一次重大雷災事故的雷暴特征分析

石湘波　張其林　王煥邦　鄭玲

摘要通過對比分析閃電定位、多普勒雷達以及地面大氣電場資料，探討2013年9月14日重大雷災事故的致災過程中雷災事發地的地閃活動和雷達回波之間以及地閃活動和地面大氣電場之間的關系。結果發現，當回波頂高從8 km達到13 km以及垂直積分液態含水量值由33 kg/m2躍升至48 kg/m2時，發生初閃；回波頂高的變化與地閃次數的變化呈正相關；回波強度在達53 dBz以上后，與地閃次數的變化無明顯對應關系；除峰值到達時間不一致外，垂直積分液態含水量與地閃次數變化趨勢基本相同；地閃次數變化與地面大氣電場場強值波動頻率基本一致；同一時間不同地面大氣電場儀的地面大氣電場場強值波動幅度大小可以表征該時刻發生的地閃與這些地面大氣電場儀之間的距離遠近。

關鍵詞重大雷災事故；雷暴特征；雷達回波；地閃活動；地面大氣電場

中圖分類號S429文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01114-03

基金項目寧波市氣象局科技計劃項目（NBQX2012010B）。

作者簡介石湘波（1980- ），男，浙江寧波人，工程師，在讀碩士，從事雷暴監測工作。

寧波雷災事故頻發，每年均有人員因遭受雷擊而導致受傷或死亡。2013年9月14日北侖九峰山雷災事故就是一次雷擊致人傷亡的嚴重雷擊事故。13：20左右，北侖九峰山景區（圖1）的“九峰之巔”景點的涼亭不幸被雷擊中，造成1死16傷。雷災發生前，市、區兩級氣象部門均發布雷暴預警信息。事實證明，現階段雷暴預報預警服務已無法滿足日益重要的防雷需求。為了避免或減輕今后雷電災害可能造成的損失，有必要分析了解當地雷電發生發展規律，掌握其監測預警的方法，建立必要的服務體系，提高防雷服務的能力和水平。寧波市近年來陸續建成新一代多普勒雷達、ADTD閃電定位系統以及覆蓋全市的地面大氣電場儀，這為雷暴監測和預警提供了硬件支撐，而針對寧波當地的雷暴精細化、準確化預報預警還處于探索階段。筆者通過分析此次致災雷暴過程中的各類數據，了解其發展過程和特征，探討雷災事發地的地閃活動與雷達回波以及地面大氣電場之間的關系。

2013年9月13、14日受副高邊緣和低槽東移影響，午后到夜里寧波市大部分地區出現雷陣雨天氣。根據寧波閃電監測網顯示，全市共發生地閃2 662次，其中負地閃2 453次，地閃發生時段主要集中在14日13：00～15：00，地閃主要分布在寧波的東部沿海地區和南部的寧海縣；北侖區全天發生地閃524次，其中13：00～14：00共發生地閃498次，占總數的95%。從強度分布來看，50 kA以上的地閃有34次，其中100 kA以上的1次；從空間分布來看，地閃集中在北侖中部、中東部地區，當天地閃高密度區位于中部丘陵地區（圖2），雷災事發地處于地閃高密度區，該處地閃密度在6次/km2以上。

圖22013年9月14日北侖單日地閃密度等值線9月14日10：42：10起，慈溪東南部及鄞州西部云層增厚、回波強度增強，至11：15：39最大回波強度達53 dBz，對流云團不斷發展并向東移動，12：00：22北侖東北區域開始有對流云團生成，于13：01：56與東移對流云團合并，強回波區面積不斷增大，回波最大強度達58 dBz，覆蓋北侖中部及東部地區，雷災事發地正處于該強回波區（圖3）。將14日12：56：20雷達組合反射率（圖3e）與圖1中地形對照可以清楚地看到，回波的加強區與地勢升高區相對應。14日13：52：14對流云團移出雷災事發地并與其他東移的對流云團融合，雷達回波呈東北—西南帶狀分布，向東移動進入東海后，強回波帶面積減小，回波強度減弱。

注：a～f分別為10：42：10、11：15：39、12：00：22、12：50：44、12：56：20、13：52：14。

2雷達數據與地閃資料的對比分析

雷電的發生與中小尺度對流系統有密切聯系。大量觀察資料表明，雷電的發生與對流云發展的強度、高度、發展階段、內部粒子相態、溫度等密切相關[1]；回波強度、回波頂高、垂直積分液態含水量（VIL）與地閃活動關系密切[2-4]。為了更清楚地分析此次致災雷暴過程的雷達回波和地閃活動的關系，選定雷災事發地（121.858° E、29.843° N）為中心，半徑3 km范圍內的區域作為分析區域（圖1中圓形區域）。使用14日12：50：44～13：41：06共10個雷達體掃數據和對應時間段的地閃數據，為保證地閃數據與雷達數據的分析更符合實際情況，選取雷達體掃時間前后各2分48秒共5分36秒內的地閃數據與同一體掃時間的雷達數據進行分析。

對照地閃數據（圖4）發現，在12：50：44之前，寧波北部地區偶有地閃發生；13：01：56兩處對流云團合并后，分析區域上空云層不斷增厚對流加強，回波強度增強，最大強度達58 dBz；回波頂高則從12：50：44的5 km增加至13：01：56的8 km，此時分析區域內無地閃發生；13：04：59該區域發生初閃，距離雷災事發地0.7 km左右；而13：07：32回波頂高已躍增至13 km，這也驗證了雷暴初閃出現時回波頂高需要達9 km以上[5]，此時起地閃次數有明顯增多。13：13：08回波頂高為16 km，達到峰值，同時該區域的地閃次數也達到峰值；13：41：06回波頂高下降至8 km時，該區域已無地閃發生。這符合閃電的頻率與回波頂高正相關的結論[3]。

3大氣電場與地閃資料的對比分析

利用地面大氣電場儀又是一種有效探測雷暴發生發展的手段。地面大氣電場儀通過監測云中電荷的變化對地面大氣電場的影響，以獲得雷暴發生發展的情況，其探測范圍在0～20 km。馬芳等根據雷暴發生發展過程中的地面大氣電場變化特征，將地面大氣電場變化過程劃分為6個階段[7]。當地面大氣電場場強值超過1.5 kv/m，即屬于地面大氣電場異常現象[8]，可成為發布雷電預警的一個重要參考指標。單個地面大氣電場儀可以連續監測有效探測范圍內雷暴的發生發展過程，但也有其局限性。因為它是一種無定向探測設備，無法確定雷暴云的移動方向。為了彌補這個不足可將地面大氣電場儀進行組網布設，通過不同測站的地面大氣電場場強值時序變化來判斷雷暴云的移動路徑。

雷災事發地附近有北侖站和小港站2個地面大氣電場測站，兩站與雷災事發地直線距離分別為5 km和17 km（圖2）。從北侖、小港兩站9月14日11：30～15：00地面大氣電場場強值時序變化（圖5）可以看出，11：45左右小港站地面大氣電場極性開始反轉，這是由于雷暴云底電荷不斷積累，使地面感應電場不斷增大，地面大氣電場場強值負向劇增，這是地閃發生初期（雷暴云逐漸靠近）的電場變化，這對雷電預警具有重要指示意義。當電荷累積到一定擊穿場強時就會發生閃電，在地面大氣電場場強值時序變化曲線上就表現為電場突變。 11：43～12：01小港站地面大氣電場場強值時序變化總體趨向負向增長時多次微弱的正向突變，是由離小港站15～19 km處的多次負地閃所引起的；12：30～12：52地面大氣電場場強值時序變化曲線波動幅度大且頻繁，這是因為距離小港站3～4 km處發生多次負地閃以及此時小港站附近多個雷暴云的融合發展引起的。北侖站地面大氣電場場強值時序變化曲線在12：30前在0～1.5 kv/m范圍內波動，12：30后開始向相反極性增長，13：00之前在曲線整體趨勢負向增長時，亦有多次幅度較小的正向突變，這與小港站地面大氣電場場強值變化曲線中13：00前時序變化規律相似，表明北侖、小港兩站大氣電場儀均探測到同一處地閃的發生。同一時間不同地面大氣電場儀的地面大氣電場場強值波動幅度大小可以表征該時刻發生的地閃與這些地面大氣電場儀之間的距離遠近，因此小港站13：00前的地面大氣電場場強值時序變化曲線波動幅度較北侖站大，表示雷暴云離小港站近，這從12：56雷達組合反射率的強回波區所處位置（圖3）也可以看出。13：01起北侖站地面大氣電場場強值曲線發生幅度較大的正向突變，且頻繁波動，地閃次數峰值是在13：01～13：40，以北侖站為中心，半徑20 km范圍內共發生地閃549次，地閃主要集中在距北侖站3～10 km的區域內，此時小港站為中心，半徑10 km范圍內無地閃發生。由圖5可見，小港站的地面大氣電場場強值變化曲線波動幅度明顯小于北侖站；據統計，14日11：30～15：00分析區域共發生地閃84次，最大雷電流強度-74.3 kA。13：50小港站附近已無地閃發生，該站地面大氣電場場強值不再發生脈沖變化。小港站地面大氣電場場強值時序變化反映出大幅度長時間的起伏，這是雷暴消亡階段的正弦波動，被稱作雷暴消亡階段電場的振蕩（EOSO）[9]。