太原夏季短時強降水與閃電的關(guān)系及應用

張澤秀 李夢軍 荊肖軍

摘 ?要：利用太原地區(qū)夏季三維閃電定位系統(tǒng)的2017—2021年閃電數(shù)據(jù)、小時降水量及國家站10 min降水量，分析短時強降水日的閃電特征，并將短時強降水站點與前1 h的閃電密度進行空間疊加。結(jié)果表明，短時強降水日閃電以負閃為主。負閃密度遠大于正閃密度，且有明顯的空間差異，負閃密度中心主要位于尖草坪北部和陽曲縣南部。閃電頻數(shù)峰值比10 min降水量峰值提前10～60 min，且閃電頻數(shù)峰值（大于等于50次/10 min）及其后的20 min內(nèi)閃電頻數(shù)陡降其峰值的一半或以上，這對短時強降水有更好的指示作用。短時強降水站點與前1 h的閃電高密度區(qū)有很好的對應關(guān)系，且大多分布在閃電密度梯度相對較大的地區(qū)。當太原地區(qū)閃電頻數(shù)大于100次/h時，閃電密度大于等于0.1次/km2·h對短時強降水落區(qū)預警命準率較高。

關(guān)鍵詞：短時強降水；閃電特征；閃電密度；閃電密度指標；閃電頻數(shù)

中圖分類號：P332.1 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0100-04

Abstract： Based on the lightning data of the three-dimensional lightning positioning system in Taiyuan and hourly precipitation from 2017 to 2021， as well as 10 min precipitation at the national station， the lightning characteristics of short-term torrential precipitation days are analyzed， and the short-term torrential precipitation stations are spatially superimposed with the lightning density of the previous hour. The results show that： The daily lightning of short-term torrential precipitation is mainly negative lightning. The negative flash density is much larger than the positive flash density， and there are obvious spatial differences. The negative flash density centers are mainly located in the north of Jiancaoping and the south of Yangqu County. The peak value of lightning frequency is 10～60 min earlier than that of 10 min precipitation， and the peak lightning frequency（≥50 times/10 min） and the steep decrease of lightning frequency in 20 min by half or more of its peak value are better indicators of short-term torrential precipitation. The short-term torrential precipitation stations have a good corresponding relationship with the lightning high density area in the previous hour， and most of them are distributed in the areas with relatively large lightning density gradient. When the lightning frequency in Taiyuan area is more than 100 times/h， the lightning density≥0.1 tiqmes/km2·h is more accurate for early warning of short-term torrential precipitation.

Keywords： short-term torrential precipitation; lightning characteristics; lightning density; lightning density index; lightning frequency

閃電通常與強對流天氣緊密聯(lián)系，研究強對流天氣的閃電特征對預報預警強對流天氣有很好的指示意義[1]。支樹林等[2]、薛秋芳等[3]發(fā)現(xiàn)短時強降水發(fā)生的地閃活動以負地閃占多數(shù)，其平均電流強度略低于正地閃。周成等[4]分析了山東不同天氣類型短時強降水與地閃特征得出地閃頻數(shù)峰值對于短時強降水預報有一定指示意義。鐘敏等[5]則認為以降水為主的強對流天氣閃電頻數(shù)較多，其10 min云地閃頻數(shù)過程最大值在50次以上，云地閃與雷達強回波區(qū)吻合得較好。

太原地處山西中部，三面環(huán)山，南部為河谷，降水和閃電主要集中在夏季。2017年投入使用三維閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)，有效地獲取了大量的閃電數(shù)據(jù)，為雷電資料的應用提供了數(shù)據(jù)支撐，目前關(guān)于該地區(qū)閃電與短時強降水的研究尚不多見。因此，基于2017—2021年三維閃電定位監(jiān)測網(wǎng)的閃電資料，研究太原地區(qū)夏季短時強降水日的閃電特征及二者的關(guān)系，為太原地區(qū)短時強降水的監(jiān)測預警提供參考。

1 ?資料與方法

1.1 ?資料來源及處理

所用數(shù)據(jù)為太原地區(qū)2017—2021年夏季逐小時降水量和國家站10 min降水量。閃電數(shù)據(jù)來自太原地區(qū)三維閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能得到閃電發(fā)生的時間、位置、云閃高度、電流強度及極性等主要參數(shù)。其對云閃的記錄是每次輻射點放電的位置和時間，對地閃記錄了所有回擊的信息，因此需要對三維閃電定位資料進行識別（表1），以確保閃電數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時剔除出現(xiàn)較少的大于300 kA的閃電數(shù)據(jù)。

表1 ?三維閃電定位數(shù)據(jù)的識別標準

1.2 ?研究方法

國家站或區(qū)域站一日中有1站或以上出現(xiàn)短時強降水（降水量大于等于20 mm/h）記為一個短時強降水日，據(jù)此篩選了87個短時強降水日。通過統(tǒng)計分析等方法得出短時強降水日閃電的極性、頻數(shù)、密度特征，分析了出現(xiàn)短時強降水的國家站周圍30 km的閃電頻數(shù)與其10 min降水量的時間關(guān)系。將短時強降水站點與前1 h的閃電密度做空間疊加對比分析。

2 ?短時強降水日的閃電特征

2.1 ?閃電極性

短時強降水是由其上空具有一定尺度的中尺度云團造成的，不同云團的閃電極性表現(xiàn)不同。由2017—2021年短時強降水日閃電極性特征（表2）可知，短時強降水日閃電以負閃為主，占5年總閃的88.9%，各年負閃占年閃的比例均在70%以上，其中2018年負閃占比最大，為96.5%，2021年負閃占比最小，為79.7%。正閃占5年閃的11.1%，其中以2018年占比最小，僅為3.5%。夏季各月中正、負閃占5年總閃的比例均以7月占比最大，分別為5.5%和43.3%。

2.2 ?閃電密度的空間分布

2017—2021年太原地區(qū)夏季短時強降水日的年均負閃密度具有明顯的空間差異，負閃高密度區(qū)主要分布在尖草坪區(qū)、陽曲縣、古交市，該區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)年均負閃密度為1次/km2·a以上，其負閃高密度中心位于尖草坪區(qū)北部和陽曲南部，高達2.5次/km2·a以上，其次是古交市南部，年均負閃密度中心為2次/km2·a以上。年均負閃密度最小的位于清徐南部和小店區(qū)，其密度低于0.5次/km2·a。太原地區(qū)夏季短時強降水日年平均正閃密度遠小于負閃密度，且東部大于西部，其中高密度區(qū)主要分布在陽曲、尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)和迎澤區(qū)，高密度中心僅高于0.9次/km2·a，其次為古交中部，其余區(qū)域的正閃密度均低于0.5次/km2·a。

3 ?閃電頻數(shù)與10 min降水量的關(guān)系

分析閃電頻數(shù)與短時強降水中的10 min降水量間的時序變化關(guān)系能很好地反映閃電與降水的演變特征。為確定數(shù)據(jù)的完整性，僅分析出現(xiàn)短時強降水的國家站周圍30 km區(qū)域內(nèi)的閃電頻數(shù)及其10 min降水量的時間關(guān)系（圖1），古交站（圖1（a））閃電頻數(shù)在14：40出現(xiàn)峰值（316次），到15：00陡降至125次；10 min降水量到15：20出現(xiàn)峰值，閃電頻數(shù)峰值比降水量峰值提前了40 min。陽曲站（圖1（b））閃電在12：30出現(xiàn)峰值（191次），到12：50陡降至34次；10 min降水量在13：30出現(xiàn)峰值，閃電峰值比降水峰值提前60 min。清徐站（圖1（c））閃電在14：50出現(xiàn)峰值（65次），到15：10陡降至7次；10 min降水量從15：30開始出現(xiàn)到15：40達到峰值，其閃電峰值比降水峰值提前了50 min。陽曲站（圖1（d））閃電在22：10達到第一個波峰（88次）隨后下降，再到23：00達到峰值（103次），到23：20陡降至37次；10 min降水量在22：20出現(xiàn)第一個波峰，到23：20達到第二個峰值，2次閃電峰值比降水峰值分別提前10 min和20 min。古交站（圖1（e））閃電在19：50出現(xiàn)峰值（212次），到20：10陡降至74次；10 min降水量到20：50出現(xiàn)峰值，閃電峰值比降水峰值提前60 min。小店站（圖1（f））閃電在16：50達到峰值（88次），到17：10陡降至36次；10 min降水量到17：50達到峰值，閃電峰值比降水峰值提前60 min。

綜上可知閃電峰值比降水峰值提前10～60 min，同時閃電頻數(shù)峰值達到50次/10 min或以上，且其出現(xiàn)后的20 min內(nèi)閃電頻數(shù)急速下降至該峰值的一半以上，能很好地指示短時強降水的發(fā)生、發(fā)展。

4 ?閃電密度與短時強降水空間關(guān)系

在統(tǒng)計短時強降水日閃電頻數(shù)時發(fā)現(xiàn)短時強降水與其前1 h的太原地區(qū)內(nèi)100次或以上的閃電頻數(shù)有很好的空間對應關(guān)系，為揭示強降水與閃電的關(guān)系，以下將以太原地區(qū)閃電頻數(shù)大于等于100次/h的短時強降水日（20個）為例，重點分析短時強降水站點與前1h的閃電密度的空間關(guān)系。太原地區(qū)2017年7月23日短時強降水與閃電密度的空間關(guān)系，在對流發(fā)展初期閃電密度較?。?2時）時，其中心值僅大于0.7次/km2·h，有1個區(qū)域站出現(xiàn)短時強降水，降水量為22.6 mm/h；隨著閃電密度的增加（13時），短時強降水站數(shù)（1站）雖未增加，但其降水量增加到43.5 mm/h。在對流發(fā)展旺盛階段（14時），閃電高密度區(qū)范圍加大且成片分布，短時強降水站數(shù)也明顯增多，且二者有很好的空間對應關(guān)系。到15時太原東部閃電密度減小到0.1次/km2·h，短時強降水也隨之結(jié)束。同時在古交中南部閃電密度大于0.1次/km2·h的面積加大，其閃電高密度中心高達6次/km2·h，該區(qū)域有8站出現(xiàn)短時強降水，且均分布在大于0.1次/km2·h的區(qū)域中?？梢姸虝r強降水并不僅出現(xiàn)在閃電高密度區(qū)中心，還出現(xiàn)在閃電密度分布梯度較大的區(qū)域。

由于在不同短時強降水過程中，對流發(fā)展的程度不同，其出現(xiàn)的閃電頻數(shù)也不盡相同，繼而閃電密度也不同。結(jié)合其余短時強降水個例（表3）發(fā)現(xiàn)，有23.4%的強降水站次出現(xiàn)在閃電密度低于0.1次/km2·h的區(qū)域內(nèi)，這和閃電分布較為分散或降水初期對流較弱有關(guān)。有76.6%的強降水站次分布在閃電密度大于0.1次/km2·h的區(qū)域內(nèi)。

5 ?閃電密度在短時強降水預警中的應用

綜上分析，當太原地區(qū)出現(xiàn)100次/h的閃電時，將閃電密度大于等于0.1次/km2·h作為短時強降水的預警指標之一應用到預警該地區(qū)夏季短時強降水落區(qū)的業(yè)務中，并對其命準率（命準率=指標閃電密度區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的短時強降水站數(shù)N1/太原地區(qū)出現(xiàn)的短時強降水站數(shù)N×100%[6]）做出檢驗。

表3 ?2017—2021年太原地區(qū)閃電頻數(shù)大于等于100次/h的短時強降水個例中出現(xiàn)站次及前1 h閃電密度關(guān)系

太原地區(qū)2019年7月28日和2019年8月1日出現(xiàn)的短時強降水站與閃電密度的對比檢驗見表4。2019年7月28日19：00—20：00有4站短時強降水均落在閃電密度大于等于0.4次/km2·h的區(qū)域內(nèi)，其命準率達到100%；20：00—21：00陽曲縣大于0.1次/km2·h的閃電高密度區(qū)快速加大，短時強降水站點亦增加15站，此時太原地區(qū)內(nèi)有16站出現(xiàn)短時強降水，其命準率達到94%；21：00—22：00閃電高密度區(qū)范圍減少，短時強降水站點減少至4站，且亦出現(xiàn)在閃電密度大于等于0.1次/km2·h的區(qū)域中，命準率達到100%。2019年8月1日17：00—18：00出現(xiàn)的4站短時強降水均出現(xiàn)在閃電密度大于等于0.1次/km2·h的區(qū)域中，命準率達到100%。同時短時強降水站點大多出現(xiàn)在閃電密度梯度較大的區(qū)域也得到很好的驗證。

表4 ?短時強降水預警準確率

6 ?結(jié)論

1）太原地區(qū)夏季短時強降水日中閃電以負閃為主，負閃密度遠大于正閃密度。負閃高密度中心主要分布在陽曲、尖草坪區(qū)。正閃密度表現(xiàn)為東部大于西部，且高頻發(fā)區(qū)亦主要分布在陽曲。

2）太原地區(qū)短時強降水（國家站）周圍30 km內(nèi)的閃電頻數(shù)峰值比10 min降水量峰值提前10～60 min，且閃電峰值（大于等于50次/10 min）后的20 min內(nèi)閃電頻數(shù)陡降其峰值的一半或以上，對預警短時強降水的發(fā)生、發(fā)展有更好的指示意義。

3）太原地區(qū)夏季短時強降水與其前1 h內(nèi)該地區(qū)大于等于100次/h的閃電頻數(shù)高密度區(qū)對應較好，短時強降水落區(qū)主要出現(xiàn)在閃電高密度中心或閃電密度梯度較大的地區(qū)。當太原地區(qū)閃電頻數(shù)大于100次/h時，閃電密度大于等于0.1次/km2·h的閾值對該地區(qū)夏季短時強降水落區(qū)的預警命準率高達94%及以上。

參考文獻：

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