柳州市強(qiáng)對(duì)流暴雨的閃電和雷達(dá)回波特征及相關(guān)性研究

陳銳　劉洲榮

（柳州市氣象局，廣西柳州　545002）

柳州市強(qiáng)對(duì)流暴雨的閃電和雷達(dá)回波特征及相關(guān)性研究

陳銳劉洲榮

（柳州市氣象局，廣西柳州545002）

利用閃電監(jiān)測(cè)資料和多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)資料，對(duì)2015年汛期強(qiáng)對(duì)流暴雨的閃電和雷達(dá)回波特征及相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：柳州強(qiáng)對(duì)流性暴雨時(shí)的閃電以負(fù)閃電為主；暴雨日降水量與日閃電數(shù)相關(guān)小，強(qiáng)的降水不一定有強(qiáng)的閃電活動(dòng)；伴隨有閃電活動(dòng)的強(qiáng)對(duì)流暴雨逐時(shí)降水量與逐時(shí)閃電頻數(shù)演變曲線具有峰型特征和趨勢(shì)一致，閃電先于降水之前開(kāi)始，降水量峰值比閃電頻數(shù)峰值落后1小時(shí)；徑向速度不均勻風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)存在利于對(duì)流回波的發(fā)展和閃電的發(fā)生，強(qiáng)對(duì)流暴雨的閃電活動(dòng)與強(qiáng)回波區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，閃電一般發(fā)生在反射率因子≥45dBz和回波頂≥6km的區(qū)域。

強(qiáng)對(duì)流暴雨；閃電特征；雷達(dá)回波；相關(guān)性

1　引言

根據(jù)經(jīng)典的雷電學(xué)原理［1-2］，大氣中通過(guò)起電機(jī)制生成的正電荷和負(fù)電荷被分離到不同的區(qū)域，在一定條件下發(fā)生放電就產(chǎn)生了閃電現(xiàn)象。隨著我區(qū)閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立和閃電數(shù)據(jù)的積累，有必要進(jìn)行暴雨、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的閃電特征及其相關(guān)性的分析研究。許多科學(xué)工作者［3-5］進(jìn)行了閃電活動(dòng)與降水、冰雹等天氣的統(tǒng)計(jì)分析研究，認(rèn)為降水產(chǎn)生的云地閃中負(fù)閃占絕對(duì)多數(shù)，而冰雹產(chǎn)生的云地閃中正閃的數(shù)量可以和負(fù)閃相當(dāng)甚至超過(guò)負(fù)閃。李照榮等［6］研究認(rèn)為，閃電密度最大中心區(qū)出現(xiàn)在降雹位置之前，閃電逐時(shí)空間分布標(biāo)識(shí)出冰雹云的發(fā)展移動(dòng)路徑。然而Carey等［7］研究發(fā)現(xiàn)一些非常強(qiáng)的風(fēng)暴并沒(méi)有產(chǎn)生大量的正地閃；另外有些學(xué)者［8-9］對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴的地閃活動(dòng)特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，一些強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生非常低的地閃頻數(shù)，而并非通常認(rèn)為的對(duì)流越強(qiáng)，雷暴云中的地閃活動(dòng)也越強(qiáng)。文獻(xiàn)［10-11］則討論了對(duì)流和降水特征的相關(guān)，認(rèn)為強(qiáng)烈的閃電活動(dòng)與強(qiáng)降雨有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而與一般性降雨對(duì)應(yīng)關(guān)系較差。林開(kāi)平等［12］對(duì)影響華南的西風(fēng)帶系統(tǒng)和熱帶系統(tǒng)的各類云系的閃電時(shí)空分布特征進(jìn)行分析研究后認(rèn)為，西風(fēng)帶系統(tǒng)云系的閃電分布形態(tài)特征和范圍與熱帶系統(tǒng)云系有很大的差異。柳州屬于多雷區(qū)，雷暴天氣頻繁，相伴的暴雨頻繁且嚴(yán)重。因此本文對(duì)2015年汛期強(qiáng)對(duì)流暴雨的雷電和雷達(dá)回波特征及相關(guān)性進(jìn)行分析，以期為柳州市暴雨及雷電的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供依據(jù)。

2　資料來(lái)源

暴雨又有強(qiáng)對(duì)流天氣性暴雨和非強(qiáng)對(duì)流天氣性暴雨之分，一般把伴隨有閃電活動(dòng)的暴雨稱為強(qiáng)對(duì)流性暴雨。本文選取柳州市區(qū)2015年5月1日至9月30日之間的6次強(qiáng)對(duì)流暴雨過(guò)程進(jìn)行分析，研究暴雨過(guò)程中閃電與降水及雷達(dá)回波的相關(guān)性。

（1）柳州市閃電定位監(jiān)測(cè)資料，主要指云-地之間發(fā)生的閃電。閃電定位資料選用廣西區(qū)防雷中心的閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)探測(cè)子站采用雙曲時(shí)差技術(shù)為主、輔以磁方向定向算法、定向時(shí)差的混合交匯算法對(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。

（2）日降水量主要收集柳州市氣象觀測(cè)站地面實(shí)況降水資料。根據(jù)逐站逐日的降水量統(tǒng)計(jì)，2015年5月1日—9月30日全市共出現(xiàn)了6次強(qiáng)對(duì)流暴雨過(guò)程。

（3）雷達(dá)回波資料選用柳州市氣象局雷達(dá)站多普勒雷達(dá)探測(cè)資料。

3　柳州市暴雨閃電活動(dòng)特征及相關(guān)性

2015年5月1日—9月30日全市共出現(xiàn)了6次強(qiáng)對(duì)流暴雨過(guò)程，對(duì)每次過(guò)程的降雨量、閃電頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表1所示。

從表1可以看出，在這6次暴雨過(guò)程中共發(fā)生閃電385次，其中正閃8次，負(fù)閃377次，這表明柳州市暴雨的閃電以負(fù)閃為主，這主要是由于強(qiáng)降水過(guò)程中風(fēng)垂直切變不太大，云上部的正電荷層在水平方向無(wú)法遠(yuǎn)離負(fù)電荷層而直接暴露于地面之上，另外可能沒(méi)有足夠多的冰相粒子，因此產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流暴雨的對(duì)流云以負(fù)閃電為主，一般很少產(chǎn)生正閃電。

從表1還可以看出，暴雨日降水量峰值并沒(méi)有與日閃電頻數(shù)的峰值一一對(duì)應(yīng)，表明暴雨日降水量的大小與閃電總數(shù)沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，即強(qiáng)的降水不一定有強(qiáng)的閃電活動(dòng)，與文獻(xiàn)［13-14］的研究結(jié)果一致。由于強(qiáng)降水往往是對(duì)流云和層狀云共同作用的結(jié)果，層狀云為對(duì)流云的發(fā)展提供潮濕環(huán)境，促使強(qiáng)降水得以維持和加強(qiáng)，因此由于對(duì)流云和層狀云共存，云上少的閃電也能產(chǎn)生暴雨。

表1　2015年5月1日—9月30日暴雨日降水量、日閃頻數(shù)、負(fù)閃頻數(shù)、正閃頻數(shù)

4　總閃頻數(shù)、負(fù)閃頻數(shù)、正閃頻數(shù)演變

下面對(duì)2個(gè)強(qiáng)對(duì)流暴雨過(guò)程個(gè)例的逐時(shí)降水量和閃電活動(dòng)演變特征進(jìn)行研究分析。

4.12015年6月11日1時(shí)—17時(shí)降水量、閃電頻數(shù)逐時(shí)演變特征

6月11日1時(shí)—17時(shí)的暴雨過(guò)程降水量為68mm，發(fā)生閃電118次，逐時(shí)降水量、閃電頻數(shù)的演變?nèi)鐖D1所示，從圖1可以看出，此次暴雨過(guò)程主要發(fā)生在2時(shí)到6時(shí)這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，閃電頻數(shù)峰值和降雨量峰值都是只有1個(gè)，這表明此次暴雨的產(chǎn)生可能僅受到1個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)的影響，具有典型中尺度對(duì)流云團(tuán)影響的特征，降水和閃電活動(dòng)來(lái)勢(shì)猛烈，結(jié)束比較迅速，產(chǎn)生短時(shí)暴雨，此次過(guò)程的閃電頻數(shù)峰值出現(xiàn)在3點(diǎn)，發(fā)生了86次閃電，而降水量的峰值則出現(xiàn)在4時(shí)，降雨量為24mm，閃電頻數(shù)的峰值出現(xiàn)在降水量峰值的前1個(gè)小時(shí)。

4.22015年9月6日18時(shí)—9月7日9時(shí)降水量、閃電頻數(shù)逐時(shí)演變特征

9月6日18時(shí)—9月7日9時(shí)的暴雨過(guò)程降水量為54mm，發(fā)生閃電103次，逐時(shí)降水量、閃電頻數(shù)的演變?nèi)鐖D2所示，從圖2可以看出，此次過(guò)程共出現(xiàn)了2次閃電頻數(shù)峰值和降水量峰值，第一次過(guò)程從6日18時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)閃電，但此時(shí)并未有降水，從19時(shí)開(kāi)始，閃電活動(dòng)劇烈，降水量也在逐漸增加，閃電頻數(shù)的第一次峰值出現(xiàn)在6日20時(shí)，共發(fā)生90次閃電，降水量的第一次峰值則出現(xiàn)在21時(shí)，降水量為17.4mm，閃電頻數(shù)峰值出現(xiàn)在降水量峰值之前的1個(gè)小時(shí)；第二次過(guò)程從7日3時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)閃電，此時(shí)也未有降水，閃電頻數(shù)的第二次峰值出現(xiàn)在7日4時(shí)，共發(fā)生3次閃電，降水量的第二次峰值則出現(xiàn)在5時(shí)，降水量為22.6mm，閃電頻數(shù)峰值也是出現(xiàn)在降水量峰值之前的1個(gè)小時(shí)。

從以上分析可以看出，強(qiáng)對(duì)流暴雨的產(chǎn)生一般是在一定大尺度環(huán)流背景下，由中尺度對(duì)流系統(tǒng)直接引起［15-17］，中尺度對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生的降水具有強(qiáng)度大、來(lái)勢(shì)猛和持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，致使降水量與閃電頻數(shù)的演變趨勢(shì)比較一致并具有峰型演變特征，也證實(shí)了具有強(qiáng)烈閃電活動(dòng)的1個(gè)或者多個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)是強(qiáng)對(duì)流暴雨的直接制造者。再者閃電的發(fā)生與云中氣流的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)會(huì)引起云層內(nèi)各種微粒碰撞摩擦加強(qiáng)和電荷積累，當(dāng)電荷增加到一定程度就會(huì)因?yàn)榫植侩妶?chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)空氣的電擊穿強(qiáng)度，從而引起強(qiáng)烈的閃電活動(dòng)；同時(shí)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)又促使云滴迅速增長(zhǎng)，當(dāng)云滴大到上升氣流無(wú)法托住時(shí)就形成降水，可見(jiàn)閃電是伴隨強(qiáng)對(duì)流云的一種天氣現(xiàn)象，而強(qiáng)降水是其發(fā)展的產(chǎn)物，降水量峰值會(huì)與閃電頻數(shù)峰值同相或者落后1個(gè)時(shí)次。

5　閃電活動(dòng)與雷達(dá)回波的關(guān)系

為了進(jìn)一步研究閃電活動(dòng)與造成暴雨的對(duì)流云結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，本文把上述2個(gè)個(gè)例的閃電疊加到雷達(dá)回波上進(jìn)行分析（圖略）。

經(jīng)過(guò)對(duì)6月24日03：29柳州雷達(dá)站反射率因子和閃電的疊加發(fā)現(xiàn)，對(duì)流回波發(fā)展旺盛，呈塊狀分布，45dBz以上的強(qiáng)對(duì)流回波區(qū)與閃電活動(dòng)對(duì)應(yīng)較好，尤其在50dBz以上強(qiáng)回波中心區(qū)域閃電密集。分析雷達(dá)回波頂和閃電疊加（圖略）發(fā)現(xiàn)，6km以上的回波頂區(qū)與閃電活動(dòng)對(duì)應(yīng)較好，而且在8km以上的高回波頂中心區(qū)閃電密集，最高達(dá)9km；從圖中還可以看到，由于對(duì)流回波強(qiáng)度強(qiáng)、頂高高，閃電活動(dòng)比較激烈。同時(shí)配合分析了雷達(dá)回波徑向速度產(chǎn)品和閃電數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，閃電發(fā)生在回波徑向速度分布不均勻的對(duì)流回波上，具有徑向速度大小不均勻、大風(fēng)區(qū)、逆風(fēng)區(qū)和風(fēng)的輻合等中尺度特征，這些風(fēng)場(chǎng)特征的存在有利于對(duì)流回波的發(fā)展。

同樣分析9月6日20：20雷達(dá)站反射率因子、回波頂和回波徑向速度產(chǎn)品與閃電疊加發(fā)現(xiàn)，這是一中尺度對(duì)流回波塊（塊狀回波），其上雖然閃電發(fā)生少，強(qiáng)回波區(qū)上并非都有閃電發(fā)生，但發(fā)生的閃電基本還是在反射率因子≥45dB2和回波頂≥8km的強(qiáng)回波區(qū)及其周圍，徑向速度具有逆風(fēng)區(qū)和輻合等不均勻分布的中尺度特征。

分析這2次強(qiáng)對(duì)流暴雨過(guò)程發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)對(duì)流暴雨的閃電活動(dòng)與強(qiáng)回波區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系［18-20］，閃電一般發(fā)生在反射率因子≥45dB2和回波頂≥6km的區(qū)域，并且對(duì)流回波發(fā)展越旺盛，即對(duì)流回波強(qiáng)度越強(qiáng)、回波頂越高，閃電活動(dòng)就越激烈。

6　結(jié)論與展望

（1）柳州的強(qiáng)對(duì)流性暴雨常伴隨閃電現(xiàn)象發(fā)生，且以負(fù)閃電活動(dòng)為主。

（2）暴雨日降水量的大小與閃電總數(shù)沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，即強(qiáng)的降水不一定有強(qiáng)的閃電活動(dòng)。

（3）強(qiáng)對(duì)流暴雨的逐時(shí)降水量與閃電頻數(shù)隨時(shí)間的演變曲線具有峰型演變特征，且兩者演變趨勢(shì)比較一致。表明柳州強(qiáng)對(duì)流暴雨的產(chǎn)生與具有閃電活動(dòng)的中尺度對(duì)流云團(tuán)密切相關(guān)，可能存在多個(gè)或單個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)影響產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流暴雨。但閃電總是先于降水之前開(kāi)始，降水量峰值與閃電頻數(shù)峰值落后1個(gè)時(shí)次。

（4）多普勒雷達(dá)徑向速度不均勻風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的存在有利于對(duì)流回波的發(fā)展，促進(jìn)閃電發(fā)生。強(qiáng)對(duì)流暴雨的閃電活動(dòng)與強(qiáng)回波區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。閃電一般發(fā)生在反射率因子≥45dBZ和回波頂≥6km的區(qū)域，對(duì)流回波強(qiáng)度越強(qiáng)、回波頂越高，閃電活動(dòng)越激烈。

（5）由于受到雷電數(shù)據(jù)和雷達(dá)回波產(chǎn)品有限的限制，本文所選擇分析的天氣個(gè)例還比較少。今后應(yīng)積累并選擇更多更有代表性的柳州市區(qū)強(qiáng)雷暴天氣的相關(guān)資料，對(duì)降水雷達(dá)回波及其閃電特征做更為深入的研究。

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Characteristics of Lighting and Radar Echoes of Strong Convective Rainstorm and Their Relations in Liuzhou

Chen Rui，Liu Zhou-rong
（Liuzhou Municipal Meteorological Service，Liuzhou Guangxi 545002）

Based on cloud-ground lightning data and Doppler weather radar echo data strong convective rainstorms in 2015 of Liuzhou，the characteristics of lightning and radar echoes and the relations between them are analyzed.The results show that:most lightning of convective rainstorms was negative；the relativity between precipitation and the number of lightning are small.The evolution curve of hourly rainfall of strong convective storm with lightning and the hourly lightning frequency show peak pattern and the similar changing trend.But the lightning occurred before raining about 1 hour.The uneven wind field structure in radial velocity is conducive to the development of convective echo and the occurrence of lightning，lightning activity of strong convection rainstorm and strong echo area have good corresponding relationships with lightning occurring when the reflectivity is≥45 DBZ and the area of top echo reaches up to above 6 km.

strong convective rainstorm；lightning characteristics；radar echo；relativity

P49

A

1673-8411（2016）02-0038-04

2015-10-12

2015年柳州市氣象局自立科研項(xiàng)目《柳州市閃電與氣象要素相關(guān)關(guān)系研究

陳銳（1978-），男，廣西柳州人，工程師，碩士，主要從事防雷技術(shù)服務(wù)工作。