一次局地強對流天氣的地閃特征分析

趙志良，黃旭輝，郭 青，曾惠娟，高國靖

（1.梅州市氣象局，廣東 梅州 514021；2.連平縣氣象局，廣東 連平 517100）

地閃是云對地的一種放電現象，包括正地閃與負地閃.閃電定位系統因其時空分辨率高、誤差小，探測效率高等優點，近年來廣泛運用于相關氣象業務和科研中［1］.當前，綜合運用閃電定位資料、雷達資料和相關氣象資料分析強對流天氣已成為強對流預測預報的重要手段之一［2］.茍阿寧［3］、苗愛梅［4］、慕建利［5］、鄭棟［6］分析了地閃活動與降水的相關關系；馮桂力等［7］認為，負地閃在典型的中尺度對流系統中占絕對優勢；鐘穎穎［8］分析了兩次雷暴過程的雷達回波特征；Williams［9］認為，地閃活動具有明顯的地域性，強對流天氣中的閃電特征因不同地理位置氣象條件和海拔高度不同，并一定程度上依賴于局地強對流強度.近年來，衛星、雷達和地面氣象要素資料在暴雨預報和研究中得到了廣泛的運用.張騰飛［10］、林良勛［11］、莊燕洵［12］研究發現不同地區的地閃活動具有明顯局地性，研究以梅州市某次強對流天氣為例，分析了梅州的地閃特征與同期氣象資料的關系，旨在為該地區強對流天氣的監測與預警提供依據.

1 資料及分析方法

研究主要采用2016 年8 月7 日廣東電力系統的地閃定位資料、梅州天氣雷達資料、探空觀測資料等，通過數理統計等方法，分析了梅州的地閃特征與同期氣象資料的關系.筆者采用的廣東電力閃電定位系統準確率達99%，精度高達320 m、有效率達96%.

垂直風切變是指水平風（含風速大小以及風的方向）隨高度變化.垂直風切變其中（u0，v0）（u1，v1）分別表征近地面風的分量以及某一高度風的分量，筆者取1 000 hPa 處風的分量表征近地面風.

2 天氣實況分析

2016 年8 月6 日20 時，歐亞大陸中高緯度區域受穩定的2 脊1 槽控制，梅州地區受高空槽槽前旺盛的西南氣流影響，且低層暖濕氣流不穩定能量釋放，產生了強對流天氣.當具備充足的水汽條件和使濕空氣上升的動力條件時，產生了劇烈的對流運動，進而形成明顯的閃電活動. 8 月7 日11：00—17：00 梅州地區出現了一次明顯的降雨和大風天氣，其中6 h 降水10 mm 以上區域自動站有29 個，30 mm 以上有7個，期間興寧大坪鎮6 h 累積降雨達到49.2 mm，梅江區長沙鎮于15：23 錄得10 min 最大風速13.6 m/s，瞬時極大風速達到22.2 m/s.

3 地閃活動特征

圖1 2016 年8 月7 日11：00—17：00 梅州市地閃空間分布圖

3.1 地閃時空分布特征分析

梅州市2016 年8 月7 日11：00—17：00 地閃空間分布特征呈明顯的局地性，閃電定位系統一共監測到地閃10 917 次，其中負閃9 650 次，正閃1 267 次，正閃比11.6%（見圖1）.

圖2 為 梅 州 市2016 年8 月7 日11：00—17：00地閃頻數隨時間變化曲線，閃電頻數大致有3 次明顯的震蕩過程：第一次過程（11：00—13：00），全市共探測到地閃2 406 fl，其中正閃216 次；閃電頻數于12 時達到峰值，為359 fl；正閃比峰值于12：42 出現，為16.42%.第二次過程（13：00—14：12），全市共探測到地閃1 864 fl，其中正閃176 次；閃電頻數于13：24 分達到峰值，為297 fl；正閃比峰值于14 時出現，為16.0%.第三次過程（14：12—17：00），全市共探測到地閃6 634 fl，其中正閃872 次；閃電頻數于15：36 分達到峰值，為448 fl；正閃比峰值于16：6 分出現，為22.94%.由此可見，負閃在整個閃電活動過程占88.4%，同日正閃密集時段與地閃密集時段幾乎相一致；正閃比峰值滯后于地閃的峰值約0.5 h 出現，往往出現在雷暴的消亡階段.

3.2 地閃活動與雷達資料的關系

通過選取地閃密集區時段（11：00—17：00）的多普勒雷達資料分析可知，地閃密集區域與雷達強回波區域相一致，由對流發展旺盛時期的多普勒天氣雷達資料（15：36）分析可知：（1）雷達回波圖上有明顯的塊狀回波，水平尺度近百公里，中心的組合反射率強度達到55 dbz 以上，且有2 個強中心（見圖3（a））；強回波在垂直高度上達18 km 高，最強回波3～6 km高度處，但無明顯的垂懸結構；（2）當發生強雷暴過程時，雷暴成熟階段正速度區的強回波中心右前方始終有被負速度區包圍著的正速度區即“逆風區”存在（見圖3（b）），強對流發展旺盛逆風區生成于15：36的雷達徑向速度圖上，逆風區對應著雷達回波的強反射率因子區，位于大氣層中低層，表明雷暴云成熟階段同時存在強烈的上升氣流和下沉氣流；（3）雷達回波圖上強回波中心的回波頂高度大于等于17 km，從多普勒天氣雷達的逆風區特征、組合反射率特征、反射率垂直剖面圖、回波頂高度特征以及徑向移動速度特征分析可知，此次過程符合產生強對流天氣的條件.

圖2 2016 年8 月7 日11：00—17：00 梅州市地閃頻數隨時間變化曲線

圖3 2016 年8 月7 日15：36 梅州多普勒雷達資料

當樣本容量n=61，在顯著水平α=0.01 時，得到相關系數臨界值rc=0.330.通過計算閃電頻數分別與同期最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點面積的相關系數（見表1），并經過相關系數的顯著性檢驗可得到：閃電頻數與同期最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點面積呈顯著正相關.

表1 閃電頻數與最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點面積的相關系數（R）

閃電頻數變化趨勢與最大回波頂高度以及回波頂高度＞11 km 格點面積相一致（見圖4）.由此可見，閃電活動的活躍程度不僅需要對流云在垂直方向具有相當的高度，而且在水平方向也必須具備更為廣闊的對流空間.因為強烈的上升運動加之大范圍的對流云系往往更加有利于對流活動活躍，進而形成密集的閃電活動.

圖4 閃電頻數與最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點面積隨時間變化曲線

3.3 閃電頻數與探空曲線的關系

東源探空站（站號：59293）的大氣層結曲線呈明顯的“上干下濕”型，對流層中低層層結曲線（溫度曲線和露點溫度曲線）呈漏斗狀（上寬下窄）（見圖5（a））；對流層中低層（1 000～7 00 hPa）空氣潮濕，濕度均大于90%，近于飽和，而500 h 以上的中高層相對干冷，因此整個對流層呈明顯的上干下濕的位勢不穩定層結，這有利于發生大范圍的強對流天氣（見圖5（b））.查閱同期對流性穩定度指數：k 指數為37.5 ℃，si（沙氏指數）為-2.8，均表現出很強的不穩定特征.同時500～1 000 hPa 之間的相當位溫均大于350 K，500 hPa 以下逐層遞減，且平均遞減率23.6 K/500 hPa，也表現出明顯不穩定.對流層強烈的不穩定性且較大的濕度極易形成持續性的上升運動，對流活動活躍，引起長時間的閃電活動.同日19 時，對流活動減弱，區域閃電活動明顯減少，而層結不穩定結構遭到破壞，層結不穩定特性不明顯（見圖5（c）、圖5（d））.在600 hPa 以下，7 日7 時垂直風切變明顯大于19 時的風速，其中7 時600 hPa、850 hPa 相對地面垂直風切變依次為8.93 m/s、5.71 m/s；19 時為600 hPa、850 hPa 相對地面垂直風切變依次為8.60 m/s、4.63 m/s（見圖5（e））.

由此可見，對流層層結不穩定伴隨著中低層明顯的垂直風切變，有助于水汽上升運動，形成旺盛的對流活動，進而產生密集的閃電活動.

圖5 東源站探空曲線

4 結論

利用閃電定位資料、多普勒雷達資料與探空資料，對梅州市2016 年8 月7 日的一次局地暴雨的地閃特征進行分析，結果表明：（1）地閃空間分布特征呈明顯的局地性，負閃在整個閃電活動過程占主要比例，正閃比峰值滯后于地閃的峰值約0.5 h 出現，多出現在雷暴的消亡階段.（2）地閃密集區域與雷達強回波區域相一致，閃電頻數與同期最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點面積呈顯著正相關；從多普勒雷達資料的“逆風區”特征、組合反射率強度大、強回波垂直高度高、回波頂高度高、徑向移動速度快等特征分析可知，此次過程符合強對流天氣的產生條件.（3）地閃活躍時期，大氣層結曲線呈明顯的“上干下濕”型.對流層強烈的不穩定性、較大的濕度加之明顯的垂直風切變極易形成持續性的上升運動，使得對流活動活躍，進而引起長時間的閃電活動.（4）筆者基于有限的資料分析地閃與同期氣象資料關系的分析，具有一定的局限性，有待于今后采集更多的實例做更深入的研究.