基于珠澳雙偏振雷達的初閃特征分析

王世強，李韻婕，詹棠，黃菲，靳春

（1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海 519000；2.珠海市氣象局，廣東珠海 519000；3.珠海市國家氣候觀象臺，廣東珠海 519000）

隨著經(jīng)濟和科技的高速發(fā)展，以電力和電子為基礎(chǔ)的微電子、信息網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備等在工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中的應(yīng)用越來越廣泛，雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失和社會影響也越來越大［1-3］。因此開展閃電預(yù)報技術(shù)，尤其是初閃預(yù)報指標(biāo)（預(yù)報參數(shù)和閾值）的研究具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者結(jié)合強對流天氣的雷達資料和閃電定位資料對閃電的預(yù)報指標(biāo)開展了許多的研究，尤其在利用傳統(tǒng)單偏雷達資料制定閃電預(yù)報指標(biāo)已有較成熟的理論和實踐基礎(chǔ)。有研究指出，當(dāng)40 dBz的反射率達到-10℃且回波頂高度超過9 km時，可能發(fā)生閃電［4］；Michimoto［5］指出30 dBz回波達到-20℃高度后5 min可能出現(xiàn)初閃；楊漢賢等［6］基于回波頂高（Top）、垂直液態(tài)水含量（VIL）、不同溫度層的回波強度制定了基于等溫高度雷達反射率的閃電臨近預(yù)報方案。

珠海市地處廣東省南部沿海，水汽充沛，熱力能量充足，年平均雷暴日達61 d，屬于閃電高發(fā)區(qū)［7］。本研究利用2019年汛期（4—9月）的閃電定位資料［8-9］、珠澳雙偏振雷達數(shù)據(jù)資料、TITAN風(fēng)暴追蹤資料［10］，分析了珠澳雙偏振雷達150 km范圍內(nèi)初閃和對流云團風(fēng)暴等參數(shù)特征，為制定基于雙偏振雷達的初閃預(yù)報方案的風(fēng)暴參數(shù)選擇和閾值提供參考。

1 資料和方法

1.1 初閃個例選取

定義對流云團中首次出現(xiàn)的閃電為初閃。選取流程如下：

（1）利用粵港澳閃電定位數(shù)據(jù)，得到珠澳雙偏振雷達150 km范圍內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)，包括：閃電出現(xiàn)時間、閃電位置（經(jīng)緯度）、閃電強度（正閃強度和負閃強度）；

（2）根據(jù)閃電出現(xiàn)的時間和位置，篩選出符合以下條件的閃電為初閃：該閃電出現(xiàn)前1 h內(nèi)，其周圍50 km無閃電出現(xiàn)；該閃電出現(xiàn)后0.5 h內(nèi)，其周圍20 km有閃電存在；

（3）初閃所在云團還需滿足：云團面積＞4 km2且3 km高度最大反射率＞25 dBz。

1.2 特殊溫度層高度的獲取

以往的研究表明，特殊溫度層（0、-10、-20℃）高度的反射率強度和水凝物成分對初閃預(yù)報起到關(guān)鍵作用，因此獲得準(zhǔn)確的特殊溫度層高度十分重要。

（1）利用香港探空站（45004）每天08：00（北京時，下同）和20：00的探空資料中溫度、高度層數(shù)據(jù)，計算得出每天這兩個時刻的特殊溫度層高度。

（2）利用FNL再分析資料（空間分辨率1°×1°，時間分辨率6 h）中的位勢高度、溫度等數(shù)據(jù)，獲得111°E—116°E，20°N—24°N范圍內(nèi)每天02：00、08：00、14：00、20：00的特殊溫度層高度場。

（3）一般情況下，探空站資料的準(zhǔn)確度優(yōu)于再分析資料，因此利用香港站的特殊溫度層高度值對FNL資料得到的高度場進行訂正，并將其線性插值到每個小時，最終得到111°E—116°E，20°N—24°N范圍內(nèi)逐小時0、-10、-20℃溫度層的高度場數(shù)據(jù)。

1.3 初閃云團風(fēng)暴參數(shù)獲取

根據(jù)初閃發(fā)生時的時間和位置，結(jié)合TITAN的風(fēng)暴追蹤資料即可確定初閃發(fā)生時對流云團的范圍，同時利用珠澳雙偏振雷達網(wǎng)格化資料，提取初閃云團范圍內(nèi)的最大反射率、差分反射率、水凝物分類等數(shù)據(jù)，得到初閃發(fā)生時的相關(guān)風(fēng)暴參數(shù)（相關(guān)參數(shù)意義詳見表1），其中Top值和VIL值來自TITAN的風(fēng)暴追蹤資料，分別表征上升氣流的強度和云內(nèi)水汽含量，0、-10、-20℃高度反射率最大值（Ref0、Ref-10、Ref-20）、0℃層高度雪粒子和霰粒子所占百分比和0℃高度以上差分反射率垂直方向連續(xù)大于1的最大厚度（ZDR柱厚度）來自珠澳雙偏振雷達資料，其中0℃高度及以上反射率過高，表示對流云內(nèi)可能有軟雹和豐富的過冷云水；ZDR柱存在表示對流云中上升氣流強盛。

2 初閃的閃電特征

通過初閃個例篩選，共獲得數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的個例165個，其中6—8月份個例最多，共占78.8%；5和9月份各占10.3%和9.7%；4月份初閃個例最少，僅有2個。初閃個例的月份分布與夏季（6—8月）對流云發(fā)展旺盛、閃電頻發(fā)的季節(jié)特征相符合［11-12］。從初閃的位置分布（圖1）來看，海洋上的初閃個例有109個，陸地上有56個；海洋初閃的閃電強度明顯大于陸地；海洋初閃分布較為均勻，而陸地的初閃多集中在山脈和平原交界處。

圖1 初閃個例的閃電強度和位置分布

總體來看，初閃時為負閃的個例占76.9%，且其強度明顯大于正閃，最強負閃達到了-100 kA的強度（表1）；大部分初閃云團的面積小于150 km2，這與對流云團面積小、強度強的特點相符合，但也有云團的面積達到了500 km2以上，這可能是由于在大片的云團中某一位置出現(xiàn)雷暴，雷暴跟蹤系統(tǒng)（TITAN）將整個云團識別出來，導(dǎo)致初閃云團面積看起來很大。

表1 陸地和海洋上的初閃特征對比

對比陸地和海洋上的初閃特征可以發(fā)現(xiàn)，海洋和陸地上負閃占比基本接近，說明初閃是正閃或負閃，都與閃電發(fā)生在海洋或陸地的環(huán)境差異關(guān)系不明顯；海洋上初閃閃電強度的平均值和最大值較陸地上更強，云團面積的平均值和最大值也更大，這可能是由于海洋上水汽充足，更有利于大面積云團生成。

3 初閃云團的風(fēng)暴參數(shù)特征

從初閃云團的風(fēng)暴參數(shù)（圖2）來看，VIL值集中（約25%～75%位數(shù)）在8～15 kg/m2；Top值集中在6～9 km；0℃、-10℃、-20℃高度反射率強度整體呈遞減趨勢，分布范圍呈發(fā)散趨勢，即高度越高反射率值越低，分布范圍越廣，0℃反射率集中在40～49 dBz，-10℃反射率集中在30～41 dBz，-20℃反射率集中在24～36 dBz；雪粒子和霰粒子面積占比大部分都在95%以上，但也有部分個例占比很小，不穩(wěn)定性較大；有70%的個例中有ZDR柱存在，28%的個例ZDR柱厚度≥1.5 km。

圖2 初閃對流云團的風(fēng)暴參數(shù)分布

對比陸地和海洋初閃云團的風(fēng)暴參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)（表略），海洋個例的VIL值較陸地略小，但Top值略高；各層的反射率值海洋較陸地更高，整體偏高2～4 dBz，說明海洋上出現(xiàn)閃電可能較陸地需要更高的反射率值；雪粒子和霰粒子的百分比和ZDR柱厚度陸地和海洋差異不大，存在ZDR柱的初閃云團所占比例也基本相同。

4 初閃云團風(fēng)暴參數(shù)之間的相關(guān)性

第3章分析了初閃云團7種風(fēng)暴參數(shù)的分布特征，統(tǒng)計各參量之間的相關(guān)系數(shù)（表略）可知，VIL值和Top值之間的相關(guān)系數(shù)達到了0.67，這兩個參量與各層反射率之間的相關(guān)系數(shù)也在0.3～0.5之間；Ref0、Ref-10、Ref-20之間的相關(guān)系數(shù)都在0.5以上，其中Ref-10與其他兩層之間的相關(guān)系數(shù)最高均達0.8以上；雪粒子和霰粒子和ZDR柱厚度與其他各參量之間的相關(guān)性都很差，說明它們與其他參量之間不是簡單的線性關(guān)系。

5 結(jié)論

1）珠奧雙偏振雷達初閃多為負閃，且負閃的閃電強度明顯大于正閃；初閃正閃與負閃的比例在海洋上和陸地上基本相同。

2）海洋上的初閃多于陸地，且其閃電強度、云團的面積也均大于陸地初閃。

3）初閃云團的VIL值集中在8～15 kg/m2；Top值集中在6～9 km；-10℃層反射率集中在30～41 dBz；0℃層雪粒子和霰粒子面積占比大部分都在95%以上；有70%的個例中有ZDR柱存在。

4）海洋初閃云團的VIL值較陸地略小，但Top值更高，0、-10、-20℃高度層反射率值偏大3～4 dBz，初閃云團中雪粒子和霰粒子的占比和ZDR柱高度陸地和海洋差異不大。

5）初閃風(fēng)暴參數(shù)之間的相關(guān)性分析表明，VIL和Top之間呈較好的正相關(guān)關(guān)系，與各層的反射率也呈一定的正相關(guān)關(guān)系；-10℃高度層反射率與其他高度層之間的相關(guān)性最強；雪粒子和霰粒子和ZDR柱厚度與其他各參量之間的相關(guān)性都很差。

本研究初步分析了初閃閃電特征和初閃云團的風(fēng)暴參數(shù)特征，為基于雙偏振雷達的初閃預(yù)報方案的對流參量和閾值的選取提供了參考，下一步還需要通過更多的初閃個例來對預(yù)報方案進行檢驗并逐步調(diào)整優(yōu)化。