江苏地区夏季雷暴的雷达回波特征研究

徐迎港 陈新甫 杨波 韦一

(1 国防科技大学 气象海洋学院，南京 211101;2 解放军95877部队,甘肃 酒泉 735108; 3 解放军93117部队，南京 210018;4 成都锦江电子系统工程有限公司，成都 610000)

引 言

提高监测和预报雷暴天气的准确率和时效性一直是雷暴研究重难点问题。通过研究雷暴事发地的雷达回波和闪电活动之间的关系，从中提取雷暴回波关键特征，可为雷暴预报预警提供理论依据，进而满足雷暴预警预报气象服务日益增加的需求。为此，国内外学者开展了大量的相关研究。李南等[1]对在安徽发生的3次雷暴进行了相关分析，结合雷达RHI(Range Height Indication)扫描，发现地闪频数与反射率因子回波顶高有较好的相关性；王飞等[2]认为反射率因子强度为40 dBZ的回波高度达到-10℃高度层是闪电发生的一个重要雷达回波特征。杨超等[3]认为在某一时段的平均地闪强度越大，其地闪频数越小。张一平等[4]认为，雷暴中暴雨对应的负闪密集区和冰雹对应的正闪密集区都与反射率因子强度大于40 dBZ的强回波区域有很好的对应关系；何文等[5]认为，雷达回波和雷电强度关系密切，回波类型以带状和块状为主，雷电强度和雷达回波强度有很好的对应关系，但产生强雷电的回波强度要大于50 dBZ；王洪生等[6]认为，冰雹、闪电、强降水分别发生在雷暴发展的不同时间和不同部位，其回波高度及回波强度也各不相同；Laksen, et al[7]在对加拿大蒙特利尔地区夏季雷暴进行预报研究时，提出将-17℃高度层上的雷达反射率因子值达到38 dBZ作为最佳预报因子，其探测概率(Probability of Detection，POD)达到了100%。Dye, et al[8]提出将-10℃高度层的反射率因子值达到40 dBZ作为美国新墨西哥中部地区夏季雷暴的最佳临近预报因子，其预报效果满足预期要求。Buechler, et al[9]在对美国佛罗里达地区、亚拉巴马地区以及新墨西哥地区的夏季雷暴进行临近预报研究时，提出将-10℃高度层的反射率因子值达到40 dBZ，并且回波顶高超过9 km作为首次出现闪电的最佳预报因子，其POD达到100%，虚报率(False Alarm Rate，FAR)为7%，临界成功指数(Critical Success Index，CSI)为93%，预报时间为4～33 min。Michimoto, et al[10-11]在对日本北陆地区的雷暴进行预报研究时，提出将-20℃高度层的反射率因子值达到30 dBZ作为预报的特征，其预报时间为5 min，预报结果与实际情况相差不大。Hondl, et al[12]利用多普勒雷达资料以及雷电监测资料，分析了美国佛罗里达地区的雷暴过程中的雷达回波演变特征，提出将0℃高度层上的反射率因子值达到40 dBZ作为预报因子，其预报时间为5～45 min，预报时间中值为15 min，POD达到100%。Gremillion,et al[13]结合WSR-88D雷达资料以及闪电定位数据，研究了经过美国肯尼迪航天中心上空的39个夏季雷暴过程，提出将-10℃高度层上的连续两个体扫反射率因子值都能达到大于40 dBZ，同时回波顶高超过9.5 km作为最佳预报因子，其POD为84%，FAR为7%，CSI为79%，平均预报时间为7.5 min。Martinez[14]在美国气象局(NWS)和海洋与大气管理局(NOAA)联合开展的强雷暴起电和降水研究(STEPS)项目的研究过程中，对12个雷暴过程和2个非雷暴过程的反射率因子值与地闪频数的关系进行了研究，发现只有当反射率因子值超过40 dBZ的回波对应的高度大于7 km才会发生闪电。Vincent，et al[15]结合WSR-88D雷达资料以及闪电定位资料对美国北卡罗来纳州中部地区的50个雷暴过程进行了研究，提出将-10℃高度层对应的反射率因子值达到40 dBZ作为最佳预报因子，其POD为100%，FAR为37%，CSI为63%，平均预报时间为14.7 min。

综上，雷暴特征大都是反射率因子与某温度层高度的关系，但该特征的地域性较强，不同地区的特征各不相同，且雷暴其他特征的研究较少，针对上述问题，本文利用雷达回波资料，结合闪电定位资料，进一步研究江苏省雷暴回波特征。

1 资料与方法

利用S波段双偏振多普勒天气雷达结合闪电定位数据研究分析江苏省2014年7—8月的33次雷暴过程，包括单体雷暴、多单体雷暴和混合型雷暴。

观测使用的S波段双偏振多普勒天气雷达为成都中电锦江信息产业有限公司研制的国内第一部双发双收S波段双偏振多普勒天气雷达，其监测半径为500 km，定量测量距离250 km，能够提供反射率因子ZH、多普勒速度V、速度谱宽W、差分反射率因子ZDR、双程差分传播相位变量ΦDP、差分传播相位常数KDP、相关系数ρhv等参量。

为保证数据的有效性，利用雷达回波资料和闪电定位数据，对江苏省2014年7—8月的雷暴进行了筛选，完成了雷暴和非雷暴降水回波的区分；为研究雷暴内部结构，采用了雷达体扫数据并对其进行VCS垂直剖面处理；为分析雷暴过程中降水粒子的演变，利用基于双偏振参数的模糊逻辑算法对雷暴内部粒子进行识别，将粒子分为毛毛雨、大雨、冰晶、干霰、湿霰等11类。

2 雷暴发展过程反射率因子核心的演变特征研究

回波强度不小于20 dBZ的回波被称为基本降水回波，回波强度不小于40 dBZ的回波被称为强回波[16]，经研究发现，雷达PPI中雷暴反射率因子强回波中心的方位与闪电的定位坐标有着很好的一致性[17]，而雷暴产生在对流强烈的积雨云中[18]，与层状云降水相比，对流云降水的垂直尺度要大得多，因此本文主要对雷达PPI中的强回波中心做垂直剖面分析，得到雷暴发展过程反射率因子核心的演变特征。

以2014年8月6日江苏地区一次雷暴过程为例，根据江苏省闪电定位数据，对该区域雷暴在演变过程的地闪频数随时间的变化进行统计，结果如图1所示。

图1 2014年8月6日江苏省地区某雷暴地闪频数Fig.1 Evolution statistics of lightning strokes over time in a thunderstorm area of Jiangsu on August 6， 2014

从图1中可以看出，在13∶48—13∶56(北京时，下同)时段，还未有闪电产生，从13∶56时刻开始，该雷暴单体影响区域内首次有闪电记录，并且地闪频数不断增加，在14∶04，地闪频数突然大幅度增加，达到小峰值，14∶12—14∶34地闪频数呈现减少趋势，在14∶34，地闪频数迅速增加，达到整个阶段的峰值，14∶42后地闪频数下降幅度明显增大，直至15∶05地闪频数降至为0次。其中14∶04—14∶50闪电频发阶段，其每隔8 min的地闪频数平均在40次以上，整体来看，该雷暴的地闪频数随时间先增加后减少，再增加最后减少到0次，中间经历了两次峰值，分别在14∶04和14∶34。

图2表示雷暴单体对应的反射率因子随时间(13∶48、 13∶56、14∶04、14∶12、14∶20、14∶26和14∶34)演变的0.5°仰角PPI结果，同时分别对以上时刻的雷暴单体的反射率因子最强核心区域进行VCS垂直剖面，如图3所示。

图2 雷暴单体反射率因子随时间演变的PPI结果:(a)13∶48; (b)13∶56; (c)14∶04; (d)14∶12; (e)14∶20; (f)14∶26; (g)14∶34Fig.2 The PPI results of time evolution of reflectance factor of thunderstorm monomer:(a)13∶48 BST; (b)13∶56 BST; (c)14∶04 BST; (d)14∶12 BST; (e)14∶20 BST; (f)14∶26 BST; (g)14∶34 BST

通过分析图1、图2和图3可以发现，在13∶48—13∶56，雷达0.5°仰角PPI上，出现了一个长13 km、宽3 km的带状强回波，将其称为1号单体，其最大中心强度在40～45 dBZ之间，经VCS垂直剖面分析，该单体的强反射率因子中心高度为4 km、大小为45～50 dBZ，云顶高度为9 km，此时还没有闪电产生；13∶56—14∶04，雷达0.5°仰角PPI上该单体的回波变成团块状，最大反射率因子强度仍是40～45 dBZ之间，该单体的横向纵向的尺度都有明显增大，云顶高度达到12 km，强反射率因子中心高度增加到5 km，强度核心增加为50～55 dBZ，对应时刻出现闪电首次记录，闪电定位数据显示在此时间段共发生了2次负地闪；14∶04—14∶12雷达0.5°仰角PPI上该雷暴的回波面积增大，但强反射率因子回波面积变小，通过分析其VCS垂直剖面，发现是因为强反射率因子中心高度增加，才使得雷达0.5°仰角PPI上该雷暴的强反射率因子回波面积变小，云顶高度增加到了16 km以上，强反射率因子中心高度增加到了最大值7 km，强度核心为50～55 dBZ，且剖面面积达到最大值，对流发展极为旺盛，此时的闪电频数也达到了最大值，总共发生了85次闪电，其中84次为负地闪，1次正地闪；14∶12—14∶20雷达0.5°仰角PPI上该雷暴的回波面积增大，强反射率因子回波面积增大，呈团块状，经VCS垂直剖面分析，云顶高度仍大于16 km，强度核心为50～55 dBZ，但强反射率因子中心高度降低到5 km，强度核心剖面面积大幅度减小，在此时间段的闪电频数减少到43次，其中42次负地闪，1次正地闪，说明该雷暴正在减弱；在14∶20—14∶26时段，雷达0.5°仰角PPI上该雷暴的回波面积和强反射率因子回波面积都增大，分析它的VCS垂直剖面发现，云顶高度大于16 km，强度核心为50～55 dBZ，强反射率因子中心高度继续降低到4 km，对流强度大幅度减小，强度重心几乎转移到了雷暴底部，在此时间段的闪电频数减少到35次，其中32次负地闪，3次正地闪；14∶26—14∶34雷达0.5°仰角PPI上该雷暴的回波面积和强反射率因子回波面积都增大，且在其西北方向约7 km处出现小型强回波区域，将该强回波区域称为2号单体，通过分析1号雷暴和2号单体的VCS垂直剖面，发现2号单体已经和雷暴在4～9 km高度处结合，雷暴的云顶高度降到了14 km，单体的云顶高度为10 km，雷暴的强反射率因子中心高度为4 km，强度为50～55 dBZ，单体的强反射率因子中心高度为7 km，强度为45～50 dBZ，在此时间段内，共发生了闪电73次，其中由1号雷暴产生的闪电数为31次，由2号单体产生的闪电数为42次；14∶34—14∶42雷达0.5°仰角PPI上显示1号雷暴与2号雷暴已经结合到一起，使得回波面积和强反射率因子回波面积较大幅度增加，分析其VCS垂直剖面可得，此时雷暴的对流重新变得旺盛起来，云顶高度增加到了16 km以上，强反射率因子中心高度为6 km，强度核心为50～55 dBZ，强度核心剖面积大幅度增加，闪电发生次数激增至94次，其中负地闪93次，正地闪1次。

可以看出，在雷暴成熟之前，随着对流单体不断发展，雷暴的反射率因子核心的强度不断增强、强反射率因子核心对应高度不断增加、云顶高度不断增加以及对流发展不断旺盛，云内大粒子在较强上升气流推动下伸展高度不断增大，雷暴云内可能已有一定量的冰晶、霰以及过冷水滴等混合粒子存在并有增长趋势，同时回波区域可能已有一定强度降雨产生，且以纯雨滴为主，并且强度越来越大，当雷暴成熟之后，雷暴的强反射率因子核心的强度和对应高度就会不断降低，强烈的降水过程带走了云内大量的水汽，因此当没有外来单体干扰的情况下，雷暴将趋于消散，而本次分析的雷暴过程中由于受到外来单体的介入，又生成了新的雷暴。

3 不同温度层反射率因子与地闪频数随时间的相关性研究

为进一步定量分析雷暴单体演变过程中的反射率因子与地闪频数随时间的相关性，根据雷暴云非感应起电机制，雷暴云中的电荷产生与分离主要集中于-10～-20℃高度层之间，过冷水滴、霰(软雹)以及冰晶等不同相态的水成物粒子主要存在于0～-20℃高度层区域，而这些粒子是促发闪电的重要因素，为此选取具有指示意义的0、-5、-10、-15℃高度层分别对应的反射率因子的最大值指标，研究其与地闪频数随时间的演变过程。

图4(a—d)分别表示0、-5、-10、-15℃高度层对应的反射率因子的最大值与地闪频数随时间的演变结果。雷暴单体从开始生成到完全消散，共持续约2 h，13∶48雷暴单体开始形成并不断发展，13∶56首次出现地闪，随着雷暴单体继续发展至成熟阶段，地闪频数总体呈现上升趋势，并于14∶04达到小峰值，其后随着雷暴单体的减弱，地闪频数呈现下降趋势，直到14∶26—14∶34，有新的单体介入，致使雷暴的强度在14∶34达到顶峰，地闪频数达到最高，之后再没有新的单体的介入，雷暴单体随时间减弱，直至消亡，地闪频数总体呈现下降趋势，15∶05地闪频数降至为0次。

图3 雷暴单体反射率因子中心垂直剖面随时间演变的结果:(a)13∶48; (b)13∶56; (c)14∶04; (d)14∶12; (e)14∶20; (f)14∶26; (g)14∶34Fig.3 The results of the time evolution of the central vertical profile of the thunderstorm reflectance factor:(a)13∶48 BST; (b)13∶56 BST; (c)14∶04 BST; (d)14∶12 BST; (e)14∶20 BST; (f)14∶26 BST; (g)14∶34 BST

图4 各温度层对应的反射率因子最大值(单位：dBZ)与地闪频数随时间的演变：(a)0℃；(b)-5℃；(c)-10℃；(d)-15℃Fig.4 Evolution of reflectivity factor maximum(unit:dBZ) and ground flash frequency number with time in each temperature layer：(a)0℃；(b)-5℃；(c)-10℃；(d)-15℃

由图4可见，0、-5、-10、-15℃高度层对应的反射率因子最大值随时间演变趋势与地闪频数的变化基本一致。13∶48—14∶04，雷暴单体处于生成与发展阶段，0、-5℃高度层对应的反射率因子值增加较慢，而-10、-15℃高度层对应的反射率因子最大值增加非常迅速，分别增加了15 dB和20 dB；13∶56首次出现地闪，0℃高度层对应的反射率因子最大值为55 dBZ，-5℃高度层对应的反射率因子最大值为50 dBZ，-10℃高度层对应的反射率因子最大值为40 dBZ，-15℃高度层对应的反射率因子最大值为35 dBZ；在14∶12—14∶20时段，雷暴单体继续发展至成熟阶段，由于反射率因子核心区域的升高，导致0℃高度层对应的反射率因子最大值下降到50 dBZ，而-5、-10、-15℃高度层对应的反射率因子值则继续增大，其中-5℃高度层对应的反射率因子增长幅度有所减缓，基本保持在50～55 dBZ之间，但-10、-15℃高度层对应的反射率因子增长迅速，从40 dBZ、35 dBZ增加到55 dBZ，此时地闪频数从2次/(8 min)增加到85次/(8 min)，达到小峰值；14∶12—14∶34时段，0℃高度层对应的反射率因子值基本保持在50～55 dBZ之间，而-5、-10、-15℃高度层对应的反射率因子值则逐渐减小，从55 dBZ减小至40 dBZ，与此对应，地闪频数也从85次/(8 min)减小到31次/(8 min)；在14∶34—14∶42各温度层的反射率因子都增加，其中0℃和-5℃高度层对应的反射率因子值增加幅度较小，而-10、-15℃高度层对应的反射率因子值增长幅度很大，分别从45 dBZ和40 dBZ增加到55 dBZ，与此同时，闪电频数激增至94次/(8 min)，达到该雷暴整个发展阶段闪电频数的最高值；14∶42之后，整体温度层上的反射率因子值逐渐下降，闪电频数也是迅速减少，到15∶05闪电频数减少到0次，0℃高度层对应的反射率 因子值降幅并不是很明显，23 min内反射率因子值降至45 dBZ，-15℃高度层对应的反射率因子值下降幅度最大，23 min内反射率因子降至35 dBZ，此时雷暴单体已进入消亡阶段，对流减弱直至消失，地闪频数迅速减小，15∶05闪电活动结束，0、-5、-10、-15℃高度层对应的最大反射率因子值分别降至45、45、40、35 dBZ。

经过对筛选出的33个雷暴单体进行如上分析，统计各雷暴从首次闪电发生到闪电消失各温度层的最大回波强度的比例，结果如表1—3所示。

表1 33个雷暴闪电初生时刻各温度层不同回波强度的比例Table 1 Proportion of different echo intensities in different temperature layers at the initial time of 33 thunderstorms and lightning flashes 单位：%

表2 236个雷暴发展阶段各温度层不同回波强度的比例Table 2 Ratio of different echo intensities in different temperature layers in 236 thunderstorms development stages 单位：%

表3 25个雷暴闪电消失时刻各温度层不同回波强度的比例Table 3 Proportion of different echo intensities in different temperature layers at the disappearance time of 25 thunderstorm 单位：%

由于雷暴的筛选工作都是通过雷达回波资料结合闪电定位资料来完成的，因此筛选出来的雷暴单体都是在有闪电活动的条件下分析的，且由于在雷暴发展阶段个别雷暴超出雷达探测范围，所以雷暴闪电消失时刻的雷暴数量有所降低。

由表1可见，在雷暴闪电初生时刻，0℃高度层的反射率因子强度大于40 dBZ，且回波大部分为40～50 dBZ，50～55 dBZ的比例很小；相比较而言，-5℃高度层出现反射率因子为40～50 dBZ的比例大幅度减小，而0～40 dBZ强度的回波由零增加到总数的一半以上；-10℃高度层的反射率因子变得更低，大部分变为0～35 dBZ，40～45 dBZ的回波仅占十分之一，没有45～55 dBZ的回波；-15℃高度层的反射率因子完全是40 dBZ以下，0～30 dBZ的回波几乎占一半。

由表2可见，在雷暴闪电活动频繁的时段，0℃高度层的反射率因子强度都大于40 dBZ，回波大部分为45～55 dBZ，且出现了小部分的55～60 dBZ；-5℃高度层的反射率因子有所降低，回波大部分降为40～50 dBZ，55～60 dBZ的强回波几乎没有，而且出现低于40 dBZ的回波；强度以35～50 dBZ为主，强回波比例减小，弱回波比例增加；-15℃高度层的反射率因子大部分为35～45 dBZ，强回波比例继续减小，弱回波比例继续增加。

由表3可见，在雷暴闪电消失时刻，0℃高度层的反射率因子强度都大于40 dBZ，回波大部分为40～50 dBZ，该特征与雷暴闪电初生时刻相似，但在-5℃高度层35～45 dBZ回波所占的比例相对较高；-10℃高度层未出现45 dBZ以上的回波，40～45 dBZ的回波仅占20%；-15℃高度层强回波完全消失。

根据以上分析，结合闪电定位数据，认为0℃高度层上出现40 dBZ及以上强度回波是雷暴能够发生闪电的主要特征；在雷暴初生或消散时，反射率因子强度随高度不断降低；而在雷暴成熟阶段，反射率因子强度随高度先增加后减小。

4 雷暴发展过程云内粒子的演变特征研究

单偏振天气雷达的探测数据通常只有强度、速度、谱宽，尽管在研究雷暴的过程起到了重要作用，但由于其能够提供的参数有限，雷暴预报的准确率仅能达到约80%，新体制的双偏振多普勒天气雷达除了提供雷达基本参数之外，还能提供差分反射率因子ZDR、双程差分传播相位变量ФDP、差分传播相位常数KDP、相关系数ρhv等双偏振参量。在实际的应用中，可以结合多个双偏振参量，通过模糊逻辑算法来识别回波中气象目标的粒子类型，这对研究雷暴内粒子类型、相态的空间分布以及雷暴随时间的发展演变有着重要作用。

利用LLX10B型S波段双偏振多普勒天气雷达回波资料结合模糊逻辑算法[19]对2014年7—8月江苏地区夏季雷暴过程中的云内水成物粒子进行了识别，研究了雷暴发展过程云内粒子的演变特征。以2014年8月6日一次强雷暴天气过程中的雷暴单体为例进行分析说明。

为了更加准确地观测雷暴单体的垂直结构，在14∶26，对某一雷暴单体所在区域进行VCS跟踪扫描，并对扫描区域进行了粒子识别，如图5所示。

根据江苏省闪电定位数据，统计该区域雷暴在演变过程的地闪频数随时间的变化，结果如图6所示。

从图中可以看出，14∶26—14∶34还未有闪电产生，从14∶34时刻开始，该雷暴单体影响区域内首次有闪电记录，并且地闪频数不断增加，14∶42—14∶50地闪频数短时间内大幅度增加，由5次/(8 min)增加到42次/(8 min)，14∶50—14∶57地闪频数继续增加，达到整个雷暴过程的峰值79次/(8 min)，14∶57—15∶05地闪频数开始减小，但减小幅度较小，减小到58次/(8 min)，15∶05—15∶13地闪频数下降幅度明显增大，由58次/(8 min)降至24次/(8 min)，直至15∶13地闪频数降至为0。其中14∶42—15∶05为闪电频发阶段，其每隔8 min的地闪频数平均在50次以上，整体来看，该雷暴的地闪频数随时间先增加后减少，最后减少到0，并在14∶50经历了一次峰值。

图5 2014年8月6日某雷暴单体反射率因子和水成物粒子识别结果随时间演变的VCS垂直剖面示意图：(a、g)14∶26; (b、h)14∶34; (c、i)14∶42; (d、j)14∶50; (e、k)14∶58; (f、l)15∶06Fig.5 The VCS vertical profile of a thunderstorm reflectivity factor and particle recognition results over time on August 6， 2014:(a,g)14∶26 BST; (b,h)14∶34 BST; (c,i)14∶42 BST; (d,j)14∶50 BST; (e,k)14∶58 BST; (f、l)15∶06 BST

通过分析图4结合图5可以发现，在14∶26—14∶34时段，此时雷暴处于初生阶段，云顶高度为9 km，没有大于40 dBZ的强回波区域，绝大部分区域小于35 dBZ，与之对应的粒子类型识别结果，0℃高度层以上为干雪，0℃高度层以下为湿雪，此时无闪电活动；14∶34—14∶42出现较大面积的强度大于40 dBZ的强回波区域，云顶高度为9 km，强度核心为45～50 dBZ，与之对应的粒子类型识别结果，在强度大于40 dBZ的强回波区域内的大部分粒子为湿霰，云底有小到中雨，这时段闪电首次出现记录，闪电定位数据显示在此时间段内该区域共发生了5次负地闪；14∶42—14∶50云顶高度达到12 km，强度大于40 dBZ的强回波区域继续增大，高度达到10 km，分析强回波区域的粒子类型，最高处的粒子是干霰，下面为湿霰，此时的湿霰大多在0℃高度层以上，0℃高度层以下为大雨，此时段的地闪频数增加到42次/(8 min)；14∶50—14∶57云顶高度为16 km，反射率因子强度中心增加到50～55 dBZ，强回波高度达到13 km，分析强回波区域的粒子类型，其中干霰在最高处，面积占强回波面积二分之一左右，湿霰大多在0℃高度层以上，0℃高度层以下为大雨，值得一提的是，在回波强度为50～55 dBZ的区域，绝大部分粒子为雨夹雹，此时段的地闪频数达到最大为79次/(8 min)；14∶57—15∶05云顶高度为16 km，强回波区域的高度降低至9 km，而强度为50～55 dBZ的区域面积增大，分析强回波区域的粒子类型，雨夹雹仍在回波强度为50～55 dBZ的区域，干霰面积减少，湿霰在雨夹雹周围，下层依然为大雨，此时段的地闪频数开始降低，降为58次/(8 min)；15∶05—15∶13云顶高度为14 km，强度为50～55 dBZ的区域消失，强回波区域的面积减小，高度降低至7 km，分析强回波区域的粒子类型，干霰和雨夹雹基本消失，湿霰和大雨各占强回波面积的二分之一，湿霰在上方，大雨在下方，此时段的地闪频数降低到24次/(8 min)；15∶13—15∶21，云顶高度为9 km，强回波区域大幅度缩小，其中的主要粒子是湿霰粒子，此时段的0℃高度层以上为干雪，0℃高度层以下为小到中雨，地闪频数也降为0次。

为便于观察和分析，对以上雷暴发展过程的各项关键数据进行了统计，如表4所示。

表4 单体雷暴发展过程分析(以2014年8月6日典型雷暴为例)Table 4 Analysis of development process of monomer thunderstorms (a case study of typical thunderstorms on August 6, 2014)

图6 2014年8月6日南京地区某雷暴地闪频数随时间的演变统计Fig.6 Evolution statistics of the flash number of a thunderstorm over time in Nanjing area on August 6， 2014

对2014年7—8月江苏地区夏季雷暴过程中的云内水成物粒子进行了统计分析，得出不同强度反射率因子回波中的粒子类型，如表5所示。由雷暴的非感应起电机制可知，0℃高度层以上水成物粒子之间的相互作用，是雷暴产生闪电的主要原因。将以上两个研究结果进行结合分析，发现雷暴首次出现闪电活动时或者闪电活动消失之前，最强的反射率因子强度都是40 dBZ以上，而其中的主要粒子包括干霰、湿霰和雨夹雹。从出现闪电到闪电消失，湿霰粒子自始至终都存在，干霰通常出现在雷暴发展和成熟阶段，而雨夹雹仅出现在雷暴成熟阶段。由此可见，雷暴中闪电的产生和霰粒子有着密切的联系，尤其是湿霰粒子。当雷暴成熟阶段空气对流最强烈的时候，干霰粒子通常含量很大，而当雷暴开始衰退时，干霰粒子又会减少，干霰粒子总是出现在湿霰粒子上空，由此可以猜想，干霰粒子是由湿霰粒子随对流空气上升到达高空形成，干、湿霰粒子能够相互转化。经研究发现，干、湿霰粒子都存在的区域和只有湿霰粒子的区域相比，前者的闪电频数更高。

表5 不同强度反射率因子回波中的粒子类型Table 5 Particle types in different intensity reflectivity factor echoes

5 结论

本文利用S波段双偏振多普勒天气雷达回波数据结合闪电定位资料对雷暴特征进行了研究，选取了2014年7—8月江苏地区的33个夏季雷暴过程作为研究对象，统计分析了江苏省地区夏季雷暴生消过程中反射率因子的时空演变特征，研究了不同温度层反射率因子与地闪频数随时间的相关性，并分析了雷暴发展过程中的水成物粒子的演变特征，主要结论如下：(1) 在雷暴成熟之前，雷暴的反射率因子核心区域的强度、高度和云顶高度不断增加，以及对流发展不断旺盛，当雷暴成熟之后，雷暴的强反射率因子核心的强度和对应高度就会不断降低，雷暴将趋于消散。(2) 结合LLX10B雷达回波资料和闪电定位资料，对雷暴3个阶段的特征高度层(0、-5、-10、-15℃)对应的反射率因子最大值的变化特征进行了统计，得出0℃高度层上出现40 dBZ及以上强度回波是雷暴能够发生闪电的主要特征。(3) 雷暴中闪电的产生和霰粒子有着密切的联系，尤其是湿霰粒子，干、湿霰粒子都存在的区域和只有湿霰粒子的区域相比，前者的闪电频数更高。

致谢：感谢江苏省防雷中心为本文研究提供闪电定位数据。