湖北一次连续风暴中两次强对流卫星雷达特征及与闪电关系

陈仁君，苟阿宁，王玉娟，徐双柱，余蓉，张琴，明绍慧

（1.湖北省防雷中心，湖北 武汉430074；2.武汉中心气象台，湖北 武汉430074；3.青海省气象灾害防御技术中心，青海 西宁810001；4.淄博市气象局，山东 淄博255048）

1 引言

强对流天气因时效短、局地性强、灾害重等特点备受关注，目前，强对流的监测和预报仍是灾害性天气研究的重点和难点之一。强对流天气不仅会产生冰雹、短时强降水和对流性大风，也会产生密集雷电，从而引发多种灾害性天气并存及次生灾害的发生。迄今为止大部分强对流监测预警是基于雷达等多种观测手段开展的，相关研究[1-4]较成熟，并为强对流预报业务发展奠定了良好的基础[5]。由于地理位置、地形和气候等不同，中国不同区域出现的强对流类型、天气环境参量和形成机制等有所差别，中国东部山东地区暖季强对流可划分为雷暴大风、冰雹雷暴大风和强降水混合型等3类，每一种类型的环境参数分布特征和阈值各不相同[6]。华中江西地区支树林等[7]将江西省2004—2011年发生的强对流类型进一步细化为短时强降水、伴随雷暴大风和冰雹的短时强降水、无短时强降水伴随的风雹这三种主要类型，并针对雷达和地闪的相关性提出了分类强对流的预报依据。不同环境背景产生的强对流一般是不同的，然而，相似环境背景下也可能出现不同类型的强对流天气，因此，分类强对流预报有重要的科研价值和业务需求[8-9]。雷电是雷暴发展到一定强度的产物，闪电频次、强度、峰值等变化对强对流的类型和发生发展有很好的指示作用[10-15]。Liu等[16]统计总闪与雷达反射率在不同季节、不同区域的定量关系，通过总闪数据转换成雷达最大反射率，对原有雷达反射率观测进行了很好的补充订正。Pessi等[17-18]进一步证明闪电频率与雷达反射率之间存在明显的对数相关性，并将闪电频数转换成雷达反射率后进行云分析预报，结果显示闪电资料能够很好反馈出强对流区域。孙玉婷等[19]对基于地形差异的闪电频次和回波对应关系进行了研究，得到了华中地区闪电活动和雷达回波的特征关系，并建立了山区和平原的闪电代理回波(lighting proxy reflectivity)拟合公式。上述研究表明闪电资料和雷达资料有很好的相关性。LMI(Lighting Mapping Imager)是中国首次研制并搭载于FY-4A卫星的闪电成像仪，可连续观测云闪和地闪，可全天候无缝隙监测雷暴的发生发展[20-21]。如何将雷达、地闪观测和FY-4A高时空分辨率资料结合进行强对流预报显得尤为重要。

2018年5月17—18 日，湖北自西向东发生了一次连续强风暴过程，鄂西北和鄂东出现了不同类型的强对流天气，闪电剧烈。为了研究相似环境背景下产生不同类型强对流天气的原因，本文利用FY-4A云顶亮温TBB(Black Body Temperature)和LMI资料、ADTD(Advanced Toa and Direction system)二维闪电定位资料、多普勒雷达和自动站加密观测等，分析对处在同一天气系统背景下(西南涡东移)，为何产生了不同类型地区强对流天气？触发机制、中小尺度系统及雷电活动有何差异？并对不同类型强对流天气的卫星、雷达和闪电特征进行了详细分析，总结生命史不同阶段雷达卫星和闪电的时空分布相关性，提炼分类强对流预报依据。

2 观测资料及方法

本文使用的资料包括：湖北ADTD型二维地闪观测资料，闪电定位仪采用时差法和定向时差联合法进行闪电定位，共13个探测子站，能探测正、负地闪，包含经纬度、发生时间、强度、陡度等参数，定位精度小于300 m，时间精度0.1μs，整体探测效率超过80%。选择架设在湖北十堰、武汉的2部S波段雷达观测到的基数据及组合反射率、反射率垂直剖面RCS(Radar Cross Section)、径向速度垂直剖面VCS(Velocity Cross Section)资料。和雷达扫描时间匹配，将地闪资料处理为6 min间隔，选取以雷暴为中心，半径50 km范围的地闪进行统计分析。湖北省2759个地面加密逐分钟观测资料，主要包含雨量、温度、风场的逐分钟观测数据及冰雹记录等，对流性大风采用≥17.2 m/s以上的极大风速时刻，中小尺度分析使用逐5 min一次的自动站气温、风场资料。因常规探空层次数据不全，且武汉站5月18日08:00（北京时，下同）的280 hPa以上数据缺失，故使用美国怀俄明大学网站(http://weather.uwyo.edu)的探空数据进行分析。国家卫星气象中心FY-4A的云顶亮温TBB资料，用不同颜色表示不同亮温，单位K，用来反映中尺度对流云团的发展状况，并使用FY-4A的LMI全闪探测数据，FY-4A闪电成像仪利用光学成像技术实现对覆盖区域内的总闪电进行实时、连续、不间断观测，包含云闪和地闪的发生时间、位置和强度等信息，获取闪电成像产品，空间分辨率7800 m，更新频率1 min，探测效率小于30%。将LMI和ADTD资料插值到0.1°×0.1°格点上，用于统计风暴发生阶段闪电样本的空间分布及特征比较。

3 风暴实况特征及主要影响天气系统

受西南低涡东移影响，2018年5月17—18日，湖北自西向东出现了一次连续强风暴过程，先后导致不同区域出现了两次不同类型的强对流天气。根据加密自动站观测显示，此次风暴过程共分为2个阶段，第1阶段发生在2018年5月17日15:00—18日04:30，累计出现地闪2929次，其中负地闪2333次，正地闪596次，正地闪占总地闪的20.35%，闪电密度0.5～1.0 km-2，统计对流旺盛阶段17日18:00—18日00:00的强对流灾害发现，湖北西北部十堰、襄阳两地72站出现50 mm降水，7站超过100 mm，≥17.2 m/s(8级及以上)的大风22站次，局地出现冰雹。第2阶段为2018年5月18日00:00—14:30，发生地闪23367次，负地闪21731次，占总地闪的92.99%，09:00武汉上空突然由白昼转为“黑夜”，狂风大作，电闪雷鸣，暴雨如注，对流发展旺盛期的18日04:00—14:00，自动站观测136站降水超过50 mm，最大降水92 mm，17.2 m/s以上大风5站，但13.8～17.2 m/s大风多达100站次以上。一次连续强风暴造成的强对流如此剧烈，且产生的强对流类型不同，环境背景有何差异？对流系统触发和加强机制、卫星雷达和闪电活动演变特征及对强对流发生的指示意义等是本文的重点研究内容。

3.1 不同类型强对流中地闪时间演变特征

以冰雹、对流性大风和以强降水导致的大范围暴雨为主的强对流闪电特征是不同的。从图1a～1c闪电性质、频次时间演变和正负闪比例及强度特征来看，鄂西北以冰雹和对流性大风为主的强对流闪电呈多峰分布，冰雹等强对流出现之前，闪电频次有一个大幅度的跃增过程，同时，冰雹较对流性大风出现的时间早。另外一个特征是正闪比例较大，正闪峰值时刻和降雹时刻几乎一致，正闪对冰雹有很好的指示意义，同时，正闪的强度比负闪强度大，正闪最大强度可达100 kA以上，而负闪最大强度仅80 kA。鄂东暴雨的闪电活动更剧烈，累计闪电频次2万次以上，为鄂西北闪电频次的10倍左右，闪电呈单峰分布，强降水发生时闪电增幅较平缓，峰值时刻有一个突增，峰值时刻闪电可达400 fl/(6 min)，与鄂西北峰值50 fl/(6 min)有一个巨大落差。同时发现，鄂东暴雨几乎为频繁剧烈的负闪为主，正闪频次很少，正闪强度较冰雹和对流性大风偏弱，70 kA以上的样本比例明显降低，负闪强度变化不大(图1d～1f)。

图1 鄂西北17日15:00—18日04:30(a～c)和鄂东18日00:00—14:30(d～f)地闪特征a、d.正负闪频数；b、e.正闪强度；c、f.负闪强度。

闪电频次多少、正负闪比例和强度变化、正负闪峰值较灾害性天气出现的时间等对区分不同类型的强对流天气有很好的指示意义。另外，18日冷空气南下是导致第2阶段鄂东雷电活跃的主要原因之一。

3.2 主要影响天气系统

此次强风暴是副高稳定维持，低槽带动西南涡东移，两高之间形成的低值系统造成的(图2a、2b)。17日上午西南涡开始东移并逐渐影响湖北，20:00左右湖北西部开始受西南涡东移及切变线共同影响。随着低槽东移，槽前西南气流发展，在槽前西南气流区冷式切变线和暖湿切变线附近有中尺度云图发展加强，低槽云系、西南涡东部中尺度系统和低槽后部冷平流结合，在湖北省西北和北部地区形成类似于“厂”型云系(图2c)。“厂”型云系影响范围大，覆盖了湖北西部和北部地区，随着槽后冷平流南下，“厂”型云系东西向云系加强，云顶温度降低，云团范围加大并合并，诱发鄂西北出现局地冰雹、对流性大风和短时强降水等强对流天气。随着500 hPa低槽东移，低涡东侧暖切随之东移，低涡“厂”型云型逐渐转变为西南-东北向带状云系，逐渐东移到湖北东部。北部冷平流南下，低涡中心气旋性旋转加强，18日08:00移至武汉，云团合并成圆团状(图2d)，有明显的中尺度对流复合体MCC(Mesoscale Convective Complexes)特征，边界清晰，云顶温度较低，水汽云图上可看到明显的干区，冷暖交汇剧烈。

图2 2018年5月17日20:00(a)和18日08:00(b)500 hPa等高线(黑色实线，dagpm)、温度(填色，单位：℃)和850 hPa风矢量(箭头，单位：m/s)及17日20:00(c)和18日08:00(d)500 hPa等高线(白色实线，dagpm和FY-2E红外云图叠加(红色圆圈为主要影响云团)

虽然两次对流出现在同样的大背景环境下，但由于前期入海低槽后部的偏北气流和南支槽前的西南气流作用，形成多个短波槽。17日鄂西北过程处在短波槽底部，短波槽快速东移后，转为偏北气流控制，中层冷平流相对明显，700～850 hPa为西南涡顶部暖式切变线，此时地面仍为冷锋前暖倒槽控制，不稳定能量积聚较强。而18日鄂东过程处在槽前西南暖湿气流区域，700 hPa以下为西南涡暖切变，不同的是此时地面冷锋已南下至鄂东地区，冷空气影响显著，西南涡东移配合顶部暖式切变线是2次强对流触发的主要成因。

前期湖北受弱脊控制，气温回升较快，受弱脊控制气块下沉绝热增温对低层有增温作用，导致不稳度加强。鄂西北没有探空站，南阳站位于鄂西北上游，具有一定的代表性。受冷空气南下渗透影响，17日20:00南阳站(图3a)850 hPa已转为偏北风，700 hPa以上为南风气流，K指数38℃，CAPE(Convective Available Potential Energy)高达1825 J/kg，不稳定能量强大，“上干下湿”层结清楚，属于典型的以冰雹、对流性大风和短时强降水为主的强对流性层结。18日08:00武汉站(图3b)925 hPa低层的冷空气非常明显，可看到明显的逆温层，850 hPa以上的暖湿平流随高度有一个明显的顺转，暖平流较鄂西北发展旺盛，这可能与地面冷空气的强迫抬升有关；另外，CAPE仅900.6 J/kg，中等强度，形状为细长型，700 hPa以下湿层深厚，是典型的暴雨层结。

3.3 中小尺度系统

从17日鄂西北郧西、老河口、襄阳至18日武汉一线，都有明显的中尺度涡旋伴随(图4a、4b)。中尺度涡旋对雷暴的触发、移动和消亡有很好的指示意义，雷电及强对流发生在中尺度涡旋/中尺度辐合线附近。另外，地形对第1阶段强对流有明显的触发加强作用，从图3a可看到，强对流和暴雨落区基本出现在鄂西北峡管地带和气流辐合区中，三面环山地形使地面中尺度涡旋气旋性曲率进一步加大，产生较强的低空辐合，触发雷暴加强。第2阶段则是由于北部桐柏山和南部幕阜山的阻挡作用，使环境气流传过山脉，在鄂东相对平坦区域发生多股中尺度气流辐合，形成地面辐合线，触发强对流且不断组织对流发展。另外，湖北特殊地形对雷暴有明显的触发加强作用，鄂西北强对流和暴雨主要出现在狭管地带，鄂东强对流则是地形影响下中尺度气流辐合的结果。

图3 2018年5月17日20:00南阳站(a)和18日08:00武汉站探空(b)

图4 6 h暴雨落区(白色阴影)及17日20:00(a)和18日08:00(b)地面加密风场黑色箭头为中尺度气流，阴影为地形，浅灰色海拔高度高，深灰色海拔高度低。

4 雷达的分类强对流预报特征

4.1 强对流回波演变及垂直剖面结构

17日18:00 开始，随着西南涡东移，湖北西部至川西一带对流发展旺盛，多个对流单体强度迅速发展到50 dBZ以上，回波范围扩大。随着冷空气南下鄂西北至河南南部有对流生成合并，鄂西北回波组织性加强，20:00回波在地形狭管地带发展为东西向的短带回波，强度中心加强到60 dBZ，郧西和郧阳区开始出现强降水，并伴有局地雷暴大风和冰雹天气。21:00鄂西北回波缓慢东移维持，随着地面南风加强，在鄂西北和襄阳地区形成中尺度涡旋，多个加密站1 h雨强超过80 mm，最大小时雨强超过100 mm，并出现11级(≥28.5 m/s)对流性大风。18日凌晨随着地面中尺度涡旋维持，襄阳地区出现暴雨，03:00之后鄂西北回波减弱南压，受低涡东移影响，江汉平原一带回波加强，开始影响江汉平原和鄂东地区。18日凌晨(04:00左右)，随着西南涡东移，中尺度对流系统在荆州附近加强后沿着暖式切变线自江汉平原向鄂东北移动，配合地面冷空气及中尺度涡旋，不稳定能量得到持续聚集，回波移经武汉(09:00左右)，形状呈现明显的弓状，电闪雷鸣，对流活动剧烈，闪电密集。

选取2次强对流生命史阶段(图5)十堰和武汉雷达组合反射率CR(Composite Reflectivity)产品，沿着雷达径向做强度剖面RCS和径向速度剖面VCS。发现第1阶段(图5a、5b)鄂西北强对流回波强度明显偏强，多个体扫出现≥60 dBZ的强回波，且强回波高度伸展到6 km，远远超过0℃等温层高度(5.2 km左右)，55 dBZ回波高度达到10 km，RCS倾斜和悬垂特征明显，VCS能够看到明显的入流和中层径向辐合MARC(Mid-Altitude Radial Convergence)，由此推断，鄂西北强对流出现冰雹、对流性大风和短时强降水的概率极大，实况也是如此。而第2阶段(图5c、5d)鄂东对流回波强度明显下降了2个量级，最强回波仅为55 dBZ左右，回波顶高比鄂西北对流低，形态有明显的弓状特征，RCS回波倾斜特征，VCS可看到1 km以下冷空气南下形成的冷垫，表明18日08:00冷锋已南下至鄂东。两次对流45 dBZ以上的强回波均超过0℃等温线，甚至-20℃等温线(8.5 km)，是雷电活动频繁的主要原因。

图5 强对流生命史十堰雷达17日20:30(a)、22:30(b)和武汉雷达18日08:30(c)、09:30(d)组合反射率、强度剖面RCS和径向速度剖面VCS演变特征(黑色实线为剖面位置)

可见，雷达资料对分类强对流预报有很好的指示作用。第1阶段以冰雹和大风为主的强对流回波多个体扫出现了中气旋，伴有超级单体出现，≥60 dBZ持续时间较长，且超过0℃等温线，前侧入流、回波悬垂和风暴顶辐散显示上升运动较强，以上特征对冰雹和大风有很好的预报意义。第2阶段回波整体强度减弱，最强55 dBZ，55 dBZ强回波基本在-20℃等温线之下，上升运动较第1阶段明显减弱，RCS和VCS可看到南下冷空气形成的冷垫，同时2 km以上的西南急流发展强盛，冷暖交汇，推断此类回波出现短时强降水的概率较大。

4.2 地闪在强对流回波中的空间分布特征

通过二维闪电与雷达回波叠加(图6)发现，17日19:00回波已加强到45 dBZ以上，闪电分布在强回波附近35～50 dBZ回波中。此后随着引导气流向东北方向移动，由于副高阻挡，移速缓慢，形态也变为和引导气流平行的西南东北走向短带状。20:00—21:30回波处在强盛阶段，多个体扫回波强度≥60 dBZ，零星闪电分布在强回波35～45 dBZ周围，≥60 dBZ强回波中心二维闪电系统并未观测到地闪。以暴雨为主的鄂东地区则和鄂西北情况不同，中尺度对流系统MCS(Mesoscale Convective System)整个生命史阶段闪电密集，尤其是经过武汉的09:00—10:30，随着西南涡东移回波呈弓状，向东北方向移动，一个雷达体扫闪电频次高达100次上，某些时次高达400次，零星正闪分布在MCS外围25～35 dBZ的层状云中，而负闪则密集分布在35～55 dBZ的强中心。

图6 鄂西北强对流(范围：109.10～112.02°E，31.13～33.52°N)、鄂东强对流(范围：112.38～115.38°E，28.89～32.27°N)闪电和雷达回波的6 min空间分布演变(红色、黑色“△”依次表示+CG、-CG，红色边界为湖北省界，下同)

可见，以冰雹、短时强降水和对流性大风为主的强对流闪电在回波中的分布位置较散乱，零星地闪分布在强回波外侧35～50 dBZ回波中，≥60 dBZ强回波中并未观测到地闪，正闪和负闪在回波中分布无规律可循。而以暴雨为主的地闪集中度很高，密集的负闪分布在35～55 dBZ强回波区，零星正闪和强回波外围25～35 dBZ层状云对应。

5 FY-4A TBB和LMI资料在强对流中的初步应用

5.1 LMI和ADTD地闪的空间分布特征对比

使用邻域插值法将FY-4A LMI和ADTD地闪资料插值到0.1°×0.1°格点，统计FY-4A 17日18:00—18日14:00的空间分布特征。从图7每个格点上的样本数分布可见，本次连续风暴过程LMI闪电(图7a)主要分布在湖北中东部地区，鄂西北对流没有LMI出现，武汉格点样本数大部分超过20个，武汉西南方向仙桃附近的样本数超过150个。ADTD二维地闪资料(图7b)鄂西北有某些区域有20个以下的地闪，雷电活跃在鄂西南南侧至江汉平原到鄂东北，密集区样本数最多区域集中在武汉和西南侧仙桃方向，格点样本数量在30个以上，最强可达到50个。对比发现，LMI、ADTD和对流落区基本吻合，LMI和ADTD空间位置对应，闪电活跃区域基本重合，表明LMI对强对流发展演变有很好的监测作用。其中，LMI观测鄂东对流的闪电数量大于地闪，LMI鄂西北强对流中没有观测到闪电，可能与LMI空间观测精度不够有关。

图7 2018年5月17日18:00—18日14时FY-4A LMI(a)和ADTD二维地闪(b)0.1°×0.1°格点样本数分布实心彩色小方块表示样本个数。

5.2 TBB和闪电的空间关系

为进一步探寻LMI和ADTD在不同类型强对流中的卫星云图特征，使用FY-4A的TBB资料和LMI及ADTD 0.1°×0.1°格点数据进行叠加。通过图8分析发现，两次对流演变过程中TBB、地闪和LMI分布特征是不同的。第1阶段鄂西北对流发展高度更高，云顶亮温TBB温度更低，分布在230 K以下，而第2阶段鄂东对流云顶亮温TBB较高，在250～270 K区间，可见以冰雹和大风为主的强对流比以强降水为主的对流云顶发展高度更高，云顶亮温TBB更低。LMI观测鄂西北强对流没有闪电(包含云闪和地闪)出现，90%以上地闪和TBB 210～230 K区间吻合，正闪(黑色“+”)和负闪(黑色“*”)分布在对流中心215～230 K，TBB低值区210 K地闪很少。鄂东强对流观测到大量LMI和地闪，LMI分布较散乱，可能与LMI空间分辨率有关，LMI分布在TBB 250～270 K低值区中心，落区与强对流落区基本一致，负闪密集，分布在260～270 K低值区，正闪数量较少，分布位置较散乱。LMI、ADTD和TBB低值区吻合，并随着TBB低值中心移动，表明闪电和系统的空间发展演变是一致的。

图8 鄂西北强对流和鄂东强对流TBB和前后时刻各10 min的LMI和地闪空间分布演变黑色“+”为正闪，黑色“*”为负闪，白色圆点为LMI。

6 结论

本文利用FY-4A TBB和闪电资料LMI、地基ADTD二维地闪观测资料、雷达和地面自动加密观测资料等，对湖北2018年5月17—18日一次连续风暴造成的两次不同类型强对流过程进行了详细诊断，总结不同类型强对流天气背景、中小尺度系统、雷达回波和闪电时空分布差异，提炼分类强对流预警指标，主要结论如下。

(1)本次连续强风暴是在相似的环境背景下产生了不同类型的强对流，第1阶段鄂西北以典型的冰雹、对流性大风和短时强降水，第2阶段鄂东地区则是持续性强降水造成的大范围暴雨和密集闪电。强风暴是在副高稳定维持，低槽带动西南涡东移的相同环境背景下产生的，西南涡顶部的暖式切变线触发强对流，地面中尺度涡旋促使对流加强，暖倒槽为第1阶段对流积聚能量，地面冷空气南下是第2阶段对流较强的原因。

(2)地闪频次、正负闪比例及强度、闪电峰值较灾害性天气出现的时刻、地闪和雷达回波的空间对应关系等，都有明显差异。鄂西北强对流正闪比例较大，正闪峰值时刻和降雹时刻几乎一致，零星地闪分布在强回波外侧35～50 dBZ回波中，≥60 dBZ强回波中并未观测到地闪，鄂东强对流闪电频次较多，以负闪为主，密集的负闪分布在35～55 dBZ强回波区，零星正闪和强回波外围25～35 dBZ层状云对应。

(3)以冰雹、短时强降水和对流性大风为主的鄂西北强对流，和以大范围持续性暴雨为主的鄂东强对流雷达回波特征不同，鄂西北对流最强回波超过60 dBZ，MRAC、入流和强回波高悬特征明显，而鄂东回波顶高稍低，回波强度集中在55 dBZ以下，VCS可见明显的冷垫。

(4)FY-4A LMI、ADTD和强对流位置对应，同时和TBB低值区吻合，并随之移动，鄂西北对流要求TBB值相对更低。另外，LMI观测鄂西北强对流中没有闪电，可能与LMI空间分辨率较低有关。