永州市雷暴氣候特征及預(yù)警指標(biāo)研究

馮憬婉 宋伊文 馮平榮 宋定滿

[摘要]利用永州市1960～2013年的雷暴日資料，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線性趨勢(shì)擬合，研究了永州市近54a來雷暴的年代際變化特征、空間分布特征。結(jié)果表明：永州市雷暴日數(shù)年際間變化幅度較大，年均雷暴日總體呈下降趨勢(shì)，大約每10a減少6d，雷暴日分布南多北少。永州市月均雷暴日變化呈明顯的雙峰型，夏季（6～8月）持續(xù)較多，占49.7%。利用雷達(dá)和衛(wèi)星資料對(duì)2016～2017年永州地區(qū)發(fā)生的20次雷暴天氣過程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：永州地區(qū)在基本反射率達(dá)到了35dBz，組合反射率達(dá)到40dBz，回波頂達(dá)到6km，垂直積分液態(tài)水含量超過5kg/m2，黑體溫度變溫率大于等于7℃/h和黑體溫度低于等于-27℃等條件時(shí)，預(yù)報(bào)有雷電發(fā)生。

[關(guān)鍵詞]雷暴;氣候特征;預(yù)警;雷達(dá);衛(wèi)星? ?[中圖分類號(hào)]P446[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

引言

雷暴是一種伴有冰雹、大風(fēng)和雷電等多種天氣現(xiàn)象的中小尺度天氣過程，雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀的放電現(xiàn)象。由于雷暴這種對(duì)流性天氣過程具有范圍小、發(fā)展快、持續(xù)短、影響大的特點(diǎn)，分析雷電的時(shí)空分布特征，了解雷電發(fā)生發(fā)展規(guī)律，及時(shí)發(fā)布雷電預(yù)警信號(hào)，對(duì)減少雷電災(zāi)害造成的損失有重要意義。

近年來一些氣象科技人員研究和探討了多普勒雷達(dá)資料在雷電短時(shí)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，得出了一些雷電預(yù)警指標(biāo)。但是針對(duì)永州市雷暴氣候特征及預(yù)警的研究尚少，僅李湘祁等簡要分析了永州市雷暴的空間分布情況。本文利用永州市雷暴日資料，詳細(xì)分析了永州市雷暴的年、月、季變化特征，利用新一代多普勒天氣雷達(dá)和衛(wèi)星資料，分析數(shù)據(jù)資料相關(guān)特征，提取用雷達(dá)和衛(wèi)星資料進(jìn)行雷電預(yù)警的預(yù)報(bào)因子，為閃電的臨近預(yù)報(bào)提供有力的證據(jù)。

1? ? 永州市雷暴氣候特征分析

1.1? ? 研究資料和方法

利用永州市11個(gè)氣象觀測站1960～2013年54a的雷暴日資料，進(jìn)行了永州市雷暴氣候特征分析及其區(qū)劃研究。

可以用一元線性函數(shù)y=ax+b來表示氣象要素y序列的長期趨勢(shì)變化，x表示時(shí)間序列（x=1960、1961、、2013），b為常數(shù)項(xiàng)，a表示線性傾向值。a為正（負(fù)）時(shí)表示氣象要素在所計(jì)算的時(shí)間序列內(nèi)有線性增（降）的趨勢(shì)，|a|反應(yīng)增或降的速率。定義線性傾向值a乘以10為氣候傾向率，雷暴氣候傾向率單位為d/10a。

1.2? ? 永州市雷暴年變化特征

永州市11個(gè)氣象站1960～2013年54a平均雷暴日數(shù)為55.7d。從圖1中可以看出，54a來永州市雷暴日數(shù)年際間變化幅度較大，最大為1975年的83.8d，最小為2011年的29.5d。由5年滑動(dòng)平均曲線可以看出，60年代初期雷暴日開始增多，直到80年代一直上下波動(dòng)，到80年代中期開始在波動(dòng)中持續(xù)減少。通過計(jì)算得到永州市雷暴日的趨勢(shì)定量化一次線性方程為y=1253.1642-0.6021x，氣候傾向率為-6.021/10a，即自1960年以來，永州市年均雷暴日總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，大約每10a減少6d。

分析雷暴日的年代際變化趨勢(shì)（見表1），60年代各縣平均雷暴日數(shù)明顯多于多年平均值，而21世紀(jì)以來則顯著小于多年平均值，80年代中期前后是永州市雷暴日數(shù)由多變少的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。各縣雷暴日數(shù)均呈下降趨勢(shì)，但下降幅度不同，祁陽縣的下降趨勢(shì)最明顯，氣候傾向率為-8.491d/10a，而東安縣的下降趨勢(shì)最弱，氣候傾向率僅為-3.155d/10a。

1.3? ? 永州市雷暴月、季變化特征

永州市月均雷暴日變化（見圖2）呈明顯的雙峰型，1～4月開始逐漸增多，4月達(dá)到第一個(gè)峰值;5月有所減少，之后6～8月持續(xù)增多，8月份達(dá)到第二個(gè)峰值。夏季（6～8月）持續(xù)較多，占49.7%，9～12月逐漸減小。這主要是由于永州地區(qū)夏季高溫潮濕，容易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流，形成雷暴天氣。

1.4? ? 永州市雷暴空間分布規(guī)律

永州市位于湖南省東南西三面環(huán)山、向東北開口的馬蹄形盆地的南緣，南北緯度跨越較大。受地形和氣候條件的影響，永州市雷暴空間分布不盡相同。由圖3可以看出，永州市雷暴日分布南多北少，這可能是由南部山區(qū)偏多的地形原因造成的。但是這個(gè)結(jié)果與閃電定位數(shù)據(jù)密度空間分布呈現(xiàn)的南少北多規(guī)律不一致，主要原因是永州處于本省南部邊界，本站及附近站點(diǎn)的分布在永州市北部及東北部，且探測范圍沒有完全覆蓋到永州市的南部地區(qū)。

2? ? 雷電預(yù)警因子研究

閃電的發(fā)生與云體發(fā)展有關(guān)，新一代天氣雷達(dá)和衛(wèi)星資料，能夠綜合直觀地了解天氣過程的發(fā)生發(fā)展趨勢(shì)。選取永州市區(qū)域內(nèi)2016～2017年發(fā)生的20次雷暴天氣作為研究對(duì)象，利用閃電定位儀、雷達(dá)和衛(wèi)星資料，找出雷電發(fā)生的共同特征。

2.1? ? 資料選取

雷達(dá)資料選取的是新一代天氣雷達(dá)監(jiān)測PUP產(chǎn)品中的基本反射率（R）、組合反射率（CR）、回波頂高（ET）、垂直積分液態(tài)水含量（VIL）;衛(wèi)星資料選取的是黑體溫度，通常將氣象衛(wèi)星紅外通道的觀測值以相當(dāng)黑體溫度（TBB）表示，也稱之為“亮度溫度”或者“亮溫”。將雷達(dá)和衛(wèi)星資料進(jìn)行分析驗(yàn)證，以期得到比較可靠的雷電預(yù)警指標(biāo)。

2.2? ? 基本反射率和組合反射率特征分析

從表2的參數(shù)來看，閃電發(fā)生時(shí)基本反射率基本都達(dá)到了35dBz，但是也有30dBz時(shí)發(fā)生閃電的少量情況，這與Mac Gorman and Rust1988年發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)雷暴云在雷達(dá)反射率因子大于或者等于35dBz時(shí)，就可能產(chǎn)生足夠高的軟雹濃度促使閃電發(fā)生相符合。組合反射率因子表示的是在一個(gè)體積掃描中，將常定仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點(diǎn)上的產(chǎn)品。由圖4可以看出：組合反射率在40dBz時(shí)是發(fā)生雷暴的一個(gè)重要參數(shù)特征。

2.3? ? 回波頂高特征分析

雷達(dá)回波頂高是判斷冰雹云的一個(gè)重要指標(biāo)，雷暴云的回波頂高平均值為9.3km（因地區(qū)不同有所差異），從圖5可以看出只有3個(gè)個(gè)例的回波頂高在6km以下，6km及以上的占個(gè)例總數(shù)的85%，所以將6km回波頂高作為永州地區(qū)將要發(fā)生閃電的預(yù)警參數(shù)，有著可靠的依據(jù)。

2.4? ? 垂直積分液態(tài)水含量特征分析

垂直積分液態(tài)水含量與基本反射率的強(qiáng)度有關(guān)，持續(xù)高的垂直積分液態(tài)水含量又對(duì)應(yīng)于超級(jí)單體回波，這一特性可以識(shí)別出更強(qiáng)的雷達(dá)回波，從而可以進(jìn)一步確定雷暴出現(xiàn)的可能性。圖6中垂直積分液態(tài)水含量的特征比較離散，超過半數(shù)以上的個(gè)例中垂直液態(tài)水含量超過了5kg/m2，可以將此數(shù)據(jù)作為初步判斷雷電發(fā)生的依據(jù)。

2.5? ? 黑體溫度特征分析

黑體溫度變溫率可以間接反映出云頂高度發(fā)展情況。在選出的20次個(gè)例中，有17次云頂黑體溫度降溫率大于等于7℃/h，有14次云頂黑體溫度低于等于-27℃;同時(shí)滿足降溫率大于等于7℃/h和黑體溫度低于等于-27℃的有11次（見圖7）。這與Goodman and Mayer（1988）研究的衛(wèi)星云圖特征，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生放電的對(duì)流云頂溫度一般低于-30℃基本吻合。

3? ? 結(jié)論

（1）永州市54a平均雷暴日數(shù)為55.7d，永州市雷暴日數(shù)年際間變化幅度較大，年均雷暴日總體呈下降趨勢(shì)，大約每10a減少6d。永州市月均雷暴日變化呈明顯的雙峰型，夏季（6～8月）持續(xù)較多，占49.7%。雷暴日分布南多北少，這可能與南部山區(qū)偏多的地形有關(guān)。

（2）永州地區(qū)可以在基本反射率達(dá)到35dBz，組合反射率達(dá)到40dBz，回波頂達(dá)到6km，垂直積分液態(tài)水含量超過5kg/m2，黑體溫度變溫率大于等于7℃/h和黑體溫度低于等于-27℃等條件時(shí)，預(yù)報(bào)有雷電發(fā)生。

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