福建中南部沿海不同强对流天气闪电活动特征分析

李 丹，林 文，应 达，宁雪斌，杨 超，朱 彪，全虹源

(1.福建省气象科学研究所，福州 350001；2.海峡气象开放实验室，福建 厦门 361012；3.福建省气象灾害防御技术中心，福州 350001;4.河南省气象学会，郑州 450003)

引 言

福建地区春季强对流天气高发，尤其冰雹，其来势凶猛,强度大，常伴随雷电、狂风、暴雨，极易给局部地区农作物生长、建筑设备带来严重灾害，造成不可估量的经济损失。因此，亟须进一步加强对降雹与非降雹等不同强对流天气系统特征的了解，为冰雹云识别及人工防雹作业条件预警等防灾减灾工作提供参考。

闪电活动是强对流云系生消过程中重要的物理现象，与云内的动力和微物理过程紧密相关。国内外大量研究表明，在不同地区、不同类型和不同强度的天气过程中，动力和热力条件存在较大的差异性，其云内起电、放电的物理过程也有所不同，因此伴随产生的闪电活动也各有特点[1-6]。张义军等[7]对不同降水云系个例对比分析发现，闪电频数与云顶伸展高度具有较好的正相关性，层状云中闪电活动与降水关系并不密切。有研究表明，闪电多出现在30 dBZ回波顶高超过-10 ℃层的时间段内[8]，-10 ℃层至-40 ℃层间上升气流体积和冰晶质量的增加会导致云中起电增强[9]。对于雹暴，其中的地闪在空间位置上多对应弱的垂直速度区域，这些区域的0 ℃层垂直速度为-2-2 m/s，-20 ℃层垂直速度为-10-10 m/s[10]。郑栋等[11]对一次雹暴的闪电特征和电荷结构演变进行研究，发现雹暴过程中闪电活动的峰值超前降雹5 min左右，整体正地闪比例较正常值偏高，且降雹前的正地闪比例高于降雹后的比例。对流过程中，上升速度影响着雷暴的水汽输送，云内液态含水量决定了翻转温度(一般为-10--15 ℃)对应高度以上区域的霰的带电极性，从而影响雷暴电荷结构。冰雹云或龙卷快速发展阶段，地闪频次会出现突增现象，明显高于初始阶段的频次，云系减弱消散阶段，地闪频数随之显著减少[12-14]。通过对110个灾害性天气个例进行研究，Gatlin等[15]发现90%的灾害性天气过程中提前约27 min出现闪电跃增信号。根据Schultz等[16]对不同闪电跃增信号算法的对比分析结果，Yao等[17]选用2σ方法，进一步分析了北京-天津-河北地区雹暴的闪电跃增特征，指出闪电活动的跃增现象可以作为冰雹灾害发生的有效预警指标。其中，总闪和地闪活动的跃增信号相对冰雹事件平均提前量分别为32.2 min和25.4 min;当正地闪比例较高时，冰雹直径较大且降雹过程持续较长，反之，当负地闪比例相对较高时，冰雹过程较弱。可见，闪电活动特征对冰雹等灾害性强对流天气的发生具有一定的指示意义。目前雷电信息已作为对流性天气研究及临近预报的新手段受到重视，与雷达、探空和自动站等观测资料相比，闪电资料在探测范围和时效性上有突出优势，时间分辨率高，数据传输延迟短，受地形影响小(不存在观测盲区)。

虽然目前已存在大量关于强对流天气过程中闪电活动特征的研究，考虑到福建沿海地区的地域特点和气候差异，且本地主要灾害性天气，比如冰雹、短时强降水等过程中的闪电活动特征研究仍相对缺乏，本文基于福建省VLF/LF三维闪电定位资料，结合新一代天气雷达、双偏振雷达、自动站等资料，对3次不同强对流天气过程的闪电活动特征进行对比研究，为福建地区灾害性天气监测预警预报、人工防雹作业条件识别及数值模拟云内起电、放电参数化方案提供参考。

1 数据资料与方法

1.1 雷达资料

福建省新一代天气雷达(CINRAD/SA)已实现组网观测(图1)。新一代天气雷达探测能力强，接收机灵敏度高，覆盖范围广，可以对全省降水过程进行有效探测。在VCP21的模式下，每6 min完成一次体扫，径向空间分辨率为1 km。文中利用Marching Cubes改进算法[18]，对雷达数据进行空间格点化处理，结合探空资料进行温度层结高度分析，进而计算得到各雷达回波在不同高度层间的体积，单位为km3。

图1 福建省VLF/LF三维闪电定位监测站、新一代天气雷达和厦门站双偏振雷达分布

厦门海沧S波段双偏振多普勒雷达位于海沧区蔡尖尾山(118°0′16″、24°30′25″)，海拔高度为393 m，有效探测范围为230 km，距离分辨率为250 m。通过新一代天气雷达双偏振试验，将其与美国NEXRAD雷达降水过程数据进行对比分析，结果显示，二者系统稳定，观测结果较为一致[19]。

1.2 闪电探测资料与跃增信号算法

福建省气象部门2004年布设了1套ADTD闪电定位系统(9站)，并于2014年底进行闪电定位系统升级建设，布设了VLF/LF三维闪电定位监测系统(16站，图1)。三维闪电监测系统由中国科学院电工研究所研发，多个站点组网观测，利用闪电放电产生的VLF/LF信号到达时间，基于宽带网络通信技术和时间到达差定位算法，实现对云闪和云地闪的三维定位。站网的理论性能为：平面位置误差≤500 m，高度误差≤500 m，云地探测效率≥90%，时间分辨率≤2 ms；系统通过数字波形判断和云闪鉴别算法区分云闪和地闪。朱彪等[20]对比分析了三维闪电定位监测系统和原有ADTD闪电定位系统对地闪的探测数据，发现它们给出的全省地闪密度空间分布形态比较一致。

分析闪电活动特征时，选用2σ跃增信号来表征闪电频次的迅速增加。具体计算方法如下[15-17]：

(1)首先对分析时段内的闪电资料进行2 min滑动平均，消除闪电数据中的噪点数据：

(1)

式中，FRavg(ti)代表滑动平均处理后ti时刻的闪电频数，FR(ti)和FR(ti-1)分别代表ti时刻及其前一时刻的闪电频数(单位：次/min)。

(2)求闪电频数时间变化率DFRDT(单位:次/min):

(2)

(3)求解得到DFRDT的标准偏差σ，取其2倍值。

对冰雹个例发生发展时间段内，分析比较各个时次对应的DFRDT值和2σ，若某一时次的DFRDT大于阈值2次/min，且DFRDT>2σ时，认为此处为一次闪电跃增信号。

1.3 个例挑选

本研究选取2017年4月19日超级单体、2018年8月1日普通降雹和2019年8月12日短时强降水共3次强对流天气个例进行对比分析(图2)。对雷暴云内雷电活动时空特征进行统计分析时，根据雷达回波参量宏观特征分析，确定强对流天气系统的范围，确保统计数据不受附近其他云系影响。

图2 2017年4月19日12:59厦门站双偏振雷达9.9°仰角反射率因子(a)和6.0°仰角多普勒径向速度(b)、2018年8月1日13:59厦门站双偏振雷达9.9°仰角反射率因子(c)和6.0°仰角多普勒径向速度(d)及2019年8月12日13:49福州站新一代天气雷达组合反射率因子(e)和11-17时1 h降水极值分布(f)

2 不同强对流天气闪电活动特征分析

2.1 超级单体过程的雷达回波与闪电活动特征

2017年4月19日中午，漳州龙海地区发生一次雹暴过程，回波中心强度达60-65 dBZ(图2a)，其不断向偏东方向移动并发展，过程中存在明显的中尺度气旋结构特征(图2b)，具备超级单体特征，此处简称“超级单体”(下同)。受其影响，约13:00龙海地区出现小冰雹(由于冰雹发生区域较为偏僻，无尺寸信息记录)。

图3(a)给出了此次超级单体整个生命史期间闪电活动及不同强度反射率因子回波体积随时间的演变。由图3(a)可见,此次超级单体过程中不同强度反射率因子体积成双峰特征，第一次回波体积峰值大于第二次的。闪电活动频次整体呈单峰趋势，85%的闪电活动集中发生在对流云系第一次发展旺盛期，持续时间约35 min(12:45-13:20)。在云系初生阶段，闪电活动并不活跃，于12:24出现一次云闪，此后20 min内无闪电活动。12:19超级单体的双偏振雷达参量出现了明显的ZDR柱、KDP柱特征[20]。ZDR大值对应着大雨滴，表明此时有强上升气流将暖区的雨滴带入过冷区;KDP柱除了雨滴外还包含了大量融化的冰粒子。非感应起电机制认为，当液态水含量适中时，在反转温度(模式中通常设定为-10或-15 ℃)所处高度以上的霰将携带负电荷，冰晶携带正电荷，受冰晶粒子自身重力和上升气流的作用，两者产生分离，冰晶被带到更高的高度，而霰和雹等较大的粒子高度较低，从而形成不同的电荷聚集区，进而引起首次云内放电活动[21]。

随着对流单体不断发展旺盛，12:43强回波中心局部回波强度达45-55 dBZ，云系0 ℃层以上反射率因子大于45 dBZ的回波体积逐渐高达650 km3，闪电活动频次开始迅速增加，于12:45、12:54产生了2次闪电2σ跃增信号(图3b)，分别提前于降雹时刻约15 min和6 min。13:04总闪电频数达到峰值10次/min，地闪频数随之迅速增加至6次/min。随后，不同反射率因子的回波体积开始持续增长。13:01超级单位0 ℃层以上回波强度大于45 dBZ的回波体积达到峰值1218 km3，与闪电活动频次峰值和产生冰雹时间相一致，回波强度为30-35 dBZ的回波体积峰值则相对落后约6 min。降雹后总闪频数显著减少，且-10--15 ℃区域强回波(>50 dBZ)体积有所减小，可见闪电活动减弱与云内冰相粒子的快速减少有一定关系。13:20超级单体逐渐进入减弱阶段，其间云内冰相粒子特别是大粒子相对较少，闪电活动较弱，仅为几次零星的负地闪活动。雹云整个生消过程中，正地闪占地闪的平均比例为18.1%。

结合超级单体过程中总闪电频数及DFRDT值随时间变化(图3b)和-10--20 ℃温度层内不同强度反射率因子回波体积随时间变化(图3c)可以看出，12:45第一次2σ跃增信号出现时，反射率因子大于50 dBZ的强回波顶高突破-10 ℃，此时闪电频次迅速增加。这是由于对流云系发展过程中云中液态水含量不断增大，丰富的水滴、冰晶等在雷暴中强上升气流的作用下碰撞导致云中带电粒子的增多，闪电频次随之增大。孙凌等[22]在对2015年北京一次强飑线过程的闪电辐射源演变特征分析中，也发现强回波顶高延伸到-20 ℃温度层高度，闪电辐射源高度也逐步增加，闪电明显增多。随后超级单体不断发展成熟，13:00云系回波顶高达10 km，强回波中心(>45 dBZ)高达8 km，此时闪电活动频次也达到峰值。20 min后云系开始不断减弱，随后再次增强。超级单体二次增强过程中(13:30-14:20)，云系0 ℃层以上反射率因子大于45 dBZ的回波体积峰值高达660 km3，但上升气流明显较弱，云系回波顶高约为6 km，云系强回波中心发展高度较低，其间闪电活动较弱。可见液态水含量及上升气流强度都是影响雷暴起电、放电的关键因素。

图3 2017年4月19日漳州超级单体过程中厦门站新一代天气雷达0 ℃层以上各反射率因子回波体积与闪电活动(a)、DFRDT值(b)和-10--20 ℃温度层内不同强度反射率因子回波体积(c)随时间的变化

2.2 普通降雹单体的雷达回波与闪电活动特征

2018年8月1日午后，受中层偏北气流和925 hPa低层风向辐合影响，漳州境内出现一次普通降雹过程，回波中心强度达60-65 dBZ(图2c)，14:00左右在厦门集美地区开始出现直径2-3 cm的冰雹，随后不断向东南方向移动并发展。此次降雹过程中无中气旋产生(图2d)，不具备超级单体特征，故简称“普通降雹单体”(下同)。

根据厦门地区探空资料，午后漳州地区上空0 ℃、-10 ℃和-20 ℃的高度分别为5.1 km、6.8 km和8.5 km。此次雹暴过程中雹云0 ℃层以上各反射率回波体积与不同类型闪电活动频次随时间变化整体均呈单峰趋势，反射率因子分别为45-50 dBZ、40-45 dBZ、35-40 dBZ和30-35 dBZ的回波体积峰值逐步落后于总闪电频数峰值，且落后时间依次增加(见图4a)。

雹暴发展初期，闪电活动较弱。13:10首先出现一次云闪，随后闪电活动开始增加。13:39雹云迅速发展，回波顶高高达16 km，且局部回波强度高达65 dBZ，0 ℃层以上反射率因子大于45 dBZ的回波体积约856 km3，此时闪电频次为4次/min。随后闪电活动迅速增强。13:56总闪电频数达到一个小峰值,为18次/min，地闪频数增加至12次/min。14:00左右产生降雹后，0 ℃以上区域强回波(>45 dBZ)体积不断减小，总闪电频数随之迅速减少至10次/min。经过短暂的减弱后，雹云0 ℃以上区域强回波(>45 dBZ)体积再次不断增大，说明云内仍有强上升气流在不断输送降水粒子，同时闪电活动再次增强。14:22总闪电频数达到峰值约40次/min，地闪频数随之增长至约20次/min。此次雹暴过程中闪电活动活跃期维持了约90 min。15:00后云系不断减弱消散，闪电活动随之迅速减弱。雹云整个生消过程中正地闪占地闪的平均比例相对较高，为62%。

根据此次普通降雹过程中总闪电频数及DFRDT值随时间变化和-10--20 ℃温度层内不同强度反射率因子回波体积随时间变化(图4b、c)可见，13:20对流单体50 dBZ回波发展到-10 ℃温度层高度以上时，产生了第一次闪电2σ跃增信号。随后13:44、13:56依次出现2次闪电2σ跃增信号。3次跃增信号相对于降雹时刻分别提前40 min、16 min和4 min。其间60-65 dBZ的强回波中心迅速抬升至-10--15 ℃区域，闪电活动随之开始活跃。降雹时，云系强回波中心不断下降，出现短暂的减弱。降雹结束后，云系不断发展旺盛，14:21强回波(>45 dBZ)高度再次抬升至11 km，此时闪电活动达到峰值。这是由于低层水汽不断往高层输送并释放潜热，在高层形成大量的过冷水和冰相粒子，有利于非感应起电机制聚集大量电荷。

图4 2018年8月1日厦门普通降雹过程中厦门站新一代天气雷达0 ℃层以上各反射率因子回波体积与闪电活动(a)、DFRDT值(b)和-10--20 ℃温度层内不同强度反射率因子回波体积(c)随时间的变化

2.3 短时强降水的雷达回波与闪电活动特征

受高空槽和低层弱切变影响，2019年8月12日午后，福州连江(11:00-14:00)、福清、莆田(14:00-17:00)先后各出现了短时强降水过程(未发生降雹)。过程中云系最大回波强度达60～65 dBZ(图2e)。按照其生消过程可以简单划分为2个阶段。其中福州连江地区江南乡区域站13:00-14:00小时雨量达37.1 mm，莆田仙游郊尾镇沙溪村区域站15:00-16:00小时雨量达38.8 mm(图2f)。

短时强降水过程中不同反射率因子体积和闪电频数随时间的变化均呈现明显的双峰特征(图5a、b)。这是由于分析区域内连续出现2次对流性降水过程。该对流云系的主体位于0 ℃层以下的暖区区域，其冷区强回波(>45 dBZ)体积峰值分布与总闪及地闪频数峰值较为一致。连江地区产生降水前，云系发展较低，仅在暖区依次出现3次云闪和1次负地闪，降水过程中闪电活动较弱，总闪频数峰值为5次/min，且超前于强回波(>55 dBZ)体积峰值约20 min。14:00后，随着连江地区对流性天气过程的减弱，福清和莆田地区逐渐产生局地对流并不断增强。由回波强度及其体积变化可以看出，第二个子过程要强于第一个子过程。两个子过程之间的时段闪电活动较弱。闪电活动的第二次活跃期，峰值达11次/min，以地闪活动为主。相较于超级单体和普通降雹过程，此次短时强降水过程中平均正地闪比例最低，为11.45%，但地闪比例高于超级单体和普通降雹过程的比例，达55.5%。这与MacGorman等[23]的研究结果一致，主要是因为中层带电冰粒子在强劲的上升气流作用下抬升到更高的位置，云内正负不同极性电荷区的距离缩短，导致云内放电频数增加，同时使云内电荷区与地面的距离增加，从而解释了超级单体和普通降雹过程中地闪比例较低的现象。

根据此次短时强降水过程中总闪电频数及DFRDT值随时间变化和-10--20 ℃温度层内不同强度反射率因子回波体积随时间变化可见，整个强对流天气生消过程中未产生闪电2σ跃增信号(图5c)，且未见大于50 dBZ的强回波发展到-10 ℃温度层高度以上(图5d)。

图5 2019年8月12日福州短时强降水过程中福州站新一代天气雷达0 ℃层以上(a)、0 ℃层以下(b)各反射率因子回波体积与闪电活动及DFRDT值(c)和-10--20 ℃温度层内不同强度反射率因子回波体积(d)随时间的变化(c)中未出现2σ预警信号

3 闪电活动与雷达回波体积的关系

3.1 相关性分析

对3次强对流天气过程中不同类型的闪电活动频次随时间变化与云系各反射率因子体积的相关性进行分析(云系整体反射率因子超过50、45、40和35 dBZ的体积分别表示为V>50 dBZ、V>45 dBZ、V>35 dBZ、V>30 dBZ，云系0 ℃层以上反射率因子超过50、45、40和35 dBZ的体积分别表示V>50 dBZ 0 ℃层以上、V>45 dBZ 0 ℃层以上、V>35 dBZ 0 ℃层以上、V>30 dBZ 0 ℃层以上，下同)，结果如图6所示。由图6可见，两次降雹过程中云系各反射率回波体积与闪电活动频次的相关系数R普遍大于0.7，相关性较好。其中，超级单体过程中闪电活动与V>50 dBZ 0 ℃层以上相关性最好，一般性降雹过程中闪电活动与V>45 dBZ相关性最好；由两次降雹过程综合分析结果表明，云系发展过程中总闪频次与强回波体积V>45 dBZ的相关性最好，相关系数高达0.89。短时强降水过程中各反射率因子体积与闪电活动频次相关性相对较差，平均相关系数仅为0.64。

图6 3次不同强对流天气过程各反射率因子体积与各闪电活动频次相关系数0419为2017年4月19日漳州超级单体，0801为2018年8月1日厦门普通降雹，0812为2019年8月12日福州短时强降水；R为相关系数，N为闪电活动频次；V为回波体积，T为总闪，P为正闪，CG为地闪，PCG为正地闪

3.2 闪电回波体积(VPF)分析

为进一步了解雷暴过程中的微物理条件，石玉恒等[24]提出了单个闪电表征的回波体积VPF(echo volume per flash)的定义，即回波体积除以闪电频次，一定程度上反映了云内起电、放电的难易程度。此处取与总闪频次相关性最好的V>45 dBZ来进行分析。根据3次不同强对流天气过程中VPF时序变化图(图7)，结合上文分析可知，在超级单体过程中，对流发展的第一个活跃期(12:19-13:07)上升气流旺盛，强回波(>45 dBZ)高达8 km，其间VPF值均小于320 km3/次;降雹后强对流经过短暂的减弱期并进行二次发展，其间尽管强对流单体V>45 dBZ值仍较大，但随着云系强对流中心发展高度降低，VPF值增大，高达2311 km3/次。普通降雹个例生消过程中VPF随时间变化均低于250 km3/次，初始发展和消亡阶段VPF值相对较高。短时强降水过程中，其2个子过程发展到成熟阶段，VPF均相对较小，且其较强的第二个子过程发展过程中(14:24-15:47)，VPF均小于500 km3/次。经计算得到的3次过程中的VPF平均值分别约为411、96和341 km3/次。结合当天探空资料可知，3次过程中云系强回波(>45 dBZ)发展高度分别超过0 ℃层高度3.4、9.1和1.9 km。由此可看出，在强回波中心发展较高时，VPF值较小，这是由于云中起电过程依赖于冰相作用，在较强的上升气流作用下，更容易发生起电并进行电荷分离，从而更易于产生闪电活动。

图7 2017年4月19日漳州超级单体(a)、2018年8月1日厦门普通降雹(b)和2019年8月12日福州短时强降水(c)过程中单次闪电回波体积(VPF)随时间的变化VPF=0表示无闪电活动或V>45 dBZ值为0

4 结论与讨论

本文利用VLF/LF三维闪电定位、新一代天气雷达和厦门双偏振雷达等资料，对福建中南部沿海地区3次不同强对流天气过程中的闪电活动特征进行了对比分析，主要结论如下：

(1)两次雹暴单体生消发展过程中，闪电活动频次达到峰值时，强对流单体均处于成熟期，对降雹时刻并无明显的超前预警效果，但降雹前均出现了闪电频次跃增现象。相对于降雹时刻，闪电2σ跃增信号在超级单体和冰雹过程中分别提前15 min和40 min发生，且与反射率因子大于50 dBZ的强回波体积抬升高度突破-10 ℃温度层的时刻相一致，短时强降水过程中未出现该跃增信号。

(2)文中所选普通降雹过程中正地闪占地闪的平均比例相对最高，达62%;超级单体过程中正地闪占地闪的比例次之；短时强降水中正地闪占比最小，仅为11.45%。超级单体过程中云闪为主，地闪比例较小；短时强降水过程中地闪所占比例要高于一般普通降雹和超级单体过程的地闪占比。

(3)不同的强对流天气过程中闪电活动频数与各反射率因子体积随时间变化趋势相对一致，雷达强回波(>45 dBZ)体积与闪电活动频数随时间变化呈明显的正相关性，其相关系数在两次降雹过程中综合高达0.89，而在短时强降水过程中的最低，仅为0.64。3次强对流天气生消演变过程中，成熟期VPF值均相对较小，且强回波中心发展较高时，相对更易发生闪电活动。

本文所选的超级单体中雷电活动频数低于普通降雹过程中的频数，与传统认知略有偏差。虽然文中普通降雹过程中没有伴随中气旋，但其回波中心强度和回波伸展高度均大于所选超级单体回波的中心强度和伸展高度，可见闪电活动与雷暴自身的发展强度、强回波体积V>45 dBZ及发展阶段等密切相关，中气旋结构的存在并非必要条件。

不同强对流天气过程中复杂的动力、热力条件及起电、放电等微物理过程导致了其闪电时空变化特征的差异性，进一步分类细化研究不同天气情况下的闪电活动特征，有助于了解其对不同强对流天气的指示意义。