鷹潭市雷電天氣分型和雷達(dá)PUP產(chǎn)品特征分析

李 密，馬中元，余劍浩，劉懿樞，姜 磊，戴震天

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046；2.鷹潭市氣象局，鷹潭 335001)

0 引言

雷電災(zāi)害是江西十大自然災(zāi)害之一。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：2005—2021年，江西因雷擊事件身亡人數(shù)高達(dá)575人，主要分布在3-9月，其中7月雷擊發(fā)生最頻繁，有176人喪生。因此，開(kāi)展雷電災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究和預(yù)報(bào)服務(wù)十分有意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷電災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了大量研究，例如：主觀臨近預(yù)報(bào)技術(shù)包括基于雷達(dá)觀測(cè)并結(jié)合其他資料，對(duì)雷暴生成、發(fā)展和衰減的臨近預(yù)報(bào)；層結(jié)不穩(wěn)定是雷暴發(fā)生的3要素之一[1，2]。冰雹回波具有高懸的強(qiáng)回波、低層的弱回波區(qū)、中高層的回波懸垂和有界弱回波區(qū)、中氣旋、風(fēng)波頂輻散和三體散射長(zhǎng)釘；任何對(duì)流風(fēng)暴(雷暴)都是由對(duì)流單體構(gòu)成，對(duì)流單體在雷達(dá)反射率因子圖上表現(xiàn)為一個(gè)分立的密實(shí)區(qū)域[3，4]。雷達(dá)回波反射率因子的回波面積大小和強(qiáng)回波中心的移動(dòng)與閃電發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)有很好的一致性；強(qiáng)雷電回波具備強(qiáng)度大于50 dBz、強(qiáng)回波中心密實(shí)、強(qiáng)回波邊緣梯度大等條件[5，6]。江西雷電天氣具有明顯的季節(jié)變化與日變化特征，每年2—5月集中在08：00—20：00，6—9月集中在11：00—20：00[7]。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)[8-12]。颮線移動(dòng)前方不斷產(chǎn)生具有“前伸”、TBSS 、虛假回波結(jié)構(gòu)和局地雹云超級(jí)單體回波群，這些颮前中小尺度系統(tǒng)是產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣的主要回波系統(tǒng)[13]。強(qiáng)垂直風(fēng)切變、適宜的 0～-20 ℃高度、“上干下濕”的結(jié)構(gòu)配置是形成地面降雹和雷雨大風(fēng)的有利環(huán)境條件[14]。局地冰雹回波強(qiáng)度CR 達(dá)到 60～65 dBz，回波頂高ET 達(dá)到 9～12 km，垂直累積液態(tài)水含量VIL 達(dá)到 40～60 kg/m2，伴有強(qiáng)雷電活動(dòng)[15]。8種云型是構(gòu)成江西強(qiáng)對(duì)流天氣的典型云型和兩種回波形態(tài)[16-18]。

文章通過(guò)雷電資料、天氣資料和雷達(dá)PUP產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出鷹潭市雷電天氣的天氣類型、雷達(dá)拼圖特征和雷達(dá)PUP產(chǎn)品特征，為開(kāi)展鷹潭市雷電天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警和預(yù)報(bào)服務(wù)提供分析依據(jù)。

1 資料與區(qū)域劃分

1.1 資料

雷電資料來(lái)源于江西強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)(http：//10.116.36.68/，2013年)和CIMISS數(shù)據(jù)庫(kù)雷電數(shù)據(jù)。雷達(dá)資料有兩種：一是江西WebGIS雷達(dá)拼圖資料(http：//10.116.32.81/，2012年)；二是撫州(9794)SA雷達(dá)PUP產(chǎn)品數(shù)據(jù)。文章統(tǒng)一使用北京時(shí)間。

1.2 區(qū)域劃分

雷電區(qū)域的統(tǒng)計(jì)范圍是以鷹潭117.8°E/28.26°N為中心點(diǎn)，掃描半徑0.5°(約55 km)的同心圓，該范圍包含了鷹潭市所屬縣市和周邊縣部分區(qū)域。在江西強(qiáng)天氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)上設(shè)置好中心經(jīng)緯度和半徑，然后以鷹潭市為中心點(diǎn)的1°經(jīng)緯距(110 km)覆蓋圓內(nèi)統(tǒng)計(jì)雷電日、雷電單日次數(shù)和雷電最大強(qiáng)度值。

2 雷電天氣分型和雷達(dá)拼圖回波特征

2.1 雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和天氣系統(tǒng)分型

2016—2018年，鷹潭市落雷密度≥500次/日的強(qiáng)雷電天氣過(guò)程共有39次，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和天氣系統(tǒng)分型得出，鷹潭市雷電天氣過(guò)程主要有4種天氣系統(tǒng)：1)冷鋒型(20次)；2)副高邊緣型(11次)；3)東部臺(tái)風(fēng)型(5次)；4)南部臺(tái)風(fēng)型(3次)。

冷鋒型(圖1a)指對(duì)流觸發(fā)主要由地面冷鋒造成，并伴隨著高空槽、中層切變和地面倒槽。特別是3—4月，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程與地面倒槽的劇烈發(fā)展有關(guān)，而往往倒槽以北又有冷空氣堆積、南下。前期輻射增溫，在“舌”狀倒槽最明顯的時(shí)段，倒槽附近先出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，有強(qiáng)雷電，并常伴有雷暴大風(fēng)、強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。隨著冷空氣南下，冷暖氣團(tuán)交匯，冷鋒不斷向倒槽侵入，在鋒面附近又會(huì)激發(fā)出劇烈對(duì)流，有時(shí)強(qiáng)度更強(qiáng)，強(qiáng)雷電并伴有冰雹、雷暴大風(fēng)。冷鋒型過(guò)程有時(shí)會(huì)持續(xù)3～4 d，先是暖區(qū)強(qiáng)對(duì)流，后冷鋒南下，冷暖氣團(tuán)交匯，冷平流又激發(fā)強(qiáng)對(duì)流，直到冷鋒南移至贛南，贛北、贛中的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程才趨于結(jié)束。高空低槽、中低層切變線，切變線以南700 hPa、850 hPa、925 hPa有顯著的西南氣流從西南伸向贛北、贛中。850 hPa的18 ℃露點(diǎn)線由福建南部經(jīng)贛東南、贛西北伸向湘中。受低槽、切變影響，在上干、下濕、200 hPa分流區(qū)、低層輻合中心附近等對(duì)流易發(fā)區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷電。

副高邊緣型(圖1b)是熱力條件、水汽條件很好的地方，在副熱帶高壓(588 dagpm線)進(jìn)入江西省，在6-8月，受低槽東移或臺(tái)風(fēng)影響，有一定的動(dòng)力條件，也容易出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。鷹潭位于副高邊緣，500 hPa高空有低槽移動(dòng)，低槽附近有干舌配合，江西處槽前；當(dāng)?shù)筒鄯^(guò)110°E移近江西時(shí)，在槽前上干、下濕、700 hPa急流、200 hPa分流區(qū)等系統(tǒng)重合區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)雷電。

東部臺(tái)風(fēng)型(圖1c)受臺(tái)風(fēng)低壓沿副熱帶高壓邊緣東北方向運(yùn)動(dòng)影響，副熱帶高壓斷裂成東西二環(huán)，日本海以東海面的副熱帶高壓，河套地區(qū)的大陸高壓。臺(tái)風(fēng)低壓中心向東部伸出輻合線或低層切變線，在上干、下濕、地面輻合線或低層切變線附近等對(duì)流易發(fā)區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷電。

南部臺(tái)風(fēng)型(圖1d)副熱帶高壓控制華東大部地區(qū)，588 dagpm線伸入江西中西部。此時(shí)南部或西南部有臺(tái)風(fēng)活動(dòng)，低壓中心向北部伸出南北向或西南—東北向的倒槽；或東南方向有東風(fēng)波從東南沿海向西北方向移動(dòng)；熱帶系統(tǒng)活躍導(dǎo)致副熱帶高壓強(qiáng)度有所減弱，控制區(qū)內(nèi)出現(xiàn)輻合線或切變線，受臺(tái)風(fēng)倒槽或東風(fēng)波等熱帶系統(tǒng)影響，在上干、下濕等對(duì)流易發(fā)區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)雷電。

圖1 鷹潭市雷電天氣的4種天氣系統(tǒng)配置

2.2 雷電天氣過(guò)程雷達(dá)拼圖回波特征

雷達(dá)拼圖比單部雷達(dá)探測(cè)范圍要廣泛，多部雷達(dá)資料拼圖彌補(bǔ)了單部雷達(dá)近距離擋角、盲區(qū)，遠(yuǎn)距離地球曲率、衰減等因素的影響，使得雷達(dá)拼圖探測(cè)回波系統(tǒng)更加完整和完善。雷達(dá)拼圖可以在網(wǎng)站上采用不同方式隨時(shí)進(jìn)行調(diào)閱，因此，在實(shí)際業(yè)務(wù)中使用頻率最高。

鷹潭雷電的雷達(dá)拼圖主要是帶狀回波(圖2)，由多個(gè)對(duì)流單體排列成帶形成。例如：颮線帶狀回波、短帶回波和臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶回波。在單部雷達(dá)產(chǎn)品分析團(tuán)塊狀回波和塊狀回波結(jié)構(gòu)中，也能看出尺度不同的短帶回波結(jié)構(gòu)。

颮線回波帶(圖2a)是由多個(gè)對(duì)流單體回波排列成東北—西南走向的緊密回波帶，帶上強(qiáng)回波單體強(qiáng)度可達(dá)60 dBz以上，整體回波朝東南方向移動(dòng)，途經(jīng)鷹潭時(shí)產(chǎn)生雷電。短帶回波(圖2b)是由多個(gè)對(duì)流單體回波排列成近似南北走向的回波帶，回波帶長(zhǎng)度比颮線回波帶要短，回波強(qiáng)度可達(dá)60 dBz以上，整體回波朝偏東方向移動(dòng)，途經(jīng)鷹潭時(shí)產(chǎn)生雷電。

臺(tái)風(fēng)外圍回波帶是由臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶或環(huán)流引起的雷暴回波帶。根據(jù)臺(tái)風(fēng)來(lái)向位置不同，大致分為東部臺(tái)風(fēng)(圖2c)和南部臺(tái)風(fēng)(圖2d)兩種。東部臺(tái)風(fēng)一般為南北走向的回波短帶，強(qiáng)回波單體強(qiáng)度可達(dá)60 dBz以上，整體回波朝偏西方向移動(dòng)，途經(jīng)鷹潭時(shí)產(chǎn)生雷電。南部臺(tái)風(fēng)一般為東南—西北走向的回波帶，結(jié)構(gòu)較松散，強(qiáng)回波單體強(qiáng)度可達(dá)50～55 dBz，整體回波朝東北方向移動(dòng)，途經(jīng)鷹潭時(shí)產(chǎn)生雷電。

3 雷達(dá)PUP產(chǎn)品特征

雷達(dá)產(chǎn)品選擇距離鷹潭最近的撫州SA雷達(dá)(9794)，主要分析：組合反射率CR、回波頂高ET、垂直累積液態(tài)水含量VIL、垂直剖面反射率因子RCS和徑向速度垂直剖面VCS。組合反射率CR 反映了整層回波的強(qiáng)度分布；回波頂高ET從0 dBz開(kāi)始取消了18 dBz的限制；垂直累積液態(tài)水含量VIL將4×4精度改進(jìn)為1×1精度(肖艷嬌等[19]2009)；反射率因子垂直剖面RCS和徑向速度垂直剖面VCS用來(lái)反映反射率因子Z與速度場(chǎng)V之間的關(guān)系。

徑向速度場(chǎng)上“中氣旋 (mesocyclone)”的小尺度渦旋(Fujita[20]1963)，與最早 Brooks通過(guò)分析龍卷周圍的地面氣壓場(chǎng)得出的龍卷母氣旋是同一個(gè)概念(Brooks[21]1949)，在速度場(chǎng)上重點(diǎn)監(jiān)測(cè)速度對(duì)、正負(fù)速度大值區(qū)、或者明顯速度分層；垂直累積液態(tài)水含量(VIL)定義為液態(tài)水混合比的垂直積分(Greene et al[22]1972)，液態(tài)水混合比是通過(guò)雷達(dá)測(cè)量的反射率因子和雨滴之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：M=3.44×10-3Z4/7進(jìn)行垂直積分計(jì)算得到垂直累積液態(tài)水含量VIL。

為了便于分析，雷達(dá)產(chǎn)品按照回波形態(tài)分為：帶狀回波、短帶回波、團(tuán)塊狀回波和塊狀回波4類，并針對(duì)這4類回波的組合反射率CR、回波頂高ET、垂直累積液態(tài)水含量VIL、垂直剖面反射率因子RCS 和徑向速度垂直剖面VCS等5個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行分析。團(tuán)塊狀回波類似“絮狀”回波，不同的是在團(tuán)狀回波中塊狀對(duì)流回波更為旺盛[23-26]。

3.1 颮線帶狀回波特征

2018-05-01T17：56，整個(gè)颮線回波帶呈東北—西南走向，帶上回波單體排列緊密，回波強(qiáng)度CR在55～60 dBz，回波帶影響鷹潭市時(shí)，造成鷹潭市區(qū)域落雷861個(gè)，最大雷電強(qiáng)度-174.6 kV。2018-05-01T17：56，回波帶上強(qiáng)中心回波頂高ET在14～15 km，大部分回波頂高ET 在10～12 km。2018-05-01T17：56，回波帶上強(qiáng)中心回波的垂直累積液態(tài)水含量VIL在35～40 kg/m2。

2018-05-01T17：56，反射率因子垂直剖面RCS強(qiáng)中心強(qiáng)度在55～60 dBz，45 dBz強(qiáng)回波頂高在8 km，0 dBz最高回波頂高超過(guò)16 km，強(qiáng)回波呈柱狀；徑向速度垂直剖面VCS具有正負(fù)速度對(duì)(上下結(jié)構(gòu))[27]。

3.2 短帶回波特征

2018-05-22T13：00，短帶回波帶呈東北—西南走向，帶上回波單體排列緊密，回波強(qiáng)度CR 在50～55 dBz，回波帶影響鷹潭市時(shí)，造成鷹潭市區(qū)域落雷1396個(gè)，最大雷電強(qiáng)度-132.9 kV。2018-05-22T13：00，回波帶上強(qiáng)中心回波頂高ET 在14～15 km，大部分回波頂高ET 在10～11 km。2018-05-22T13：00，短帶回波上強(qiáng)中心回波的垂直累積液態(tài)水含量VIL 在25～30 kg/m2。

2018-05-22T13：00，反射率因子垂直剖面RCS 強(qiáng)中心強(qiáng)度在50～55 dBz，45 dBz強(qiáng)回波頂高在10 km，0 dBz最高回波頂高超過(guò)18 km，強(qiáng)回波呈柱狀；徑向速度垂直剖面VCS具有正速度核。

3.3 團(tuán)塊狀回波特征

2017-08-17T18：01，團(tuán)塊狀回波影響鷹潭市，回波結(jié)構(gòu)緊密，回波強(qiáng)度CR 在55～60 dBz，回波影響鷹潭市時(shí)，造成鷹潭市區(qū)域落雷2264個(gè)，最大雷電強(qiáng)度-70.1 kV。2017-08-17T18：01，團(tuán)塊狀回波頂高ET 在14～15 km，大部分回波頂高ET 在10～12 km。2017-08-17T18：01，團(tuán)塊狀回波上強(qiáng)中心回波的垂直累積液態(tài)水含量VIL 在40～50 kg/m2。

徑向速度垂直剖面VCS具有正負(fù)速度對(duì)；反射率因子垂直剖面RCS 強(qiáng)中心強(qiáng)度在60～65 dBz，45 dBz強(qiáng)回波頂高在12 km，0 dBz最高回波頂高超過(guò)18 km，強(qiáng)回波呈柱狀[28]。

3.4 塊狀回波特征

2018-08-05T17：57，塊狀回波影響鷹潭市CR 在55～60 dBz，造成鷹潭市區(qū)域落雷275個(gè)，最大雷電強(qiáng)度-154.0 kV。2018-08-05T17：57，塊狀回波頂高ET 在14～15 km。2018-08-05T17：57，塊狀回波上強(qiáng)中心回波的垂直累積液態(tài)水含量VIL 在15～20 kg/m2。

徑向速度垂直剖面VCS具有上下結(jié)構(gòu)的正負(fù)速度層；反射率因子垂直剖面RCS 強(qiáng)中心強(qiáng)度在45～55 dBz，45 dBz強(qiáng)回波頂高在8 km，0 dBz最高回波頂高超過(guò)16 km，強(qiáng)回波呈柱狀。

由此可見(jiàn)，單部雷達(dá)產(chǎn)品特征表現(xiàn)為：組合反射率CR在50～60 dBz；回波頂高ET在14～15 km；垂直累積液態(tài)水含量VIL在15～50 kg/m2；反射率因子垂直剖面RCS在45～65 dBz；45 dBz強(qiáng)回波頂高在8 km以上，有時(shí)超過(guò)10 km；強(qiáng)回波呈柱狀；有時(shí)強(qiáng)回波上方有旁瓣引起的虛假回波；徑向速度垂直剖面VCS具有正負(fù)速度對(duì)(包括上下結(jié)構(gòu)速度層)和正速度里面的強(qiáng)速度核。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)使用雷電資料、天氣資料和雷達(dá)PUP產(chǎn)品進(jìn)行分析，得出鷹潭市雷電天氣的天氣類型、雷達(dá)拼圖特征和雷達(dá)PUP產(chǎn)品特征。

雷電天氣來(lái)自于雷暴單體，雷暴單體雷達(dá)回波是產(chǎn)生雷電天氣的主要回波系統(tǒng)，了解和把握雷達(dá)回波特征，是監(jiān)測(cè)預(yù)警雷電天氣的有效手段。雷電天氣的預(yù)測(cè)，取決于對(duì)雷暴回波系統(tǒng)的識(shí)別和外推，同時(shí)，雷電天氣的產(chǎn)生還與環(huán)境條件相關(guān)。因此，不斷積累雷電天氣過(guò)程數(shù)據(jù)，更好地總結(jié)分析雷電天氣特征、雷達(dá)拼圖回波特征和雷達(dá)PUP產(chǎn)品特征，是今后繼續(xù)研究和努力的方向。