雷電天氣監(jiān)測(cè)與雷電回波特征分析

宋 雄，馬中元，洪麗霞，辛瑋琦，范小軍

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046；2.江西省宜豐縣氣象局，宜豐 336300)

0 引言

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一。強(qiáng)雷電會(huì)瞬間產(chǎn)生巨大的破壞力，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。江西地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)雷電活動(dòng)頻繁，宜豐縣和上高縣是江西雷電高發(fā)區(qū)。因此，為了提高縣級(jí)雷電天氣預(yù)警預(yù)報(bào)能力，開展縣級(jí)雷電天氣監(jiān)測(cè)與雷達(dá)回波特征研究十分必要[2，3]。

雷電產(chǎn)生于對(duì)流發(fā)展旺盛的積雨云中，常伴有雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了強(qiáng)雷電災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)的技術(shù)研究。馬中元[4-6]等對(duì)江西災(zāi)害性強(qiáng)雷電天氣的雷達(dá)回波特性分析得出，強(qiáng)雷電天氣在雷達(dá)回波上具有強(qiáng)對(duì)流天氣的特征，如窄而長(zhǎng)的颮線、雷暴回波短帶、弓狀回波、風(fēng)暴超級(jí)單體、指狀回波等強(qiáng)對(duì)流天氣雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)特征；傅文兵[7]等總結(jié)出有利于發(fā)生雷電的天氣影響系統(tǒng)和南昌站單站有利于產(chǎn)生雷電天氣的物理量參數(shù)；高建平[8]等指出副高邊緣雷達(dá)回波特征主要有兩種：一是南北向短帶回波，有時(shí)會(huì)發(fā)展為弓狀回波；二是強(qiáng)回波單體，超級(jí)單體和復(fù)合單體回波。許愛華[9]等水汽云圖上的強(qiáng)水汽累積區(qū)、雷達(dá)回波上的回波合并與高層強(qiáng)回波區(qū)以及雷達(dá)回波速度場(chǎng)上的“零值線”等特征，是判斷雷電發(fā)生和強(qiáng)對(duì)流天氣的重要依據(jù)。

文章選用2015-2018年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)，對(duì)江西宜豐和上高縣雷電天氣監(jiān)測(cè)和雷達(dá)回波特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試圖通過雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和雷電拼圖數(shù)據(jù)完成對(duì)雷電天氣的不間斷監(jiān)測(cè)工作，為雷電天氣的短臨預(yù)警預(yù)報(bào)和服務(wù)提供依據(jù)。

1 資料來源

雷電資料來源于CIMISS雷電數(shù)據(jù)庫和江西省強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)，數(shù)據(jù)范圍以江西省為中心，包括周邊6省的雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。江西省強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠監(jiān)測(cè)雷暴、雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷、雷電和短時(shí)強(qiáng)降水等多種強(qiáng)天氣現(xiàn)象，雷電數(shù)據(jù)可以多種方式顯示。文章采用以宜豐縣和上高縣地理中心(28°34′N，114°79′E)為原點(diǎn)，36 km為半徑的圓來顯示影響宜豐縣和上高縣的雷電分布。

雷達(dá)回波拼圖來源于江西WebGIS雷達(dá)拼圖應(yīng)用平臺(tái)，該平臺(tái)的雷達(dá)基數(shù)據(jù)取自于CIMISS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，有24部雷達(dá)參加拼圖，集雷達(dá)回波、雷電數(shù)據(jù)和自動(dòng)站數(shù)據(jù)為一體，精度為1 km×1 km，采用Web技術(shù)和谷歌瓦片式地圖顯示技術(shù)進(jìn)行交互式顯示。雷達(dá)拼圖的探測(cè)范圍、擋角盲區(qū)、遠(yuǎn)距離衰減和地球曲率影響等都優(yōu)于單部雷達(dá)。

雷電數(shù)據(jù)來源于CIMISS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，可以進(jìn)行10 min間隔的雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、描繪和分析，“宜豐雷電監(jiān)測(cè)產(chǎn)品自動(dòng)顯示與預(yù)警系統(tǒng)”使用C# 2010進(jìn)行編程。

2 雷電天氣分布

2.1 雷電天氣年分布

宜豐縣和上高縣每年都會(huì)受到雷電影響，一些強(qiáng)雷電過程還會(huì)帶來不同程度的雷電災(zāi)害。2015-2018年，雷電年分布(表1)特點(diǎn)是：雷電次數(shù)逐漸增多，雷電強(qiáng)度不斷增大。

表1 2015-2018年宜豐和上高縣雷電年分布統(tǒng)計(jì)

除資料缺失(2016年)影響外，其他年份雷電次數(shù)都在10，000次以上，2018年超過17，000次。最強(qiáng)的雷電分別發(fā)生在3、5、6、9月，最大強(qiáng)度達(dá)到-764 kA(負(fù)閃6月)。

江西省強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)是監(jiān)測(cè)雷電發(fā)生的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)平臺(tái)，在監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，以宜豐縣和上高縣地理中心(28°34′N，114°79′E)為原點(diǎn)，36 km為半徑的范圍內(nèi)，分別顯示影響宜豐縣和上高縣的雷電分布?？梢钥闯觯?015年雷電以正閃為主；2016-2018年以負(fù)閃為主。宜豐縣和上高縣雷電分布均勻，沒有明顯的中心。此種現(xiàn)象可能與雷電過程連續(xù)時(shí)間短有關(guān)，也可能與所選參考區(qū)域面積較小有關(guān)。

2.2 雷電天氣月分布

通過分析雷電的月變化(表2)，可知，宜豐縣和上高縣雷電主要分布在3-9月，10月份有少數(shù)雷電發(fā)生。每年的8月份雷電次數(shù)最多(11，492次)，5月份次之(9090次)，1-2月、11-12月基本沒有雷電發(fā)生。

表2 2015-2018年宜豐和上高縣雷電月分布統(tǒng)計(jì)

近年來，宜豐縣和上高縣雷電活動(dòng)次數(shù)逐漸增多增強(qiáng)，最大雷電強(qiáng)度達(dá)到-764 kA(6月)；雷電主要分布在3-9月，以8月份雷電次數(shù)最多，其次是5-7月。

3 雷達(dá)回波特征

雷電監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要有兩種：一是江西省強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷暴、雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷、雷電和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象；二是江西WebGIS雷達(dá)拼圖平臺(tái)，聚集了24部雷達(dá)組網(wǎng)拼圖，可以對(duì)自動(dòng)氣象站(國(guó)家站、區(qū)域站)各種要素進(jìn)行疊加，也可以進(jìn)行雷電的疊加。

影響宜豐縣和上高縣的雷電可以發(fā)生在不同的對(duì)流系統(tǒng)回波中，一般性的雷雨回波、夏季副熱帶高壓邊緣的熱雷雨回波等，都能造成一定數(shù)量的雷電。但造成宜豐縣和上高縣雷電災(zāi)害的雷達(dá)回波特征主要有兩種：一是雷暴回波帶(颮線、弓狀回波和短帶回波等)；二是超級(jí)單體回波(弱超級(jí)單體、強(qiáng)回波單體等)。

3.1 雷暴回波帶

雷暴回波帶經(jīng)過宜豐縣和上高縣時(shí)會(huì)帶來雷暴大風(fēng)和強(qiáng)雷電，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)冰雹。雷暴回波帶發(fā)展強(qiáng)烈會(huì)發(fā)展成為颮線系統(tǒng)，出現(xiàn)弓狀回波帶(圖1)。

14：00(圖1a)，一條東南-西北走向的回波帶向東北偏東方向移動(dòng)，很明顯會(huì)影響宜豐縣和上高縣?；夭◣Оl(fā)展旺盛并具有一定的弧度，已經(jīng)形成弓狀回波結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，雷電分布圖顯示雷電主要分布在回波帶上，呈弧狀排列。14：20(圖1b)，回波帶前沿已經(jīng)開始影響宜豐縣和上高縣，并帶來大風(fēng)、強(qiáng)降水和雷電天氣，雷電分布基本上沿回波帶走向排列。14：40(圖1c，d)，回波帶移出了宜豐縣和上高縣，雷電也移出了宜豐縣和上高縣。

圖1 2018-03-04T14：00-15：00颮線回波和雷電過境宜豐縣和上高縣

3.2 超級(jí)單體回波

超級(jí)單體回波經(jīng)過宜豐縣和上高縣時(shí)會(huì)帶來局地冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和強(qiáng)雷電等天氣。也是影響宜豐縣和上高縣產(chǎn)生雷電天氣的重要天氣系統(tǒng)(圖2)。

16：40(圖2a)，宜豐縣和上高縣上方受超級(jí)單體回波影響，強(qiáng)度達(dá)到60～65 dBz，并向東南偏東方向移動(dòng)。17：00(圖2b)，超級(jí)單體回波繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，強(qiáng)回波面積不斷擴(kuò)大，60 dBz回波面積大于200 km2，強(qiáng)度增到65～70 dBz，達(dá)到江西冰雹云回波標(biāo)準(zhǔn)。17：20(圖2c)，超級(jí)單體回波有所減弱，中心強(qiáng)度達(dá)到55～60 dBz，宜豐縣和上高縣境內(nèi)仍有雷電天氣。17：40(圖2d)，超級(jí)單體開始逐漸移出宜豐縣和上高縣境內(nèi)，沿途均產(chǎn)生了強(qiáng)雷電天氣和強(qiáng)對(duì)流天氣。

圖2 2018-05-06T16：40-17：40超級(jí)單體回波過境宜豐和上高縣

由此可見，颮線回波帶是造成宜豐縣和上高縣雷電天氣的重要回波系統(tǒng)，尤其是回波帶出現(xiàn)弧形彎曲，形成弓狀回波帶時(shí)，雷電天氣更加明顯。超級(jí)單體回波也是造成宜豐縣和上高縣雷電天氣的重要回波系統(tǒng)，尤其是超級(jí)單體回波里伴有冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)天氣出現(xiàn)時(shí)，對(duì)宜豐縣和上高縣的影響更大。

4 雷電天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)警

宜豐縣10 min雷電監(jiān)測(cè)產(chǎn)品自動(dòng)顯示與預(yù)警系統(tǒng)從CIMISS數(shù)據(jù)庫中讀取雷電數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在雷電產(chǎn)品圖上，根據(jù)用戶設(shè)定的雷電密集等級(jí)，通過微信群發(fā)表實(shí)時(shí)的雷電位置、次數(shù)和強(qiáng)度等信息，達(dá)到雷電信息的預(yù)警作用。

系統(tǒng)軟件使用C# 2010編程，由參數(shù)文件：cs_btldcpccml.txt 設(shè)置不同參數(shù)值。包括：程序標(biāo)題、10 min雷電產(chǎn)品目錄、雷電預(yù)警文字產(chǎn)品目錄、是否聲音報(bào)警、設(shè)置圖像位置大小和雷電圖片格式等。

當(dāng)最近時(shí)次的10 min雷電產(chǎn)品不存在時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“最近時(shí)次的10 min雷電產(chǎn)品不存在，請(qǐng)檢查！”信息條。

參數(shù)設(shè)置目錄里有兩種提示圖片可供選擇：一種有底圖，一種無底圖。雷電預(yù)警文字產(chǎn)品文件名舉例：雷電預(yù)警_201901200320.txt。10 min雷電產(chǎn)品文件名舉例：LD_Pro_201901231010_10分鐘.png。如果需要 QQ 或微信報(bào)警，請(qǐng)開啟 QQ 或微信。

雷電監(jiān)測(cè)可以通過“宜豐雷電監(jiān)測(cè)產(chǎn)品自動(dòng)顯示與預(yù)警系統(tǒng)”發(fā)布，有效地提高了雷電識(shí)別能力和及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息的能力。

5 結(jié)束語

使用2015-2018年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)，對(duì)宜豐縣和上高縣的雷電天氣和雷達(dá)回波特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得到以下結(jié)論：

1)近年來，宜豐縣和上高縣雷電活動(dòng)次數(shù)逐漸增多增強(qiáng)，雷電強(qiáng)度最大達(dá)到-764 kA(6月)；雷電主要分布在3-9月份，以8月份雷電次數(shù)最多，其次是5-7月份；

2)颮線回波帶是造成宜豐縣和上高縣雷電天氣的重要回波系統(tǒng)，尤其是回波帶出現(xiàn)弧形彎曲，形成弓狀回波帶時(shí)，雷電天氣更加明顯；

3)超級(jí)單體回波也是造成宜豐縣和上高縣雷電天氣的重要回波系統(tǒng)，尤其是超級(jí)單體回波里伴有冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)天氣出現(xiàn)時(shí)，對(duì)宜豐縣和上高縣的影響更大；

4)雷電監(jiān)測(cè)可以通過“宜豐雷電監(jiān)測(cè)產(chǎn)品自動(dòng)顯示與預(yù)警系統(tǒng)”發(fā)布。