一次強對流天氣過程的閃電與雷達回波特征分析

黃 鈺,曾 勇,周 苑,李麗麗

(1.貴州省冰雹防控技術工程中心,貴州 貴陽 550081；2.中國氣象局云霧物理環境重點實驗室,北京 100081；3.貴州省氣象災害防御中心,貴州 貴陽 550081；4.貴州省遵義市播州區氣象局,貴州 播州 563000；5.貴州省山地環境氣候研究所,貴州 貴陽 550002)

1 引言

雷暴云的每個雷暴單體的生命史可分為發展、成熟和消散3個階段，每個階段持續十幾分鐘至半小時左右。在不同的階段雷暴云的結構有不同的特征,表征在雷達回波圖上的特征亦各不相同。目前，已有不少研究者開展了閃電特征與雷達回波的相關性研究。一般而言，閃電次數和平均回波強度之間具有一定的相關性，但由于雷云的發展階段、高度和結構都有差異，且降水與閃電之間的相互作用關系相當復雜，導致閃電次數和平均回波強度的相關性存在許多變數。李南[1]等指出閃電發生的數目和變化與雷達回波頂高有較好的對應關系。 楊國鋒[2]等發現閃電頻數、強度和雷達回波強度在時間序列上有較好的一致性。易笑園[3]等認為6 min內地閃頻數與對流云回波頂高高于11 km或12 km的回波面積有正相關關系。馮桂力[4]等的研究結果表明閃電主要出現在強回波區及其周圍。翟園[5]等對湖南地區多普勒天氣雷達回波與云地閃關系進行了研究，指出云地閃強度和雷達回波強度并不完全對應，只是云地閃強度越強，出現強回波的幾率越大，但閃電頻次和雷達回波面積存在明顯對應關系，并且雷達回波位置與閃電發生區域具有很好的一致性。目前閃電活動特征與雷達回波特征的相關性分析多數基于二維的閃電資料[6-7]，且主要是基于負地閃資料，貴州省內三維的組網觀測已經實現，數據更為廣泛，云閃加入之后總閃、地閃、云閃與雷達回波特征誰的相關性最好，值得一探。

雷暴的產生區域特征很明顯，石湘波[8]等指出不同下墊面雷暴雷達回波特征與地閃的關系存在差異，貴州地形地貌特殊，強對流天氣有著自己的特點[9-10]，開展閃電活動與雷達資料之間關系的研究，揭示強對流天氣的雷電活動規律，為相關的雷電天氣判別提供參考，提高對其的預報預警率，以達到最大程度上的減少雷災事故，這對于防災減災是非常有意義的。

2 數據資料及天氣過程概述

本文所用數據主要來自貴州多普勒雷達資料以及貴州省三維閃電探測網數據。雷達采用的是CD格式的數據,其最大探測距離為150 km,共有9個探測仰角,分別為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°，雷達數據時間為北京時。貴州省氣象局三維雷電探測系統組網可覆蓋全省,數據時間為北京時，除了發生的經緯度、強度、陡度之外還能探測到云閃發生的高度。

2017年4 月5日傍晚開始，整個貴州發生了強對流天氣過程，基于當日雷達資料，16時左右在畢節納雍地區、黔西與織金交界處，有塊狀對流回波生成，之后不斷向東移動增強，云團所經之處，帶來了強雷電、強降水等強對流天氣。

3 閃電特征與雷達回波相關性分析

對2017年4月5日16時—6日04時閃電資料進行統計分析，該次過程共探測到閃電11 992次，閃電主要集中發生在畢節地區(3 909次)，貴陽(2 308次)次之。本文將主要選取畢節、貴陽的閃電資料與雷達資料進行相關分析。

3.1 閃電特征分析

閃電定位資料：2017年4月5日16時—6日04時畢節市共探測到閃電3 909次，其中地閃2 928次，占總閃的74.9%，負地閃2 733次，占地閃總數的93.3%，平均負地閃強度為-21.9 kA，最大負地閃強度為-163.1 kA,平均正地閃強度為35.2 kA,最大正地閃強度為141.4 kA。地閃主要發生在織金和納雍地區，且負地閃占絕大多數，金沙、大方和畢節市地閃總數雖然不多，但是正負地閃比率卻非常高，分別為71.43%，36.67%和112.5%(圖1a)。取1 h為間隔對整個時段的閃電頻次初步分析，如圖1b所示，可以看到閃電主要集中在4月5日17時—4月6日00時，同時負地閃頻次的變化和地閃總頻次甚至總閃的變化非常一致，峰值均出現在20時。

圖1 閃電頻次特征Fig.1 Characteristic of the lightning frequency

3.2 閃電頻次與雷達回波強度、頂高的關系

將閃電數據每6 min進行統計，以更好地與雷達數據進行比對分析。結合16時36分—20時00分時段的雷達回波和閃電活動頻次分布規律，如圖2所示，回波最大強度與閃電的發生頻次并不是完全的對應，不少時次當組合反射率最大值>50 dBz甚至60 dBz時，閃電頻次很低，圖3為織金地區18時30分—19時30分時段的雷達組合反射率圖，從圖中可以看出該時段內組合反射率因子都比較大，尤其是中間4個時間段，組合反射率最大已達到65 dBz,而對應的時間段內在回波中心和周圍無閃電發生或者閃電頻次很低，故不能簡單的作組合反射率因子與閃電活動的相關性分析。

圖2 閃電頻次與最大組合反射率關系Fig.2 Relationship between lightning frequency and maximum composite reflectivity

圖3 研究區域內18時26分,18時37分,18時47分，18時58分,19時03分，19時08分,19時19分,19時29分的組合反射率Fig.3 Composite reflectivity of the study area at 18∶26,18∶37,18∶47,18∶58,19∶0,19∶08,19∶19,19∶29

科學家們通過大量的試驗研究已經普遍接受了一種雷電起電機制即一活躍的軟雹和較小的冰粒子間的相互碰撞從而產生閃電,而軟雹、冰粒子及過冷卻的產生需要液態水的溫度達到冰點以下。從大氣層溫度變化規律來看,在對流層中一般溫度隨高度的升高而降低,閃電發生前后,在某個溫度層高度范圍上雷達回波強度必然會表現為一定的特征量變化。35 dBz是學者們普遍比較認可的強度特征值,但針對不同的地理環境和時間，尤其是像貴州這樣特殊的地形地貌，海拔較高，0 ℃層高度、-20 ℃層高度有著自己的特征，對于閃電及雷達回波特征值的研究是十分有意義的。本文選取17—20時的閃電及雷達數據，將閃電數據每6 min進行統計。如上所述，雷暴的起電過程與溫度有著密切的關系，在分析時，分為0 ℃，-10 ℃和-20 ℃ 3個溫度層(基于當天探空資料),統計3 個溫度層以上超過30 dBz、40 dBz和 50 dBz的面積(分別用符號S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-20來表示)并和閃電頻次做相關性分析。

如圖4所示在不同溫度層上，閃電頻次與不同強度回波面積的走向大致一致，但普遍回波面積的峰值落后于閃電頻次峰值，且所處高度越高，落后的越少，同時也可以注意到前期云閃明顯多于地閃。結合表1給出的具體相關性擬合數值(線性擬合)，整體上都具有一定的相關性，0 ℃層上的各強度回波面積與各閃電頻次(除正地閃頻次之外)的相關性都比較好。如果用S30代表S30t00、S30t-10以及S30t-20的集合，用 S40代表 S40t00、 S40t-10以及 S40t-20的集合，S50代表S50t00、S50t-10以及S50t-20的集合，S30與各閃電頻次(除正地閃頻次之外)的相關性最好，S40次之，S50最差，其中S30t00與總閃頻次的相關性最好。云閃與不同強度回波面積的相關性擬合優度值變化幅度不大，各層之間差異不明顯。正地閃與-20 ℃高度層上不同強度的回波面積相關性較高，這可能是因為正地閃多產生在雷暴云上部的云砧區，少發生于底部的正電荷區，并且正地閃多出現于雷暴的初始發生和消散階段,空間分布較負地閃而言彌散。

表1 S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-20與閃電頻次的線性擬合優度Tab.1 Goodness of linear fit between S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-20 and lightning frequency

圖4 0 ℃、-10 ℃、-20 ℃層高度上，閃電頻次與不同強度回波面積的對比圖Fig.4 Lightning frequency and different intensity echo area in 0 ℃、-10 ℃、-20 ℃ layer

在通常的雷電預警工作中都通過判斷雷達回波強度是否達到某數值以及回波頂發展高度來識別有無閃電的發生。選取每6 min的閃電頻次，對云頂高度與閃電頻次也進行了相關性分析。如圖5所示，云頂高度與閃電頻次的對應關系明顯優于回波面積與閃電頻次的對應關系，不管是總閃頻次、云閃頻次和地閃頻次都有著很好的一致性。雖然在18時40分—19時10分這一時間段云頂高度較高，而閃電頻次處于較低的狀態，但整個的漲消趨勢十分一致，在云頂高度處于大值時都對應著很大的閃電頻次，云頂發展越高，說明發展劇烈，閃電發生的概率越大。結合表2給出的具體擬合優度的數值，總閃頻次、地閃頻次、負地閃頻次的擬合優度都比較高，云閃次之，但都大于閃電頻次與不同溫度層上不同強度雷達回波面積的擬合數值。

圖5 云頂高度與閃電頻次的對應關系Fig.5 Corresponding relation between cloud top height and lightning frequency

總閃頻次云閃頻次地閃頻次負地閃頻次正地閃頻次云頂高度0.6930.4470.6890.6640.296

從圖5中還可以看到云頂高度達8.5 km時產生第一次閃電，該閃電發生在納雍地區，而此刻的0 ℃層高度上的回波強度已達到40 dBz，并且30 dBz強度的回波高度已達到8 km,超過了-20 ℃層高度(當日的-20 ℃層高度為7 450 m)。除此之外，選取織金地區的第一次閃電進行分析，圖6為織金境內17時18分、17時24分、17時29分cappi圖像(5 km，當日的0 ℃層高度為4 780 m)及17時24分的垂直剖面圖，閃電定位儀探測到織金發生的第一次閃電時間為17時28分，云閃，發生位置在強回波中心的邊緣。織金此次閃電發生時最強回波達到了45 dBz，并且30 dBz強度回波的高度已經超過-20 ℃層高度。統計貴陽、畢節其他地區第一次的發生時刻的雷達回波特征，發現云頂高度均超過9 km,最大回波強度均已達到40 dBz,并且30 dBz強度的回波高度均超8 km(即超過了-20 ℃層高度),35 dBz回波垂直高度超6 km。就該此過程而言，最大回波強度(≥40 dBz)、回波頂高(≥8.5 km)以及30 dBz強度回波發展高度對閃電的發生具有一定的指示意義。

圖6 織金境內17時18分、17時24分、17時29分cappi圖像(5 km)及17時24分垂直剖面圖Fig.6 Cappi(5km) at 17∶18,17∶24 and 17∶29 & vertical profile at 17∶24 in Zhijin

選取相關系數最高的總閃頻次與S30t00利用不同的擬合方法得到圖7a，多項式擬合優度RP2=0.625 3優于線性擬合優度(RL2)及指數擬合優度(RX2)，對總閃頻次以及S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-2之間的擬合選用了多項式擬合與線性結果進行比較，結果見表3，多項式的擬合結果明顯的優于線性擬合結果，但是S50t-20與總閃頻次的相關性還是比較差。同樣也對云頂高度與總閃頻次進行了進一步的擬合分析,得到圖7b,3種擬合方式效果都很好，指數及多項式的擬合結果略優于線性擬合。

表3 總閃頻次與S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-2 擬合優度對比結果Tab.3 Comparison of fit goodness between total lightning frequency and S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-2

圖7 總閃頻次與S30t00的擬合(a);總閃頻次與云頂高度的擬合(b)Fig.7 (a)Fitting curves of total lightning frequency and S30t00 (b)Fitting curves of total lightning frequency and cloud top height

4 結論

本文通過三維閃電資料及多普勒雷達資料對閃電頻次及雷達回波強度和云頂高度的相關性進行了分析。在不同溫度層上，閃電頻次與不同強度回波面積的變化趨勢大致一致，但是回波面積的峰值落后于閃電頻次峰值，并且所處高度層越高，落后的越少；≥30 dBz的回波面積與總閃頻次和負地閃頻次相關性都比較好，其中零度層高度上≥30 dBz的回波面積與總閃頻次相關性最好，實際中若無法獲得總閃頻次，采用地閃或負地閃頻次作為計算分析參數是可行的。回波頂高與閃電頻數的分布有很好的相關性，初閃發生時,回波頂高度達到8.5 km以上,云頂高度較大時都對應著很高的閃電頻次。最大回波強度(40 dBz)、回波頂高(8.5 km)以及30 dBz強度回波發展高度對閃電的發生具有一定的指示意義。

本文只是針對了一次個例，更加確切的特征值應該基于更多的個例進行統計分析和比對，并且不同的天氣過程閃電的活動特征亦可能會不同，這都有待于進一步的研究分析，這里提出了一種研究的思路和方法，揭示強對流天氣的雷電活動規律，利用閃電頻數和回波強度及云頂高度的相關性可以彌補系統故障造成的數據缺失或者進行數據驗證：當閃電監測系統出現故障時，通過相關性可以把雷達數據反演得出閃電數據；反之，當雷達系統出現故障時，可以把閃電數據反演成雷達數據。