夏季雷州半岛强降水雨滴谱个例分析及降水与闪电相关性统计分析

张舒婷,牛生杰,林文,张羽,徐峰

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;2.福建省气象局,福建 福州 350001;3.湛江市气象局,广东 湛江 524001;4.广东海洋大学,广东 湛江 524009)

夏季雷州半岛强降水雨滴谱个例分析及降水与闪电相关性统计分析

张舒婷1,牛生杰1,林文2,张羽3,徐峰4

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;2.福建省气象局,福建 福州 350001;3.湛江市气象局,广东 湛江 524001;4.广东海洋大学,广东 湛江 524009)

利用2007年8月在雷州半岛观测雷暴获得的雨滴谱和地闪资料,重点分析了8月6日遂溪、湛江一次雷暴云降水个例的雨滴谱特征,对闪电特征与降水的相关性进行了统计分析。结果表明,遂溪站的雨滴谱谱型多为双峰或多峰型,而湛江站的雨滴谱谱型多呈单峰型分布;平均雨滴谱符合Gamma分布;雨强I>10 mm/h时发生地闪的频率较高,且发生地闪频率随着距测站的距离减少而增加;随着雨强的增大发生正地闪的概率明显增加;降水过程中的闪电频率和距离校准后闪电电流强度的相关性表明,地闪发生的距离越近,频率越高对应雨滴谱谱宽越宽和降水强度越大。

雨滴谱分布;雷暴云降水;闪电频率

0 引言

雷暴是一种中小尺度天气现象,常伴有强烈的闪电以及大风和暴雨,甚至出现冰雹和龙卷风等灾害天气(牛生杰,2012)。闪电和降水属于同一个雷暴的两种不同现象,必然具有一定的时空对应关系。当雷暴过程具有较大的雷达反射率时,其往往也具有较大的地闪频率,深对流雷暴产生的强降水,其发展趋势与地闪活动的变化具有一定程度的一致性(Vonnegut,1963)。闪电活动发生的前提是对流运动,而对流运动所导致对流性降水往往是暖季对流系统降水的主体,其强度和累积降水量都较大,是产生灾害的主要降水类型(郑栋,2008)。具有强起电的闪电活动对应了雷暴中高层具有很强的冰相增长过程,而这些过程将加速和加强降水的发生(Willams et al.,1989)。运用模式模拟强对流系统,减弱相对湿度初始场扰动会减弱强对流天气的形成发展(Liu and Niu,2009),高CCN浓度会抑制强天气过程的发展(Liu and Niu,2010)。闪电和强降水具有一定阶段上相同的动力和微物理过程,这是两者关系分析的一个重要理论基础。研究闪电与降水的关系,一个重要的目的就是利用闪电活动来预警降水量和指示降水的空间分布。

随着闪电探测技术的不断发展、探测水平的不断提高、闪电监测网的不断完善以及雨量站密度的加大,国内外开展了许多有关闪电与降水的研究。闪电活动季节性特征非常明显,主要集中在春末仲夏发生,呈现单峰值特征,4—8月是闪电高发期(王义耕等,2010)。地面强降雨区的位置与最强降雨的核心区相一致,正、负极性的地闪分布往往存在差异,可能对应不同的降水区(Soula et al.,1998),对流区的地闪主要是负极性的,整个雷暴的过程中，正地闪的频率都要远小于负地闪频率(Holle et al.,1994)。一般的中纬度暖季雷暴中,主要的地闪是负极性的,其占总地闪的比例一般在90%左右(Orville and Silver,1997)。在对江苏省区域闪电分布特征的研究标明,四个季节中负地闪均多于正地闪(郦嘉诚等,2012)。利用闪电推测的降雨空间分布与由雷达反射率反演的结果有非常好的一致性(Tapia et al.,1998)。24 h累积降水量与云—地闪活动之间存在很好的相关性,但不是线性关系(Ezcurra et al.,2002)。对云—地闪活动与对流性降水之间的相关性分析做了许多工作。利用地闪资料与雷达、降水及探空资料的对比分析,发现闪电与对流性降水存在着较好的相关关系,闪电发生高密度区位于降水中心前缘,闪电频率突然增大时较强降水出现超前1 h(纪晓玲等,2010),但这一复杂的天气现象在局地性强雷暴降雨天气中,降雨率峰值与闪电活动峰值关系有超前也有略滞后的情况(沈永海等,2010)。在针对某个地区的研究中,地闪数目可用来对对流性降水量进行估算,并得出了平均雨强与对应时段内的地闪频率之间的关系式(周筠君等,1999,2003;苗爱梅等,2008)。

近年来,地面降水的观测手段日益先进,对雨滴谱的观测更加细致精确,雨滴谱分布在很多气象应用中是关键因素,包括雨滴对微波传输的衰减,降水对土壤的侵蚀,反演雷达和其他遥感设备探测的降水特征。云模式中要求对雨滴谱有深入的认识,以更好地理解降水机制,同时云尺度和中尺度参数化方案也对雨滴谱特征的研究提出要求。有学者对雨滴谱进行统计学方面的计算得到了著名的逆指数函数M-P函数分布拟合,而热带地区暖云降水过程的雨滴谱并不符合逆指数函数(Blanchard,1953),对流云降水与层状云降水的雨滴谱分布都比较符合Gamma分布(Niu et al.,2010),热带对流云降水的雨滴谱分布比层状云降水雨滴谱分布更陡(Tokay and Short,1996)。雨滴谱有时具有很高的小滴和中滴数浓度,在一些个例中最大的雨滴直径仅为4 mm,而非普遍认为的大滴占主体的雨滴谱特征(Tokay et al.,2008)。

为提高对雷暴降水过程的认识,本文以遂溪和湛江两个观测站数据为基础,分析雷州半岛盛夏闪电活动与降水特征及其联系,为雷州半岛的降水预报提供参考依据。

1 资料来源

雷州半岛地处广东省西南部,是广东省闪电发生频率最多的地区。夏季,雷州半岛高空为稳定的东风控制,中、低空受西南季风影响,主要是热带气旋和热带辐合带等热带天气系统的直接影响而产生降水,个别情况下也存在锋面低槽产生降水的可能。由于雷州半岛独特的自然环境和地形条件,促使此区域的暴雨天气系统十分强烈而复杂,中小尺度天气系统异常活跃。

本次观测过程中,测量雨滴谱的仪器使用德国OTT公司生产的Parsivel激光雨滴谱仪(Niu et al.,2010);地闪探测使用广东省地闪观测系统(赵丽娟等,2009)收集地闪资料。

2 分析与讨论

2.1 8月6日强雷暴降水过程概述

2007年8月6日08:00(北京时间，下同)高度场的分析中,雷州半岛受热带天气气旋“帕布”外围云带和热带辐合带共同影响(图1),产生连续性降水。500 hPa上处于弱副高边缘,850 hPa为南海南部的热带辐合带控制,其上有热带低压活动,雷州半岛受偏南风场影响,地面受大陆弱低槽控制,南海南部的热带低压缓慢加强。8月6日11:00起,湛江和遂溪分别位于同一云团附近,湛江距离对流中心较远,本次降水过程持续到15:20对流中心开始消散,将近4 h的雷暴云降水过程中,累积降水量为16.4 mm,产生闪电2 943次。

图1 2007年8月6日强雷暴降水过程中天气形势 a.地面;b.850 hPa;c.500 hPaFig.1 Weather condition during the thunderstorm on 6 August 2007 a.surface field;b.850 hPa;c.500 hPa

2.2 强雷暴降水雨滴谱个例分析

8月6日,湛江东南洋面形成积云,向西北方向移动,经过湛江和遂溪,当积云通过两个城市之间的山地区域由于上升气流抬升使作用其发展为一个雷暴云团。图2a、b分别表示了遂溪和湛江的雨滴谱随时间的变化特征。

遂溪站的雨滴谱谱型多表现为双峰或多峰型。这一区域雨滴谱从13:10到13:50的时间段内,随着雨强的增大,大滴数浓度增多,峰值向大滴一端偏移。而湛江站的雨滴谱谱型多呈单峰型分布,只在雨强最大的时候出现双峰型滴谱。因为大雨滴对雨强的贡献更大,因而大雨滴的增加导致了雨强的明显增强。

强的低层风场辐合抬升作用和高层风场辐散抽吸作用致使产生强烈的上升运动(张羽等,2010)。雷达资料上反映出了两地的差异,遂溪的雷达最大回波值为53 dBz,而湛江的雷达最大回波值仅为48 dBz,这说明遂溪站上空的积云中大滴数比湛江站的要多,而导致这一现象的原因可能是遂溪站附近的上升气流强度比湛江站的上升气流强度要大。不同的上升气流强度会使云内的粒子尺度不一样,强的上升气流可以带动云滴向上运动的距离更多,通过碰并作用捕获到的小滴更多从而云滴可以生长得更大。因此,积云中雨滴尺度不同是由于雷暴过程中上升气流强度不同导致的。

图2 8月6日遂溪(a)和湛江(b)的雨滴谱分布特征Fig.2 Raindrop size distribution at (a)Suixi and (b)Zhanjiang on 6 August

本文中雨强I(单位:mm/h)由雨滴谱仪测量,公式为:

(1)

其中:N为雨滴数浓度;di为每档等效直径;v为雨滴下落末速度;wi为每档宽度。

根据雨滴谱资料求出的平均谱分布(图3),按照雨强分为7个级别,雨强越大,大滴数密度越多,谱宽越宽。

图3 8月6日雷暴云降水过程平均雨滴谱分布Fig.3 Average concentration spectra of the thunderstorm process on 6 August

图4中给出了描述正态分布的两个统计量,偏度偏离系数Cs和峰度偏离系数Ck,如果Cs与Ck相等,说明统计量服从Gamma分布。由图4可知,本次过程的雨滴谱计算出的Cs、Ck,两者的散点分布在Cs=Ck的直线附近,由此,通过雨滴谱的分析表明,本次受热带气旋影响的雷暴云降水过程的雨滴谱分布很好的符合了Gamma分布。

图4 Gamma分布特征参量Fig.4 Parameters of the Gamma distribution

2.3 雨强与地闪的相关性

对遂溪8月的17 809个样本,湛江11 271个样本的统计分析,14:00—16:00为地闪高发时段。首先分析雨强与地闪的相关关系。选取雨强大于0.1 mm/h的降水资料,n代表每小时的地闪频次。图5说明了在不同雨强下每小时单位面积中发生的地闪次数:当雨强(I>10 mm/h)在100 km测量范围内,雨强高比雨强低的情况发生地闪的频率更高,在其他更小的范围也表现出相同的规律。在雨强低于10 mm/h的降水过程中,地闪的频率不会随距离的减小而增加。对于雨强在2.5～10 mm/h范围的降水过程中,20 km内地闪发生频率仅为0.001 9次/(h·km2),而在雨强大于10 mm/h时刻达到0.004 3次/(h·km2)。对比不同的观测距离,雨强大于10 mm/h的过程地闪频率在近距离(半径<20 km)发生的频率大大高于其他距离。同样的,负地闪频率在小于20 km范围内可达到0.003次/(h·km2),正地闪在此距离范围内发生的频率也远高于其他范围。同时,在大多数的降水过程中,负地闪发生的频率都比正地闪高很多。

图5 地闪频率统计结果(单位:10-3次·h-1·km-2) a.总地闪;b.负地闪;c.正地闪Fig.5 Statistical results of lightning frequency a.total cloud-ground lightning frequency;b.negative cloud-ground lightning frequency;c.positive cloud-ground lightning frequency

分析不同类型地闪在20 km范围内对雨强的影响,计算102 h降水量正地闪和负地闪频率的发生概率,计算结果如下(表1):在雨强低于2.5 mm/h的降水过程中负地闪和正地闪频率的发生概率分别为20.3%和8.5%。当雨强增大到2.5～10 mm/h的时候,负地闪和正地闪频率的发生概率分别为31.0%和17.2%。而当雨强大于10 mm/h的过程中负地闪和正地闪频率的发生概率分别提高为35.7%和50.0%。因此,在20 km范围内,负地闪和正地闪频率发生概率是随着雨强的增大显著增大的。另外,很明显的一个特征是在雨强大于10 mm/h的降水过程中,正地闪频率发生概率会超过负地闪频率发生概率。

表1地闪频率的发生概率
Table 1 Probability of cloud-ground lightning frequency

雨强/(mm·h-1)负地闪频率的发生概率/%正地闪频率的发生概率/%I≤2.520.38.52.51035.750.0

根据上述分析表明,在短距离内雨强与闪电发生频率具有良好的相关性。同时高频率的正地闪更容易发生在雨强大的过程中。

3 雨滴谱谱型与地闪的相关性

使用雨滴谱10 min平均值来分析闪电频率和雨滴谱之间的相关性。上述分析结果表明探测距离对地闪和雨强的相关性有一定的影响,两者在短探测距离(20 km)范围内的相关性最好,因此,选择20 km内的地闪数据,地闪频率进行每10 min一次的累加。表2为地闪频率统计结果。

表2不同地闪频率下雨滴谱谱型的统计结果

Table 2 Statistical result of raindrop spectra at different cloud-ground lightning frequencies

每10min的地闪次数4种不同谱型的雨滴谱所占比例/%指数型单峰性双峰型多峰型直径范围/mm>20565301.875～131～20335981.375～9.5014451551.1875～6.5

表2中的统计结果表明单峰型谱型在没有闪电的过程中占45%,接下来是双峰型滴谱占15%。当每10 min的地闪次数为1次或2次时,雨滴谱的谱型以双峰型为主,同时没有指数型的谱型出现。在每10 min地闪次数大于2次时,双峰型和多峰型谱型增多,分别达到65%和30%,因此,随着地闪次数的增多,双峰型和多峰型滴谱出现的概率也增大。另外,通过分析不同地闪频率的最大直径分布,发现雨滴谱的最大直径也随地闪数目增加而增大。当地闪频率为零时,最大的直径仅有6.5 mm,而当地闪频率大于每10 min 2次的时候,最大直径增加到10 mm。

图6 遂溪闪电数据统计 a.闪电频率;b.闪电电流强度修正值Fig.6 Data of lightning at Suixi a.lightning frequency;b.corrected lightning current intensity

闪电电流强度是由于云和地表的电压不同导致的,用闪电电流强度来分析地闪和雨滴谱的相关性。在8月6日降水个例中,遂溪站探测范围在100 km以内探测到的正地闪的电流强度为16～24 kA,负地闪电流强度范围为-9～-121 kA。湛江站探测范围在100 km以内探测到的正地闪的电流强度为18～39 kA,负地闪电流强度范围为-6～-121 kA。两站的探测结果十分匹配,因此认为是同一个雷暴云对两站产生的影响。由于闪电电流强度反映的环境电场并不是发生在测站上空的,因此仅用闪电电流强度并不是一个很好的指示因子。定义一个新的量,闪电电流强度距离修正值(distance-normalized current intensity,DNCI),DNCI定义为闪电电流强度除以站点到闪电发生处的距离。

结合图2a和图2b分别表示遂溪和湛江雨滴谱随时间的变化特征。就如之前分析的雨滴谱谱型与地闪频率的相关性一样,13:30闪电发生后,DNCI值增大,大雨滴突然增多。两个观测站其他多个时刻也都出现了同样的特征。上述分析表明高的闪电频率或高电流强度都会导致大雨滴的出现,进而使雨强增大。

从图6和图7中分析,可以看出地闪和雨强有一定的相关性。遂溪站的DNCI高于湛江站的DNCI值。在距离测站50 km的范围出现闪电时,雨强在遂溪的变化比湛江更剧烈。14:30—15:30是降水较弱的阶段,雨强出现一些小的峰值,同时50 km范围有电流强度小的闪电出现。从图6a和图7a中发现13:00后距离遂溪20 km的范围出现闪电,而此时湛江附近并没有出现闪电。考虑到两个站点之间的距离,推测从13:10—13:50的过程中闪电发生在遂溪附近而湛江附近没有发生闪电活动,同时遂溪附近的DNCI值也显著增大,对应遂溪附近的雨强变化也增大。对比50 km范围内的情况,雨强变化没有距离近的区域变化明显。因此,越靠近站点发生的闪电对雨强变化影响也越大。

图7 湛江闪电数据统计 a.闪电频率;b.闪电电流强度修正值Fig.7 Data of lightning at Zhanjiang a.lightning frequency;b.corrected lightning current intensity

另外,雨滴谱特征与环境电场是相关的。雷暴云是很强的带电云团,不同的环境电场和不同起电机制,会对雨滴造成不同的影响。强电场中带电小滴的碰并效率比弱电场中同样大小的小滴可高出100倍。在新生成的云中电场强度较弱,因此通过碰并机制促进早期雨滴谱发展的作用不明显。这也可以解释湛江附近刚开始探测到雷暴云时地闪和雨强之间相关性不好的原因。除了增加碰并效率,电场充电机制也会增加云滴碰撞时的接触面积,这也会导致闪电频率和强度的增大。另一方面,地面观测到的降水粒子所带电荷不仅来自云中原始电场所给与的电量,也来自下落过程中所经途径与空气中的离子碰撞所获得的电荷(Pruppacher and Klett,1997)。因此,云中和地面电场之间的震荡变化同时控制着雨滴的运动。环境电场的变化从雨强的变化也能够反映出来(葛正漠和董万胜,1996),同时在发生闪电或闪电频率增大后雨滴谱随之拓宽也有所反映。环境电场这样的变化也使得强降雨过程中正地闪发生的概率明显增加。

4 结论

1)雨滴谱谱型有一定的差异,具体表现为遂溪站的雨滴谱谱型多为双峰或多峰型,而湛江站的雨滴谱谱型多呈单峰型分布,但两站的平均雨滴谱均符合Gamma分布。

2)雨强I>10 mm/h时发生地闪的频率较高,且发生地闪频率随着距测站的距离减少而增加,随着雨强的增大发生正地闪的概率明显增加。

3)降水过程中的闪电频率和距离校准后闪电电流强度的相关性表明,地闪发生的距离越近,频率越高对应的雨滴谱谱宽越宽,降水强度越大。

闪电发生频率对降水的影响主要是由于强的上升运动,另外,这样的联系可能是由于环境电场的影响所致,这在未来的工作中需要继续分析研究。

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(责任编辑：张福颖)

TheraindropsizedistributionofathunderstormeventandtherelationshipbetweenprecipitationandlightningoverLeizhouPeninsulainsummer

ZHANG Shu-ting1,NIU Sheng-jie1,LIN Wen2,ZHANG Yu3,XU Feng4

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Fujian Meteorological Bureau,Fuzhou 350001,China;3.Zhanjiang Meteorological Bureau,Zhanjiang 524001,China;4.Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524009,China)

Based on the data of raindrop size distributions(RSDs) and lightening over the Leizhou peninsula in August 2007,this paper analyzed the(RSDs) of a thunderstorm at Suixi and Zhanjiang on 6 August 2007 and the relationship between lightening and precipitation.The results showed that the RSDs were mostly bi-peak or multi-peak spectra at Suixi while they were mainly single-peak spectra at Zhanjiang.The spectra were all fitted with Gamma distribution.The lightning strokes were higher in heavy rain(I>10 mm/h) than in the precipitation with lower rain rate.The strokes of lightning also increased when it got closer to the station in heavy rain(I>10 mm/h).The positive ground flash frequency rose obviously with increasing rain rates.The relationship between lightning frequency and distance-normalized current intensity in the precipitation suggested that a higher occurrence frequency of cloud-ground(CG) lightning in shorter distance was associated with broader raindrop size spectrum and higher rain rates.

raindrop size distribution;thunderstorm;lightning frequency

2013-11-26;改回日期2014-12-05

国家自然科学基金资助项目(41375138;41271515);江苏高校优势学科建设工程资助项目;江苏省普通高校研究生科技创新计划(CXZZ13-0514)

牛生杰,教授,博士生导师,研究方向为云雾降水物理学与人工影响天气,niusj@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131126001.

1674-7097(2014)04-0476-08

P461.2;P435

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131126001

张舒婷,牛生杰,林文，等.2014.夏季雷州半岛强降水雨滴谱个例分析及降水与闪电相关性统计分析[J].大气科学学报,37(4):476-483.

Zhang Shu-ting,Niu Sheng-jie,Lin Wen,et al.2014.The raindrop size distribution of a thunderstorm event and the relationship between precipitation and lightning over Leizhou Peninsula in summer[J].Trans Atmos Sci,37(4):476-483.(in Chinese)