一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的閃電與雷達(dá)回波特征分析

黃 鈺,曾 勇,周 苑,李麗麗

(1.貴州省冰雹防控技術(shù)工程中心,貴州 貴陽(yáng) 550081；2.中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081；3.貴州省氣象災(zāi)害防御中心,貴州 貴陽(yáng) 550081；4.貴州省遵義市播州區(qū)氣象局,貴州 播州 563000；5.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 引言

雷暴云的每個(gè)雷暴單體的生命史可分為發(fā)展、成熟和消散3個(gè)階段，每個(gè)階段持續(xù)十幾分鐘至半小時(shí)左右。在不同的階段雷暴云的結(jié)構(gòu)有不同的特征,表征在雷達(dá)回波圖上的特征亦各不相同。目前，已有不少研究者開(kāi)展了閃電特征與雷達(dá)回波的相關(guān)性研究。一般而言，閃電次數(shù)和平均回波強(qiáng)度之間具有一定的相關(guān)性，但由于雷云的發(fā)展階段、高度和結(jié)構(gòu)都有差異，且降水與閃電之間的相互作用關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，導(dǎo)致閃電次數(shù)和平均回波強(qiáng)度的相關(guān)性存在許多變數(shù)。李南[1]等指出閃電發(fā)生的數(shù)目和變化與雷達(dá)回波頂高有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 楊國(guó)鋒[2]等發(fā)現(xiàn)閃電頻數(shù)、強(qiáng)度和雷達(dá)回波強(qiáng)度在時(shí)間序列上有較好的一致性。易笑園[3]等認(rèn)為6 min內(nèi)地閃頻數(shù)與對(duì)流云回波頂高高于11 km或12 km的回波面積有正相關(guān)關(guān)系。馮桂力[4]等的研究結(jié)果表明閃電主要出現(xiàn)在強(qiáng)回波區(qū)及其周圍。翟園[5]等對(duì)湖南地區(qū)多普勒天氣雷達(dá)回波與云地閃關(guān)系進(jìn)行了研究，指出云地閃強(qiáng)度和雷達(dá)回波強(qiáng)度并不完全對(duì)應(yīng)，只是云地閃強(qiáng)度越強(qiáng)，出現(xiàn)強(qiáng)回波的幾率越大，但閃電頻次和雷達(dá)回波面積存在明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且雷達(dá)回波位置與閃電發(fā)生區(qū)域具有很好的一致性。目前閃電活動(dòng)特征與雷達(dá)回波特征的相關(guān)性分析多數(shù)基于二維的閃電資料[6-7]，且主要是基于負(fù)地閃資料，貴州省內(nèi)三維的組網(wǎng)觀測(cè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)更為廣泛，云閃加入之后總閃、地閃、云閃與雷達(dá)回波特征誰(shuí)的相關(guān)性最好，值得一探。

雷暴的產(chǎn)生區(qū)域特征很明顯，石湘波[8]等指出不同下墊面雷暴雷達(dá)回波特征與地閃的關(guān)系存在差異，貴州地形地貌特殊，強(qiáng)對(duì)流天氣有著自己的特點(diǎn)[9-10]，開(kāi)展閃電活動(dòng)與雷達(dá)資料之間關(guān)系的研究，揭示強(qiáng)對(duì)流天氣的雷電活動(dòng)規(guī)律，為相關(guān)的雷電天氣判別提供參考，提高對(duì)其的預(yù)報(bào)預(yù)警率，以達(dá)到最大程度上的減少雷災(zāi)事故，這對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)是非常有意義的。

2 數(shù)據(jù)資料及天氣過(guò)程概述

本文所用數(shù)據(jù)主要來(lái)自貴州多普勒雷達(dá)資料以及貴州省三維閃電探測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)。雷達(dá)采用的是CD格式的數(shù)據(jù),其最大探測(cè)距離為150 km,共有9個(gè)探測(cè)仰角,分別為0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°，雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間為北京時(shí)。貴州省氣象局三維雷電探測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)可覆蓋全省,數(shù)據(jù)時(shí)間為北京時(shí)，除了發(fā)生的經(jīng)緯度、強(qiáng)度、陡度之外還能探測(cè)到云閃發(fā)生的高度。

2017年4 月5日傍晚開(kāi)始，整個(gè)貴州發(fā)生了強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，基于當(dāng)日雷達(dá)資料，16時(shí)左右在畢節(jié)納雍地區(qū)、黔西與織金交界處，有塊狀對(duì)流回波生成，之后不斷向東移動(dòng)增強(qiáng)，云團(tuán)所經(jīng)之處，帶來(lái)了強(qiáng)雷電、強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。

3 閃電特征與雷達(dá)回波相關(guān)性分析

對(duì)2017年4月5日16時(shí)—6日04時(shí)閃電資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，該次過(guò)程共探測(cè)到閃電11 992次，閃電主要集中發(fā)生在畢節(jié)地區(qū)(3 909次)，貴陽(yáng)(2 308次)次之。本文將主要選取畢節(jié)、貴陽(yáng)的閃電資料與雷達(dá)資料進(jìn)行相關(guān)分析。

3.1 閃電特征分析

閃電定位資料：2017年4月5日16時(shí)—6日04時(shí)畢節(jié)市共探測(cè)到閃電3 909次，其中地閃2 928次，占總閃的74.9%，負(fù)地閃2 733次，占地閃總數(shù)的93.3%，平均負(fù)地閃強(qiáng)度為-21.9 kA，最大負(fù)地閃強(qiáng)度為-163.1 kA,平均正地閃強(qiáng)度為35.2 kA,最大正地閃強(qiáng)度為141.4 kA。地閃主要發(fā)生在織金和納雍地區(qū)，且負(fù)地閃占絕大多數(shù)，金沙、大方和畢節(jié)市地閃總數(shù)雖然不多，但是正負(fù)地閃比率卻非常高，分別為71.43%，36.67%和112.5%(圖1a)。取1 h為間隔對(duì)整個(gè)時(shí)段的閃電頻次初步分析，如圖1b所示，可以看到閃電主要集中在4月5日17時(shí)—4月6日00時(shí)，同時(shí)負(fù)地閃頻次的變化和地閃總頻次甚至總閃的變化非常一致，峰值均出現(xiàn)在20時(shí)。

圖1 閃電頻次特征Fig.1 Characteristic of the lightning frequency

3.2 閃電頻次與雷達(dá)回波強(qiáng)度、頂高的關(guān)系

將閃電數(shù)據(jù)每6 min進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以更好地與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。結(jié)合16時(shí)36分—20時(shí)00分時(shí)段的雷達(dá)回波和閃電活動(dòng)頻次分布規(guī)律，如圖2所示，回波最大強(qiáng)度與閃電的發(fā)生頻次并不是完全的對(duì)應(yīng)，不少時(shí)次當(dāng)組合反射率最大值>50 dBz甚至60 dBz時(shí)，閃電頻次很低，圖3為織金地區(qū)18時(shí)30分—19時(shí)30分時(shí)段的雷達(dá)組合反射率圖，從圖中可以看出該時(shí)段內(nèi)組合反射率因子都比較大，尤其是中間4個(gè)時(shí)間段，組合反射率最大已達(dá)到65 dBz,而對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)在回波中心和周圍無(wú)閃電發(fā)生或者閃電頻次很低，故不能簡(jiǎn)單的作組合反射率因子與閃電活動(dòng)的相關(guān)性分析。

圖2 閃電頻次與最大組合反射率關(guān)系Fig.2 Relationship between lightning frequency and maximum composite reflectivity

圖3 研究區(qū)域內(nèi)18時(shí)26分,18時(shí)37分,18時(shí)47分，18時(shí)58分,19時(shí)03分，19時(shí)08分,19時(shí)19分,19時(shí)29分的組合反射率Fig.3 Composite reflectivity of the study area at 18∶26,18∶37,18∶47,18∶58,19∶0,19∶08,19∶19,19∶29

科學(xué)家們通過(guò)大量的試驗(yàn)研究已經(jīng)普遍接受了一種雷電起電機(jī)制即一活躍的軟雹和較小的冰粒子間的相互碰撞從而產(chǎn)生閃電,而軟雹、冰粒子及過(guò)冷卻的產(chǎn)生需要液態(tài)水的溫度達(dá)到冰點(diǎn)以下。從大氣層溫度變化規(guī)律來(lái)看,在對(duì)流層中一般溫度隨高度的升高而降低,閃電發(fā)生前后,在某個(gè)溫度層高度范圍上雷達(dá)回波強(qiáng)度必然會(huì)表現(xiàn)為一定的特征量變化。35 dBz是學(xué)者們普遍比較認(rèn)可的強(qiáng)度特征值,但針對(duì)不同的地理環(huán)境和時(shí)間，尤其是像貴州這樣特殊的地形地貌，海拔較高，0 ℃層高度、-20 ℃層高度有著自己的特征，對(duì)于閃電及雷達(dá)回波特征值的研究是十分有意義的。本文選取17—20時(shí)的閃電及雷達(dá)數(shù)據(jù)，將閃電數(shù)據(jù)每6 min進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如上所述，雷暴的起電過(guò)程與溫度有著密切的關(guān)系，在分析時(shí)，分為0 ℃，-10 ℃和-20 ℃ 3個(gè)溫度層(基于當(dāng)天探空資料),統(tǒng)計(jì)3 個(gè)溫度層以上超過(guò)30 dBz、40 dBz和 50 dBz的面積(分別用符號(hào)S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-20來(lái)表示)并和閃電頻次做相關(guān)性分析。

如圖4所示在不同溫度層上，閃電頻次與不同強(qiáng)度回波面積的走向大致一致，但普遍回波面積的峰值落后于閃電頻次峰值，且所處高度越高，落后的越少，同時(shí)也可以注意到前期云閃明顯多于地閃。結(jié)合表1給出的具體相關(guān)性擬合數(shù)值(線性擬合)，整體上都具有一定的相關(guān)性，0 ℃層上的各強(qiáng)度回波面積與各閃電頻次(除正地閃頻次之外)的相關(guān)性都比較好。如果用S30代表S30t00、S30t-10以及S30t-20的集合，用 S40代表 S40t00、 S40t-10以及 S40t-20的集合，S50代表S50t00、S50t-10以及S50t-20的集合，S30與各閃電頻次(除正地閃頻次之外)的相關(guān)性最好，S40次之，S50最差，其中S30t00與總閃頻次的相關(guān)性最好。云閃與不同強(qiáng)度回波面積的相關(guān)性擬合優(yōu)度值變化幅度不大，各層之間差異不明顯。正地閃與-20 ℃高度層上不同強(qiáng)度的回波面積相關(guān)性較高，這可能是因?yàn)檎亻W多產(chǎn)生在雷暴云上部的云砧區(qū)，少發(fā)生于底部的正電荷區(qū)，并且正地閃多出現(xiàn)于雷暴的初始發(fā)生和消散階段,空間分布較負(fù)地閃而言彌散。

表1 S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-20與閃電頻次的線性擬合優(yōu)度Tab.1 Goodness of linear fit between S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-20 and lightning frequency

圖4 0 ℃、-10 ℃、-20 ℃層高度上，閃電頻次與不同強(qiáng)度回波面積的對(duì)比圖Fig.4 Lightning frequency and different intensity echo area in 0 ℃、-10 ℃、-20 ℃ layer

在通常的雷電預(yù)警工作中都通過(guò)判斷雷達(dá)回波強(qiáng)度是否達(dá)到某數(shù)值以及回波頂發(fā)展高度來(lái)識(shí)別有無(wú)閃電的發(fā)生。選取每6 min的閃電頻次，對(duì)云頂高度與閃電頻次也進(jìn)行了相關(guān)性分析。如圖5所示，云頂高度與閃電頻次的對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯優(yōu)于回波面積與閃電頻次的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不管是總閃頻次、云閃頻次和地閃頻次都有著很好的一致性。雖然在18時(shí)40分—19時(shí)10分這一時(shí)間段云頂高度較高，而閃電頻次處于較低的狀態(tài)，但整個(gè)的漲消趨勢(shì)十分一致，在云頂高度處于大值時(shí)都對(duì)應(yīng)著很大的閃電頻次，云頂發(fā)展越高，說(shuō)明發(fā)展劇烈，閃電發(fā)生的概率越大。結(jié)合表2給出的具體擬合優(yōu)度的數(shù)值，總閃頻次、地閃頻次、負(fù)地閃頻次的擬合優(yōu)度都比較高，云閃次之，但都大于閃電頻次與不同溫度層上不同強(qiáng)度雷達(dá)回波面積的擬合數(shù)值。

圖5 云頂高度與閃電頻次的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Corresponding relation between cloud top height and lightning frequency

總閃頻次云閃頻次地閃頻次負(fù)地閃頻次正地閃頻次云頂高度0.6930.4470.6890.6640.296

從圖5中還可以看到云頂高度達(dá)8.5 km時(shí)產(chǎn)生第一次閃電，該閃電發(fā)生在納雍地區(qū)，而此刻的0 ℃層高度上的回波強(qiáng)度已達(dá)到40 dBz，并且30 dBz強(qiáng)度的回波高度已達(dá)到8 km,超過(guò)了-20 ℃層高度(當(dāng)日的-20 ℃層高度為7 450 m)。除此之外，選取織金地區(qū)的第一次閃電進(jìn)行分析，圖6為織金境內(nèi)17時(shí)18分、17時(shí)24分、17時(shí)29分cappi圖像(5 km，當(dāng)日的0 ℃層高度為4 780 m)及17時(shí)24分的垂直剖面圖，閃電定位儀探測(cè)到織金發(fā)生的第一次閃電時(shí)間為17時(shí)28分，云閃，發(fā)生位置在強(qiáng)回波中心的邊緣?？椊鸫舜伍W電發(fā)生時(shí)最強(qiáng)回波達(dá)到了45 dBz，并且30 dBz強(qiáng)度回波的高度已經(jīng)超過(guò)-20 ℃層高度。統(tǒng)計(jì)貴陽(yáng)、畢節(jié)其他地區(qū)第一次的發(fā)生時(shí)刻的雷達(dá)回波特征，發(fā)現(xiàn)云頂高度均超過(guò)9 km,最大回波強(qiáng)度均已達(dá)到40 dBz,并且30 dBz強(qiáng)度的回波高度均超8 km(即超過(guò)了-20 ℃層高度),35 dBz回波垂直高度超6 km。就該此過(guò)程而言，最大回波強(qiáng)度(≥40 dBz)、回波頂高(≥8.5 km)以及30 dBz強(qiáng)度回波發(fā)展高度對(duì)閃電的發(fā)生具有一定的指示意義。

圖6 織金境內(nèi)17時(shí)18分、17時(shí)24分、17時(shí)29分cappi圖像(5 km)及17時(shí)24分垂直剖面圖Fig.6 Cappi(5km) at 17∶18,17∶24 and 17∶29 & vertical profile at 17∶24 in Zhijin

選取相關(guān)系數(shù)最高的總閃頻次與S30t00利用不同的擬合方法得到圖7a，多項(xiàng)式擬合優(yōu)度RP2=0.625 3優(yōu)于線性擬合優(yōu)度(RL2)及指數(shù)擬合優(yōu)度(RX2)，對(duì)總閃頻次以及S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-2之間的擬合選用了多項(xiàng)式擬合與線性結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3，多項(xiàng)式的擬合結(jié)果明顯的優(yōu)于線性擬合結(jié)果，但是S50t-20與總閃頻次的相關(guān)性還是比較差。同樣也對(duì)云頂高度與總閃頻次進(jìn)行了進(jìn)一步的擬合分析,得到圖7b,3種擬合方式效果都很好，指數(shù)及多項(xiàng)式的擬合結(jié)果略優(yōu)于線性擬合。

表3 總閃頻次與S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-2 擬合優(yōu)度對(duì)比結(jié)果Tab.3 Comparison of fit goodness between total lightning frequency and S30t00、S40t00、S50t00、S30t-10、S40t-10、S50t-10、S30t-20、S40t-20、S50t-2

圖7 總閃頻次與S30t00的擬合(a);總閃頻次與云頂高度的擬合(b)Fig.7 (a)Fitting curves of total lightning frequency and S30t00 (b)Fitting curves of total lightning frequency and cloud top height

4 結(jié)論

本文通過(guò)三維閃電資料及多普勒雷達(dá)資料對(duì)閃電頻次及雷達(dá)回波強(qiáng)度和云頂高度的相關(guān)性進(jìn)行了分析。在不同溫度層上，閃電頻次與不同強(qiáng)度回波面積的變化趨勢(shì)大致一致，但是回波面積的峰值落后于閃電頻次峰值，并且所處高度層越高，落后的越少；≥30 dBz的回波面積與總閃頻次和負(fù)地閃頻次相關(guān)性都比較好，其中零度層高度上≥30 dBz的回波面積與總閃頻次相關(guān)性最好，實(shí)際中若無(wú)法獲得總閃頻次，采用地閃或負(fù)地閃頻次作為計(jì)算分析參數(shù)是可行的?；夭敻吲c閃電頻數(shù)的分布有很好的相關(guān)性，初閃發(fā)生時(shí),回波頂高度達(dá)到8.5 km以上,云頂高度較大時(shí)都對(duì)應(yīng)著很高的閃電頻次。最大回波強(qiáng)度(40 dBz)、回波頂高(8.5 km)以及30 dBz強(qiáng)度回波發(fā)展高度對(duì)閃電的發(fā)生具有一定的指示意義。

本文只是針對(duì)了一次個(gè)例，更加確切的特征值應(yīng)該基于更多的個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和比對(duì)，并且不同的天氣過(guò)程閃電的活動(dòng)特征亦可能會(huì)不同，這都有待于進(jìn)一步的研究分析，這里提出了一種研究的思路和方法，揭示強(qiáng)對(duì)流天氣的雷電活動(dòng)規(guī)律，利用閃電頻數(shù)和回波強(qiáng)度及云頂高度的相關(guān)性可以彌補(bǔ)系統(tǒng)故障造成的數(shù)據(jù)缺失或者進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證：當(dāng)閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)相關(guān)性可以把雷達(dá)數(shù)據(jù)反演得出閃電數(shù)據(jù)；反之，當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以把閃電數(shù)據(jù)反演成雷達(dá)數(shù)據(jù)。