广东省中部地区雷暴团特征的初步分析

2021-11-10陈绍东陈绿文杜赛颜旭黄惺惺庄燕洵

广东气象 2021年5期

陈绍东，陈绿文，杜赛，颜旭，黄惺惺，庄燕洵

（1.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州510080；2.广东省气象公共安全技术支持中心，广东广州510080）

雷暴是发展旺盛的强对流现象，它往往伴随大风、龙卷、强降水、冰雹以及雷电等剧烈天气活动，雷暴伴随的雷电造成的经济损失及社会影响也越来越大。随着经济的快速发展，社会对雷电预报、预警的需求越来越高，迫切需要开展和提升雷电预警业务能力。由于雷暴发生发展的动力和微物理过程尚不十分清楚［1－3］，同时，不同雷电天气系统的特征也存在着较大的差别［4－5］，造成雷暴的预报预警已成为天气预报中较困难的工作之一。传统的依赖于环流背景场和探空资料对于雷暴的认识非常有限，预报预警研究进展缓慢。近年来随着天气雷达的发展，其业务应用为雷暴的触发机制、初生特征及比较精确地定位其位置等方面研究为雷电预警预报业务的发展创造了条件［6－12］。

闪电是雷暴处于成熟状态的明确指标，放电强度和频繁程度与雷暴云的高度和强度紧密相关［13］，在一次雷暴过程中地闪个数越多则可以认为雷暴的强度越强。目前描述雷暴天气的强度主要依据雷雨大风的标准，缺少闪电相关的指标。以雷电预警预报为目标的雷暴团等级划分工作较为复杂［14］，较多的工作仅以雷暴团的闪电次数作为强弱雷暴的标准［13，15］，还存在着一定的局限性，急需更加科学、更成熟的雷电强度等级划分标准。本研究基于广东省的粤港澳闪电定位资料，开展雷暴团的识别工作，初步分析广东省雷暴团面积、闪电频次、闪电电流等参数的基本特征，并在此基础上，提出了一种雷暴团强度指数定义及分级方法，为广东省雷电预警业务工作开展提供支撑。

1 资料和方法

1.1 粤港澳闪电定位资料

粤港澳闪电定位系统由广东省、香港、澳门三地气象部门从2005年开始共同建设，截至2007年共建成了6个探测子站（采用IMPACT探头）。2012年，粤港澳闪电定位系统新增了11个探测子站。新建设的探测站采用了Vaisala公司的LS－700X系列探头，能同时探测地闪和云闪（对云闪的理论探测效率约为40% ～50%），从而提高了对珠三角区域内雷电活动的探测能力。2018年，粤港澳闪电定位系统采用LS－700X系列探头全部取代了原有的IMPACT探头，并新增了2个子站。粤港澳闪电定位系统采用时差－方向综合定位方法，探测参量包括闪电放电的GPS时间、经纬度、强度、云闪或地闪识别和极性等。图1给出了粤港澳闪电定位系统探测子站的分布图。由图1可以看出，粤港澳闪电定位系统对珠三角区域覆盖较好，而在粤东、粤西地区的探测子站相对稀疏。本研究选取112.5°E—115.5°E，21.5°N—24.5°N作为研究区域，该区域位于粤港澳闪电定位系统覆盖范围的中心位置，因此粤港澳闪电定位系统在该区域内具有较好的探测效率和定位精度。另外，资料的时间长度选取2016—2018年。

图1 粤港澳闪电定位系统探测子站分布和研究区域示意图

1.2 雷暴团识别方法

闪电定位系统可以实时、连续监测大范围区域中闪电放电的时间、位置、极性和强度等参数，其监测结果可直观反映出雷暴中闪电活动的强烈程度。本研究将基于粤港澳闪电定位资料开展雷暴团的识别工作。

由于闪电放电的随机性非常大，首先将全部的闪电定位资料按照0.05°×0.05°的网格大小、6 min时间间隔进行了格点化划分，得出了每个时次、每个格点上的回击次数、最大回击强度、平均回击强度等参量。

对于某次6 min时间间隔，全省范围内可能有多个0.05°×0.05°网格点都发生了闪电活动。本研究利用DBSCAN聚类算法将这些网格点归并成不同的簇，也称为不同的雷暴团。作为示例，图2给出了根据一个6 min时次粤港澳闪电定位资料辨认出5个雷暴团的结果（属于同一雷暴团的格点用同一种颜色表示）。

图2 雷暴团识别结果示例

2 雷暴团特征分析

2.1 雷暴团面积指数

根据前述雷暴团识别方法，结合粤港澳闪电定位资料，2016—2018年共识别出雷暴团76 337个。雷暴团在生成、发展和消亡的过程中，其面积也不断变化，在雷暴发展的旺盛阶段，其面积往往也是最大的，对应的雷暴强度也较大，因此，雷暴团的面积也是衡量雷暴强度的一个重要指标。不同天气过程中雷暴团面积有较大的差异，最大的面积达3 625 km2，最小的仅有50 km2。由计算可知，样本的平均值为138 km2，而样本的中值概率为75 km2，也就是说有50%的样本其面积是超过75 km2，图3是雷暴团面积的概率分布图，由图3可知，大部分雷暴团的面积都集中在50～200 km2内，累积概率高达80%。当某雷暴团的面积为P，文中定义由最小面积至P的累积概率值为雷暴团面积指数SP。由定义可知，雷暴团的面积越大，SP值也就越大，当雷暴团的面积P最小时，SP值为0，P为75 km2时，SP值为0.5，P最大时，SP值为1。

图3 雷暴团面积的概率分布

2.2 雷暴团闪电频次指数

雷暴团的面积指数主要表征了雷暴团控制区域范围的大小，雷暴团频次指数可以表征整个雷暴团内发生闪电数量的多少，从这个意义上讲，频次指数在表征雷暴强度方面更为重要。经分析，所有雷暴团样本数中，地闪回击次数的平均值为61次，最少仅有6次，最多的达3 224次（时间6 min内），样本中值概率为25次，如图4所示，雷暴团地闪回击次数6～10次，样本累积概率约为14%，10～15次累积约为15%，中值之后概率累积相对较为缓慢，100次以上的样本数就比较少了，累积概率仅约为8%。同样本研究中定义雷暴团频次指数为FP，当雷暴团地闪回击次数为P时，0～P范围内的累积概率值为FP。

图4 雷暴团地闪回击次数概率分布

图5是雷暴团面积和闪电回击次数的二维散点图，由图5可见，总体上雷暴团的面积越大，闪电的频次也是越多的，但也存在较多的分散点，特别是在雷暴团面积1 000～2 500 km2的范围时，闪电的频次出现异常多的情况（个例相对较多），对应拟合直线的上方区域。出现这种情况可能与雷暴发展的不同阶段也有一定的关系，当雷暴处于发展旺盛阶段，其面积可能基本定型，但是闪电会在一段时间内较快速增多造成。另外，由图5还可知，综合评估雷暴的强度，雷暴团的面积和频次都是要考虑的。

图5 雷暴团面积和闪电回击次数的二维散点图

2.3 雷暴团闪电平均电流幅值指数

闪电电流幅值及其累积概率分布是雷电活动规律的重要指标，在某种程度上，可以衡量一次闪电或者雷暴团释放电流和电量的大小。图6是雷暴团平均地闪回击电流幅值的概率分布图。所有样本的计算结果显示，地闪电流平均值为15.7 kA，最小1.8 kA，最大89.4 kA，样本的中值概率为14.9 kA。由图6还可以看出，平均地闪电流幅值大部分集中在10～20 kA范围，占比大约70%，超过30 kA的占比不到3%，相对较少。当某雷暴团的平均电流幅值为P，定义由最小值至P的累积概率值为雷暴团释放电流指数CP。

图6 雷暴团平均地闪回击电流概率分布

2.4 雷暴团最大电流幅值指数

雷电因其强大的电流、炽热的高温、强烈的电磁辐射以及猛烈的冲击波等物理效应能够在瞬间产生巨大的破坏作用，造成多种雷电灾害。夏季雷暴来临时，大电流幅值的地闪不仅带来感观上强烈的震撼，其产生的灾害也比普通的闪电更为巨大，因此，除了上述提及的闪电频次和闪电平均电流幅值外，雷暴团强度还要适当考虑闪电的最大电流幅值这个因子。图7是雷暴团最大地闪回击电流幅值的概率分布图。

图7 雷暴团最大地闪回击电流幅值概率分布

由图7可以看出，雷暴团的最大电流幅值较为分散，小的仅有2.1 kA，最大可达404.1 kA，平均值达53.3 kA。样本中值为46.2 kA，说明50%以上的样本其最大电流幅值概率大于46.2 kA，其破坏的威力可见一斑。同样，当某雷暴团的最大地闪电流幅值为P，定义由最小值至P的累积概率值为雷暴团最大电流幅值指数MP。

3 雷暴团强度分级

熵值法是一种客观赋权法，其根据各项指标观测值所提供的信息大小来确定指标权重。通过熵值法得到各个指标的信息熵，信息熵越小，其信息的效用值越大，指标的权重越大［16］。本研究中通过熵值法得出SP、FP、CP和MP的权重系数分别为0.234 9、0.562 8、0.102 3和0.100 0。综合考虑各因子对雷暴团强度的贡献率，上述各因子对应的权重系数还是较为合理的，由此定义雷暴团强度指数（index of Thunderstorm intensity，TII）TII＝0.234 9×SP＋0.562 8×FP＋0.102 3×CP＋0.100 0×MP。

从76 337个雷暴团强度指数的累积概率分布以及频次分布情况来看，雷暴团强度指数高值和低值相对较少，在0.175～0.900之间的指数分布较为平均，图8中的每个区间（0.025）频次大约为2 000次。雷暴团强度指数在0～0.5之间和0.5～1.0之间也基本差不多。雷暴团强度指数在0.90～1.00之间的情况大概只占总数的3.0%，代表了非常强的雷暴团。从实际的雷电预警工作来看（预警次数不宜太多），专门针对强度指数＞0.95的雷暴团（约占比0.5%，3年380次）发布强雷电预警可能是适宜的。