鄂爾多斯市一次強(qiáng)雷暴天氣雷達(dá)回波和地閃特征

張彩云+張永才

摘要 選用鄂爾多斯市氣象局新一代多普勒天氣雷達(dá)、閃電定位以及常規(guī)氣象觀測(cè)資料，針對(duì)2012年8月2日發(fā)生在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市一次強(qiáng)雷暴天氣伴隨的暴雨和冰雹進(jìn)行分析和判斷。結(jié)果表明，影響系統(tǒng)為前傾槽、切變線和輻合線，溫度對(duì)數(shù)壓力圖出現(xiàn)了2個(gè)不穩(wěn)定層。雷達(dá)產(chǎn)品表現(xiàn)在反射率因子有2個(gè)相連的指狀回波，垂直積分液態(tài)含水量60 kg/m2，平均徑向速度圖有輻合帶，RCS和地閃在暴雨和冰雹2種天氣現(xiàn)象中有著各自不同的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 暴雨；冰雹；雷達(dá)回波；地閃特征；內(nèi)蒙古鄂爾多斯

中圖分類號(hào) P446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）23-0227-03

雷暴指積雨云中所發(fā)生的雷電交作激烈放電現(xiàn)象，其過境時(shí)，氣象要素和天氣現(xiàn)象會(huì)發(fā)生劇烈變化，強(qiáng)烈的雷暴甚至?xí)?lái)冰雹、龍卷等災(zāi)害。特點(diǎn)是突發(fā)性、局地性強(qiáng)，給農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活造成諸多不便。多普勒天氣雷達(dá)是探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣的重要工具之一，為此鄂爾多斯市（以下“鄂市”）氣象局于2005年10月安裝了新一代多普勒天氣雷達(dá)。正因雷暴天氣帶來(lái)的災(zāi)害，我國(guó)各地氣象科技人員對(duì)當(dāng)?shù)貜?qiáng)對(duì)流天氣的雷達(dá)回波、閃電活動(dòng)進(jìn)行了分析和研究。如茍阿寧等[1]分析了2個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)生命期雷達(dá)回波和地閃特征，發(fā)現(xiàn)2個(gè)風(fēng)暴的地閃演變特征及閃電在風(fēng)暴生命史各階段分布的位置不同。張俊蘭[2]利用多普勒天氣雷達(dá)資料分析強(qiáng)風(fēng)暴天氣得到雷暴的直接影響系統(tǒng)、水汽輸送的作用以及在雷暴單體成熟期中層反射率有回波懸垂和弱回波區(qū)。王福俠等[3]發(fā)現(xiàn)徑向速度的大值區(qū)是雷暴大風(fēng)最重要的雷達(dá)回波特征，其最早于弓形回波和陣風(fēng)鋒回波。本文通過對(duì)閃電定位資料和雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行分析，找出暴雨和冰雹天氣的一些特征，希望為人影指揮作業(yè)（增雨和防雹）提供一定幫助。

1 資料來(lái)源

雷達(dá)回波資料來(lái)自鄂市氣象局新一代多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD/CB），每6 min生成1幅產(chǎn)品。閃電定位資料來(lái)自鄂市氣象局閃電定位系統(tǒng)。垂直剖面圖來(lái)自鄂市人工影響天氣三維決策指揮系統(tǒng)以及MICAPS常規(guī)氣象觀測(cè)資料。

2 天氣實(shí)況和災(zāi)情

2012年8月2日鄂市出現(xiàn)了強(qiáng)雷暴天氣，系統(tǒng)自西向東移動(dòng)，雷暴和降水首先從達(dá)拉特旗（以下“達(dá)旗”）開始，接著與其相鄰的伊和烏素、東勝、伊金霍洛旗、準(zhǔn)格爾旗（以下“準(zhǔn)旗”）也陸續(xù)開始，達(dá)旗的宿亥圖鄉(xiāng)降水量達(dá)80.6 mm，東勝的布日都梁也達(dá)到暴雨。其中布日都梁18：00左右受短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴、冰雹（黃豆大?。┑?0 min的襲擊，造成多處路面積水。達(dá)旗中和西鎮(zhèn)挖掘機(jī)、推土機(jī)各1臺(tái)，摩托車、四輪車各1輛被河水淹沒。東勝因雷電太強(qiáng)，造成多戶電視、電纜被擊。

3 天氣背景分析

3.1 中分析

由2012年8月2日8：00中分析得到：貝爾加湖以南、河套以北500、700 hPa槽線非常接近，700 hPa槽線位于500 hPa之前，是典型的前傾槽結(jié)構(gòu)，這種形勢(shì)場(chǎng)有利于強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生。850 hPa切變線及500 hPa輻合線位于達(dá)旗、東勝、準(zhǔn)旗等地，造成水汽和不穩(wěn)定能量在此聚集，上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。當(dāng)能量達(dá)到一定時(shí)，在外力作用下，雷暴天氣開始，系統(tǒng)整體位置在鄂市北部。

3.2 溫度對(duì)數(shù)壓力圖

由2012年8月2日8：00東勝站（53543）溫度對(duì)數(shù)壓力圖顯示：有2個(gè)不穩(wěn)定層，分別為510～590 hPa，高度為4.5～5.8 km；380～400 hPa，高度為7.3～9.0 km。自由對(duì)流高度4.5 km，CAPE=82.1 J/kg，K=29 ℃。雖然CAPE、K值都不是很大（僅反映8：00大氣狀態(tài)），但是大氣已處在不穩(wěn)定狀態(tài)，由于午后氣溫升高，下墊面加熱顯著，產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣可能性很大，加之250～500 hPa風(fēng)向逆轉(zhuǎn)風(fēng)速猛增，造成高層冷平流強(qiáng)，為強(qiáng)對(duì)流天氣提供動(dòng)力條件。

4 雷達(dá)回波特征

4.1 反射率因子特征

10：44仰角0.5°觀測(cè)到距離東勝西北120 km處有弱回波，以后東移加強(qiáng)面積增大，15：00進(jìn)入達(dá)旗、東勝。16：01距離東勝西北75 km回波呈2個(gè)相連指狀結(jié)構(gòu)，由圖1（a）可知，16：31回波強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ，長(zhǎng)度約50 km，造成宿亥圖鄉(xiāng)降水量80.6 mm。由圖1（e）可知，17：26距離東勝西25 km回波強(qiáng)度55 dBZ，持續(xù)到18：00，造成布日都梁30 min的降水、雷暴、冰雹天氣。20：14減弱成30 dBZ。在整個(gè)天氣過程中，不斷有新的雷暴單體生成合并增強(qiáng)分裂。其移動(dòng)速度快，生消變化大，回波強(qiáng)度在30～60 dBZ之間。從進(jìn)入到移出鄂市，只有16：31是影響這次天氣的主要回波強(qiáng)度，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)密實(shí)、呈指狀、強(qiáng)度大，回波一直在鄂市北部移動(dòng)，與天氣系統(tǒng)配合一致。說(shuō)明大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定，造成局地對(duì)流非常強(qiáng)，對(duì)生成強(qiáng)降水、冰雹、雷暴等天氣非常有利。

4.2 垂直積分液態(tài)含水量特征

垂直積分液態(tài)含水量在不同時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出不同的特征，10：51距離東勝西北120 km為35 kg/m2，15：43宿亥圖鄉(xiāng)為45 kg/m2，16：31達(dá)到最大，為60 kg/m2，見圖1（b），17：15布日都梁為25 kg/m2，一直持續(xù)到18：16。在整個(gè)天氣過程中VIL維持在25～60 kg/m2，當(dāng)指狀回波強(qiáng)度和面積達(dá)最大時(shí)，VIL躍增到60 kg/m2。垂直積分液態(tài)含水量如此大，對(duì)產(chǎn)生暴雨和冰雹非常有利[4]。VIL的大值區(qū)與反射率因子強(qiáng)回波中心形成對(duì)應(yīng)，需關(guān)注強(qiáng)降水天氣應(yīng)對(duì)VIL的躍增現(xiàn)象。

4.3 平均徑向速度特征

平均徑向速度圖使用2.4°仰角。分為正速度區(qū)，方向遠(yuǎn)離雷達(dá)；負(fù)速度區(qū)，方向向著雷達(dá)。16：07距離東勝西北75 km大面積負(fù)速度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)正速度，在正負(fù)速度交匯西北側(cè)有風(fēng)向（東南風(fēng)與西北風(fēng)）風(fēng)速（-15 m/s、+10 m/s）輻合，16：38演變成輻合帶，見圖1（c），正負(fù)面積幾乎相等，造成大量冷暖空氣、水汽及能量在此堆積，促成大氣層結(jié)不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致80.6 mm的降水。

4.4 RCS特征

分別對(duì)16：31和17：26的2個(gè)體掃數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面（RCS）發(fā)現(xiàn)，16：31云頂高度超過16 km，最大回波強(qiáng)度60 dBZ的高度在6 km，見圖1（d）。分析該雷暴單體，強(qiáng)度表現(xiàn)在由內(nèi)向外減弱，邊緣光滑整齊，結(jié)構(gòu)密實(shí)，呈橢圓形，是一個(gè)完整的雷暴單體。回波強(qiáng)度≥50 dBZ云頂高度在9 km，結(jié)合最近東勝站8：00探空資料得到0 ℃和-20 ℃層高度分別是4.3、7.0 km，而50 dBZ以上回波頂高度超過了-20 ℃層的高度，表明雷暴單體非常旺盛，對(duì)強(qiáng)降水非常有利。由圖1（f）可知，17：26云頂高度達(dá)到12 km，最大回波強(qiáng)度55 dBZ的高度在4.2 km，回波強(qiáng)度≥50 dBZ云頂高度在5.8 km，超過了0 ℃層高度，相比16：31的雷暴單體發(fā)展要弱些，卻出現(xiàn)了冰雹天氣。

5 地閃演變特征與雷達(dá)回波的關(guān)系

分別選取宿亥圖鄉(xiāng)（109°08′E，40°12′N）暴雨和布日都梁（109°56′E，39°45′N）冰雹為中心，半徑10 km范圍內(nèi)10 min累計(jì)地閃資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5.1 暴雨的地閃演變與雷達(dá)回波的關(guān)系

選取地閃時(shí)間15：30—16：50進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖2）發(fā)現(xiàn)：地閃共159次（負(fù)閃153次、正閃6次），負(fù)閃占96.23%，主要集中在16：10以前，15：40—16：00負(fù)閃次數(shù)猛增，15：50—16：00達(dá)到峰值71次/10 min，是槽前上升氣流最強(qiáng)的時(shí)候。正是由于受強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)影響，導(dǎo)致粒子碰撞幾率高而造成。對(duì)應(yīng)雷達(dá)產(chǎn)品出現(xiàn)指狀回波，此后負(fù)閃猛減，16：20—16：40全部是正閃，指狀回波長(zhǎng)度達(dá)到最大50 km，強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)60 dBZ。垂直積分液態(tài)含水量達(dá)到最大60 kg/m2，平均徑向速度出現(xiàn)輻合帶，以后幾乎無(wú)地閃現(xiàn)象，指狀回波分裂成塊狀或條狀。由此而知，指狀回波出現(xiàn)時(shí)負(fù)閃達(dá)到高峰。當(dāng)指狀回波強(qiáng)度和長(zhǎng)度、垂直積分液態(tài)含水量都達(dá)到最大，平均徑向速度出現(xiàn)輻合帶時(shí)，地閃全部成正閃。

5.2 冰雹的地閃演變與雷達(dá)回波的關(guān)系

選取地閃時(shí)間17：40—19：10進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖3）發(fā)現(xiàn)，地閃67次全部是負(fù)閃，在冰雹天氣過程中體現(xiàn)為波動(dòng)性，17：40—18：30總體呈上升趨勢(shì)，18：20—18：30出現(xiàn)峰值21次/10 min。地閃頻次沒有暴雨多，這與布日都梁位于槽底部上升氣流不是很強(qiáng)有關(guān)，此時(shí)冰雹天氣已結(jié)束。18：30—19：10總體呈下降趨勢(shì)，18：40—18：50出現(xiàn)極小值1次/10 min。分析發(fā)現(xiàn)，回波強(qiáng)度和垂直積分液態(tài)含水量都增大時(shí)，地閃頻次緩慢上升。當(dāng)回波強(qiáng)度和垂直積分液態(tài)含水量開始減小，地閃頻次猛增到峰值。需關(guān)注：冰雹天氣在地閃頻次緩慢上升中發(fā)生，地閃頻次達(dá)到峰值時(shí)，冰雹天氣結(jié)束，回波強(qiáng)度和垂直積分液態(tài)含水量都趨于減小。

綜合分析：2種天氣地閃的特點(diǎn)與鐘 敏等[5]的研究相吻合，以降水為主的強(qiáng)對(duì)流天氣，負(fù)閃占絕大多數(shù)，且閃電頻次較多、分布比較集中；而以冰雹、雷雨大風(fēng)為主的強(qiáng)對(duì)流天氣，閃電頻次較少且分布零散。與蘇邦禮等[6]的研究也吻合，若云塊自西向東移動(dòng)，地磁場(chǎng)磁力線由地球的南極指向北極，因此大量正電荷向云塊上方移動(dòng)，負(fù)電荷向下方移動(dòng)，當(dāng)電磁強(qiáng)度達(dá)到足夠大時(shí)將引起強(qiáng)烈放電而產(chǎn)生負(fù)閃。本次天氣過程雷暴云整體自西向東移動(dòng)，正電荷位于雷暴云上方，負(fù)電荷位于下方，地面受雷暴云下方負(fù)電荷的靜電感應(yīng)而形成負(fù)閃。

6 結(jié)論

（1）本次天氣影響系統(tǒng)為前傾槽、切變線和輻合線，溫度對(duì)數(shù)壓力圖出現(xiàn)2個(gè)不穩(wěn)定層。切變線南側(cè)和輻合線是不穩(wěn)定區(qū)域，有豐富的水汽。高空的冷平流使大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于形成雷暴天氣。

（2）雷達(dá)產(chǎn)品表現(xiàn)為2個(gè)相連的指狀回波，強(qiáng)度達(dá)到60 dBZ，垂直積分液態(tài)含水量60 kg/m2，速度圖有輻合區(qū)。RCS顯示暴雨和冰雹的垂直伸展高度分別超過-20 ℃和0 ℃層高度，天氣現(xiàn)象發(fā)生在這些區(qū)域內(nèi)。

（3）VIL的大值區(qū)與強(qiáng)回波中心一致，需關(guān)注強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)VIL的躍增現(xiàn)象。

（4）在地閃中暴雨和冰雹天氣的生命史特征各不相同，暴雨159次，負(fù)閃占96.23%，閃電分布集中，頻次多。指狀回波出現(xiàn)時(shí)負(fù)閃達(dá)到高峰，指狀回波強(qiáng)度和長(zhǎng)度、垂直積分液態(tài)含水量都達(dá)到最大，平均徑向速度出現(xiàn)輻合帶時(shí)，地閃成正閃。冰雹67次，全部是負(fù)閃，閃電分布零散且頻次少。冰雹天氣在地閃頻次緩慢上升中發(fā)生，地閃頻次達(dá)到峰值時(shí)，冰雹天氣結(jié)束，回波強(qiáng)度和垂直積分液態(tài)含水量都趨于減小。

7 參考文獻(xiàn)

[1] 茍阿寧，吳濤，高琦，等.襄陽(yáng)一次強(qiáng)雷暴過程的雷達(dá)回波與地閃特征分析[J].暴雨災(zāi)害，2012，31（4）：365-372.

[2] 張俊蘭.南疆柯坪強(qiáng)雷暴的天氣分析[J].氣象，2011，37（7）：880-888.

[3] 王福俠，俞小鼎，裴宇杰，等.河北省雷暴大風(fēng)的雷達(dá)回波特征及預(yù)報(bào)關(guān)鍵點(diǎn)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2016，27（3）：342-350.

[4] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達(dá)原理與應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2007：185-187.

[5] 鐘敏，吳翠紅，張兵，等.湖北省兩類強(qiáng)對(duì)流天氣云地閃特征及其環(huán)境條件對(duì)比研究[J].暴雨災(zāi)害，2010，29（2）：181-185.

[6] 蘇邦禮，崔秉球，吳望平，等.雷電與避雷工程[M].廣州：中山大學(xué)出版社，1999.