一次颮線過(guò)程的閃電活動(dòng)與雷達(dá)回波特征

王力艷，車向輝（.綏化市氣象局，黑龍江綏化5000；.海倫市氣象局，黑龍江海倫5300）

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一次颮線過(guò)程的閃電活動(dòng)與雷達(dá)回波特征

王力艷1，車向輝2
（1.綏化市氣象局，黑龍江綏化152000；2.海倫市氣象局，黑龍江海倫152300）

摘要：本文通過(guò)地閃資料以及雷達(dá)回波資料，對(duì)2012年7月1日黑龍江省中西部地區(qū)產(chǎn)生的一次颮線過(guò)程進(jìn)行了地閃時(shí)空分布分析和閃電特征性分析，并結(jié)合雷達(dá)回波資料，研究此次過(guò)程的閃電頻數(shù)與雷達(dá)回波之間的關(guān)系。結(jié)果表明：此次過(guò)程受冷渦系統(tǒng)南移影響，在鋒面上觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，共出現(xiàn)地閃2404次，其中正地閃為1258次，負(fù)地閃為1146次，正地閃的頻數(shù)超過(guò)了負(fù)地閃，占總地閃的52.3%。地閃主要出現(xiàn)在大于30 dBZ的雷達(dá)回波內(nèi)，在40 dBZ以上的強(qiáng)回波中心最為密集，且地閃密集區(qū)并沒有發(fā)生在雷達(dá)回波最強(qiáng)盛的時(shí)期，而是緊隨其后。

關(guān)鍵詞：颮線；地閃；雷達(dá)回波

1　引言

颮線是一種中尺度系統(tǒng)，是由許多雷暴單體（其中包括若干超級(jí)單體）側(cè)向排列而形成的強(qiáng)對(duì)流云帶［1］。它不僅常產(chǎn)生強(qiáng)烈的降水、破壞性大風(fēng)和冰雹等嚴(yán)重的天氣災(zāi)害，而且還伴有強(qiáng)烈的閃電，造成雷擊災(zāi)害，破壞高壓輸電線、誘發(fā)森林火災(zāi)、影響現(xiàn)代通訊和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，造成飛行事故、干擾導(dǎo)彈和火箭的發(fā)射、破壞建筑物、造成人畜傷亡等［2］，給當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活帶來(lái)嚴(yán)重的損失［3］，特別是隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，所造成的損失更加重大。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外利用閃電定位系統(tǒng)、多普勒雷達(dá)產(chǎn)品以及紅外衛(wèi)星云圖等資料對(duì)颮線等強(qiáng)對(duì)流天氣做了大量的觀測(cè)。陳哲彰［4］指出暴雨過(guò)程地閃頻率很高，但正地閃所占比率很小；冰雹大風(fēng)天氣的地閃頻率很低，正地閃所占比率很大。Holle等［5］對(duì)4個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)（Mesoscale Convective System，簡(jiǎn)稱MCS）地閃分布的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴生成后幾個(gè)小時(shí)出現(xiàn)地閃頻數(shù)的峰值，在成熟階段正地閃比例增加，在消散階段負(fù)地閃頻數(shù)急劇下降。還有一些研究發(fā)現(xiàn)地閃極性分布和雷暴的強(qiáng)度之間存在密切的關(guān)系，那就是雷暴中正地閃活躍的地區(qū)，通常伴有龍卷和冰雹、災(zāi)害性大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，這已經(jīng)引起了氣象工作者深入研究正地閃的興趣。

本文對(duì)2012年7月1日黑龍江省中西部地區(qū)產(chǎn)生的一次颮線過(guò)程進(jìn)行了地閃資料、雷達(dá)回波資料的集合分析，探討雷達(dá)資料數(shù)據(jù)與閃電活動(dòng)之間的特征相關(guān)性，促進(jìn)閃電資料在強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警中的應(yīng)用。

2　資料概述及天氣背景分析

2.1黑龍江省2012年氣象概況

黑龍江省是中國(guó)最東北的省份，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季長(zhǎng)而寒冷，夏季短而涼爽，南北溫差大，北部甚至長(zhǎng)冬無(wú)夏。2012年全省平均年降水量為619.3 mm，比常年偏多18%，冬季特少，春、夏季正常，秋季特多。全省年平均氣溫為2.5℃，比常年偏低0.5℃，冬季偏低，春季正常，夏季偏高，秋季略高。平均年日照時(shí)數(shù)為2340 h，比常年偏少175 h。2012年氣象災(zāi)害較為頻繁，主要包括：后冬異常低溫少雪、暴雨洪澇、東部干旱、臺(tái)風(fēng)北上、埋汰秋、風(fēng)雹、暴雪等。

2.2天氣過(guò)程及影響

2012年7月1日，在黑龍江省中西部地區(qū)產(chǎn)生一次較大范圍的降水過(guò)程，受颮線影響，綏化部分地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，暴雨過(guò)程中雷電不斷。17-23時(shí)，20個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量站6 h降水合量在50 mm以上，超過(guò)了“暴雨”定義中的24 h內(nèi)降雨量40 mm的警戒線，其中青岡縣永豐鎮(zhèn)最大，為135 mm，其主要降水時(shí)段在18-21時(shí)，3 h降水量達(dá)到120 mm。降水強(qiáng)度較大的區(qū)域呈東北-西南向帶狀分布，整體向偏東方向移動(dòng)，18-19時(shí)降水強(qiáng)度最大，青岡縣永豐鎮(zhèn)降水達(dá)84 mm。此次過(guò)程降水強(qiáng)度大，影響范圍廣，強(qiáng)降水區(qū)與颮線對(duì)應(yīng)呈帶狀分布，農(nóng)作物受災(zāi)總面積57865畝，其中明水地塊1715畝，受風(fēng)災(zāi)倒伏面積35000畝，受雹災(zāi)面積21150畝，損毀橋梁3座，房屋倒塌1間。據(jù)估算，經(jīng)濟(jì)損失1450萬(wàn)元。

2.3資料概述

2.3.1閃電定位資料的來(lái)源

閃電定位系統(tǒng)主要對(duì)閃電發(fā)生的時(shí)間、強(qiáng)度、位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位，一般通過(guò)對(duì)閃電中聲、光或電磁脈沖等［6-7］的測(cè)定進(jìn)行遙測(cè)閃電回?fù)舴烹妳?shù)，并把經(jīng)過(guò)預(yù)處理的閃電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過(guò)通訊系統(tǒng)送到中心數(shù)據(jù)處理站實(shí)時(shí)進(jìn)行交匯處理。本文閃電資料來(lái)自于黑龍江省氣象部門的ADTD閃電定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由21個(gè)探測(cè)子站組成，單站的探測(cè)范圍約為150 km，系統(tǒng)采用時(shí)差和方位混合多站綜合定位方法，主要探測(cè)的是云地閃電，定位誤差在1000 m以內(nèi)。每個(gè)閃電資料包括的信息有時(shí)間、位置、性質(zhì)、強(qiáng)度、陡度、能量等參數(shù)。

2.3.2雷達(dá)資料的來(lái)源

雷達(dá)資料來(lái)源于黑龍江省氣象部門設(shè)立的多普勒氣象雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有8個(gè)站點(diǎn)，分別為大興安嶺、黑河、佳木斯、哈爾濱、伊春、牡丹江、齊齊哈爾、九三農(nóng)場(chǎng)，24小時(shí)全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，每6 min完成一次體積掃描。新一代天氣雷達(dá)具有高增益（放大量）、高發(fā)射頻率、高接收靈敏度、高分辨率、探測(cè)距離遠(yuǎn)等眾多優(yōu)越性［8］。

3　地閃資料分析

3.1地閃時(shí)間分布

黑龍江省中西部地區(qū)于2012年7月1日17-23時(shí)發(fā)生了一次受颮線過(guò)程影響的強(qiáng)降水天氣。根據(jù)閃電定位系統(tǒng)顯示，此次過(guò)程共出現(xiàn)地閃2404次，其中正地閃為1258次，負(fù)地閃為1146次，正地閃的頻數(shù)超過(guò)了負(fù)地閃，占總地閃的52.3%。由圖1可知，此次颮線過(guò)程的地閃變化主要分為4個(gè)階段，每個(gè)階段都出現(xiàn)峰值。地閃總頻數(shù)達(dá)到2404次，且出現(xiàn)正地閃頻數(shù)多于負(fù)地閃的情況。

第一階段：17時(shí)-18時(shí)30分。地閃在颮線過(guò)程剛剛開始時(shí)頻數(shù)較大，但10 min之內(nèi)閃電頻數(shù)直線下降，在17時(shí)50分-18時(shí)閃電頻數(shù)出現(xiàn)一次較小的峰值，即10 min閃電頻數(shù)為71次，但17時(shí)10分-18 時(shí)30分總體地閃頻數(shù)和強(qiáng)度均處于相對(duì)穩(wěn)定的階段。

第二階段：18時(shí)30分-20時(shí)10分。地閃頻數(shù)出現(xiàn)陡增的現(xiàn)象，在19時(shí)20分-19時(shí)30分之間閃電頻數(shù)為141，達(dá)到整個(gè)雷暴過(guò)程的峰值。這一階段地閃總數(shù)為1075次，占整個(gè)過(guò)程地閃總數(shù)的42.3%，地閃頻數(shù)平均達(dá)到了10.8次/min。

第三階段：20時(shí)10分-21時(shí)50分。此階段地閃頻數(shù)較前一階段迅速降低，并呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象。先后出現(xiàn)四次地閃頻數(shù)峰值，但總體地閃頻數(shù)和強(qiáng)度均處于相對(duì)穩(wěn)定的階段。此階段每分鐘地閃數(shù)目平均為7.2次。

第四階段：21時(shí)50分-23時(shí)。同第三階段相比較，雖然都呈多峰值現(xiàn)象，但總體頻數(shù)與強(qiáng)度略有降低，平均每分鐘地閃數(shù)目為3.6次。

圖1　2012年7月1日17-23時(shí)每10 min黑龍江省閃電頻數(shù)變化情況

3.2地閃空間分布

此次雷暴過(guò)程的地閃密集區(qū)域總體自黑龍江省西南部向中部移動(dòng)。17-18時(shí)地閃數(shù)目較多，閃電密集區(qū)主要分布在黑龍江省西部地區(qū)（綏化、大慶），北部地區(qū)（大興安嶺、黑河）地閃分布稀疏。正地閃數(shù)目小于負(fù)地閃。18-19時(shí)地閃數(shù)目明顯增加，并且地閃總數(shù)和地閃密度也達(dá)到了峰值時(shí)段。閃電密集區(qū)主要出現(xiàn)在綏化和大慶兩個(gè)地區(qū)，此時(shí)段閃電落區(qū)已逐漸向中部移動(dòng)。19-20時(shí)地閃數(shù)目略有減少，閃電密集區(qū)幾乎全部覆蓋綏化市，且正地閃數(shù)目稍有增加。20-21時(shí)地閃數(shù)目繼續(xù)降低，閃電落區(qū)逐漸向綏化北部移動(dòng)，此時(shí)段正地閃數(shù)目大于負(fù)地閃數(shù)目。21時(shí)之后地閃數(shù)目明顯減少，但主要密集區(qū)依舊是綏化市，正地閃頻數(shù)依舊大于負(fù)地閃頻數(shù)，但相對(duì)21時(shí)數(shù)目明顯減少。22-23時(shí)綏化地區(qū)閃電落區(qū)分散，無(wú)主要密集區(qū)，但哈爾濱市相對(duì)之前閃電頻數(shù)稍有增加，且出現(xiàn)閃電密集區(qū)。

3.3正、負(fù)地閃對(duì)比特征分析

此次颮線過(guò)程中，正地閃略多于負(fù)地閃。17-20時(shí)，負(fù)地閃占地閃總數(shù)的百分比均保持在50%以上，此時(shí)正地閃所占比例小于負(fù)地閃。但是在20-23時(shí)，負(fù)地閃所占地閃總數(shù)的百分比都保持在 50%以下，其中20-21時(shí)，負(fù)地閃所占地閃總數(shù)比例僅為35%。此次颮線過(guò)程中負(fù)地閃最大強(qiáng)度大于正地閃的最大強(qiáng)度，但是負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度為-40.01 kA，正地閃平均電流強(qiáng)度為45.28 kA，數(shù)值上正地閃的平均電流強(qiáng)度相對(duì)較大。雷暴初生和消散階段正負(fù)地閃最大電流強(qiáng)度都呈上升趨勢(shì)，雷暴成熟階段正負(fù)地閃的最大電流強(qiáng)度變化略有一致。初生階段正地閃最大電流強(qiáng)度為 229.5 kA，此階段負(fù)地閃最大電流強(qiáng)度低于正地閃。進(jìn)入成熟階段之后，二者表現(xiàn)出同增同減的特征，且負(fù)地閃最大電流強(qiáng)度開始直線上升，但在臨近消散階段又直線下降。整個(gè)過(guò)程中，正地閃最大電流強(qiáng)度變化不明顯，數(shù)值一直保持在200 kA左右，而負(fù)地閃波動(dòng)比較明顯（圖2）。

圖2　2012年7月1日17-23時(shí)黑龍江省正、負(fù)地閃最大強(qiáng)度變化情況

4　雷達(dá)回波特征

本次過(guò)程雷達(dá)回波反射率產(chǎn)品圖上颮線特征明顯，具有典型的帶狀分布，颮線經(jīng)過(guò)之處產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。颮線演變過(guò)程經(jīng)歷了生成-發(fā)展-強(qiáng)盛-減弱四個(gè)階段，強(qiáng)盛階段持續(xù)了將近2 h，也是降水強(qiáng)度最大的時(shí)段。

初生階段。17時(shí)59分，對(duì)流云帶分為南北兩段斷裂的回波帶，北半部分回波帶由分散的對(duì)流單體連成帶狀，并且在回波帶前緣不斷有新的對(duì)流單體觸發(fā)。新觸發(fā)的對(duì)流單體面積較小，回波中心強(qiáng)度強(qiáng)，超過(guò)50 dBZ，帶來(lái)較大強(qiáng)度的降水；南側(cè)回波帶為積層混合云系，鑲嵌在層云回波中的對(duì)流單體，相互影響，層云面積逐漸減小，回波整體向偏東方向移動(dòng)。

風(fēng)速場(chǎng)分析，整個(gè)對(duì)流帶有明顯的偏南急流，給發(fā)展中的風(fēng)暴提供了源源不斷的暖濕空氣，與帶狀回波前緣的外流氣流交匯，在氣流的前側(cè)觸發(fā)新的單體發(fā)展。

發(fā)展階段。18時(shí)33分，北部對(duì)流帶前沿新生成的對(duì)流單體合并入回波帶中，形成結(jié)構(gòu)密實(shí)的帶狀回波，長(zhǎng)度和寬度同時(shí)增加；南部混合云回波中的對(duì)流單體連接成帶狀，層云面積進(jìn)一步減小，對(duì)流性云帶形成。18時(shí)56分混合云、層云面積迅速減小，積云迅速發(fā)展，前緣發(fā)展的對(duì)流單體并入主云帶，南北兩條對(duì)流云帶連接成帶狀，形成颮線，此時(shí)，南北云帶連接處速度場(chǎng)輻合，風(fēng)速增大，對(duì)流進(jìn)一步發(fā)展。

強(qiáng)盛階段。19時(shí)31分，颮線達(dá)到最強(qiáng)盛階段，長(zhǎng)度與寬度發(fā)展到最大，強(qiáng)回波質(zhì)心懸垂，颮線在速度圖上有明顯速度輻合帶，出現(xiàn)“速度模糊”，此時(shí)的云帶整體向東移動(dòng)，速度較快。19時(shí)42分，回波帶寬度變窄，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。此階段是降水強(qiáng)度最大的時(shí)段，颮線所經(jīng)之處都有較強(qiáng)的降水。

減弱階段。颮線降水出現(xiàn)后，雷暴中上升氣流減弱，下沉氣流增強(qiáng)，颮線進(jìn)入減弱階段。20時(shí)05分，颮線中段前沿開始出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，出流明顯，較強(qiáng)下沉氣流的拖曳作用使得風(fēng)暴強(qiáng)度減弱。到20時(shí)50分，回波帶結(jié)構(gòu)逐漸松散，回波頂高和回波強(qiáng)中心高度都開始下降，回波強(qiáng)度減弱，層狀云面積逐步加大，強(qiáng)對(duì)流的組織性減弱，回波維持帶狀向東移動(dòng)，趨于一般性降水。

5　閃電頻數(shù)與雷達(dá)回波的關(guān)系

雷達(dá)的組合反射率產(chǎn)品圖包含云中降水粒子的有關(guān)信息，可以很好的反應(yīng)天氣系統(tǒng)的變化、對(duì)流云團(tuán)等的生消發(fā)展?fàn)顟B(tài)等。通過(guò)不同時(shí)刻地閃的空間分布與雷達(dá)獲得的組合反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行多次細(xì)致的對(duì)比分析得出，地閃的分布與組合反射率之間有較好的相關(guān)性。本文把閃電疊加到雷達(dá)回波上進(jìn)行分析。為便于分析說(shuō)明，分別選擇7月1日19時(shí)13分和19時(shí)19分在仰角1.5°、探測(cè)范圍150 km的雷達(dá)回波產(chǎn)品圖上疊加前6 min發(fā)生的閃電，保持與多普勒天氣雷達(dá)體掃間隔同步。

從多普勒雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果可以看出，這是一次較典型的颮線過(guò)程，雷達(dá)回波非常強(qiáng)，強(qiáng)回波中心超過(guò)50 dBZ，閃電均發(fā)生在大于30 dBZ的雷達(dá)回波內(nèi)，尤其在40 dBZ以上強(qiáng)回波中心區(qū)域地閃密集，在其后部大片連續(xù)的弱回波區(qū)（＜30 dBZ）內(nèi)僅有零星閃電發(fā)生，同時(shí)還注意到偶爾的正地閃偏離強(qiáng)回波帶，出現(xiàn)在弱層回波區(qū)內(nèi)。望奎、青岡等地處于強(qiáng)回波帶地區(qū)，青岡縣地閃密度最大，且多為正地閃。地閃密度隨著回波強(qiáng)度增大，總體上呈增強(qiáng)趨勢(shì)。地閃活動(dòng)分布也存在一定規(guī)律，正地閃發(fā)生在強(qiáng)回波及其鄰近區(qū)域，而負(fù)地閃則發(fā)生在系統(tǒng)后部的穩(wěn)定性降水區(qū)。19時(shí)19分的回波強(qiáng)度相對(duì)19時(shí)13分的明顯降低，≥50 dBZ的強(qiáng)回波中心已消散。但是，閃電密度明顯增加，地閃密集區(qū)同樣出現(xiàn)在＞30 dBZ的雷達(dá)回波內(nèi)，并且正地閃占主導(dǎo)地位。

綜上所述，可以得出，此次颮線過(guò)程中地閃主要出現(xiàn)在＞30 dBZ的雷達(dá)回波內(nèi)，在40 dBZ以上的強(qiáng)回波中心最為密集，并且通過(guò)對(duì)比可知，地閃密集區(qū)隨著強(qiáng)回波中心的消散而出現(xiàn)，也就是說(shuō)，此次過(guò)程中，地閃密集區(qū)并沒有發(fā)生在雷達(dá)回波最強(qiáng)盛的時(shí)期，而是緊隨其后。

6　結(jié)論

通過(guò)對(duì)此次颮線過(guò)程中強(qiáng)雷暴過(guò)程的集合分析可以得出：

（1）根據(jù)閃電定位系統(tǒng)顯示，此次過(guò)程共出現(xiàn)地閃2404次，其中正地閃為1258次，負(fù)地閃為1146次，正地閃的頻數(shù)超過(guò)了負(fù)地閃，占總地閃的52.3%。通過(guò)空間分布得出，此次雷暴過(guò)程的地閃密集區(qū)域總體自黑龍江省西南部向中部移動(dòng)。此次颮線過(guò)程中負(fù)地閃最大強(qiáng)度大于正地閃的最大強(qiáng)度，但是負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度為-40.01 kA，正地閃平均電流強(qiáng)度為45.28 kA，數(shù)值上正地閃的平均電流強(qiáng)度相對(duì)較大。

（2）此次颮線過(guò)程中地閃主要出現(xiàn)在＞30 dBZ的雷達(dá)回波內(nèi)，在40 dBZ以上的強(qiáng)回波中心最為密集，并且，通過(guò)對(duì)比可知，地閃密集區(qū)隨著強(qiáng)回波中心的消散而出現(xiàn)，也就是說(shuō)，此次過(guò)程中，地閃密集區(qū)并沒有發(fā)生在雷達(dá)回波最強(qiáng)盛的時(shí)期，而是緊隨其后。

參考文獻(xiàn)

［1］高潔，崔竹囡，靳英燕等．陜北一次颮線過(guò)程的中尺度特征分析［J］．干旱氣象，2010，28（3）：327-362.

［2］陳謂民．《雷電學(xué)原理》［M］.北京：氣象出版社，2003，11.

［3］馮桂力，王俊，龔佃利等．一次颮線過(guò)程的閃電活動(dòng)特征［J］．山東氣象，2009，29（1）：6-11.

［4］陳哲彰．冰雹與雷電大風(fēng)的云對(duì)地閃電特征．氣象學(xué)報(bào)，1995，53（3）：365-347.

［5］Holl RL，Waston AL，Lopez RE，et al.The life cycle of lighting and severe weather in a 3-4 June 1985 PRE-STORM mesoscale convective system［J］．Mon Wea Rev，1994，122（4）：1798-1808.

［6］張紹東，易帆，熊東輝．重力波在真實(shí)大氣中傳播特性的數(shù)值研究［J］．空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（1）：36-43.

［7］黃文耿，古士芬．雷暴云準(zhǔn)靜電場(chǎng)和夜間低電離層的電離［J］．空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（3）：227-233.

［8］張海虹，錢建新．一代多普勒天氣雷達(dá)簡(jiǎn)介［J］．科技資訊，2009，10（4）：38-42.

中圖分類號(hào)：P458.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-252X（2016）02-0013-03

收稿日期：2016-3-1

第一作者簡(jiǎn)介：王力艷（1991-），女，黑龍江省綏棱縣人，南京信息工程大學(xué)，本科生，助理工程師.