料；地面雨量資料來源于江西自動氣象站雨量檢索平臺；雷電數據來源于CIMISS數據庫和江西雷電產品內網平臺；雷達拼圖資料來源于江西WebGIS雷達拼圖平臺，雷達產品資料來源于南昌SA天氣雷達基數據PUP反演。

1.2 江西雷擊事件

江西屬于多雷電活動的地區，據江西省氣象災害防御技術中心數據統計表明：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月雷擊事件最頻繁，有176人喪身。從2007年江西雷擊事件高峰（145人）開始，2021年江西雷擊事件低谷（6人）止，江西雷擊事件在逐年減少，這與人們雷電防御意識的提高、雷電監測手段的完善和雷電天氣預警預報能力的提高有關。

2 雷擊地點、雷電實況和天氣背景

2.1 雷擊地點

2021年3月30日16：40，余干縣玉亭鎮百湖村發生雷擊事件；3月31日14：40，南昌縣塘南鎮西聯村發生雷擊事件（圖1）。雷擊事件的發生與中小尺度超級單體和強單體回波系統密切相關。

圖1 2021年3月30日余干縣雷擊事件（黃色區域）和3月31日南昌縣雷擊事件區（綠色區域）

2.2 江西省雷電實況

2021年3月30日00：00—4月1日20：00，江西先后經歷了6次颮線（超級單體）回波系統的侵襲，雷電次數頻繁（圖2）。

這次強對流天氣過程雷電次數的逐小時平均值（1 618次），將雷電曲線劃分為上下2個區域，高于1 618次的峰值為高峰區。共出現2個連貫的雷電高峰“3”和“6”（圖2）。第一個“3”高峰為主峰，由“1234峰”組成；第二個“6”高峰為次高峰，由“56峰”組成。

圖2 2021年3月30日00：00—4月1日20：00江西省雷電小時總數分布

第一個高峰開始時間是30日15時，然后逐步攀升，31日01時達到頂點，之后快速下降；第二個高峰開始時間是31日13時，然后逐步攀升，31日20時達到頂點，之后快速下降。2個雷電高峰的起步點都發生在午后，與太陽輻射地表加熱有關，是江西對流天氣發生的重要影響因素之一。

在2個雷電高峰起步時間點前，雷電次數有個相對“平坦底”，即小時雷電次數＜1 000次的低值雷電次數時間段。第一個高峰的平坦底時間比較長，≤200次/h的平坦底維持11 h；第二個高峰的平坦底時間較短且雷電次數多于前者，≤900次/h的平坦底只有7 h。兩次過程表明雷電高峰開始前，有個較長時間雷電次數≤1 000次/h的醞釀期，這個期間雷電次數沒有太大的起伏變化。

圖2中“1”和“5”2個小高峰是經過“平坦底”后雷電開始上升的首個小高峰，也是兩次雷擊事件（“1”和“5”兩個圓圈）發生時段。雷電次數經過平坦底后開始上升，達到小高峰“1”和“5”后迅速下降，在這個轉折時段最易出現雷擊事件。

2.3 閃電次數與回波強度、回波面積、雨量等參數的關系

2021年3月30日（圖3a），受到超級單體回波的影響，五要素曲線圖為單峰態勢。16：10—17：10，最強回波、強回波面積、閃電次數、10 min雨量和冰雹情況（五要素）最大值重疊在一起，具有較好的相關性。余干縣玉亭鎮百湖村發生雷擊事件的時間處在高峰區中間。

2021年3月31日（圖3b），受到多個強單體回波影響（東—西走向回波帶上多單體回波），五要素曲線圖為雙峰態勢。13：00—13：50、14：30—15：10（圖3b），最強回波、強回波面積、閃電次數、10 min雨量和冰雹情況（五要素）最大值重疊在一起，具有較好的相關性。南昌縣塘南鎮西聯村發生雷擊事件的時間處在第二個高峰區前沿。

圖3 2021年3月30—31日 江西閃電次數與回波強度、回波面積、雨量曲線圖

2.4 天氣背景概況

2021年3月30日20時100 hPa是高度一致的西風，高空分流明顯；500 hPa槽前曲率較大，西南氣流強勁，長江北存有亂流區；850 hPa氣旋性環流明顯，西南有急流，湖南、江西北部有切變線；925 hPa西南倒槽和850 hPa西南低渦有明顯特征，在850 hPa切變線南側相配合是地面中尺度輻合線；這種天氣背景有利于江西北部出現強對流天氣。

3 雷達拼圖回波特征

3.1 超級單體與強單體回波演變

3.1.1 余干縣玉亭鎮百湖村雷擊事件的超級單體回波

2021年3月30日16：40余干縣玉亭鎮百湖村出現一起雷擊事件，江西WebGIS雷達拼圖記錄了產生雷擊事件的超級單體回波演變過程（圖4）。

16：00余干西部和西北部有兩塊較強回波發展，中心強度達55 dBZ，回波向偏東方向移動（圖4a）。16：10—16：20西部強回波移近余干，55 dBZ回波面積增大（圖4b、4c），意味著回波有所發展。16：30回波移進余干，強度加強到60 dBZ（圖4d）。16：40（圖4e）60 dBZ回波面積增大，其中有65 dBZ強回波核，強回波梯度變窄，形成超級單體結構。從圖4e可知，單站PUP速度圖上16：47出現與徑向線對稱的“氣旋型速度對”，表示該強回波單體為超級單體。16：50超級單體回波繼續加強（圖4f），余干部分鄉鎮出現冰雹天氣。17：00—17：20超級單體回波逐漸移出余干（圖4g、4h、4i），影響下游萬年等地。

圖4 2021年3月30日16：00—17：20余干縣玉亭鎮百湖村雷擊事件雷達拼圖演變

3.1.2 南昌縣塘南鎮西聯村雷擊事件的強單體回波

圖5為2021年3月31日14：40發生在南昌縣塘南鎮西聯村雷擊事件的強單體回波演變。

14：00南昌縣北部是一條東—西走向的回波帶（圖5a），雷擊事件地點有較強對流單體回波發展，回波強度為50 dBZ；14：10—14：30南昌回波發展，50 dBZ回波面積增大（圖5b、5c、5d），并移近西聯村；14：40回波進入西聯村得到快速發展（圖5e），中心強度達到60 dBZ，形成弱于超級單體的強單體回波；14：50強單體回波60 dBZ回波面積不斷擴大（圖5f），但沒有達到超級單體回波面積要求，強回波梯度也不大；15：00—15：20強單體回波逐漸移出西聯村（圖5g、5h、5i），影響下游地區。

圖5 2021年3月31日14：00—15：20南昌縣塘南鎮西聯村雷擊事件雷達拼圖演變

超級單體回波和強單體回波的區別在于是否有中氣旋或旋轉速度對結構、回波強度、強回波面積、強回波梯度等方面，強單體回波要弱于超級單體，沒有中氣旋結構，但環境條件較好時，強單體回波也會出現強雷電和小冰雹（冰粒）天氣。

3.2 雷電分布與回波特征

2021年3月30—31日，江西余干縣和南昌縣兩次雷擊事件是由超級單體回波和強單體回波造成。

30日16：00—17：00（圖6a），余干縣雷擊事件發生區域的雷電要明顯多于31日14：00—15：00（圖6b）南昌縣雷擊事件發生區域，這是具有中氣旋結構的超級單體回波與沒有中氣旋結構的強單體回波的區別。超級單體回波的強度、面積都遠大于強單體回波，因此，雷電次數也多于強單體回波。但是，雷擊事件的發生并不完全取決于回波系統的強弱和雷電的強度，只要雷擊位置合適，就是普通的雷電也能造成雷擊災害。

在雷達拼圖上，無法看到速度場拼圖和徑向速度垂直剖面圖，但從組合反射率CR產品拼圖上，可以間接反映出超級單體回波的4個指標：（1）具有≥60 dBZ回波強度（圖6c中粉紅色區域），并存有≥65 dBZ回波核；（2）強回波面積（圖6c中粉紅色60 dBZ區域）≥10 km×10 km；（3）強回波梯度30～60 dBZ最短距離（圖6c中黃色與粉紅色區域）≤8 km；（4）在強回波移動方向的下風方（圖6c中東北方向）有云砧形成的“前伸”回波結構。

強單體回波也遵循超級單體回波特征原則，4個指標為回波強度（沒有回波核）、強回波面積、強回波梯度和“前伸”回波結構都弱于經典超級單體回波（圖6d），因此，由于沒有中氣旋配合，所以這種能產生小冰雹的強單體回波不能稱為超級單體，只能稱為強單體回波。

雷擊點發生在超級單體回波的左上方（圖6c中圓圈位置）和強單體回波的右下方（圖6d中圓圈位置）。至于形成原因有待于多個例從空中地面RH值、承載體的暴露度、脆弱性和雷電防護水平以及地表的不規則起伏程度會引起垂直電場峰值的衰減等方面進行討論。

圖6 2021年3月30日16：40（余干）和31日14：40（南昌）雷擊事件雷電分布與典型回波

4 超級單體和強單體回波PUP產品特征

在單部雷達PUP產品上，超級單體和強單體具有更多回波特征。

4.1 超級單體回波不同仰角R和V特征

2021年3月30日16：47（圖7）反射率因子R產品和徑向速度V產品特征主要表現為：超級單體反射率因子2.4°R最強（圖7c），之下或之上逐漸減弱（圖7a、7b、7d），超級單體回波面積較大，強度≥60 dBZ。超級單體徑向速度0.5°V和1.5°V都有中氣旋結構出現（圖7e、7f），≥2.4°V為正速度區（圖7g、7h）；速度對強度為-10～20 m·s-1。

圖7 2021年3月30日16：47南昌SA雷達反射率因子產品R和徑向速度產品V演變

4.2 超級單體回波CR、ET、VIL、RCS和VCS特征

2021年3月30日16：47（圖8）組合反射率CR、回波頂高ET、垂直積分液態水含量VIL、反射率因子垂直剖面RCS（Reflectivity Cross Section）和徑向速度垂直剖面VCS（Velocity Cross Section）特征主要為：超級單體CR回波強度達到65 dBZ（圖8a），符合江西超級單體回波四要素標準；回波頂高ET達到11～12 km（圖8b），超過江西3月冰雹回波頂高標準；垂直積分液態水含量VIL達到60 kg/m2（圖8c），這基本上是VIL的上限標準。

超級單體回波垂直剖面RCS（圖8d）中，回波垂直結構向移動方向傾斜、55 dBZ強回波頂高達到8 km、65 dBZ強中心懸掛在6 km高度。徑向速度垂直剖面VCS（圖8e），強回波存在速度對、-5～19 m·s-1速度達到弱切變的強度。

圖8 2021年3月30日16：47南昌SA雷達5種產品

玉亭鎮百湖村雷擊事件是由超級單體回波所致，從16：47南昌SA雷達中氣旋M、龍卷渦旋TVS、風暴跟蹤信息STI產品圖上分析：沒有觀測到中氣旋M。龍卷渦旋TVS觀測到2個倒三角形，表明超級單體具有龍卷渦旋結構。

4.3 強單體回波不同仰角R和V特征

由圖9可知，2021年3月31日14：43反射率因子R產品和徑向速度V產品特征主要為：強單體回波反射率因子2.4°R和3.3°R最強（圖9c、9d），之下或之上逐漸減弱（圖9a、9b），強單體回波面積遠比超級單體小，但回波強度達到60 dBZ。強單體回波的徑向速度0.5°V存在弱的輻散區（圖9e），其他層都是正速度區（圖9f、9g、9h），其中1.5°V（圖9f）正速度強度在5～27 m·s-1。

圖9 2021年3月31日14：43南昌SA雷達反射率因子產品R和徑向速度產品V演變

4.4 強單體回波CR、ET、VIL、RCS和VCS特征

2021年3月31日14：43（圖10），組合反射率CR、回波頂高ET、垂直積分液態水含量VIL、反射率因子垂直剖面RCS和徑向速度垂直剖面VCS特征主要為：強單體回波CR強度達到60 dBZ（圖10a），呈“點”狀結構；回波頂高ET達到9～10 km（圖10b）；垂直積分液態水含量VIL達到60 kg/m2（圖10c），但面積遠比超級單體小。

強單體回波垂直剖面RCS（圖10d）中，回波向移動方向傾斜，角度弱于超級單體；55 dBZ強回波頂高達8 km，60 dBZ強中心回波高度伸展到6 km，沒有65 dBZ強回波中心；徑向速度垂直剖面VCS中強回波為正速度區、5～27 m·s-1正速度分成上下兩層（圖10e）。

圖10 2021年3月31日14：43南昌SA雷達五種產品

塘南鎮西聯村雷擊事件是由強單體回波所致，從14：43南昌SA雷達M、TVS、STI產品圖上沒有觀測到中氣旋M和龍卷渦旋TVS，表明強單體回波不具備中氣旋和龍卷渦旋結構。

強單體回波反射率因子2.4°R和3.3°R最強，強單體回波的徑向速度0.5°V存在弱的輻散區，其它層都是正速度區；強單體回波CR強度達到60 dBZ，回波頂高ET達到9～10 km，垂直積分液態水含量VIL達到60 kg/m2；強單體回波反射率因子垂直剖面RCS傾斜角度弱于超級單體，55 dBZ強回波頂高達到8 km，60 dBZ強回波高度伸展到6 km，沒有65 dBZ的強回波中心；徑向速度垂直剖面VCS強單體回波表現為正速度區，并分成上下兩層。

5 結論與討論

（1）余干縣玉亭鎮百湖村雷擊事件和南昌縣塘南鎮西聯村兩次雷擊事件，是由中小尺度超級單體和強單體回波系統影響產生。雷電高峰逐步攀升，達到頂點后快速下滑；雷電高峰的起步點都發生在午后，此前，都有雷電次數較少的“平坦底”，過后雷電開始上升到首個高峰，兩次雷擊事件的發生時段都發生在“平坦底”上升首個高峰中。

（2）在雷達拼圖上，超級單體回波具有4個特征：①具有≥60 dBZ回波強度，并有≥65 dBZ回波核；②強回波面積≥10 km×10 km；③強回波梯度≤8 km；④在強回波移動方向的下風方有云砧形成的“前伸”回波結構。

（3）在雷達PUP產品上，兩次雷擊事件的雷達回波特征，無論是超級單體還是強單體回波均可以引發較嚴重的雷擊事件，且最容易發生在最強回波、強回波面積、閃電次數密集區和雨量較大等高峰時期或高峰前沿，雷達最強反射率因子高度位于6～8 km，對應的組合反射率CR回波強度達到60 dBZ，回波頂高ET達到9 km以上，垂直積分液態水含量VIL達到60 kg/m2以上。3月30日有中氣旋配合，為超級單體雷暴，31日沒有中氣旋配合，加上回波強度的中心值、面積和梯度都稍弱，故為強單體。

江西雷擊事件主要發生在雷電發展初期，由少量雷電上升到雷電小高峰過程中，這個時段人們的防護意識最為淡薄，不少人還在野外作業，無法躲避雷電的襲擊。雷電災害對電力行業的影響最為嚴重，雷擊事件則主要發生在鄉村。雷電災害的發生不僅與雷電的強弱和密集程度相關，還與承載體的暴露程度、脆弱性和雷電防護認知等因素相關。隨著雷電防御意識、雷電監測手段、雷電預警預報能力的提高，江西雷擊事件明顯減少。