海南一次雷暴過程閃電特征分析

蔣 堯，孫 豪，楊 敢，姚年鵬，戴炳哲，張其林

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京 210044)

0 引言

雷暴是一種伴有閃電的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，對人們生產(chǎn)生活影響巨大。人們利用多種觀測資料對閃電活動與強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的關(guān)系進(jìn)行了很多研究，這為強(qiáng)對流天氣預(yù)報業(yè)務(wù)提供了基礎(chǔ)，也是閃電資料分析應(yīng)用的重要方面。雷暴云的生命史可以劃分為3個階段：生成階段、旺盛發(fā)展階段、消散階段，在不同階段中，雷暴云的結(jié)構(gòu)有所不同，地閃和云閃的波形也有差異，對應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度以及云頂溫度也有所不同，這對雷暴的特征分析是有必要的。劉恒毅[1]等利用快電場資料對電場變化波形進(jìn)行了時域特征分析，統(tǒng)計分析了波形上升時間、下降時間、半峰值寬度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)地閃半峰值寬度在10～25 μs之間，云閃的半峰值寬度在1.5～5 μs之間。吳進(jìn)成[2]等利用500～800 km的VLF磁場數(shù)據(jù)分析了地閃波形，統(tǒng)計出地波的半峰值寬度大多在30 μs左右。曹東杰[3]等對快電場波形進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)云閃和地閃在初始階段的波形均以小于等于10 μs的窄脈沖為主。Nag[4]等統(tǒng)計分析了12次地閃和12次云閃過程初始階段電場波形，發(fā)現(xiàn)均以幅值較小且寬度較窄的小脈沖為主，云閃起始階段26%的脈沖和地閃預(yù)擊穿階段22%的脈沖，其寬度小于1 μs。楊超等[5]對南京一次強(qiáng)對流天氣過程閃電與雷達(dá)回波強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)地閃發(fā)生在40 dBz以上的回波區(qū)邊緣。張曉黃等[6]通過組網(wǎng)觀測結(jié)合風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)對云閃和多回?fù)舻亻W進(jìn)行了研究分析，驗證了探測網(wǎng)的定位精度。楊國鋒[7]等在對鄭州閃電活動的研究中發(fā)現(xiàn)閃電頻數(shù)及閃電強(qiáng)度與雷達(dá)回波強(qiáng)度有較好的一致性。Karunarathna[8]等對一次雷暴過程中的66次閃電進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)大部分云閃始發(fā)于回波核上方，地閃始發(fā)于回波核頂及周邊?；埚┑萚9]綜合利用衛(wèi)星和地基資料分析了我國西南地區(qū)2008-2014年的閃電分布特征。居麗玲等[10]對秦皇島市的一次雷暴天氣進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明：雷電密集區(qū)與強(qiáng)對流回波帶相對應(yīng)，雷電密集區(qū)的移動反映出強(qiáng)對流單體的移動趨勢。

以上的研究大都是基于單一的閃電資料對閃電電場波形所做的分析，本研究利用雷電低頻磁脈沖傳感器獲得的閃電三維輻射源定位結(jié)果結(jié)合風(fēng)云四號云頂亮溫資料、SA波段的雷達(dá)資料，針對2019年9月9日14時-21時的一次雷暴過程進(jìn)行統(tǒng)計分析，分為始發(fā)階段、旺盛發(fā)展階段、消散階段這3個階段研究雷暴過程中的閃電特征，研究了不同階段地閃和云閃波形特征，同時為閃電預(yù)警效果的提高提供一些有效參考依據(jù)。

1 觀測資料

1.1 雷達(dá)資料

本次雷暴過程觀測使用到的雷達(dá)是?？谡镜亩嗥绽仗鞖饫走_(dá)，站號為Z9898。多普勒天氣雷達(dá)利用了雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(RDA)，產(chǎn)生電磁脈沖波束并發(fā)射，接收機(jī)接受目標(biāo)物反射或散射回來的能量，經(jīng)處理分析后得到雷達(dá)基數(shù)據(jù)。雷達(dá)基數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過基本的電磁干擾雜波濾除、地物雜波濾除等質(zhì)量控制[11-12]。本研究所用雷達(dá)為海南CINRAD/SA型號的雷達(dá)，雷達(dá)天線繞垂直軸進(jìn)行360°全部方位掃描，間距為1°，6 min完成一次體掃，掃描仰角為0.5°～19.5°之間，其中0.5和1.5分別掃描兩次，記為一個仰角。反射率因子距離庫長為1 km，最大距離庫數(shù)為460，速度和譜寬距離庫長為0.25 km，最大距離庫數(shù)為920[13-14]。

1.2 FY-4A衛(wèi)星資料

雷暴云發(fā)展過程中，對流活動相當(dāng)強(qiáng)烈，雷暴云頂能達(dá)到很高的高度，有時會到達(dá)對流層頂。FY-4A衛(wèi)星上攜帶的探測儀器可以接受來自大氣輻射和地面輻射，雷暴發(fā)生處所在的對流云垂直發(fā)展旺盛，云層厚且濃密，在紅外波段可以將云層近似看作黑體，由此衛(wèi)星可以接受來自紅外大氣窗區(qū)云頂?shù)妮椛?，反演出云頂高度[15]。隨著高度上升云層溫度逐漸降低，云頂溫度(CTT)越低，意味著雷暴云高度越高，其中的對流運動越強(qiáng)烈，而閃電也通常發(fā)生在強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)中，因此CTT與閃電發(fā)生有一定的關(guān)聯(lián)性。

1.3 雷電低頻磁脈沖定位資料

雷電磁脈沖信號傳感器用環(huán)形磁天線來進(jìn)行磁場強(qiáng)度的測量，當(dāng)磁力線通過環(huán)形天線時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而實現(xiàn)信號的識別與接收[16]。在海南組建了探測網(wǎng)，建設(shè)7個探測站(分別為昌江站、澄邁站、樂東站、瓊中站、三亞站、萬寧站、文昌站)，測站分布情況見圖1，中心站為瓊中站，與各個子站之間的距離均小于120 km，這種布站方式的好處在于探測區(qū)域無盲區(qū)，可以實現(xiàn)對整個海南省較高精度的定位。

圖1 海南測站分布圖Fig.1 Hainan station locations

7個測站均裝有10 k磁天線，磁天線的頻響曲線見圖2。

圖2 10 k磁天線的頻響曲線Fig.2 Frequency response curve of 10 k small magnetic antenna used in each station

2 閃電特征分析

本研究針對2019年9月9日14時-21時的雷暴過程進(jìn)行統(tǒng)計分析。2019年9月9日，海南省各市氣象臺發(fā)布雷雨大風(fēng)黃色預(yù)警，風(fēng)力達(dá)7-9級并伴有強(qiáng)雷電和局部短時強(qiáng)降水，是一次強(qiáng)烈的雷暴過程。將本次雷暴過程分為3個階段：雷暴始發(fā)階段(14：00-15：00)、雷暴旺盛發(fā)展階段(15:00-19:00)、雷暴消散階段(19:00-21:00)。本次過程共計探測到閃電3 717次，其中地閃1 056次，占總閃的28%，其中負(fù)地閃813次，占地閃總數(shù)的77%，平均負(fù)地閃強(qiáng)度為-61 kA，正地閃243次，占地閃總數(shù)的23%，平均正地閃強(qiáng)度為56 kA，云閃2 661次，占總閃的72%[17]。圖3分別是一次云閃和一次地閃的波形圖，橫坐標(biāo)是時間(s)，縱坐標(biāo)是感應(yīng)電壓(V)。對波形的參數(shù)有如下定義：

圖3 3次云閃波形Fig.3 Waveforms of cloud lightning

1)上升沿時間：脈沖上升沿10%幅值的位置到峰值點的時間差。

2)下降沿時間：脈沖峰值點到下降沿10%幅度位置的時間差。

3)半峰值寬度：脈沖上升沿50%幅度位置到脈沖下降沿50%位置的時間差。

4)磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值：使用10 k小磁棒得到的波形的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。

3次云閃個例的發(fā)生時間均已在圖中標(biāo)出，13：36發(fā)生的云閃處于閃電始發(fā)階段，圖中所示波形的半峰值寬度約為7 μs，上升沿時間約為4 μs，下降沿時間約為5 μs，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值約為14.7 nT，此次共產(chǎn)生15個脈沖，其波形呈現(xiàn)典型的雙極性特征，多個云閃脈沖連續(xù)出現(xiàn)，平均上升沿時間約為3 μs，平均下降沿時間約為3.2 μs，半峰值寬度約為8 μs。

16：28發(fā)生的云閃從波形可以看出是一次典型的云內(nèi)NBE事件，半峰值寬度約為10 μs，上升沿時間約為8 μs，下降沿時間約為10 μs，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值約為46.7 nT。與13:36發(fā)生的云閃相比幅值有大幅度提高。19:00云閃半峰值寬度約為6 μs,上升沿時間約為4 μs,下降沿時間約為7 μs，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值約為18.7 nT，幅值遠(yuǎn)低于16:28云閃的，但略高于13:36云閃的幅值，這是因為此時雷暴進(jìn)入消散階段，閃電強(qiáng)度減弱，與雷暴旺盛發(fā)展階段相比磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，但距離雷暴完全消散還有一個多小時，還有部分閃電，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度高于閃電始發(fā)階段。表1選取了6次云閃的半峰值寬度及磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，半峰值寬度均在1-10 μs，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值大致呈現(xiàn)先增后減的趨勢，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值最大達(dá)到了46.7 nT。

表1 6次云閃波形部分參數(shù)Table 1 Partial parameters of 6 cloud-to-cloud waveforms

圖4選取了3次地閃的波形，14：27發(fā)生的地閃，地波、一次天波和二次天波的位置都已在圖中標(biāo)出，上升沿時間約為7 μs，下降沿時間約為10 μs，半峰值寬度約為11 μs，磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值約為14 nT。二次天波的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值明顯小于一次天波，這也符合自由空間中電磁場的衰減規(guī)律。15：05的地閃半峰值寬度約為16 μs，上升沿時間約為10 μs，下降沿時間約為15 μs，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值約為18.6 nT。19：19地閃半峰值寬度約為20 μs，上升沿時間約為10 μs，下降沿時間約為18 μs，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值約為5.3 nT。

圖4 3次地閃波形Fig.4 Waveforms of cloud-to-ground lightning

表2選取6次地閃的脈沖寬度及磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，半峰值寬度在10～25 μs，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的變化趨勢為先增后減，最高達(dá)到了25 nT。

表2 6次地閃波形部分參數(shù)Table 2 Partial parameters of 6 cloud-to-ground waveforms

取1 h為間隔對整個過程的閃電頻次加以分析，見圖5，可以看到閃電主要集中在15-18時，總閃頻次、地閃頻次、云閃頻次的變化趨勢非常一致，都為先增后減，14-17時呈上升趨勢，17-20時呈下降趨勢，在17-18時出現(xiàn)峰值，在19-20時迅速下降。

圖5 閃電頻數(shù)隨時間變化關(guān)系Fig.5 Numbers of lightning verus time

圖6反映的是本次雷暴過程每個時段云閃平均高度隨時間的變化圖，虛線代表正云閃的變化趨勢，實線代表負(fù)云閃的變化趨勢。從圖中可以看出雷暴始發(fā)階段正負(fù)云閃的起始高度均為5.5 km左右，在雷暴旺盛發(fā)展階段，云閃的高度較為穩(wěn)定，基本維持在4～6 km，雷暴消散階段，正云閃消失，負(fù)云閃的高度也迅速下降[18]。

圖6 云閃平均高度Fig.6 Average heights of cloud lightning

電流強(qiáng)度可以在一定程度上反應(yīng)雷暴的強(qiáng)度以及變化趨勢。圖7統(tǒng)計了這次雷暴過程中每個時段正負(fù)地閃、正負(fù)云閃的平均電流強(qiáng)度。從圖中可以看出在雷暴起始階段(14時-15時)，無論是云閃還是地閃的電流強(qiáng)度極不穩(wěn)定，上下浮動極大，出現(xiàn)短暫的跳躍性變化。隨著雷暴進(jìn)入旺盛發(fā)展階段(15-19時)，云地閃的電流強(qiáng)度趨于穩(wěn)定：正云閃的平均電流強(qiáng)度維持在30～40 kA，正地閃的平均電流強(qiáng)度維持在50～60 kA，負(fù)云閃的平均電流強(qiáng)度維持在-100～-50 kA,負(fù)地閃的平均電流強(qiáng)度維持在-50 kA左右。當(dāng)雷暴逐漸進(jìn)入消散階段(19-20時)，云地閃的電流強(qiáng)度都逐漸減小。

圖7 云地閃電流強(qiáng)度隨時間變化Fig.7 Current intensity of lightning verus time

3 雷達(dá)回波特征分析

圖8是14時-15時的雷達(dá)組合反射率與閃電輻射源定位結(jié)果的半小時疊加圖，對應(yīng)本次雷暴過程的始發(fā)階段，“▲”對應(yīng)7個測站的位置，“+”對應(yīng)閃電發(fā)生的位置(下同)。始發(fā)階段閃電發(fā)生較少且強(qiáng)度較弱，該時段共探測到99次閃電，其中云閃77次，占77.8%，地閃22次，占22.2%。絕大部分閃電分布在雷電回波區(qū)內(nèi)，但也有極少數(shù)的定位點沒有分布在雷達(dá)回波區(qū)，這可能是因為雷達(dá)每6 min完成一次體掃，在一次體掃的過程中雷暴云發(fā)生了移動。

圖8 雷暴始發(fā)階段雷達(dá)組合反射率與閃電輻射源定位結(jié)果的疊加圖Fig.8 Radar reflectivity combined with lightning locations during the thunderstorm initiation

本次雷暴從海南省北方始發(fā)，先是出現(xiàn)在廣東省境內(nèi)，之后在30 min內(nèi)迅速向南發(fā)展，在14時-15時之間開始有部分閃電出現(xiàn)在海南省東北部，始發(fā)雷達(dá)回波強(qiáng)度在25 dBz左右。與之前的研究大多認(rèn)為較強(qiáng)的雷達(dá)回波特征值35 dBz相比，雷暴始發(fā)時雷達(dá)回波強(qiáng)度較弱，沒有達(dá)到雷達(dá)回波特征值，發(fā)生在弱回波區(qū)。

圖9反應(yīng)的是本次雷暴發(fā)展旺盛階段雷達(dá)組合反射率與閃電輻射源定位結(jié)果的疊加圖，過程對應(yīng)的時間段是15時-18時，該時段閃電發(fā)生密集，共計3 315次，其中云閃2 349次，占70.8%，地閃966次，占29.2%，云閃平均高度為4.9 km。該階段對流較強(qiáng)，閃電電流強(qiáng)度大[19]。閃電密集區(qū)與強(qiáng)對流回波帶相對應(yīng)，閃電活動主要集中在向西南方向移動的對流系統(tǒng)的強(qiáng)回波中心及其前部的雷達(dá)反射率因子較大的區(qū)域，這可能是因為強(qiáng)回波核前部對應(yīng)較強(qiáng)的對流上升氣流區(qū)，而云底近地面處的上升氣流和云內(nèi)強(qiáng)烈的下沉氣流是電荷對流輸送維持的基礎(chǔ)。與雷暴起始階段相比，雷暴的發(fā)展方向由海南的東北方向西南方發(fā)展，并且閃電對應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度呈遞增趨勢，在16:30之后明顯可以看到大部分閃電的雷達(dá)回波強(qiáng)度在35 dBz以上，最高的已經(jīng)超過了50 dBz[20-21]。

圖9 雷暴盛行階段雷達(dá)組合反射率與閃電輻射源定位結(jié)果的疊加圖Fig.9 Radar reflectivity combined with lightning locations during the thunderstorm development

圖10反應(yīng)的是本次雷暴消散階段雷達(dá)組合發(fā)射率與閃電輻射源定位結(jié)果的疊加圖，該階段對應(yīng)的時段是19時-21時，該時段共計探測到303次閃電，其中云閃235次，占77.6%，云閃平均高度為5.4 km，地閃68次，占22.4%，與15時-19時的雷暴旺盛發(fā)展階段相比，不管是總閃、云閃還是地閃的數(shù)量都有了大幅度的下降，只有極少數(shù)的閃電出現(xiàn)在強(qiáng)回波區(qū)，該階段的雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯減弱[22]，種種數(shù)據(jù)表明本次雷暴已經(jīng)進(jìn)入末期且即將消失。

圖10 雷暴消散階段雷達(dá)組合反射率與閃電輻射源定位結(jié)果的疊加圖Fig.10 Radar reflectivity combined with lightning locations during the thunderstorm dissipation

4 云頂溫度特征分析

云頂亮溫與對流強(qiáng)度有較好的相關(guān)性，可以大致反應(yīng)雷暴的發(fā)展區(qū)域，在雷暴云的發(fā)展過程中，隨著高度上升云層溫度逐漸降低，云頂溫度越低，意味著雷暴云高度越高，對流活動越強(qiáng)烈。

圖11選取了本次雷暴過程中每個階段的云頂溫度與閃電輻射源定位結(jié)果的疊加圖，“+”表示閃電定位點的位置，“▲”表示海南7個測站。(a)-(b)對應(yīng)雷暴的起始階段，在14:45之前，海南省內(nèi)部幾乎沒有出現(xiàn)冷云區(qū)，也沒有出現(xiàn)閃電，冷云區(qū)集中在海南的西部和北部區(qū)域，在這之后云團(tuán)明顯向海南內(nèi)部靠近，分別從澄邁和昌江處進(jìn)入海南。(c)對應(yīng)的是雷暴的旺盛發(fā)展階段，和始發(fā)階段相比，海南的大部分區(qū)都被冷云團(tuán)籠罩，云團(tuán)的整體發(fā)展趨勢是由東北部向西南部發(fā)展，這和雷達(dá)反射率資料分析出的結(jié)果一致。(d)對應(yīng)的是雷暴消散階段，海南只有一半的部分被冷云團(tuán)籠罩，和旺盛發(fā)展階段相對比，可以預(yù)見的是冷云團(tuán)即將從樂東處離開海南向海南的西南方向發(fā)展，雷暴迅速消散。

圖11 云頂溫度與閃電輻射源定位結(jié)果的疊加圖Fig.11 Cloud top temperature combined with lightning locations

始發(fā)階段云頂溫度最高為300 K，最低為220 K；發(fā)展階段云頂溫度最高為230 K，最低為190 K；消散階段云頂溫度在230 K左右。整個雷暴過程中閃電都發(fā)生在190～230 K的冷云區(qū)。當(dāng)天海南的地面溫度為26～33 ℃,假定溫度垂直遞減率為6.5 ℃/km，即高度每增加1 km，溫度下降6.5 ℃，可以算得平均云頂高度大概約為14 km。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合三維閃電定位結(jié)果與雷達(dá)回波強(qiáng)度、云頂溫度對2019年9月9日的一次雷暴過程進(jìn)行了分析。6次云閃半峰值寬度在1～10 μs；6次地閃半峰值寬度在10～25 μs。磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值在雷暴始發(fā)階段至雷暴旺盛發(fā)展階段呈現(xiàn)上升趨勢，隨后呈現(xiàn)下降趨勢。雷暴始發(fā)階段云閃起始高度為5.5 km，隨后維持在4～6 km。云地閃電流強(qiáng)度在雷暴開始階段起伏較大，進(jìn)入發(fā)展階段逐漸穩(wěn)定。閃電定位結(jié)果與雷達(dá)回波及云頂溫度之間相關(guān)性較好，雷暴始發(fā)階段雷達(dá)回波強(qiáng)度在25 dBz,旺盛發(fā)展階段雷達(dá)回波強(qiáng)度均在35 dBz以上，最高的超過了50 dBz。雷暴發(fā)生在190～230 K的冷云區(qū)，平均云頂高度約為14 km。

本研究只是針對海南2019年9月的一次雷暴個例進(jìn)行了分析，不同的天氣過程閃電活動的特征可能會不盡相同，更加確切的閃電特征應(yīng)該基于更多的個例進(jìn)行統(tǒng)計分析和比對。這里提出一種研究方法和思路，利用閃電特征結(jié)合雷達(dá)回波強(qiáng)度以及云頂溫度的相關(guān)性揭示強(qiáng)對流天氣的閃電活動規(guī)律。