一次重大雷災(zāi)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(zāi)事故的致災(zāi)過程中雷災(zāi)事發(fā)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(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回波頂高從8 km達到13 km以及垂直積分液態(tài)含水量值由33 kg/m2躍升至48 kg/m2時，發(fā)生初閃；回波頂高的變化與地閃次數(shù)的變化呈正相關(guān)；回波強度在達53 dBz以上后，與地閃次數(shù)的變化無明顯對應(yīng)關(guān)系；除峰值到達時間不一致外，垂直積分液態(tài)含水量與地閃次數(shù)變化趨勢基本相同；地閃次數(shù)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(fā)生的地閃與這些地面大氣電場儀之間的距離遠(yuǎn)近。

關(guān)鍵詞重大雷災(zāi)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(biāo)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(jiān)測工作。

寧波雷災(zāi)事故頻發(fā)，每年均有人員因遭受雷擊而導(dǎo)致受傷或死亡。2013年9月14日北侖九峰山雷災(zāi)事故就是一次雷擊致人傷亡的嚴(yán)重雷擊事故。13：20左右，北侖九峰山景區(qū)（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(zāi)發(fā)生前，市、區(qū)兩級氣象部門均發(fā)布雷暴預(yù)警信息。事實證明，現(xiàn)階段雷暴預(yù)報預(yù)警服務(wù)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(zāi)害可能造成的損失，有必要分析了解當(dāng)?shù)乩纂姲l(fā)生發(fā)展規(guī)律，掌握其監(jiān)測預(yù)警的方法，建立必要的服務(wù)體系，提高防雷服務(wù)的能力和水平。寧波市近年來陸續(xù)建成新一代多普勒雷達、ADTD閃電定位系統(tǒng)以及覆蓋全市的地面大氣電場儀，這為雷暴監(jiān)測和預(yù)警提供了硬件支撐，而針對寧波當(dāng)?shù)氐睦妆┚?xì)化、準(zhǔn)確化預(yù)報預(yù)警還處于探索階段。筆者通過分析此次致災(zāi)雷暴過程中的各類數(shù)據(jù)，了解其發(fā)展過程和特征，探討雷災(zāi)事發(fā)地的地閃活動與雷達回波以及地面大氣電場之間的關(guān)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(qū)出現(xiàn)雷陣雨天氣。根據(jù)寧波閃電監(jiān)測網(wǎng)顯示，全市共發(fā)生地閃2 662次，其中負(fù)地閃2 453次，地閃發(fā)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(qū)和南部的寧?？h；北侖區(qū)全天發(fā)生地閃524次，其中13：00～14：00共發(fā)生地閃498次，占總數(shù)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(qū)，當(dāng)天地閃高密度區(qū)位于中部丘陵地區(qū)（圖2），雷災(zāi)事發(fā)地處于地閃高密度區(qū)，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(fā)展并向東移動，12：00：22北侖東北區(qū)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(qū)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(qū)，雷災(zāi)事發(fā)地正處于該強回波區(qū)（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(qū)與地勢升高區(qū)相對應(yīng)。14日13：52：14對流云團移出雷災(zāi)事發(fā)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(shù)據(jù)與地閃資料的對比分析

雷電的發(fā)生與中小尺度對流系統(tǒng)有密切聯(lián)系。大量觀察資料表明，雷電的發(fā)生與對流云發(fā)展的強度、高度、發(fā)展階段、內(nèi)部粒子相態(tài)、溫度等密切相關(guān)[1]；回波強度、回波頂高、垂直積分液態(tài)含水量（VIL）與地閃活動關(guān)系密切[2-4]。為了更清楚地分析此次致災(zāi)雷暴過程的雷達回波和地閃活動的關(guān)系，選定雷災(zāi)事發(fā)地（121.858° E、29.843° N）為中心，半徑3 km范圍內(nèi)的區(qū)域作為分析區(qū)域（圖1中圓形區(qū)域）。使用14日12：50：44～13：41：06共10個雷達體掃數(shù)據(jù)和對應(yīng)時間段的地閃數(shù)據(jù)，為保證地閃數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)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(nèi)的地閃數(shù)據(jù)與同一體掃時間的雷達數(shù)據(jù)進行分析。

對照地閃數(shù)據(jù)（圖4）發(fā)現(xiàn)，在12：50：44之前，寧波北部地區(qū)偶有地閃發(fā)生；13：01：56兩處對流云團合并后，分析區(qū)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(qū)域內(nèi)無地閃發(fā)生；13：04：59該區(qū)域發(fā)生初閃，距離雷災(zāi)事發(fā)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(xiàn)時回波頂高需要達9 km以上[5]，此時起地閃次數(shù)有明顯增多。13：13：08回波頂高為16 km，達到峰值，同時該區(qū)域的地閃次數(shù)也達到峰值；13：41：06回波頂高下降至8 km時，該區(qū)域已無地閃發(fā)生。這符合閃電的頻率與回波頂高正相關(guān)的結(jié)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(fā)生發(fā)展的手段。地面大氣電場儀通過監(jiān)測云中電荷的變化對地面大氣電場的影響，以獲得雷暴發(fā)生發(fā)展的情況，其探測范圍在0～20 km。馬芳等根據(jù)雷暴發(fā)生發(fā)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(dāng)?shù)孛娲髿怆妶鰣鰪娭党^1.5 kv/m，即屬于地面大氣電場異?，F(xiàn)象[8]，可成為發(fā)布雷電預(yù)警的一個重要參考指標(biāo)。單個地面大氣電場儀可以連續(xù)監(jiān)測有效探測范圍內(nèi)雷暴的發(fā)生發(fā)展過程，但也有其局限性。因為它是一種無定向探測設(shè)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(wǎng)布設(shè)，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(zāi)事發(fā)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(zāi)事發(fā)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(zhuǎn)，這是由于雷暴云底電荷不斷積累，使地面感應(yīng)電場不斷增大，地面大氣電場場強值負(fù)向劇增，這是地閃發(fā)生初期（雷暴云逐漸靠近）的電場變化，這對雷電預(yù)警具有重要指示意義。當(dāng)電荷累積到一定擊穿場強時就會發(fā)生閃電，在地面大氣電場場強值時序變化曲線上就表現(xiàn)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(fù)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(fù)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(fā)生多次負(fù)地閃以及此時小港站附近多個雷暴云的融合發(fā)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(nèi)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(fù)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(guī)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(fā)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(fā)生的地閃與這些地面大氣電場儀之間的距離遠(yuǎn)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(qū)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(fā)生幅度較大的正向突變，且頻繁波動，地閃次數(shù)峰值是在13：01～13：40，以北侖站為中心，半徑20 km范圍內(nèi)共發(fā)生地閃549次，地閃主要集中在距北侖站3～10 km的區(qū)域內(nèi)，此時小港站為中心，半徑10 km范圍內(nèi)無地閃發(fā)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(jù)統(tǒng)計，14日11：30～15：00分析區(qū)域共發(fā)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(fā)生，該站地面大氣電場場強值不再發(fā)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]。