利用ADTD地闪数据对河南省一次雷暴过程的分析

来源:用户上传      作者:杨美荣 刘超

　　摘要选取河南省2018年5月15日一次雷暴天气过程，利用ADTD地闪定位系统以及多普勒天气雷达等资料，分析地闪在该天气过程中的特征、初始地闪发生时的雷达回波特征以及地闪与垂直液态水含量、雷暴顶高的关系。结果表明，地闪在随时间的变化中具有多峰特征，整个雷暴过程中正地闪占总地闪的比例达50.8%;正地闪的突然增加能指示降雹的发生;地閃频数的变化与液态水含量高值区面积的变化趋势较一致;40dBz回波高度与地闪频数的对应关系较好。
　　关键词地闪;雷暴;垂直液态水含量;雷暴顶高
　　中图分类号P458文献标识码A
　　文章编号0517-6611（2020）04-0217-03
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.063
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Analysis of a Thunderstorm Process in Henan Province Using ADTD Ground Flash Data
　　YANG Mei-rong1，LIU Chao2（1.Henan Meteorological Disaster Prevention Technology Center， Zhengzhou，Henan 450000;2.Henan Meteorological Observatory， Zhengzhou，Henan 450000）
　　AbstractWe selected a thunderstorm weather process in Henan Province on May 15， 2018，using the data of ADTD ground lightning location system and Doppler weather radar and other data，the characteristics of ground flash in this weather process，the radar echo characteristics of initial lightning occurrence and the relationship between ground flash and vertical liquid water content and thunderstorm top height were analyzed.The results showed that the ground flashes had multi-peak characteristics in the change with time， and the proportion of positive ground flashes to total ground flashes during the entire thunderstorm process reached 50.8%;the sudden increase in positive ground flash could indicate the occurrence of hailfall; the change of ground flash frequency was more consistent with the change trend of the area of high value area of liquid water content;and the echo height of 40 dBz had a good correlation with ground flash frequency.
　　Key wordsGround flash;Thunderstorms;Vertical liquid water content;Thunderstorm top height
　　雷电（也称为“闪电”）是雷暴天气中发生的一种长距离瞬时放电现象。自然界中1/3左右的雷电会击中地球，被称为地闪。雷电灾害一直是影响河南省以及我国的重要气象灾害，随着经济的发展，雷电灾害的发生频率和危害程度越来越大。关于闪电的研究一直是气象科学研究中比较活跃的分支领域。Soula等[1]、冯桂力等[2]研究发现降雹的雷暴正地闪比例通常较高，降雹阶段恰好对应着正地闪快速增加的阶段。袁铁等[3]研究我国华南一次强飑线过程的闪电活动及其与降水结构的关系发现，对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以很好地指示单体的闪电频数和对流发展强度。张一平等[4]对河南省强雷暴天气过程中雷达回波结构及闪电时空特征进行了细致分析。不仅不同类型强对流天气闪电活动特征不同，不同季节的天气过程也表现出不同的闪电特征。陈涛等[5]分析了我国南方春季中尺度对流系统（MCS）的发生、发展特征，重点探讨了环境条件差异及其对MCS的影响。于庚康等[6]对2次飑线过程进行了分析，认为夏季发生的飑线过程的热力作用更强。除了研究闪电资料对强对流天气的指示作用外，闪电自身的预报也是当前探讨的重要问题。郑栋等[7]分析北京地区雷暴发现，闪电活动与潜在对流性稳定度指数、对流有效位能、抬升指数和700 hPa相当位温具有较强的相关性。Martinez[8]研究14个对流单体在形成初期雷达反射率因子和闪电活动关系发现，要想单体中能够发生闪电，单体回波中40dBz以上回波的顶高必须高于7 km;只发生云闪和将要发生地闪的单体在闪电初始激发高度，以及激发位置的雷达反射率都是不同的。Deierling等[9]研究指出云中起电主要发生-30～-15 ℃温度层;在电荷分离时，每次碰撞转移的电荷量随着冰晶尺度的增大而增加。Vincent等[10]认为在-10 ℃层结高度处40 dBz回波强度是预测初次地闪发生的最佳预测因子。虽然对雷暴天气闪电活动特征的研究已经有很多，但由于闪电物理机制的复杂性，不同地区、不同类型甚至不同季节的雷暴闪电活动都表现出不同的特征，目前尚未获得对雷暴天气闪电特征完全清晰的认识。笔者利用ADTD闪电资料、新一代天气雷达资料对河南省一次雷暴过程进行分析，以期为雷暴的闪电活动特征提供有价值的参考信息。 　　1资料与方法
　　1.1闪电资料该研究所用的地闪资料为河南省ADTD雷电监测定位系统数据，探测的雷电参量为地闪回击过程的时间、位置、放电极性、峰值强度、陡度等信息。标准四站定位网的定位误差在500 m以内，强度相对误差在10%以内，极性判定正确率99.99%，探测效率80%～90%，探测范围平均300 km。地闪一般有多次回击，该研究将闪击数据通过一定算法统计为地闪数据，方法如下：将时间间隔小于1.0 s、水平距离在10 km之内、极性相同的闪击判定为属于一条地闪;地闪的位置取定位站数最多的闪击的位置，如果有多个闪击定位站数一样多，取其平均位置。
　　1.2雷达资料
　　雷达能提供强度、速度和谱宽等信息，是监测中小尺度对流系统最有效的工具。该研究共使用2部多普勒天气雷达数据，分别为郑州雷达（34°42′14″N，113°41′49″E）、商丘雷达（34°24′25″N，115°37′48″E）。为了方便分析闪电与垂直液态水含量的关系，分别计算了液态水含量≥10 kg/km2（下文简称VIL10）和≥30 kg/km2（下文简称VIL30）区域内的液态水总量。
　　2结果与分析
　　2.1雷暴过程2018年5月15日11：36郑州雷达组合反射率图中西华县与商水县交界处开始出现小片回波，回波顶高仅有5 km，云团向东北方向移动，在12：30开始出现55 dBz回波色块，之后快速增强，ADTD于12：46：21观测到第一次地闪，其后继续向东北方向发展，并数次与周边的小块回波合并、加强，发展至商丘市睢阳区路河镇单庄村时（约15：30）其产生的雷电使该村一村民遭雷击死亡。雷暴发展至商丘区段时（约15：50）产生冰雹，然后在商丘地区减弱并消散。此次过程中有10个自动雨量站显示小时降雨量超过20 mm，其中最大小时降雨量为36.3 mm。此次雷暴过程ADTD观测到地闪57次，其中正地闪29次，平均正地闪强度84.76 kA;负地闪次数26次，平均负地闪强度-23.59 kA。
　　2.2闪电特征
　　分析ADTD地闪数据发现（图1），地闪在随时间的变化中具有多峰特征。该雷暴过程中负地闪在15日15：10之前数量上超过正地闪，在15：10—15：30正地闪数量突然增加。统计发现在整个雷暴过程中正地闪占总地闪的比例达50.8%。15：18雷达回波图显示，此时出现了三体散射长钉，这预示着10～30 min会有冰雹降落[11]，结合图1发现15：20正地闪达到峰值。虽然整个雷暴过程闪电数量不多，降雹过程也比较短暂，但其正地闪的变化特征与前人分析的雹暴过程的闪电特征相似[2-3，12]，这说明在较弱的降雹过程中，正地闪的突然增加也能指示降雹的发生。
　　2.3初始地闪的发生云团第一次观测到地闪是在15日12：46，对12：48雷达体扫数据进行剖面分析（图2），发现该时刻云团强回波中心在6 km高度，强度达60 dBz，说明该时刻雷暴的上升运动非常强，能将大冰粒子维持在6 km高度。研究发現，云内电活动的强弱取决于冰相粒子的密度、碰撞、电荷转移和分离等因素，只有上升气流足够强，才能将过冷却水带到高处，凝结或冻结成更多的冰相粒子，同时上升气流对冰晶和霰碰撞、转移电荷量以及冰晶弹开分离等方面均起着积极的作用[13]。
　　2.4地闪与垂直液态水含量的关系
　　闪电和降水关系是近年来被普遍关注的一个科学问题。一方面，对于具有强对流特征的雷暴来说，闪电活动与对流活动强度和云内的冰相过程关系密切，同时对流活动也是雷暴产生强降水的关键原因，因此从雷暴动力和微物理角度来说，闪电和降水之间存在内在联系。雷达产品垂直液态水含量（VIL）是反映云内某一面积内柱体的所有液态水的含量，能把三维的云体信息通过二维的图像直观地表达出来。高VIL值对应于强上升气流的高反射率、深厚区域，且高VIL值与强降水有关[14]。
　　选取10 min内最贴近地闪发生时间的雷达VIL产品，分别计算雷暴范围内VIL≥10 kg/km2（简称VIL10）和≥30kg/km2（简称VIL30）区域内的液态水总量，分析2种液态水含量与地闪频数的关系（图3）。对比VIL10、VIL30发现，VIL30的变化与地闪频数演变的关系较好，峰值谷值均能较好的对应，而VIL10则对地闪的变化没有灵敏的响应。进一步计算相关系数，发现VIL10、VIL30与地闪频数的相关系数分别为0.30和0.72。这与孙自胜等[15]的研究结果一致，他们发现VIL大值区的移动以及VIL大值区面积的变化与地闪频数的整体变化是一致的。
　　2.5地闪与雷暴顶高的关系
　　回波顶高（ET）与闪电发生的关系是比较密切的，回波发展的高度是产生闪电的一个很重要的先决条件，没有发展很高的云顶就没有产生大量冰相粒子的条件和净电荷分离的起电机制，即使在VIL不是很大的地方，如果ET较大也会发生大量的闪电。统计雷暴40 dBz回波的高度（简称ET40）和雷暴25 dBz回波高度（简称ET25）随时间的变化趋势（图4）发现，雷暴顶高与地闪频数在随时间的变化中峰谷值均能对应，特别是当地闪频数达到最高时，ET40突破12 km高度、ET25突破14 km高度，均达到了最高值。计算发现ET40、ET25与地闪频次的相关系数分别为0.68、0.67。ADTD地闪峰值在14：40之前总是滞后于ET40的峰值时间，考虑是因为在云团体积不大、云团重心随高度倾斜不明显的情况下，强上升气流将云体高度推到最高处，但此时雷暴电荷的积累并不是很强，需要上升气流维持一定时间甚至是开始减弱时才有足够的电荷量触发地闪。而在14：50和15：20地闪与雷暴顶高同时达到峰值，是因为云体体积较大，电荷积累已经有了一定的基础并且云体倾斜度相对较高，所以触发地闪相对更容易。结合图1可以发现，15：20正地闪频数达到峰值，而此时ET40达13 km，说明此时雷暴对流活动很强。朱义青等[16]研究表明正地闪的发生需要更强的对流活动。 　　3结论
　　该研究选取河南省2018年5月15日一次雷暴天气过程，利用ADTD地闪定位系统以及多普勒天气雷达资料，分析地闪在该过程的时间分布特征，初始地闪发生时的雷达回波特征以及地闪与降水、垂直液态水含量的关系。结果表明，此次雷暴过程ADTD观测到地闪57次，其中正地闪29次，占总地闪的比例达50.8%;正地闪的突然增加能指示降雹的发生。ADTD第一次观测到云团地闪是在12：46，此时云团强回波中心在6 km高度，强度达60 dBz。VIL10、VIL30与地闪频数的相关系数分别为0.30、0.72;地闪频数的变化与VIL30的变化趋势较一致，与VIL10的相关性较弱。ET40、ET25与地闪频次的相关系数分別为0.68、0.67。雷暴顶高与地闪频次在随时间的变化中峰谷值均能较好的对应，特别是当地闪频数达到最高时，ET40、ET25均达到了峰值。
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