北京地區(qū)一次颮線過(guò)程的閃電特征及其與水汽條件的關(guān)系

徐 燕 , 劉冬霞 , 袁善鋒 , 王東方

1.江西省人工影響天氣中心， 江西 南昌 330096 2.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所， 中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029

0 引 言

閃電是大氣強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)的產(chǎn)物，其發(fā)生與云內(nèi)復(fù)雜的動(dòng)力、微物理過(guò)程密切相關(guān)，閃電活動(dòng)特征能直接反映對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展及消散。相較于雷達(dá)、衛(wèi)星資料，閃電資料具有更高的時(shí)間、空間分辨率，能彌補(bǔ)雷達(dá)資料探測(cè)盲區(qū)缺陷，并且可以與多種資料相互融合補(bǔ)充，發(fā)揮其在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中的作用。因此，研究閃電活動(dòng)特征對(duì)提升災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警能力具有重要意義。曾勇等(2020)研究發(fā)現(xiàn)，閃電的空間分布與冰雹云的移動(dòng)路徑基本一致，對(duì)冰雹云的移動(dòng)發(fā)展有指示作用，雹區(qū)主要位于閃電發(fā)生位置的右側(cè)。郭潤(rùn)霞等(2020)研究發(fā)現(xiàn)，在冰雹、雷暴大風(fēng)、對(duì)流性暴雨發(fā)生期間，閃電頻數(shù)從大到小依次為對(duì)流性暴雨過(guò)程、冰雹過(guò)程、雷暴大風(fēng)過(guò)程；在冰雹過(guò)程中云閃所占比例不斷增大，雷暴大風(fēng)過(guò)程中始終都是云閃活動(dòng)占主要地位，對(duì)流性暴雨過(guò)程中始終是地閃尤其是負(fù)地閃活動(dòng)占主要地位。孫萌宇等(2020)利用全閃三維定位資料，分析北京一次相繼多次降雹過(guò)程同樣發(fā)現(xiàn)總閃頻數(shù)在降雹前8—18 min出現(xiàn)躍增。朱義青和高安春(2021)研究發(fā)現(xiàn)，地面大風(fēng)階段對(duì)應(yīng)著劇烈的閃電活動(dòng)，冰雹大風(fēng)等災(zāi)害性天氣的最強(qiáng)時(shí)刻與正地閃的峰值出現(xiàn)時(shí)間較為一致。由此可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)閃電活動(dòng)對(duì)大風(fēng)、降雹、強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣有一定的預(yù)警作用。

再者，閃電活動(dòng)與水汽密切相關(guān)。Neumann(1990)提出的雷暴指數(shù)中就包含800—600 hPa的平均濕度；Price和Asfur(2006)發(fā)現(xiàn),非洲閃電活動(dòng)日變化峰值出現(xiàn)時(shí)間與對(duì)流層上層(300 hPa)水汽峰值出現(xiàn)時(shí)間相隔一天。我國(guó)針對(duì)不同省份的閃電活動(dòng)特征和水汽輸送也有一些研究，發(fā)現(xiàn)二者有較好的相關(guān)關(guān)系(左迎芝等,2009;沈定成,2011)。也有研究發(fā)現(xiàn)，700—400 hPa層平均濕度與閃電活動(dòng)有很好的相關(guān)性，可用于雷暴預(yù)報(bào)(張翠華等,2002;鄭棟等,2005)。然而，這些研究存在一定局限：受觀測(cè)資料分辨率的限制，針對(duì)個(gè)例分析比較少；大多數(shù)研究基于地閃資料，而地閃資料并不能完全反映云內(nèi)的閃電特征。

文中利用北京閃電綜合探測(cè)網(wǎng)(Beijing Lightning Network，簡(jiǎn)稱BLNet)總閃(云閃和地閃)定位資料、雷達(dá)資料詳細(xì)分析一次冷渦背景下颮線過(guò)程的閃電特征，并用變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)反演結(jié)果討論分析閃電分布與水汽通量散度的關(guān)系，以豐富對(duì)閃電活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，旨在為閃電資料在對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供更多科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

文中所用資料為BLNet的總閃定位資料和北京南苑S波段天氣雷達(dá)資料。BLNet是一個(gè)區(qū)域性、多頻段、多站的閃電綜合探測(cè)網(wǎng)，覆蓋了整個(gè)北京地區(qū)，能同時(shí)對(duì)地閃和云閃進(jìn)行探測(cè)定位，對(duì)全閃的探測(cè)效率可達(dá)93.2%，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電輻射源的二維和三維實(shí)時(shí)定位(Srivastava et al,2017)，其高分辨率閃電資料使用于近期多個(gè)研究成果中(孫凌等,2019; Liu et al, 2020;王東方等,2020;于函等，2021)。一次閃電過(guò)程有多次輻射放電事件，通過(guò)反演獲得的輻射所在位置為輻射源，將前后發(fā)生時(shí)間間隔小于400 ms且水平距離小于15 km、總持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1.5 s的輻射源聚類為一次閃電，并以第一個(gè)輻射源定位結(jié)果作為此次閃電的定位結(jié)果。如果一次閃電的輻射源既包括地閃脈沖，又包括云閃脈沖，則以地閃定位結(jié)果作為此次閃電定位結(jié)果。每6 min統(tǒng)計(jì)一次閃電頻次，并與雷達(dá)資料相匹配，每次雷達(dá)體掃對(duì)應(yīng)的閃電為此次體掃的開(kāi)始與下次體掃開(kāi)始之間所探測(cè)到的閃電。

2 天氣過(guò)程介紹

2017年8月8日傍晚北京地區(qū)出現(xiàn)一次強(qiáng)颮線過(guò)程，多單體呈東北—西南向分布，且自西北向東南移動(dòng)，在北京境內(nèi)單體合并發(fā)展，并在北京中部區(qū)域發(fā)展成熟，形成颮線系統(tǒng)。此次颮線系統(tǒng)伴隨較強(qiáng)的閃電活動(dòng)、強(qiáng)降水和大風(fēng)等天氣，過(guò)程大概持續(xù)6 h。颮線系統(tǒng)發(fā)展演變均在BLNet探測(cè)范圍內(nèi)。

由8日08時(shí)(北京時(shí)，下同)天氣形勢(shì)(圖1)可見(jiàn)，500 hPa層上東北冷渦發(fā)展深厚，蒙古國(guó)境內(nèi)有一冷中心，北京上空有干冷平流侵入；850 hPa層上北京北部有一切變線，附近有一較弱的輻合區(qū)，西南側(cè)有弱的暖濕氣流輸入，形成“上冷下暖”的熱力不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。分析08:00探空?qǐng)D(圖1c)發(fā)現(xiàn)，中層大氣處于較濕狀態(tài)，900 hPa層與950 hPa層之間存在逆溫層，有利于不穩(wěn)定能量聚集，且低層溫度露點(diǎn)差較大，CAPE值為1 425 J/Kg，低層有垂直風(fēng)切變，這為颮線的維持和加強(qiáng)提供了動(dòng)力條件(孫素琴等,2020;2021)。

圖1 2017年8月8日08時(shí)500 hPa(a)、850 hPa(b)溫度場(chǎng)(填色,單位:℃)、高度場(chǎng)(等值線,單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(矢線,單位:m/s)，以及北京站t-logp圖(c)

3 雷達(dá)回波與閃電活動(dòng)特征

圖2給出了此次颮線系統(tǒng)數(shù)個(gè)時(shí)刻雷達(dá)組合反射率和6 min閃電分布。分析發(fā)現(xiàn)，18:00，北京東北部的對(duì)流單體發(fā)展成熟，北京西南邊界上也有2個(gè)單體移入。此時(shí)，BLNet開(kāi)始探測(cè)到閃電，閃電頻數(shù)較小(圖3)。19:00，北京東北部的對(duì)流單體發(fā)展演變成2個(gè)單體，東北部也有單體移入，北京西南邊界上的單體開(kāi)始減弱，此時(shí)閃電活動(dòng)較前期有所增多。19:30，北京境內(nèi)的幾個(gè)對(duì)流單體均發(fā)展成熟，導(dǎo)致此時(shí)閃電活動(dòng)在對(duì)流系統(tǒng)生命期的前段出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)小的峰值。20:36，閃電經(jīng)歷了第一個(gè)快速減弱階段。雷達(dá)回波表現(xiàn)為，之前北京境內(nèi)活躍的對(duì)流單體已快速減弱至消散，而北京西南側(cè)徘徊的多單體雖然較強(qiáng)，但還未進(jìn)入北京境內(nèi)，不在BLnet探測(cè)范圍內(nèi)，所以此階段閃電出現(xiàn)谷值。隨后北京中部已經(jīng)消散的對(duì)流單體再度活躍，同時(shí)北京西部邊界的對(duì)流單體開(kāi)始移入并發(fā)展成熟。21:00左右，兩部分對(duì)流發(fā)生合并，隨后形成線狀分布的對(duì)流單體群，開(kāi)始向東南方向移動(dòng)，并發(fā)展成熟，此時(shí)閃電處于快速增長(zhǎng)階段。21:48，閃電頻數(shù)達(dá)到峰值(6 min出現(xiàn)671次)(圖3a)，此時(shí)北京東北部有新的對(duì)流單體生成。21:54—22:06，颮線對(duì)流結(jié)構(gòu)明顯松散，系統(tǒng)有減弱趨勢(shì)，閃電活動(dòng)快速減弱，此時(shí)東北部新生的對(duì)流單體快速發(fā)展成熟。22:12，新生的對(duì)流單體與颮線主體合并，此時(shí)閃電頻數(shù)快速回升，并在22:18達(dá)到一個(gè)次峰值(6 min出現(xiàn)472次)(圖3a)。隨后，系統(tǒng)逐漸移出北京減弱消散，北京地區(qū)為大范圍的層云區(qū)，閃電頻數(shù)快速減少。至24:00北京境內(nèi)基本探測(cè)不到閃電活動(dòng)，此次過(guò)程結(jié)束。整個(gè)颮線過(guò)程，云閃占主導(dǎo)地位，云地閃比例約為2.2:1；地閃以負(fù)地閃為主，正負(fù)地閃比例約為1:4.5。

圖2 2017年8月8日不同時(shí)刻雷達(dá)組合反射率(填色區(qū)，單位：dBz)和6 min內(nèi)閃電分布(“+”為正地閃，“-”為負(fù)地閃，“·”為云閃)Fig. 2 Composite radar reflectivity at different time and the corresponding lightning distribution within 6 min on August 8, 2017 (“+”: positive cloud-to-ground flashes, PCG; “-”: negative cloud-to-ground flashes, NCG; “·”: intra-cloud flashes, IC)

圖3 颮線過(guò)程中閃電頻數(shù)隨時(shí)間變化Fig. 3 Evolution of lightning frequency during the squall line process

根據(jù)閃電活動(dòng)和雷達(dá)回波特征，可將此次過(guò)程大致分為四個(gè)階段：1) 單體此消彼長(zhǎng)階段(18:00—20:36),單體的生命史較短，多個(gè)孤立單體此消彼長(zhǎng)，閃電頻數(shù)較低；2) 第一次合并階段(20:42—21:48),兩部分對(duì)流在21:06合并形成線狀對(duì)流單體群，閃電頻數(shù)快速增加至峰值；3) 第二次合并階段(21:54—22:36)，有減弱趨勢(shì)的對(duì)流主體與局地小單體合并，對(duì)流再次增強(qiáng)，閃電再次活躍到達(dá)次峰值；4) 減弱移出階段(22:42—24:00)，系統(tǒng)逐漸移出北京，減弱消散。正地閃比例在第一階段和第四階段較高，超過(guò)35%(圖3b)。

4 對(duì)流單體合并過(guò)程的閃電特征

分析雷達(dá)回波發(fā)現(xiàn)，此次颮線過(guò)程發(fā)生了兩次明顯的對(duì)流合并現(xiàn)象。由于第二次合并時(shí)(22:12左右)系統(tǒng)恰好移至北京南苑雷達(dá)站點(diǎn)附近，雷達(dá)探測(cè)存在盲區(qū)，所以這里主要分析第一次合并過(guò)程。21:00左右，東、西兩部分對(duì)流單體在北京西北部相互靠近，此時(shí)發(fā)生第一次合并。沿著兩部分對(duì)流單體移動(dòng)方向的固定直線(40.27°N，115.83°E；40.19°N，116.57°E)作垂直剖面，并疊加剖線前后10 km的閃電輻射源(圖4)。20:54，剖線上分布2個(gè)孤立的發(fā)展旺盛的對(duì)流單體，西側(cè)單體55 dBz高度發(fā)展到6 km(-10 ℃)，東側(cè)單體發(fā)展到8 km(-20 ℃層以上)，單體發(fā)展旺盛，但內(nèi)部輻射源數(shù)量相對(duì)較少。21:00，兩部分單體均向剖線右側(cè)移動(dòng)，但西側(cè)單體移動(dòng)速度較快，二者距離變小，且對(duì)流強(qiáng)度接近，輻射源數(shù)量也較前一時(shí)刻明顯增多，且主要分布在強(qiáng)度大于40 dBz的強(qiáng)回波區(qū)。21:06，強(qiáng)度大于30 dBz的回波連接在一起，即對(duì)流體開(kāi)始合并，此時(shí)分布在東側(cè)單體內(nèi)的閃電輻射源較多，且部分輻射源在東側(cè)單體移動(dòng)方向的前方，而西部單體內(nèi)強(qiáng)度大于50 dBz回波其高度從前一時(shí)刻的8 km下降到6 km，閃電輻射源也較前一時(shí)刻減少，主要分布在強(qiáng)回波的后方。21:12，強(qiáng)度大于45 dBz的強(qiáng)回波區(qū)已經(jīng)合并，對(duì)流系統(tǒng)較前一時(shí)刻增強(qiáng)，強(qiáng)度大于55 dBz的回波高度回升到9 km，合并后對(duì)流體明顯加強(qiáng)，移動(dòng)方向后部出現(xiàn)層云區(qū)，輻射源主要分布在移動(dòng)方向前方的對(duì)流區(qū)內(nèi)，沿著對(duì)流線向后部層云區(qū)傾斜。22:18—22:24，對(duì)流組合體繼續(xù)向前移動(dòng)發(fā)展，其結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，中心部分出現(xiàn)了強(qiáng)度大于60 dBz的強(qiáng)回波核。閃電輻射源數(shù)量明顯增多，主要集中在對(duì)流組合體前部的對(duì)流旺盛區(qū)內(nèi)。對(duì)流體高度整體抬升，其移動(dòng)方向的后方對(duì)流區(qū)衰減成層云區(qū)，4 km(0 ℃)處存在明顯亮帶，但亮帶內(nèi)無(wú)閃電輻射源。

圖4 2017年8月8日對(duì)流體合并過(guò)程中雷達(dá)回波剖面(色區(qū)，單位：dBz)和剖線兩側(cè)10 km范圍內(nèi)的6 min內(nèi)閃電輻射源數(shù)量(黑色虛線)隨高度分布(黑色圓點(diǎn)表示閃電輻射源)Fig. 4 Evolution of radar echo profile (stains; units:dBz) and distribution of lightning radiation sources (black dotted line) with height in 6 minutes within 10 km on both sides of the section line during the merging of convective cells on August 8, 2017 (black dots indicate sources of lightning radiation)

此次颮線過(guò)程共發(fā)生兩次對(duì)流單體合并，根據(jù)雷達(dá)反射率確定的合并時(shí)間分別為21:06和22:06，對(duì)應(yīng)的合并區(qū)域分別為(40°—40.5°N，116.1°—116.6°E)和(39.5°—40°N，116.4°—117.1°E)。圖5給出了對(duì)流單體合并區(qū)域的閃電變化，可以看出兩次合并樣本的閃電頻數(shù)均在開(kāi)始合并后18 min達(dá)到峰值。以上分析表明，對(duì)流單體合并發(fā)生后對(duì)流強(qiáng)度值和閃電頻數(shù)均增大，這與Lu等(2021)的研究結(jié)果一致。

圖5 對(duì)流體第一次(a)、第二次(b)合并過(guò)程中的總閃電頻數(shù)(箭頭表示對(duì)流合并開(kāi)始時(shí)刻)Fig. 5 Total lightning frequencies during the first (a) and second (b) merger of convective cells (arrows indicate the initiation of convective mergers)

5 閃電與水汽通量散度關(guān)系

由于觀測(cè)資料和再分析資料無(wú)法提供高時(shí)空分辨率的大氣動(dòng)力、熱力特征，但可以利用能夠反演出對(duì)流尺度中低層大氣熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)(Sun et al，2010)的變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)(VDRAS)。VDRAS已經(jīng)業(yè)務(wù)化，其反演結(jié)果的可靠性已經(jīng)過(guò)多方驗(yàn)證(陳明軒等2012；2016)。

5.1 VDRAS模擬設(shè)置及效果檢驗(yàn)

VDRAS模式系統(tǒng)配置方案：中心點(diǎn)(39.5836°N，116.1802°E)；水平方向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為180×180，水平分辨率設(shè)置為3 km；垂直方向設(shè)置為30層，分辨率為500 m，模式最底層高度為0.25 km，模式頂高為14.75 km。設(shè)定每個(gè)4DVar循環(huán)為12 min，并利用云模式進(jìn)行6 min短時(shí)間積分預(yù)報(bào)，作為下一次熱啟動(dòng)的初猜場(chǎng)。模式可同時(shí)對(duì)京津冀地區(qū)4部S波段天氣雷達(dá)(北京、天津、秦皇島、石家莊)和2部C波段天氣雷達(dá)(承德、張北)的反射率因子和徑向速度進(jìn)行同化，雷達(dá)站位置如圖6所示。

圖6 京津冀地區(qū)6部雷達(dá)位置(“☆”)和VDRAS系統(tǒng)模擬范圍(虛線框)(色斑表示地形海拔)

模擬結(jié)果(圖7)顯示，VDRAS模擬的對(duì)流形態(tài)、位置及發(fā)展演變與實(shí)況較為吻合，但反射率值整體偏小，模擬的對(duì)流活動(dòng)偏弱。認(rèn)為模式能較好地模擬對(duì)流單體的回波結(jié)構(gòu)及位置，模擬結(jié)果較為可靠，可以使用模擬結(jié)果中來(lái)分析云內(nèi)動(dòng)力結(jié)構(gòu)和水汽情況。

圖7 觀測(cè)(a)和模擬(b)的2017年8月8日22:30雷達(dá)組合反射率(單位：dBz)Fig. 7 Observational (a) and simulated (b) radar combined reflectivity (units：dBz) at 22:30 BT on August 8, 2017

5.2 閃電與水汽通量散度的關(guān)系

閃電的發(fā)生需要一定的水汽和動(dòng)力條件，而水汽通量散度這個(gè)物理量一定程度上結(jié)合了水汽條件與動(dòng)力場(chǎng)，表示輸送水汽的集中程度。由于大氣中的水汽通量主要集中在對(duì)流層的中下層，所以計(jì)算整層水汽通量時(shí)取上邊界為500 hPa層。

圖8 2017年8月8日20:54(a)、21:30(b)、22:06(c)、22:30(d)整層汽通量散度(單位：10-6 g/(cm2·hPa·s))和6 min內(nèi)閃電分布(“+”為正地閃，“-”為負(fù)地閃，“·”為云閃)Fig. 8 Distribution of vapor flux (units:10-6 g/(cm2·hPa·s))of the whole layer and the lightning in 6 minutes at 20:54 BT (a), 21:30 BT (b), 22:06 BT (c), 22:30 BT (d) on August 8, 2017 (“+”: positive cloud-to-ground flashes, PCG; “-”: negative cloud-to-ground flashes, NCG; “·”: intra-cloud flashes, IC)

運(yùn)用VDRAS模擬結(jié)果計(jì)算整層水汽通量，并疊加6 min內(nèi)閃電，得到不同時(shí)刻的整層水汽通量散度與對(duì)應(yīng)6 min閃電分布(圖8)。20:54，此刻在第一次對(duì)流合并前，對(duì)流系統(tǒng)處于發(fā)展階段，閃電主要分布在水汽通量輻合區(qū)；兩個(gè)對(duì)流主體之間為水汽通量輻散區(qū)，閃電較少。21:30，此刻處于第一次合并后，對(duì)流單體迅速發(fā)展成熟，水汽通量輻合區(qū)范圍變大，輻合量變強(qiáng)。22:06，第一次合并后，對(duì)流系統(tǒng)主體減弱，水汽通量輻合區(qū)減小，閃電分布分散，但此時(shí)東北部有新生單體快速發(fā)展。22:30，呈現(xiàn)消散趨勢(shì)的主體對(duì)流單體與新生對(duì)流單體完成第二次合并，對(duì)流系統(tǒng)再次發(fā)展，水汽通量輻合范圍明顯擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)；閃電主要分布在水汽通量輻合區(qū)，且輻合強(qiáng)度值越大的區(qū)域，閃電數(shù)量越多。

6 結(jié) 論

利用BLNet總閃定位資料和雷達(dá)回波資料，分析了北京地區(qū)2017年8月8日一次颮線過(guò)程的閃電活動(dòng)特征，并利用VDRAS反演結(jié)果討論了閃電分布與水汽通量散度的關(guān)系，得到：

1) 整個(gè)颮線生命史中，云閃占主導(dǎo)地位，云地閃比例約為2.2:1；地閃以負(fù)地閃為主，正負(fù)地閃比例約為1:4.5；6 min總閃頻數(shù)最高為671次。颮線系統(tǒng)前期的對(duì)流單體此消彼長(zhǎng)階段和后期減弱消散階段，正地閃比例較高。

2) 颮線過(guò)程發(fā)生兩次對(duì)流單體合并，合并過(guò)程中閃電活動(dòng)明顯增強(qiáng)。第一次合并后對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展更強(qiáng)，閃電輻射源數(shù)量增多，且輻射源集中高度增加。對(duì)流體兩次合并完成后，閃電頻數(shù)均在合并開(kāi)始后的18 min達(dá)到峰值。

3) 水汽通量輻合范圍和強(qiáng)度與對(duì)流單體發(fā)展具有很好的一致性。閃電主要集中在水汽通量輻合區(qū)，且水汽通量輻合強(qiáng)度越大，閃電越集中，表明閃電是云內(nèi)復(fù)雜動(dòng)力、微物理活動(dòng)的結(jié)果。