湖北省“8.30”强雷雨天气闪电预报特征分析

李国樑 李俊 李享 余田野 王小飞

摘要：利用湖北省闪电定位资料、多普勒天气雷达以及气象卫星的观测资料，从环流背景、系统形成机理、雷达反射率、回波顶高、垂直液态水含量和云图特征等方面，对湖北省2014年8月30—31日的一次强雷雨天气过程进行分析。结果表明，在中尺度对流云团的影响下产生雷雨天气，雷雨天气过程发生时间及区域与雷达强回波形成时间和位置相吻合。当区域回波强度大部分在40 dBZ以上，最大达到45 dBZ；回波顶高大部分在9 km以上，最大达到17 km；K指数≥36和垂直液态水含量大部分在6 kg/m2以上，最大达到20 kg/m2时，对强对流天气的雷电预报有明确的指示作用。

关键词：闪电预报；探测资料特征；相关性分析；湖北省

中图分类号：P41 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）16-0033-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.16.008 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The Feature Analysis of the Strong Thunderstorm Weather Forecast on

August 30th in Hubei Province

LI Guo-liang1，LI Jun2，LI Xiang1，YU Tian-ye1，WANG Xiao-fei1

（1.Hubei Lightning Protection Center，Wuhan 430074，China；

2.Hubei Meteorological Information and Technical Support Center，Wuhan 430074，China）

Abstract： Hubei province strong thunderstorm weather process was analyzed from August 30th to 31st， 2014 considering the circulation background， system mechanism， the radar reflectivity， high echo top， vertically integrated liquid and characteristics of cloud maps etc， by using the observation data of lightning locator， Doppler weather radar and meteorological satellite in Hubei area. The results showed that under the influence of the mesoscale convective cloud system，time and area the lightning occurred correspond to the radar echo. When regional echo intensity mostly above 40 dBZ， maximum reached 45 dBZ， echo top partly above 9 km， maximum was up to 17 km， K index was not below 36 and most of the vertically integrated liquid became more than 6 kg/m2， the largest reached 20 kg/m2， which became a clear instruction to thunder and lightning to weather forecast.

Key words： lightning forecast； detection data characteristics； correlation analysis； Hubei province

2014年8月30—31日，湖北省中北部出現一次强雷雨天气过程（以下简称鄂中“8.30”强雷雨天气），闪电出现的频数和集中程度是2006年闪电定位系统建立以来少见的。雷电灾害给国家安全和人民生命造成重大威胁，研究雷电发生的环境条件，为雷电预报提供参考依据，具有重要的现实意义。目前，国内外专家学者对雷电的预报进行了较多研究分析，Xu[1]在研究用于雷电预报的雷达回波后得出，回波强度40 dBz的部分达到-10 ℃，且回波顶高超过9 km，云体很快发生闪电；Liu等[2]在研究热带和亚热带多个雷暴形成时的雷达回波发现，单体回波中40 dBz以上回波的顶高必须高于7 km；王洪霞等[3]指出，负地闪出现在40 dBz的回波发展区域内，而正地闪出现在强度为30 dBz左右的风暴后部。由于闪电的发生除了与天气系统有较大关联外，还存在较大的地域差异[4，5]。本研究对鄂中“8.30”强雷雨天气闪电特征与多种探测资料的关系进行了分析，旨在为建立闪电的预报方法提供基础和指标，为雷电预警预报提供参考依据。

1 雷电天气实况

根据湖北省气象资料统计，2014年8月30—31日，湖北省总闪电次数36 747次，其中正闪1 742次，负闪35 005次，而武汉、荆门、随州、孝感总闪电次数25 137次（正闪1 228次，负闪23 909次，闪电强度≥100 kA的有2 279次，强度在50～100 kA的有9 948次），占全省总闪电次数的68.4%。30日20：00至31日11：00总闪电次数30 628次，平均2 041.9次/h。从湖北省8月30—31日闪电活动分布（图1）可知，鄂中“8.30”强雷雨天气过程，闪电频次大、位置和时间非常集中，闪电主要发生在武汉北部和荆门北部、随州南部、孝感北部区域。从湖北省8月30—31日各小时闪电次数（图2）可知，时间主要集中在30日20：00至31日11：00，且电流强度大。闪电频次和强度远大于有闪电资料以来同期历史平均值[6-8]。在闪电发生时段全省伴有大范围降水，强降水主要区域和时间与闪电发生区域和时间基本一致。

2 强雷电发生的环境特征分析

8月30—31日，500 hPa欧亚大陆中高纬度维持两槽两脊形势，贝加尔湖附近有稳定西南-东北向长波槽，从贝湖槽底部不断有短波槽分裂东移南下，副热带高压呈东西带状稳定控制了30°N以南地区，588线西脊点在105°E以西地区；850 hPa有西南涡沿着江淮切变线东移；从卫星云图（图3）可知，中尺度系统在低槽云系底部前沿开始发展东移，并逐渐增强，冷云罩面积增大，云顶亮温下降，几个中尺度云团合并发展，在鄂中上空形成椭圆形的中尺度对流复合体（MCC）；从武汉探空站的T-lnp（图4）得知，鄂中K指数维持在36～40，对流有效位能（CAPE）维持在2 200～2 500 J/kg。

强大的副热带高压给长江中下游提供了必要的热力和水汽条件，短波槽引导冷空气与副高外围暖湿气流在长江中下游地区交汇，干冷和暖湿气流在长江中下游剧烈碰撞，850 hPa有西南涡沿着江淮切变线东移，为这次强对流雷电天气过程提供环流条件。中尺度系统出现在低槽底部与副热带高压外围、干冷和暖湿气流剧烈交汇的地方，有利于强对流天气的形成。K指数和对流有效位能指标表明鄂中地区具有强的不稳定能量累积，为本次强对流天气的发生创造了充足的热力不稳定条件。中低层风垂直切变存在并增强，加上中层的西南暖湿气流，容易使上升气流发生倾斜，有利于对流形成的降水脱离出上升气流，而不至于因拖带作用减弱上升气流的浮力[9-13]，而且风的垂直切变可增加中层干冷空气的吸入，加强风暴中的下沉气流和冷空气的外流，通过强迫抬升使流入的暖湿空气更强烈的上升，对流的加强更容易产生雷电。

3 闪电与雷达产品关系分析

由于雷暴云内的起电与其中的微物理过程息息相关，可以使用天气雷达观测云中粒子的形态特征确定雷暴云的位置、移动方向及传播速度[14-16]。为了寻找雷达资料与闪电发生的关系，将闪电发生的时间和地点与雷达产品进行匹配分析，根据雷达资料变化情况，将8月30日19：30和19：42，8月31日2：00、5：00、8：00、11：00雷达产品演变图进行比较。

3.1 雷达反射率因子的分析

通过对雷达回波强度的大小、强回波中心、强回波区的产生、发展以及移動的方向和速度进行分析，可以作出对强对流单体的预报和追踪。湖北省雷达组合反射率演变见图5，颜色较浓的区域属于高反射率回波区域，往往是雷暴云的中心[17，18]。从图5可以看到，8月30日19：30在荆门和随州西北方向出现两个较强回波区域，回波强度大部分在40 dBZ以上，荆门局部达到45 dBZ以上（荆门初次闪电时间为19：55），之后强回波逐渐向东南方向移动，强回波区域有所增大，19：42随州局部达到45 dBZ以上（随州初次闪电时间为20：01），8月31日2：00，强回波区域继续向东南方向移动，至当日5：00，强回波区域移动到京山、安陆、大悟一线，并形成连成一体的大回波区域，同时远安北部有强回波形成，至当日8：00强回波到达孝感、黄陂、新洲一线，远安北部强回波逐渐南移到远安南部，至11：00强回波减弱消失，仅秭归有强回波生成。强回波所到之处，随后均有闪电发生，根据闪电发生时间和回波强度的相关性统计分析，在雷暴发生前，该区域回波强度大部分在40 dBZ以上，且最大回波强度≥45 dBZ，从图5也可看出，强回波所在区域，降水量增大，闪电次数明显增加。

3.2 回波顶高的分析

回波顶高是在≥18 dBZ反射率因子被探测到时，以最高仰角为基础的回波顶高度[19]。一般回波顶高上升得越高，代表对流发展得越旺盛。8月30日20：00在十堰和随州、远安等地回波顶高大于9 km，局部达到17 km以上，并逐渐向东南方向移动，23：00回波顶高上升，区域有所扩大，并到达随州和荆门西北部，8月31日2：00高回波顶高区域继续向东南方向移动，到5：00高回波顶高区域移动至京山、安陆、大悟，并形成连成一体的大区域，同时远安北部回波顶高上升，8：00高回波顶高高值区域到达麻城、黄陂、新洲一线，巴东、远安北部回波顶高上升，11：00回波顶高下降，秭归回波顶高上升。经对比分析，对流发展旺盛区域与回波顶高区域一致，一般都是雷暴云的中心区域，且回波顶高区域中心的移动与回波强度区域中心移动相一致，闪电发生前区域，回波高度大部分在9 km以上，局部达到17 km。

3.3 垂直液态水含量分析

关于云内起电机制的假说有很多，但无一例外都要求云中必须有充足的水汽，云中含水量对云内电荷的分离和累积的贡献是不可忽视的，也是闪电发生的一个重要条件[20]。8月30日20：00在十堰和随州、远安等地液态水含量大部分大于6 kg/m2，局部达到20 kg/m2，并逐渐向东南方向移动，23：00液态水含量上升，区域有所扩大，并到达随州和荆门西北部，8月31日2：00高液态水含量区域继续向东南方向移动，至5：00高液态水含量区域移动到京山、安陆、大悟地区，并形成连成一体的大片区域，同时远安北部液态水含量上升，8：00高液态水含量区域到达孝感、黄陂、新洲一线，巴东、远安北部液态水含量上升，11：00液态水含量下降，仅秭归液态水含量上升。对比分析得知，在闪电发生前，区域的液态水含量大部分在6 kg/m2以上，最大液态水含量达到20 kg/m2。

4 小结与讨论

通过对湖北地区的一次典型雷电天气发生发展过程的分析，得到此次雷暴发生过程中的如下规律和结论。

贝湖槽冷空气与长江中下游暖湿气流交汇，同时中低层风速增强，垂直风切变增强，加之低层有西南涡沿着江淮切变线东移，是长江中下游“8.30”强雷雨天气过程发生的大尺度环境背景。在湖北省中南部地区具有强的不稳定能量累积，为本次强雷雨天气的发生准备了充足的不稳定条件。

中尺度系统首先在低槽云系底部前沿开始发展，随着低槽云系东移，中尺度系统发展增强，几个中尺度云团合并发展，冷云罩面积增大，云顶亮温下降约10 ℃，对雷暴预报有指示作用。

常规天气资料能够了解大尺度环境背景与层结的稳定，卫星资料在时间和范围上有提前量和廣域性，能宏观地了解中尺度系统的基本情况，雷达资料可以比较具体地预测天气系统的发展和移动趋势，大气电场资料能直观反映雷电发生前的电场变化，闪电定位资料能够证实闪电发生的具体位置。只有基于多种探测资料，在了解大尺度环境背景下，分析中尺度系统云团的发展、回波强度和与云顶高度的变化、液态水含量和不稳定状况，才能作出未来雷雨天气发生的准确预报。

雷雨天气过程发生时间及区域与雷达回波高反射率区域的位置相吻合，与高回波顶高区域相吻合。当区域回波强度大部分在40 dBZ以上、回波顶高大部分在9 km以上，且最大回波强度≥45 dBZ、最大回波顶高达到17 km时，30 min后发生雷雨天气的可能性较大。强回波所在区域降水量大，闪电次数多。

水汽辐合和不稳定状况是雷雨天气发生的重要要素，当大部分区域K指数≥36，最大值达40；大部分区域垂直液态水含量≥6 kg/m2，最大值达20 kg/m2时，对强对流天气的雷电预报有明确的指示作用。

闪电定位仪的实时性、雷达探测的精确性、卫星探测的广域性，雷达回波图能看到云底及云层的垂直分布，云图对于云顶分布的直观性，这些资料的相互配合，取长补短，对中小尺度雷电天气的分析和预报才能提供较全面的信息。多种观测手段的加入，可以让人们多方面了解天气系统的实况，更准确地分析其特征。卫星资料与雷达资料的结合分析，在时间和空间上做到了优势互补，可以有效地对雷电的发生作出可靠的预报预警。

尽管上述的分析初步揭示出大气探测资料对灾害性天气过程中雷电的预警和预报方面具有一定的参考价值，然而，对雷暴过程闪电活动特征的全面认识还需要积累更多的典型个例和足够的大气电场仪网络，相信随着强对流天气分析个例的增多，人们对雷电参数在强对流天气短时预报中的运用将有更深的认识。

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