一次局地強(qiáng)對(duì)流天氣的地閃特征分析

趙志良，黃旭輝，郭 青，曾惠娟，高國(guó)靖

（1.梅州市氣象局，廣東 梅州 514021；2.連平縣氣象局，廣東 連平 517100）

地閃是云對(duì)地的一種放電現(xiàn)象，包括正地閃與負(fù)地閃.閃電定位系統(tǒng)因其時(shí)空分辨率高、誤差小，探測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)廣泛運(yùn)用于相關(guān)氣象業(yè)務(wù)和科研中［1］.當(dāng)前，綜合運(yùn)用閃電定位資料、雷達(dá)資料和相關(guān)氣象資料分析強(qiáng)對(duì)流天氣已成為強(qiáng)對(duì)流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要手段之一［2］.茍阿寧［3］、苗愛(ài)梅［4］、慕建利［5］、鄭棟［6］分析了地閃活動(dòng)與降水的相關(guān)關(guān)系；馮桂力等［7］認(rèn)為，負(fù)地閃在典型的中尺度對(duì)流系統(tǒng)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；鐘穎穎［8］分析了兩次雷暴過(guò)程的雷達(dá)回波特征；Williams［9］認(rèn)為，地閃活動(dòng)具有明顯的地域性，強(qiáng)對(duì)流天氣中的閃電特征因不同地理位置氣象條件和海拔高度不同，并一定程度上依賴于局地強(qiáng)對(duì)流強(qiáng)度.近年來(lái)，衛(wèi)星、雷達(dá)和地面氣象要素資料在暴雨預(yù)報(bào)和研究中得到了廣泛的運(yùn)用.張騰飛［10］、林良勛［11］、莊燕洵［12］研究發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的地閃活動(dòng)具有明顯局地性，研究以梅州市某次強(qiáng)對(duì)流天氣為例，分析了梅州的地閃特征與同期氣象資料的關(guān)系，旨在為該地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供依據(jù).

1 資料及分析方法

研究主要采用2016 年8 月7 日廣東電力系統(tǒng)的地閃定位資料、梅州天氣雷達(dá)資料、探空觀測(cè)資料等，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，分析了梅州的地閃特征與同期氣象資料的關(guān)系.筆者采用的廣東電力閃電定位系統(tǒng)準(zhǔn)確率達(dá)99%，精度高達(dá)320 m、有效率達(dá)96%.

垂直風(fēng)切變是指水平風(fēng)（含風(fēng)速大小以及風(fēng)的方向）隨高度變化.垂直風(fēng)切變其中（u0，v0）（u1，v1）分別表征近地面風(fēng)的分量以及某一高度風(fēng)的分量，筆者取1 000 hPa 處風(fēng)的分量表征近地面風(fēng).

2 天氣實(shí)況分析

2016 年8 月6 日20 時(shí)，歐亞大陸中高緯度區(qū)域受穩(wěn)定的2 脊1 槽控制，梅州地區(qū)受高空槽槽前旺盛的西南氣流影響，且低層暖濕氣流不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生了強(qiáng)對(duì)流天氣.當(dāng)具備充足的水汽條件和使?jié)窨諝馍仙膭?dòng)力條件時(shí)，產(chǎn)生了劇烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成明顯的閃電活動(dòng). 8 月7 日11：00—17：00 梅州地區(qū)出現(xiàn)了一次明顯的降雨和大風(fēng)天氣，其中6 h 降水10 mm 以上區(qū)域自動(dòng)站有29 個(gè)，30 mm 以上有7個(gè)，期間興寧大坪鎮(zhèn)6 h 累積降雨達(dá)到49.2 mm，梅江區(qū)長(zhǎng)沙鎮(zhèn)于15：23 錄得10 min 最大風(fēng)速13.6 m/s，瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá)到22.2 m/s.

3 地閃活動(dòng)特征

圖1 2016 年8 月7 日11：00—17：00 梅州市地閃空間分布圖

3.1 地閃時(shí)空分布特征分析

梅州市2016 年8 月7 日11：00—17：00 地閃空間分布特征呈明顯的局地性，閃電定位系統(tǒng)一共監(jiān)測(cè)到地閃10 917 次，其中負(fù)閃9 650 次，正閃1 267 次，正閃比11.6%（見(jiàn)圖1）.

圖2 為 梅 州 市2016 年8 月7 日11：00—17：00地閃頻數(shù)隨時(shí)間變化曲線，閃電頻數(shù)大致有3 次明顯的震蕩過(guò)程：第一次過(guò)程（11：00—13：00），全市共探測(cè)到地閃2 406 fl，其中正閃216 次；閃電頻數(shù)于12 時(shí)達(dá)到峰值，為359 fl；正閃比峰值于12：42 出現(xiàn)，為16.42%.第二次過(guò)程（13：00—14：12），全市共探測(cè)到地閃1 864 fl，其中正閃176 次；閃電頻數(shù)于13：24 分達(dá)到峰值，為297 fl；正閃比峰值于14 時(shí)出現(xiàn)，為16.0%.第三次過(guò)程（14：12—17：00），全市共探測(cè)到地閃6 634 fl，其中正閃872 次；閃電頻數(shù)于15：36 分達(dá)到峰值，為448 fl；正閃比峰值于16：6 分出現(xiàn)，為22.94%.由此可見(jiàn)，負(fù)閃在整個(gè)閃電活動(dòng)過(guò)程占88.4%，同日正閃密集時(shí)段與地閃密集時(shí)段幾乎相一致；正閃比峰值滯后于地閃的峰值約0.5 h 出現(xiàn)，往往出現(xiàn)在雷暴的消亡階段.

3.2 地閃活動(dòng)與雷達(dá)資料的關(guān)系

通過(guò)選取地閃密集區(qū)時(shí)段（11：00—17：00）的多普勒雷達(dá)資料分析可知，地閃密集區(qū)域與雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)域相一致，由對(duì)流發(fā)展旺盛時(shí)期的多普勒天氣雷達(dá)資料（15：36）分析可知：（1）雷達(dá)回波圖上有明顯的塊狀回波，水平尺度近百公里，中心的組合反射率強(qiáng)度達(dá)到55 dbz 以上，且有2 個(gè)強(qiáng)中心（見(jiàn)圖3（a））；強(qiáng)回波在垂直高度上達(dá)18 km 高，最強(qiáng)回波3～6 km高度處，但無(wú)明顯的垂懸結(jié)構(gòu)；（2）當(dāng)發(fā)生強(qiáng)雷暴過(guò)程時(shí)，雷暴成熟階段正速度區(qū)的強(qiáng)回波中心右前方始終有被負(fù)速度區(qū)包圍著的正速度區(qū)即“逆風(fēng)區(qū)”存在（見(jiàn)圖3（b）），強(qiáng)對(duì)流發(fā)展旺盛逆風(fēng)區(qū)生成于15：36的雷達(dá)徑向速度圖上，逆風(fēng)區(qū)對(duì)應(yīng)著雷達(dá)回波的強(qiáng)反射率因子區(qū)，位于大氣層中低層，表明雷暴云成熟階段同時(shí)存在強(qiáng)烈的上升氣流和下沉氣流；（3）雷達(dá)回波圖上強(qiáng)回波中心的回波頂高度大于等于17 km，從多普勒天氣雷達(dá)的逆風(fēng)區(qū)特征、組合反射率特征、反射率垂直剖面圖、回波頂高度特征以及徑向移動(dòng)速度特征分析可知，此次過(guò)程符合產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣的條件.

圖2 2016 年8 月7 日11：00—17：00 梅州市地閃頻數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖3 2016 年8 月7 日15：36 梅州多普勒雷達(dá)資料

當(dāng)樣本容量n=61，在顯著水平α=0.01 時(shí)，得到相關(guān)系數(shù)臨界值rc=0.330.通過(guò)計(jì)算閃電頻數(shù)分別與同期最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點(diǎn)面積的相關(guān)系數(shù)（見(jiàn)表1），并經(jīng)過(guò)相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)可得到：閃電頻數(shù)與同期最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點(diǎn)面積呈顯著正相關(guān).

表1 閃電頻數(shù)與最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點(diǎn)面積的相關(guān)系數(shù)（R）

閃電頻數(shù)變化趨勢(shì)與最大回波頂高度以及回波頂高度＞11 km 格點(diǎn)面積相一致（見(jiàn)圖4）.由此可見(jiàn)，閃電活動(dòng)的活躍程度不僅需要對(duì)流云在垂直方向具有相當(dāng)?shù)母叨?，而且在水平方向也必須具備更為廣闊的對(duì)流空間.因?yàn)閺?qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)加之大范圍的對(duì)流云系往往更加有利于對(duì)流活動(dòng)活躍，進(jìn)而形成密集的閃電活動(dòng).

圖4 閃電頻數(shù)與最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點(diǎn)面積隨時(shí)間變化曲線

3.3 閃電頻數(shù)與探空曲線的關(guān)系

東源探空站（站號(hào)：59293）的大氣層結(jié)曲線呈明顯的“上干下濕”型，對(duì)流層中低層層結(jié)曲線（溫度曲線和露點(diǎn)溫度曲線）呈漏斗狀（上寬下窄）（見(jiàn)圖5（a））；對(duì)流層中低層（1 000～7 00 hPa）空氣潮濕，濕度均大于90%，近于飽和，而500 h 以上的中高層相對(duì)干冷，因此整個(gè)對(duì)流層呈明顯的上干下濕的位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，這有利于發(fā)生大范圍的強(qiáng)對(duì)流天氣（見(jiàn)圖5（b））.查閱同期對(duì)流性穩(wěn)定度指數(shù)：k 指數(shù)為37.5 ℃，si（沙氏指數(shù)）為-2.8，均表現(xiàn)出很強(qiáng)的不穩(wěn)定特征.同時(shí)500～1 000 hPa 之間的相當(dāng)位溫均大于350 K，500 hPa 以下逐層遞減，且平均遞減率23.6 K/500 hPa，也表現(xiàn)出明顯不穩(wěn)定.對(duì)流層強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性且較大的濕度極易形成持續(xù)性的上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)流活動(dòng)活躍，引起長(zhǎng)時(shí)間的閃電活動(dòng).同日19 時(shí)，對(duì)流活動(dòng)減弱，區(qū)域閃電活動(dòng)明顯減少，而層結(jié)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，層結(jié)不穩(wěn)定特性不明顯（見(jiàn)圖5（c）、圖5（d））.在600 hPa 以下，7 日7 時(shí)垂直風(fēng)切變明顯大于19 時(shí)的風(fēng)速，其中7 時(shí)600 hPa、850 hPa 相對(duì)地面垂直風(fēng)切變依次為8.93 m/s、5.71 m/s；19 時(shí)為600 hPa、850 hPa 相對(duì)地面垂直風(fēng)切變依次為8.60 m/s、4.63 m/s（見(jiàn)圖5（e））.

由此可見(jiàn)，對(duì)流層層結(jié)不穩(wěn)定伴隨著中低層明顯的垂直風(fēng)切變，有助于水汽上升運(yùn)動(dòng)，形成旺盛的對(duì)流活動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生密集的閃電活動(dòng).

圖5 東源站探空曲線

4 結(jié)論

利用閃電定位資料、多普勒雷達(dá)資料與探空資料，對(duì)梅州市2016 年8 月7 日的一次局地暴雨的地閃特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：（1）地閃空間分布特征呈明顯的局地性，負(fù)閃在整個(gè)閃電活動(dòng)過(guò)程占主要比例，正閃比峰值滯后于地閃的峰值約0.5 h 出現(xiàn)，多出現(xiàn)在雷暴的消亡階段.（2）地閃密集區(qū)域與雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)域相一致，閃電頻數(shù)與同期最大回波頂高度、回波頂高度＞11 km 格點(diǎn)面積呈顯著正相關(guān)；從多普勒雷達(dá)資料的“逆風(fēng)區(qū)”特征、組合反射率強(qiáng)度大、強(qiáng)回波垂直高度高、回波頂高度高、徑向移動(dòng)速度快等特征分析可知，此次過(guò)程符合強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生條件.（3）地閃活躍時(shí)期，大氣層結(jié)曲線呈明顯的“上干下濕”型.對(duì)流層強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性、較大的濕度加之明顯的垂直風(fēng)切變極易形成持續(xù)性的上升運(yùn)動(dòng)，使得對(duì)流活動(dòng)活躍，進(jìn)而引起長(zhǎng)時(shí)間的閃電活動(dòng).（4）筆者基于有限的資料分析地閃與同期氣象資料關(guān)系的分析，具有一定的局限性，有待于今后采集更多的實(shí)例做更深入的研究.