强雷暴天气的闪电和雷达回波特征个例分析

张春燕，刘霞，高文俊，周宝琴，张国平

(1.广州市气象公共服务中心，广东 广州511400；2.广州市气象台，广东 广州511400；3.中国气象局公共气象服务中心，北京100081)

1 引言

雷暴是南方夏季常见的一种天气现象，它给建筑物、供电设施、电子电气设施及人畜生命安全造成极大危害。据统计，广东省每年平均雷击伤亡人数约为140人，直接经济损失达1.2亿元，间接经济损失近6亿元[1]。广州地处亚热带沿海，属海洋性亚热带季风气候，年均雷暴日数73.4 d，属于多雷区，雷电及其产生的次生灾害连年不断，是广东省灾种多、发生频、危害重的灾害区域。例如，2015年7月29日，广州番禺一村屋顶遭雷击，击死1人[2]；同年8月10日，广州海珠湖公园一木屋5名游客避雨遭雷击，伤5人[2]；2017年9月10日下午，广州黄埔区某公司遭雷击，损坏1套网络交换机、控制CPU、消防主机、红外监控设备主机等设备，严重影响到了业务的正常运作[3]。因此，通过研究雷暴发生发展规律，对雷暴天气监测预警和预报技术的业务开展有重要的意义。

近年来，随着闪电监测系统的建设及其数据的积累和多普勒天气雷达业务的应用，国内外很多学者结合这两套资料对强雷暴天气过程进行了研究。例如：居丽玲等[4]通过分析秦皇岛的一次致灾雷暴过程发现雷电密集区与强回波带相对应；赖悦等[5]分析了深圳市一次强飑线过程的地闪变化特征及其闪电活动与雷达回波特征的相关性；李南等[6]对发生在安徽的3次天气过程的闪电与雷达资料的相关性进行分析，发现闪电数目与ET有较好的对应关系。Martinez[7]认为发生闪电的条件为回波强度达到40 dBZ且回波顶高高于7 km。Macgorman等[8]发现云闪与8 km处的最大回波强度相关性较好。张腾飞等[9]发现负闪频增是强降水开始的标准，而正闪频增是强降水强盛和结束的标志。王晨曦等[10]通过对华南一次雹暴过程的闪电活动研究发现地闪活动在降雹阶段和降雹后阶段表现出明显差异。气候特征是具有明显的地域性的，导致强对流天气的闪电特征也是具有明显的区域特性[11-13]；另外，不同类型的强对流天气的雷电特征不同[5,14-16]，因此针对不同地区、不同类型的强对流天气的闪电活动特征研究很必要。虽然对广州地区雷暴的闪电活动特征开展过研究[17-19]，但对于华南汛期典型强雷暴天气过程中的闪电活动特征研究较少。本文利用粤港澳合建的闪电定位系统资料和广州多普勒雷达资料，对发生在广州地区的一次强雷暴天气过程的雷电活动特征进行分析，探讨强雷暴发生发展过程中的地闪与雷达回波、回波顶高的关系，为雷电的预报提供基础和指标，为雷电预警预报提供决策依据。

2 资料来源

本文所用的闪电定位资料来源于粤港澳合建的闪电定位系统，该监测网目前共有17个探测子站，其中广东有13个站点，分别在三水、罗定、怀集、河源、陆丰、乳源、石岩、东莞、西涌、佛冈、江门、阳江和惠东；香港3个站点，在沙头角、舂砍角和尖鼻嘴；澳门有1个站点（图略）。系统定位采用方向-时差综合定位方法，探测的数据包括闪电发生的时间、经纬度、雷电流强度(kA)、极性、闪型等。该系统对闪电的探测效率为93%，对下行闪电首次回击、继后回击及上行闪电回击的定位误差平均值分别为361 m、252 m及294 m[20]。

雷达资料为广州双偏振多普勒雷达资料，该雷达探测半径为230 km，海拔高度180.3 m，每次体扫时间间隔为6 min，能提供基本反射率因子、平均径向速度和谱宽等信息。为使闪电资料和雷达数据能够在相同坐标系中显示，雷达数据经过了将极坐标数据转化为直角坐标数据的处理。其它资料包括广州市自动站加密观测资料和地面探空资料等。

3 强雷暴天气过程特点

3.1 强雷暴天气过程情况

2017年6月2 日下午至夜间，广州中北部地区出现了明显的强降水、强雷电和短时大风等强对流天气。过程持续约8 h，最大降水量为140.4 mm，出现在广州从化鳌头镇丁坑村；最大小时雨强为80.6 mm，20—21时(北京时间，下同)出现在花都区；从雷电发生情况来看，广州境内共监测到地闪13690次。强雷暴主要发生在2个时间段，第一时段开始时间为6月2日14:00前后，番禺雷达站东北和西北区域有若干对流单体生成，回波呈小块状结构向东北方向(广州中北部)移动并相互连接，随着对流回波的继续发展，在16:30前后形成强回波中心，强度超过45 dBZ的回波面积达到最大，对流发展成熟，主要影响了白云、黄埔和花都。这次对流过程是以局地短时阵雨和雷雨大风为主，监测到的地闪8226次，个别站点录得降水量超过20 mm。造成广州中心城区及北部大范围强降水和雷雨大风天气的第二个时段是从19:00前后开始，在广州西北部的清远、佛山生成并缓慢向广州境内移动，到达广州境内时，离散的对流单体合并、加强(19:48)，强对流回波继续沿着东北方向影响着广州中心城区及北部区域，在花都和白云交界处形成一个强回波中心，回波强度和强回波面积不断增大，于20:18达到成熟期，强回波中心发展旺盛，回波面积达到最大，雷暴所过之处从化、花都和中心城区出现了剧烈的雷雨大风和强降水等严重的灾害性天气，这一时段监测到地闪5464次。随后强回波中心逐渐减弱并继续向东北方向移出广州。整个强对流天气过程于23:30结束。

3.2 天气环流背景

本次强雷暴天气是以西南急流和切变线为环流背景的一起典型的强对流天气过程。2日早上，200 hPa广东上空存在明显辐散区；500 hPa上588线位于21°N左右，两广均位于副高北侧的西南气流控制当中；850 hPa(图1)从广西境内、粤北北部至福建中北部区域存在明显的西南风与西北风的切变线，在其南侧，从近广西的北部湾海域至粤东与福建交界区域存在着明显的西南急流轴，广州市位于急流轴内，风速达16 m/s，且为风速的辐合区。从T-lnP温度对数压力图上看(图2)，在700 hPa高度附近有明显的喇叭口，这种上干下湿的层结有利于强雷电的发生。随着白天太阳辐射，湿对流有效位能CAPE值从08时的2287.2 J上升到14时的3820.8 J，K指数也由41达到了43，随着热力条件的增加，更加有利于触发强对流天气的发生发展。

图1 2017年6月2日08时850 hPa天气图

图2 清远探空站2017年6月2日14时T-ln P图和风廓线

4 闪电活动特征统计

本次过程(14:00—23:30)广州地区共监测到地闪13690次。整个闪电活动过程中以负闪为主(9483次)，占到地闪总数的69.3%，平均负地闪强度为-18.65 kA；其中，负地闪最大强度-266.7 kA，发生在荔湾区，时间为20:33。正地闪4207次，占到总地闪数的30.7%，平均正地闪强度为7.1 kA；正地闪最大强度230 kA，发生在越秀区，时间为14:41。

为了与雷达资料时间分辨率相对应，将6月2日14:00—23:30时段以6 min的时间间隔来分析闪电频数随时间的变化特征(图3)。整个过程中大致分为以下5个时段。

图3 地闪频数随时间变化曲线

第1时段是14:18—15:48，共发生地闪693次，占总地闪数的5.06%，正闪156次(占比22.5%)，地闪频数较低，正闪比例随时间先增加后减小。

第2时段是15:48—18:48，共发生地闪7083次，占总地闪数的51.74%，正闪1729次(占比22.4%)，该时段为对流单体逐渐发展成熟，闪电活动旺盛，白云、从化相继出现降水。其中，地闪频数于16:06—16:12达到峰值483 fl/(6 min)。在随后的16:12—18:48时段内，地闪频数虽呈下降趋势，但仍维持在较高数值。

第3时段是18:48—19:30，共发生地闪450次，占总地闪数的3.92%，正闪158次(占比35.1%)，该时段地闪频数较低。

第4时段是19:30—22:00，共发生地闪5176次，占总地闪数的37.81%，正闪2004次(占比38.7%)，新的对流单体生成与发展，总地闪数虽稍少于第2时段，但雷电活动仍然频繁、阵风最大达到9级，小时雨量最大录得80.6 mm。对流单体于19:18逐渐发展成熟，地闪频数一直处于增加的趋势，最终于20:06—20:12达到最大值393 fl/(6 min)。

第5时段是22:00—23:30，共发生地闪288次，正闪比例增大，地闪频数迅速减少，雷暴减弱直至消失。

结合上述统计可看出，正闪在雷暴发展的初始和结束阶段占比较大，甚至超过了50%。第4时段正闪相较于第2时段占比更高，原因可能是强风切变的作用，雷暴上部的正电荷与中部的负电荷区发生倾斜，上部正电荷屏蔽减少，使正地闪增多[11]。

5 闪电、雷达资料分析

5.1 闪电活动和雷达反射率因子的演变特征

为了定量分析雷达回波强度与闪电活动的时间相关性，选取造成广州中北部大范围雷雨大风和强降水天气的第二个时段(19:00—23:30)作为参考，将组合反射率因子和其时间前6 min发生的闪电进行位置叠加处理。

19:06(图4a)，广州中心城区、西边区域新一轮强对流单体以零散的块状回波为主，强回波面积较小，位置分散，地闪数量较少且较分散，其多倾向分布于强回波边缘和雷暴移动路径前侧，与强回波中心的位置关系不太明显。19:06—19:30时段内闪电频数保持较低数值。19:36(图4b)后闪电频数快速增加，对应的雷达回波向东北方向移动并发展，零散的块状回波开始合并成强回波中心，最大回波强度一直处于增大趋势，且回波面积不断增大。20:18(图4c)起雷暴进入成熟期，地闪频数则达到峰值393 fl/(6 min)，呈片状密集在中心城区、白云和花都，且主要集中在40～53 dBZ的强回波区内，在其前部较弱回波区有零星闪电发生，而雷达回波强度和面积于20:24(图4d)达到最大(55 dBZ)，地闪频数峰值时间较雷达回波强度峰值时间有6 min的提前量。结合整个过程地闪频次主、次峰值时间，提前雷达回波峰值时间平均11.1 min。21:12(图4e)后地闪的数量减少，位置比较分散，集中出现在强度20～40 dBZ的回波区，但雷达回波强度和强回波面积仍较大，此时强降水仍持续但有所减弱。22:06(图4f)后强回波中心移至从化，最大回波强度跌至50 dBZ以下，22:30后只有零星闪电在广州上空，雷暴逐渐消亡。

图4 组合反射率因子和前6 min的地闪频数叠加图

通过叠加分析发现，闪电的分布与雷达反射率分布之间存在着较好的对应关系，闪电基本随着强回波区的移动而移动，而其他地方仅有零星的闪电发生。就整个第二时段过程而言，雷达回波强度并不是很强，多集中在40～53 dBZ，一般来说对于产生暴雨的强对流天气过程，整层水汽充足，其对流并不需要发展太高就可完成凝结降水。在整个过程中，负地闪始终占主要地位，原因可能是一般强降水过程中风的垂直切变不太大，云上部的正电荷层在水平方向无法远离负电荷层直接暴露于地面之上，另外由于没有足够多的冰相粒子(如雹和霰粒)，少量的冰相粒子穿越零度等温层时将全部融化而不会因为残存的固态粒子产生物理温差起电而形成次正电荷层，因此产生了大量的负云地闪。闪电活动频繁往往会伴有回波发展，但强回波不一定有强雷电发生，高闪电频数是强回波中心的充分而非必要条件。闪电频数的变化对雷暴演变的3个阶段有指示作用，闪电频数的锐减提前于雷达强回波区的减弱，这可能是因为在雷暴减弱的同时，上升气流虽也在减弱，但强回波区并没有完全消失，所以降水仍会持续一段时间。

5.2 闪电活动和回波顶高的演变特征

回波顶高在一定程度上可指示闪电的发生，对流云发展越旺盛，云顶高度越高，就越有利于闪电的发生[22]。图5为本次强雷暴过程最大回波顶高值与前6 min的地闪频数随时间的演变，可看出回波顶高对应着地闪频数的三个峰值处，地闪频数峰值时间均落后于回波顶高峰值12～18 min。这是因为地闪密集区并不总是与回波顶较高的区域重叠，而是向其后部倾斜(图6，见下页)，从而导致地闪频数达到峰值的时间稍晚于回波顶高的峰值时间。另外，除了在发展的最初阶段，整个过程的回波顶高均大于13 km，由此可见此次过程对流活动十分剧烈。

图5 地闪频数与回波顶高随时间的演变

在闪电发生前60 min内，广州境内回波顶高从5 km逐渐增大到9.8 km，随后的14:18第1次监测到闪电的发生。这一现象的可能原因是在闪电活动前期，雷暴处于发展阶段，当回波顶高达到一定高度，雷暴云中才发生起电过程，闪电才开始发生[23]。通过将回波顶高与闪电数据位置叠加发现(图6，见下页)，闪电较多分布在回波顶高9～15 km范围内，通过对各回波顶高值间隔内的闪电比例发现，9～15 km占73%。进一步证实了回波顶高的变化提前于地闪频数的变化，因为发展较高的回波顶高需要强烈的上升气流，而上升气流为雷暴云中电荷分离提供了条件，从而更多的闪电会发生在回波顶高较高的地方。另外在回波顶高较低(低于2 km)的区域闪电占比12.1%，这可能与雷暴分裂出来的云砧和碎云有关[6]。

图6 回波顶高和前6 min的地闪数据叠加图

6 结论

本文通过利用粤港澳闪电定位仪、广州多普勒天气雷达和自动气象站等资料，对2017年6月2日发生在广州地区的一次典型强雷暴天气过程进行了分析，得到以下结论。

(1)闪电频数的变化对雷暴演变的3个阶段有指示作用，正地闪和负地闪频数在雷暴生消的不同阶段呈现不同的变化特征，整个闪电活动过程中以负闪为主。在雷暴初始发展阶段，闪电频数逐渐增加，正闪明显比负闪活跃；在发展成熟阶段，闪电频数显著增加，负闪活动加强；雷暴消亡阶段，闪电频数骤减，正闪活动再次为主。因此闪电频数是分析雷暴活动的一个重要工具。

(2)在雷暴初期，闪电主要活动在强回波周边反射率因子梯度较大的区域；发展成熟阶段，闪电主要分布在强回波中心及其前部区域，闪电频数分布与强雷达回波区域存在着较好的对应关系，闪电活动位置稍有提前；消亡阶段，闪电活动主要发生在回波中心外围区域。闪电密集区的移动反映了雷暴系统的移动趋势；高闪电频数是强回波中心的充分而非必要条件；地闪频数峰值的时间比雷达回波峰值时间平均提前了11.1 min，地闪频数的锐减提前于雷达回波的减弱。

(3)回波顶高是产生闪电的先决条件，在闪电发生前最大回波顶高有明显增大。闪电较多分布在回波顶高9～15 km范围内。地闪频数达到峰值的时间均落后于回波顶高峰值12～18 min。因此有效利用闪电定位资料、雷达、卫星等资料，可提高短时临近预报的准确率，对防灾减灾有十分重要的意义。