太原夏季短時(shí)強(qiáng)降水與閃電的關(guān)系及應(yīng)用

張澤秀 李夢(mèng)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(shí)降水量及國(guó)家站10 min降水量，分析短時(shí)強(qiáng)降水日的閃電特征，并將短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)與前1 h的閃電密度進(jìn)行空間疊加。結(jié)果表明，短時(shí)強(qiáng)降水日閃電以負(fù)閃為主。負(fù)閃密度遠(yuǎn)大于正閃密度，且有明顯的空間差異，負(fù)閃密度中心主要位于尖草坪北部和陽(yáng)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(duì)短時(shí)強(qiáng)降水有更好的指示作用。短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)與前1 h的閃電高密度區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且大多分布在閃電密度梯度相對(duì)較大的地區(qū)。當(dāng)太原地區(qū)閃電頻數(shù)大于100次/h時(shí)，閃電密度大于等于0.1次/km2·h對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)警命準(zhǔn)率較高。

關(guān)鍵詞：短時(shí)強(qiáng)降水；閃電特征；閃電密度；閃電密度指標(biāo)；閃電頻數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P332.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(qiáng)對(duì)流天氣緊密聯(lián)系，研究強(qiáng)對(duì)流天氣的閃電特征對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣有很好的指示意義[1]。支樹(shù)林等[2]、薛秋芳等[3]發(fā)現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的地閃活動(dòng)以負(fù)地閃占多數(shù)，其平均電流強(qiáng)度略低于正地閃。周成等[4]分析了山東不同天氣類(lèi)型短時(shí)強(qiáng)降水與地閃特征得出地閃頻數(shù)峰值對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)有一定指示意義。鐘敏等[5]則認(rèn)為以降水為主的強(qiáng)對(duì)流天氣閃電頻數(shù)較多，其10 min云地閃頻數(shù)過(guò)程最大值在50次以上，云地閃與雷達(dá)強(qiáng)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(cè)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(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，目前關(guān)于該地區(qū)閃電與短時(shí)強(qiáng)降水的研究尚不多見(jiàn)。因此，基于2017—2021年三維閃電定位監(jiān)測(cè)網(wǎng)的閃電資料，研究太原地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水日的閃電特征及二者的關(guān)系，為太原地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

1 ?資料與方法

1.1 ?資料來(lái)源及處理

所用數(shù)據(jù)為太原地區(qū)2017—2021年夏季逐小時(shí)降水量和國(guó)家站10 min降水量。閃電數(shù)據(jù)來(lái)自太原地區(qū)三維閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能得到閃電發(fā)生的時(shí)間、位置、云閃高度、電流強(qiáng)度及極性等主要參數(shù)。其對(duì)云閃的記錄是每次輻射點(diǎn)放電的位置和時(shí)間，對(duì)地閃記錄了所有回?fù)舻男畔?，因此需要?duì)三維閃電定位資料進(jìn)行識(shí)別（表1），以確保閃電數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)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(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

1.2 ?研究方法

國(guó)家站或區(qū)域站一日中有1站或以上出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水（降水量大于等于20 mm/h）記為一個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日，據(jù)此篩選了87個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水日。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析等方法得出短時(shí)強(qiáng)降水日閃電的極性、頻數(shù)、密度特征，分析了出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的國(guó)家站周?chē)?0 km的閃電頻數(shù)與其10 min降水量的時(shí)間關(guān)系。將短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)與前1 h的閃電密度做空間疊加對(duì)比分析。

2 ?短時(shí)強(qiáng)降水日的閃電特征

2.1 ?閃電極性

短時(shí)強(qiáng)降水是由其上空具有一定尺度的中尺度云團(tuán)造成的，不同云團(tuán)的閃電極性表現(xiàn)不同。由2017—2021年短時(shí)強(qiáng)降水日閃電極性特征（表2）可知，短時(shí)強(qiáng)降水日閃電以負(fù)閃為主，占5年總閃的88.9%，各年負(fù)閃占年閃的比例均在70%以上，其中2018年負(fù)閃占比最大，為96.5%，2021年負(fù)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(fù)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(shí)強(qiáng)降水日的年均負(fù)閃密度具有明顯的空間差異，負(fù)閃高密度區(qū)主要分布在尖草坪區(qū)、陽(yáng)曲縣、古交市，該區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)年均負(fù)閃密度為1次/km2·a以上，其負(fù)閃高密度中心位于尖草坪區(qū)北部和陽(yáng)曲南部，高達(dá)2.5次/km2·a以上，其次是古交市南部，年均負(fù)閃密度中心為2次/km2·a以上。年均負(fù)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(shí)強(qiáng)降水日年平均正閃密度遠(yuǎn)小于負(fù)閃密度，且東部大于西部，其中高密度區(qū)主要分布在陽(yáng)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(shí)強(qiáng)降水中的10 min降水量間的時(shí)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(shí)強(qiáng)降水的國(guó)家站周?chē)?0 km區(qū)域內(nèi)的閃電頻數(shù)及其10 min降水量的時(shí)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(yáng)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(kāi)始出現(xiàn)到15：40達(dá)到峰值，其閃電峰值比降水峰值提前了50 min。陽(yáng)曲站（圖1（d））閃電在22：10達(dá)到第一個(gè)波峰（88次）隨后下降，再到23：00達(dá)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(gè)波峰，到23：20達(dá)到第二個(gè)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(dá)到峰值（88次），到17：10陡降至36次；10 min降水量到17：50達(dá)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(shí)閃電頻數(shù)峰值達(dá)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(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展。

4 ?閃電密度與短時(shí)強(qiáng)降水空間關(guān)系

在統(tǒng)計(jì)短時(shí)強(qiáng)降水日閃電頻數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，為揭示強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水日（20個(gè)）為例，重點(diǎn)分析短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)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(shí)強(qiáng)降水與閃電密度的空間關(guān)系，在對(duì)流發(fā)展初期閃電密度較?。?2時(shí)）時(shí)，其中心值僅大于0.7次/km2·h，有1個(gè)區(qū)域站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，降水量為22.6 mm/h；隨著閃電密度的增加（13時(shí)），短時(shí)強(qiáng)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(duì)流發(fā)展旺盛階段（14時(shí)），閃電高密度區(qū)范圍加大且成片分布，短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)也明顯增多，且二者有很好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。到15時(shí)太原東部閃電密度減小到0.1次/km2·h，短時(shí)強(qiáng)降水也隨之結(jié)束。同時(shí)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(dá)6次/km2·h，該區(qū)域有8站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，且均分布在大于0.1次/km2·h的區(qū)域中?？梢?jiàn)短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，對(duì)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(shí)強(qiáng)降水個(gè)例（表3）發(fā)現(xiàn)，有23.4%的強(qiáng)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(duì)流較弱有關(guān)。有76.6%的強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水預(yù)警中的應(yīng)用

綜上分析，當(dāng)太原地區(qū)出現(xiàn)100次/h的閃電時(shí)，將閃電密度大于等于0.1次/km2·h作為短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)警指標(biāo)之一應(yīng)用到預(yù)警該地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)的業(yè)務(wù)中，并對(duì)其命準(zhǔn)率（命準(zhǔn)率=指標(biāo)閃電密度區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)N1/太原地區(qū)出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)N×100%[6]）做出檢驗(yàn)。

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(shí)強(qiáng)降水個(gè)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(shí)強(qiáng)降水站與閃電密度的對(duì)比檢驗(yàn)見(jiàn)表4。2019年7月28日19：00—20：00有4站短時(shí)強(qiáng)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(zhǔn)率達(dá)到100%；20：00—21：00陽(yáng)曲縣大于0.1次/km2·h的閃電高密度區(qū)快速加大，短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)亦增加15站，此時(shí)太原地區(qū)內(nèi)有16站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，其命準(zhǔn)率達(dá)到94%；21：00—22：00閃電高密度區(qū)范圍減少，短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)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(zhǔn)率達(dá)到100%。2019年8月1日17：00—18：00出現(xiàn)的4站短時(shí)強(qiáng)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(zhǔn)率達(dá)到100%。同時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)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(yàn)證。

表4 ?短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)警準(zhǔn)確率

6 ?結(jié)論

1）太原地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水日中閃電以負(fù)閃為主，負(fù)閃密度遠(yuǎn)大于正閃密度。負(fù)閃高密度中心主要分布在陽(yáng)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(yáng)曲。

2）太原地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水（國(guó)家站）周?chē)?0 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(duì)預(yù)警短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(duì)應(yīng)較好，短時(shí)強(qiáng)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(dāng)太原地區(qū)閃電頻數(shù)大于100次/h時(shí)，閃電密度大于等于0.1次/km2·h的閾值對(duì)該地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)的預(yù)警命準(zhǔn)率高達(dá)94%及以上。

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