廣東省中部地區(qū)雷暴團(tuán)特征的初步分析

陳紹東，陳綠文，杜賽，顏旭，黃惺惺，莊燕洵

（1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510080；2.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣東廣州510080）

雷暴是發(fā)展旺盛的強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象，它往往伴隨大風(fēng)、龍卷、強(qiáng)降水、冰雹以及雷電等劇烈天氣活動(dòng)，雷暴伴隨的雷電造成的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響也越來越大。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)雷電預(yù)報(bào)、預(yù)警的需求越來越高，迫切需要開展和提升雷電預(yù)警業(yè)務(wù)能力。由于雷暴發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力和微物理過程尚不十分清楚［1－3］，同時(shí)，不同雷電天氣系統(tǒng)的特征也存在著較大的差別［4－5］，造成雷暴的預(yù)報(bào)預(yù)警已成為天氣預(yù)報(bào)中較困難的工作之一。傳統(tǒng)的依賴于環(huán)流背景場和探空資料對(duì)于雷暴的認(rèn)識(shí)非常有限，預(yù)報(bào)預(yù)警研究進(jìn)展緩慢。近年來隨著天氣雷達(dá)的發(fā)展，其業(yè)務(wù)應(yīng)用為雷暴的觸發(fā)機(jī)制、初生特征及比較精確地定位其位置等方面研究為雷電預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件［6－12］。

閃電是雷暴處于成熟狀態(tài)的明確指標(biāo)，放電強(qiáng)度和頻繁程度與雷暴云的高度和強(qiáng)度緊密相關(guān)［13］，在一次雷暴過程中地閃個(gè)數(shù)越多則可以認(rèn)為雷暴的強(qiáng)度越強(qiáng)。目前描述雷暴天氣的強(qiáng)度主要依據(jù)雷雨大風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)，缺少閃電相關(guān)的指標(biāo)。以雷電預(yù)警預(yù)報(bào)為目標(biāo)的雷暴團(tuán)等級(jí)劃分工作較為復(fù)雜［14］，較多的工作僅以雷暴團(tuán)的閃電次數(shù)作為強(qiáng)弱雷暴的標(biāo)準(zhǔn)［13，15］，還存在著一定的局限性，急需更加科學(xué)、更成熟的雷電強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。本研究基于廣東省的粵港澳閃電定位資料，開展雷暴團(tuán)的識(shí)別工作，初步分析廣東省雷暴團(tuán)面積、閃電頻次、閃電電流等參數(shù)的基本特征，并在此基礎(chǔ)上，提出了一種雷暴團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)定義及分級(jí)方法，為廣東省雷電預(yù)警業(yè)務(wù)工作開展提供支撐。

1 資料和方法

1.1 粵港澳閃電定位資料

粵港澳閃電定位系統(tǒng)由廣東省、香港、澳門三地氣象部門從2005年開始共同建設(shè)，截至2007年共建成了6個(gè)探測子站（采用IMPACT探頭）。2012年，粵港澳閃電定位系統(tǒng)新增了11個(gè)探測子站。新建設(shè)的探測站采用了Vaisala公司的LS－700X系列探頭，能同時(shí)探測地閃和云閃（對(duì)云閃的理論探測效率約為40% ～50%），從而提高了對(duì)珠三角區(qū)域內(nèi)雷電活動(dòng)的探測能力。2018年，粵港澳閃電定位系統(tǒng)采用LS－700X系列探頭全部取代了原有的IMPACT探頭，并新增了2個(gè)子站?；浉郯拈W電定位系統(tǒng)采用時(shí)差－方向綜合定位方法，探測參量包括閃電放電的GPS時(shí)間、經(jīng)緯度、強(qiáng)度、云閃或地閃識(shí)別和極性等。圖1給出了粵港澳閃電定位系統(tǒng)探測子站的分布圖。由圖1可以看出，粵港澳閃電定位系統(tǒng)對(duì)珠三角區(qū)域覆蓋較好，而在粵東、粵西地區(qū)的探測子站相對(duì)稀疏。本研究選取112.5°E—115.5°E，21.5°N—24.5°N作為研究區(qū)域，該區(qū)域位于粵港澳閃電定位系統(tǒng)覆蓋范圍的中心位置，因此粵港澳閃電定位系統(tǒng)在該區(qū)域內(nèi)具有較好的探測效率和定位精度。另外，資料的時(shí)間長度選取2016—2018年。

圖1 粵港澳閃電定位系統(tǒng)探測子站分布和研究區(qū)域示意圖

1.2 雷暴團(tuán)識(shí)別方法

閃電定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測大范圍區(qū)域中閃電放電的時(shí)間、位置、極性和強(qiáng)度等參數(shù)，其監(jiān)測結(jié)果可直觀反映出雷暴中閃電活動(dòng)的強(qiáng)烈程度。本研究將基于粵港澳閃電定位資料開展雷暴團(tuán)的識(shí)別工作。

由于閃電放電的隨機(jī)性非常大，首先將全部的閃電定位資料按照0.05°×0.05°的網(wǎng)格大小、6 min時(shí)間間隔進(jìn)行了格點(diǎn)化劃分，得出了每個(gè)時(shí)次、每個(gè)格點(diǎn)上的回?fù)舸螖?shù)、最大回?fù)魪?qiáng)度、平均回?fù)魪?qiáng)度等參量。

對(duì)于某次6 min時(shí)間間隔，全省范圍內(nèi)可能有多個(gè)0.05°×0.05°網(wǎng)格點(diǎn)都發(fā)生了閃電活動(dòng)。本研究利用DBSCAN聚類算法將這些網(wǎng)格點(diǎn)歸并成不同的簇，也稱為不同的雷暴團(tuán)。作為示例，圖2給出了根據(jù)一個(gè)6 min時(shí)次粵港澳閃電定位資料辨認(rèn)出5個(gè)雷暴團(tuán)的結(jié)果（屬于同一雷暴團(tuán)的格點(diǎn)用同一種顏色表示）。

圖2 雷暴團(tuán)識(shí)別結(jié)果示例

2 雷暴團(tuán)特征分析

2.1 雷暴團(tuán)面積指數(shù)

根據(jù)前述雷暴團(tuán)識(shí)別方法，結(jié)合粵港澳閃電定位資料，2016—2018年共識(shí)別出雷暴團(tuán)76 337個(gè)。雷暴團(tuán)在生成、發(fā)展和消亡的過程中，其面積也不斷變化，在雷暴發(fā)展的旺盛階段，其面積往往也是最大的，對(duì)應(yīng)的雷暴強(qiáng)度也較大，因此，雷暴團(tuán)的面積也是衡量雷暴強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。不同天氣過程中雷暴團(tuán)面積有較大的差異，最大的面積達(dá)3 625 km2，最小的僅有50 km2。由計(jì)算可知，樣本的平均值為138 km2，而樣本的中值概率為75 km2，也就是說有50%的樣本其面積是超過75 km2，圖3是雷暴團(tuán)面積的概率分布圖，由圖3可知，大部分雷暴團(tuán)的面積都集中在50～200 km2內(nèi)，累積概率高達(dá)80%。當(dāng)某雷暴團(tuán)的面積為P，文中定義由最小面積至P的累積概率值為雷暴團(tuán)面積指數(shù)SP。由定義可知，雷暴團(tuán)的面積越大，SP值也就越大，當(dāng)雷暴團(tuán)的面積P最小時(shí)，SP值為0，P為75 km2時(shí)，SP值為0.5，P最大時(shí)，SP值為1。

圖3 雷暴團(tuán)面積的概率分布

2.2 雷暴團(tuán)閃電頻次指數(shù)

雷暴團(tuán)的面積指數(shù)主要表征了雷暴團(tuán)控制區(qū)域范圍的大小，雷暴團(tuán)頻次指數(shù)可以表征整個(gè)雷暴團(tuán)內(nèi)發(fā)生閃電數(shù)量的多少，從這個(gè)意義上講，頻次指數(shù)在表征雷暴強(qiáng)度方面更為重要。經(jīng)分析，所有雷暴團(tuán)樣本數(shù)中，地閃回?fù)舸螖?shù)的平均值為61次，最少僅有6次，最多的達(dá)3 224次（時(shí)間6 min內(nèi)），樣本中值概率為25次，如圖4所示，雷暴團(tuán)地閃回?fù)舸螖?shù)6～10次，樣本累積概率約為14%，10～15次累積約為15%，中值之后概率累積相對(duì)較為緩慢，100次以上的樣本數(shù)就比較少了，累積概率僅約為8%。同樣本研究中定義雷暴團(tuán)頻次指數(shù)為FP，當(dāng)雷暴團(tuán)地閃回?fù)舸螖?shù)為P時(shí)，0～P范圍內(nèi)的累積概率值為FP。

圖4 雷暴團(tuán)地閃回?fù)舸螖?shù)概率分布

圖5是雷暴團(tuán)面積和閃電回?fù)舸螖?shù)的二維散點(diǎn)圖，由圖5可見，總體上雷暴團(tuán)的面積越大，閃電的頻次也是越多的，但也存在較多的分散點(diǎn)，特別是在雷暴團(tuán)面積1 000～2 500 km2的范圍時(shí)，閃電的頻次出現(xiàn)異常多的情況（個(gè)例相對(duì)較多），對(duì)應(yīng)擬合直線的上方區(qū)域。出現(xiàn)這種情況可能與雷暴發(fā)展的不同階段也有一定的關(guān)系，當(dāng)雷暴處于發(fā)展旺盛階段，其面積可能基本定型，但是閃電會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)較快速增多造成。另外，由圖5還可知，綜合評(píng)估雷暴的強(qiáng)度，雷暴團(tuán)的面積和頻次都是要考慮的。

圖5 雷暴團(tuán)面積和閃電回?fù)舸螖?shù)的二維散點(diǎn)圖

2.3 雷暴團(tuán)閃電平均電流幅值指數(shù)

閃電電流幅值及其累積概率分布是雷電活動(dòng)規(guī)律的重要指標(biāo)，在某種程度上，可以衡量一次閃電或者雷暴團(tuán)釋放電流和電量的大小。圖6是雷暴團(tuán)平均地閃回?fù)綦娏鞣档母怕史植紙D。所有樣本的計(jì)算結(jié)果顯示，地閃電流平均值為15.7 kA，最小1.8 kA，最大89.4 kA，樣本的中值概率為14.9 kA。由圖6還可以看出，平均地閃電流幅值大部分集中在10～20 kA范圍，占比大約70%，超過30 kA的占比不到3%，相對(duì)較少。當(dāng)某雷暴團(tuán)的平均電流幅值為P，定義由最小值至P的累積概率值為雷暴團(tuán)釋放電流指數(shù)CP。

圖6 雷暴團(tuán)平均地閃回?fù)綦娏鞲怕史植?/p>

2.4 雷暴團(tuán)最大電流幅值指數(shù)

雷電因其強(qiáng)大的電流、熾熱的高溫、強(qiáng)烈的電磁輻射以及猛烈的沖擊波等物理效應(yīng)能夠在瞬間產(chǎn)生巨大的破壞作用，造成多種雷電災(zāi)害。夏季雷暴來臨時(shí)，大電流幅值的地閃不僅帶來感觀上強(qiáng)烈的震撼，其產(chǎn)生的災(zāi)害也比普通的閃電更為巨大，因此，除了上述提及的閃電頻次和閃電平均電流幅值外，雷暴團(tuán)強(qiáng)度還要適當(dāng)考慮閃電的最大電流幅值這個(gè)因子。圖7是雷暴團(tuán)最大地閃回?fù)綦娏鞣档母怕史植紙D。

圖7 雷暴團(tuán)最大地閃回?fù)綦娏鞣蹈怕史植?/p>

由圖7可以看出，雷暴團(tuán)的最大電流幅值較為分散，小的僅有2.1 kA，最大可達(dá)404.1 kA，平均值達(dá)53.3 kA。樣本中值為46.2 kA，說明50%以上的樣本其最大電流幅值概率大于46.2 kA，其破壞的威力可見一斑。同樣，當(dāng)某雷暴團(tuán)的最大地閃電流幅值為P，定義由最小值至P的累積概率值為雷暴團(tuán)最大電流幅值指數(shù)MP。

3 雷暴團(tuán)強(qiáng)度分級(jí)

熵值法是一種客觀賦權(quán)法，其根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)觀測值所提供的信息大小來確定指標(biāo)權(quán)重。通過熵值法得到各個(gè)指標(biāo)的信息熵，信息熵越小，其信息的效用值越大，指標(biāo)的權(quán)重越大［16］。本研究中通過熵值法得出SP、FP、CP和MP的權(quán)重系數(shù)分別為0.234 9、0.562 8、0.102 3和0.100 0。綜合考慮各因子對(duì)雷暴團(tuán)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率，上述各因子對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)還是較為合理的，由此定義雷暴團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)（index of Thunderstorm intensity，TII）TII＝0.234 9×SP＋0.562 8×FP＋0.102 3×CP＋0.100 0×MP。

從76 337個(gè)雷暴團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)的累積概率分布以及頻次分布情況來看，雷暴團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)高值和低值相對(duì)較少，在0.175～0.900之間的指數(shù)分布較為平均，圖8中的每個(gè)區(qū)間（0.025）頻次大約為2 000次。雷暴團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)在0～0.5之間和0.5～1.0之間也基本差不多。雷暴團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)在0.90～1.00之間的情況大概只占總數(shù)的3.0%，代表了非常強(qiáng)的雷暴團(tuán)。從實(shí)際的雷電預(yù)警工作來看（預(yù)警次數(shù)不宜太多），專門針對(duì)強(qiáng)度指數(shù)＞0.95的雷暴團(tuán)（約占比0.5%，3年380次）發(fā)布強(qiáng)雷電預(yù)警可能是適宜的。

圖8 雷暴團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)

本研究基于粵港澳閃電定位資料，針對(duì)廣東省中部地區(qū)初步開展了雷暴團(tuán)的識(shí)別和特征分析工作，在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于雷暴團(tuán)面積、閃電頻次、閃電電流等參數(shù)的雷暴團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)定義及分級(jí)方法，具有一定的實(shí)用性，可為廣東省雷電預(yù)警開展工作提供支撐。