一次飑线过程的闪电活动与雷达回波特征

王力艳，车向辉（.绥化市气象局，黑龙江绥化5000；.海伦市气象局，黑龙江海伦5300）



一次飑线过程的闪电活动与雷达回波特征

王力艳1，车向辉2
（1.绥化市气象局，黑龙江绥化152000；2.海伦市气象局，黑龙江海伦152300）

摘要：本文通过地闪资料以及雷达回波资料，对2012年7月1日黑龙江省中西部地区产生的一次飑线过程进行了地闪时空分布分析和闪电特征性分析，并结合雷达回波资料，研究此次过程的闪电频数与雷达回波之间的关系。结果表明：此次过程受冷涡系统南移影响，在锋面上触发强对流天气，共出现地闪2404次，其中正地闪为1258次，负地闪为1146次，正地闪的频数超过了负地闪，占总地闪的52.3%。地闪主要出现在大于30 dBZ的雷达回波内，在40 dBZ以上的强回波中心最为密集，且地闪密集区并没有发生在雷达回波最强盛的时期，而是紧随其后。

关键词：飑线；地闪；雷达回波

1　引言

飑线是一种中尺度系统，是由许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的强对流云带［1］。它不仅常产生强烈的降水、破坏性大风和冰雹等严重的天气灾害，而且还伴有强烈的闪电，造成雷击灾害，破坏高压输电线、诱发森林火灾、影响现代通讯和计算机的广泛应用，造成飞行事故、干扰导弹和火箭的发射、破坏建筑物、造成人畜伤亡等［2］，给当地的工农业生产和人们的生活带来严重的损失［3］，特别是随着现代高科技的发展及其广泛应用于各个领域，所造成的损失更加重大。

近年来，国内外利用闪电定位系统、多普勒雷达产品以及红外卫星云图等资料对飑线等强对流天气做了大量的观测。陈哲彰［4］指出暴雨过程地闪频率很高，但正地闪所占比率很小；冰雹大风天气的地闪频率很低，正地闪所占比率很大。Holle等［5］对4个中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，简称MCS）地闪分布的研究发现，风暴生成后几个小时出现地闪频数的峰值，在成熟阶段正地闪比例增加，在消散阶段负地闪频数急剧下降。还有一些研究发现地闪极性分布和雷暴的强度之间存在密切的关系，那就是雷暴中正地闪活跃的地区，通常伴有龙卷和冰雹、灾害性大风等强对流天气，这已经引起了气象工作者深入研究正地闪的兴趣。

本文对2012年7月1日黑龙江省中西部地区产生的一次飑线过程进行了地闪资料、雷达回波资料的集合分析，探讨雷达资料数据与闪电活动之间的特征相关性，促进闪电资料在强对流灾害性天气的监测和预警中的应用。

2　资料概述及天气背景分析

2.1黑龙江省2012年气象概况

黑龙江省是中国最东北的省份，属温带大陆性季风气候，冬季长而寒冷，夏季短而凉爽，南北温差大，北部甚至长冬无夏。2012年全省平均年降水量为619.3 mm，比常年偏多18%，冬季特少，春、夏季正常，秋季特多。全省年平均气温为2.5℃，比常年偏低0.5℃，冬季偏低，春季正常，夏季偏高，秋季略高。平均年日照时数为2340 h，比常年偏少175 h。2012年气象灾害较为频繁，主要包括：后冬异常低温少雪、暴雨洪涝、东部干旱、台风北上、埋汰秋、风雹、暴雪等。

2.2天气过程及影响

2012年7月1日，在黑龙江省中西部地区产生一次较大范围的降水过程，受飑线影响，绥化部分地区出现短时强降水，暴雨过程中雷电不断。17-23时，20个乡镇雨量站6 h降水合量在50 mm以上，超过了“暴雨”定义中的24 h内降雨量40 mm的警戒线，其中青冈县永丰镇最大，为135 mm，其主要降水时段在18-21时，3 h降水量达到120 mm。降水强度较大的区域呈东北-西南向带状分布，整体向偏东方向移动，18-19时降水强度最大，青冈县永丰镇降水达84 mm。此次过程降水强度大，影响范围广，强降水区与飑线对应呈带状分布，农作物受灾总面积57865亩，其中明水地块1715亩，受风灾倒伏面积35000亩，受雹灾面积21150亩，损毁桥梁3座，房屋倒塌1间。据估算，经济损失1450万元。

2.3资料概述

2.3.1闪电定位资料的来源

闪电定位系统主要对闪电发生的时间、强度、位置进行监测和定位，一般通过对闪电中声、光或电磁脉冲等［6-7］的测定进行遥测闪电回击放电参数，并把经过预处理的闪电数据实时地通过通讯系统送到中心数据处理站实时进行交汇处理。本文闪电资料来自于黑龙江省气象部门的ADTD闪电定位系统。该系统由21个探测子站组成，单站的探测范围约为150 km，系统采用时差和方位混合多站综合定位方法，主要探测的是云地闪电，定位误差在1000 m以内。每个闪电资料包括的信息有时间、位置、性质、强度、陡度、能量等参数。

2.3.2雷达资料的来源

雷达资料来源于黑龙江省气象部门设立的多普勒气象雷达系统，该系统主要有8个站点，分别为大兴安岭、黑河、佳木斯、哈尔滨、伊春、牡丹江、齐齐哈尔、九三农场，24小时全天候运转，每6 min完成一次体积扫描。新一代天气雷达具有高增益（放大量）、高发射频率、高接收灵敏度、高分辨率、探测距离远等众多优越性［8］。

3　地闪资料分析

3.1地闪时间分布

黑龙江省中西部地区于2012年7月1日17-23时发生了一次受飑线过程影响的强降水天气。根据闪电定位系统显示，此次过程共出现地闪2404次，其中正地闪为1258次，负地闪为1146次，正地闪的频数超过了负地闪，占总地闪的52.3%。由图1可知，此次飑线过程的地闪变化主要分为4个阶段，每个阶段都出现峰值。地闪总频数达到2404次，且出现正地闪频数多于负地闪的情况。

第一阶段：17时-18时30分。地闪在飑线过程刚刚开始时频数较大，但10 min之内闪电频数直线下降，在17时50分-18时闪电频数出现一次较小的峰值，即10 min闪电频数为71次，但17时10分-18 时30分总体地闪频数和强度均处于相对稳定的阶段。

第二阶段：18时30分-20时10分。地闪频数出现陡增的现象，在19时20分-19时30分之间闪电频数为141，达到整个雷暴过程的峰值。这一阶段地闪总数为1075次，占整个过程地闪总数的42.3%，地闪频数平均达到了10.8次/min。

第三阶段：20时10分-21时50分。此阶段地闪频数较前一阶段迅速降低，并呈现多峰值现象。先后出现四次地闪频数峰值，但总体地闪频数和强度均处于相对稳定的阶段。此阶段每分钟地闪数目平均为7.2次。

第四阶段：21时50分-23时。同第三阶段相比较，虽然都呈多峰值现象，但总体频数与强度略有降低，平均每分钟地闪数目为3.6次。

图1　2012年7月1日17-23时每10 min黑龙江省闪电频数变化情况

3.2地闪空间分布

此次雷暴过程的地闪密集区域总体自黑龙江省西南部向中部移动。17-18时地闪数目较多，闪电密集区主要分布在黑龙江省西部地区（绥化、大庆），北部地区（大兴安岭、黑河）地闪分布稀疏。正地闪数目小于负地闪。18-19时地闪数目明显增加，并且地闪总数和地闪密度也达到了峰值时段。闪电密集区主要出现在绥化和大庆两个地区，此时段闪电落区已逐渐向中部移动。19-20时地闪数目略有减少，闪电密集区几乎全部覆盖绥化市，且正地闪数目稍有增加。20-21时地闪数目继续降低，闪电落区逐渐向绥化北部移动，此时段正地闪数目大于负地闪数目。21时之后地闪数目明显减少，但主要密集区依旧是绥化市，正地闪频数依旧大于负地闪频数，但相对21时数目明显减少。22-23时绥化地区闪电落区分散，无主要密集区，但哈尔滨市相对之前闪电频数稍有增加，且出现闪电密集区。

3.3正、负地闪对比特征分析

此次飑线过程中，正地闪略多于负地闪。17-20时，负地闪占地闪总数的百分比均保持在50%以上，此时正地闪所占比例小于负地闪。但是在20-23时，负地闪所占地闪总数的百分比都保持在 50%以下，其中20-21时，负地闪所占地闪总数比例仅为35%。此次飑线过程中负地闪最大强度大于正地闪的最大强度，但是负地闪平均电流强度为-40.01 kA，正地闪平均电流强度为45.28 kA，数值上正地闪的平均电流强度相对较大。雷暴初生和消散阶段正负地闪最大电流强度都呈上升趋势，雷暴成熟阶段正负地闪的最大电流强度变化略有一致。初生阶段正地闪最大电流强度为 229.5 kA，此阶段负地闪最大电流强度低于正地闪。进入成熟阶段之后，二者表现出同增同减的特征，且负地闪最大电流强度开始直线上升，但在临近消散阶段又直线下降。整个过程中，正地闪最大电流强度变化不明显，数值一直保持在200 kA左右，而负地闪波动比较明显（图2）。

图2　2012年7月1日17-23时黑龙江省正、负地闪最大强度变化情况

4　雷达回波特征

本次过程雷达回波反射率产品图上飑线特征明显，具有典型的带状分布，飑线经过之处产生强降水天气。飑线演变过程经历了生成-发展-强盛-减弱四个阶段，强盛阶段持续了将近2 h，也是降水强度最大的时段。

初生阶段。17时59分，对流云带分为南北两段断裂的回波带，北半部分回波带由分散的对流单体连成带状，并且在回波带前缘不断有新的对流单体触发。新触发的对流单体面积较小，回波中心强度强，超过50 dBZ，带来较大强度的降水；南侧回波带为积层混合云系，镶嵌在层云回波中的对流单体，相互影响，层云面积逐渐减小，回波整体向偏东方向移动。

风速场分析，整个对流带有明显的偏南急流，给发展中的风暴提供了源源不断的暖湿空气，与带状回波前缘的外流气流交汇，在气流的前侧触发新的单体发展。

发展阶段。18时33分，北部对流带前沿新生成的对流单体合并入回波带中，形成结构密实的带状回波，长度和宽度同时增加；南部混合云回波中的对流单体连接成带状，层云面积进一步减小，对流性云带形成。18时56分混合云、层云面积迅速减小，积云迅速发展，前缘发展的对流单体并入主云带，南北两条对流云带连接成带状，形成飑线，此时，南北云带连接处速度场辐合，风速增大，对流进一步发展。

强盛阶段。19时31分，飑线达到最强盛阶段，长度与宽度发展到最大，强回波质心悬垂，飑线在速度图上有明显速度辐合带，出现“速度模糊”，此时的云带整体向东移动，速度较快。19时42分，回波带宽度变窄，结构更加密实。此阶段是降水强度最大的时段，飑线所经之处都有较强的降水。

减弱阶段。飑线降水出现后，雷暴中上升气流减弱，下沉气流增强，飑线进入减弱阶段。20时05分，飑线中段前沿开始出现阵风锋，出流明显，较强下沉气流的拖曳作用使得风暴强度减弱。到20时50分，回波带结构逐渐松散，回波顶高和回波强中心高度都开始下降，回波强度减弱，层状云面积逐步加大，强对流的组织性减弱，回波维持带状向东移动，趋于一般性降水。

5　闪电频数与雷达回波的关系

雷达的组合反射率产品图包含云中降水粒子的有关信息，可以很好的反应天气系统的变化、对流云团等的生消发展状态等。通过不同时刻地闪的空间分布与雷达获得的组合反射率数据进行多次细致的对比分析得出，地闪的分布与组合反射率之间有较好的相关性。本文把闪电叠加到雷达回波上进行分析。为便于分析说明，分别选择7月1日19时13分和19时19分在仰角1.5°、探测范围150 km的雷达回波产品图上叠加前6 min发生的闪电，保持与多普勒天气雷达体扫间隔同步。

从多普勒雷达的探测结果可以看出，这是一次较典型的飑线过程，雷达回波非常强，强回波中心超过50 dBZ，闪电均发生在大于30 dBZ的雷达回波内，尤其在40 dBZ以上强回波中心区域地闪密集，在其后部大片连续的弱回波区（＜30 dBZ）内仅有零星闪电发生，同时还注意到偶尔的正地闪偏离强回波带，出现在弱层回波区内。望奎、青冈等地处于强回波带地区，青冈县地闪密度最大，且多为正地闪。地闪密度随着回波强度增大，总体上呈增强趋势。地闪活动分布也存在一定规律，正地闪发生在强回波及其邻近区域，而负地闪则发生在系统后部的稳定性降水区。19时19分的回波强度相对19时13分的明显降低，≥50 dBZ的强回波中心已消散。但是，闪电密度明显增加，地闪密集区同样出现在＞30 dBZ的雷达回波内，并且正地闪占主导地位。

综上所述，可以得出，此次飑线过程中地闪主要出现在＞30 dBZ的雷达回波内，在40 dBZ以上的强回波中心最为密集，并且通过对比可知，地闪密集区随着强回波中心的消散而出现，也就是说，此次过程中，地闪密集区并没有发生在雷达回波最强盛的时期，而是紧随其后。

6　结论

通过对此次飑线过程中强雷暴过程的集合分析可以得出：

（1）根据闪电定位系统显示，此次过程共出现地闪2404次，其中正地闪为1258次，负地闪为1146次，正地闪的频数超过了负地闪，占总地闪的52.3%。通过空间分布得出，此次雷暴过程的地闪密集区域总体自黑龙江省西南部向中部移动。此次飑线过程中负地闪最大强度大于正地闪的最大强度，但是负地闪平均电流强度为-40.01 kA，正地闪平均电流强度为45.28 kA，数值上正地闪的平均电流强度相对较大。

（2）此次飑线过程中地闪主要出现在＞30 dBZ的雷达回波内，在40 dBZ以上的强回波中心最为密集，并且，通过对比可知，地闪密集区随着强回波中心的消散而出现，也就是说，此次过程中，地闪密集区并没有发生在雷达回波最强盛的时期，而是紧随其后。

参考文献

［1］高洁，崔竹囡，靳英燕等．陕北一次飑线过程的中尺度特征分析［J］．干旱气象，2010，28（3）：327-362.

［2］陈谓民．《雷电学原理》［M］.北京：气象出版社，2003，11.

［3］冯桂力，王俊，龚佃利等．一次飑线过程的闪电活动特征［J］．山东气象，2009，29（1）：6-11.

［4］陈哲彰．冰雹与雷电大风的云对地闪电特征．气象学报，1995，53（3）：365-347.

［5］Holl RL，Waston AL，Lopez RE，et al.The life cycle of lighting and severe weather in a 3-4 June 1985 PRE-STORM mesoscale convective system［J］．Mon Wea Rev，1994，122（4）：1798-1808.

［6］张绍东，易帆，熊东辉．重力波在真实大气中传播特性的数值研究［J］．空间科学学报，2002，22（1）：36-43.

［7］黄文耿，古士芬．雷暴云准静电场和夜间低电离层的电离［J］．空间科学学报，2002，22（3）：227-233.

［8］张海虹，钱建新．一代多普勒天气雷达简介［J］．科技资讯，2009，10（4）：38-42.

中图分类号：P458.1+2

文献标识码：A

文章编号：1002-252X（2016）02-0013-03

收稿日期：2016-3-1

第一作者简介：王力艳（1991-），女，黑龙江省绥棱县人，南京信息工程大学，本科生，助理工程师.