海南一次雷暴过程闪电特征分析

蒋 尧，孙 豪，杨 敢，姚年鹏，戴炳哲，张其林

(南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044)

0 引言

雷暴是一种伴有闪电的灾害性天气现象，对人们生产生活影响巨大。人们利用多种观测资料对闪电活动与强对流天气系统的关系进行了很多研究，这为强对流天气预报业务提供了基础，也是闪电资料分析应用的重要方面。雷暴云的生命史可以划分为3个阶段：生成阶段、旺盛发展阶段、消散阶段，在不同阶段中，雷暴云的结构有所不同，地闪和云闪的波形也有差异，对应的雷达回波强度以及云顶温度也有所不同，这对雷暴的特征分析是有必要的。刘恒毅[1]等利用快电场资料对电场变化波形进行了时域特征分析，统计分析了波形上升时间、下降时间、半峰值宽度等参数，发现地闪半峰值宽度在10～25 μs之间，云闪的半峰值宽度在1.5～5 μs之间。吴进成[2]等利用500～800 km的VLF磁场数据分析了地闪波形，统计出地波的半峰值宽度大多在30 μs左右。曹东杰[3]等对快电场波形进行了分析，发现云闪和地闪在初始阶段的波形均以小于等于10 μs的窄脉冲为主。Nag[4]等统计分析了12次地闪和12次云闪过程初始阶段电场波形，发现均以幅值较小且宽度较窄的小脉冲为主，云闪起始阶段26%的脉冲和地闪预击穿阶段22%的脉冲，其宽度小于1 μs。杨超等[5]对南京一次强对流天气过程闪电与雷达回波强度的关系进行了分析，发现大多数地闪发生在40 dBz以上的回波区边缘。张晓黄等[6]通过组网观测结合风云四号卫星数据对云闪和多回击地闪进行了研究分析，验证了探测网的定位精度。杨国锋[7]等在对郑州闪电活动的研究中发现闪电频数及闪电强度与雷达回波强度有较好的一致性。Karunarathna[8]等对一次雷暴过程中的66次闪电进行统计分析，发现大部分云闪始发于回波核上方，地闪始发于回波核顶及周边。慧雯等[9]综合利用卫星和地基资料分析了我国西南地区2008-2014年的闪电分布特征。居丽玲等[10]对秦皇岛市的一次雷暴天气进行了详细分析，结果表明：雷电密集区与强对流回波带相对应，雷电密集区的移动反映出强对流单体的移动趋势。

以上的研究大都是基于单一的闪电资料对闪电电场波形所做的分析，本研究利用雷电低频磁脉冲传感器获得的闪电三维辐射源定位结果结合风云四号云顶亮温资料、SA波段的雷达资料，针对2019年9月9日14时-21时的一次雷暴过程进行统计分析，分为始发阶段、旺盛发展阶段、消散阶段这3个阶段研究雷暴过程中的闪电特征，研究了不同阶段地闪和云闪波形特征，同时为闪电预警效果的提高提供一些有效参考依据。

1 观测资料

1.1 雷达资料

本次雷暴过程观测使用到的雷达是海口站的多普勒天气雷达，站号为Z9898。多普勒天气雷达利用了雷达数据采集系统(RDA)，产生电磁脉冲波束并发射，接收机接受目标物反射或散射回来的能量，经处理分析后得到雷达基数据。雷达基数据已经经过基本的电磁干扰杂波滤除、地物杂波滤除等质量控制[11-12]。本研究所用雷达为海南CINRAD/SA型号的雷达，雷达天线绕垂直轴进行360°全部方位扫描，间距为1°，6 min完成一次体扫，扫描仰角为0.5°～19.5°之间，其中0.5和1.5分别扫描两次，记为一个仰角。反射率因子距离库长为1 km，最大距离库数为460，速度和谱宽距离库长为0.25 km，最大距离库数为920[13-14]。

1.2 FY-4A卫星资料

雷暴云发展过程中，对流活动相当强烈，雷暴云顶能达到很高的高度，有时会到达对流层顶。FY-4A卫星上携带的探测仪器可以接受来自大气辐射和地面辐射，雷暴发生处所在的对流云垂直发展旺盛，云层厚且浓密，在红外波段可以将云层近似看作黑体，由此卫星可以接受来自红外大气窗区云顶的辐射，反演出云顶高度[15]。随着高度上升云层温度逐渐降低，云顶温度(CTT)越低，意味着雷暴云高度越高，其中的对流运动越强烈，而闪电也通常发生在强对流天气系统中，因此CTT与闪电发生有一定的关联性。

1.3 雷电低频磁脉冲定位资料

雷电磁脉冲信号传感器用环形磁天线来进行磁场强度的测量，当磁力线通过环形天线时，会产生感应电动势，从而实现信号的识别与接收[16]。在海南组建了探测网，建设7个探测站(分别为昌江站、澄迈站、乐东站、琼中站、三亚站、万宁站、文昌站)，测站分布情况见图1，中心站为琼中站，与各个子站之间的距离均小于120 km，这种布站方式的好处在于探测区域无盲区，可以实现对整个海南省较高精度的定位。

图1 海南测站分布图Fig.1 Hainan station locations

7个测站均装有10 k磁天线，磁天线的频响曲线见图2。

图2 10 k磁天线的频响曲线Fig.2 Frequency response curve of 10 k small magnetic antenna used in each station

2 闪电特征分析

本研究针对2019年9月9日14时-21时的雷暴过程进行统计分析。2019年9月9日，海南省各市气象台发布雷雨大风黄色预警，风力达7-9级并伴有强雷电和局部短时强降水，是一次强烈的雷暴过程。将本次雷暴过程分为3个阶段：雷暴始发阶段(14：00-15：00)、雷暴旺盛发展阶段(15:00-19:00)、雷暴消散阶段(19:00-21:00)。本次过程共计探测到闪电3 717次，其中地闪1 056次，占总闪的28%，其中负地闪813次，占地闪总数的77%，平均负地闪强度为-61 kA，正地闪243次，占地闪总数的23%，平均正地闪强度为56 kA，云闪2 661次，占总闪的72%[17]。图3分别是一次云闪和一次地闪的波形图，横坐标是时间(s)，纵坐标是感应电压(V)。对波形的参数有如下定义：

图3 3次云闪波形Fig.3 Waveforms of cloud lightning

1)上升沿时间：脉冲上升沿10%幅值的位置到峰值点的时间差。

2)下降沿时间：脉冲峰值点到下降沿10%幅度位置的时间差。

3)半峰值宽度：脉冲上升沿50%幅度位置到脉冲下降沿50%位置的时间差。

4)磁感应强度幅值：使用10 k小磁棒得到的波形的磁感应强度的最大值。

3次云闪个例的发生时间均已在图中标出，13：36发生的云闪处于闪电始发阶段，图中所示波形的半峰值宽度约为7 μs，上升沿时间约为4 μs，下降沿时间约为5 μs，磁感应强度幅值约为14.7 nT，此次共产生15个脉冲，其波形呈现典型的双极性特征，多个云闪脉冲连续出现，平均上升沿时间约为3 μs，平均下降沿时间约为3.2 μs，半峰值宽度约为8 μs。

16：28发生的云闪从波形可以看出是一次典型的云内NBE事件，半峰值宽度约为10 μs，上升沿时间约为8 μs，下降沿时间约为10 μs，磁感应强度幅值约为46.7 nT。与13:36发生的云闪相比幅值有大幅度提高。19:00云闪半峰值宽度约为6 μs,上升沿时间约为4 μs,下降沿时间约为7 μs，磁感应强度幅值约为18.7 nT，幅值远低于16:28云闪的，但略高于13:36云闪的幅值，这是因为此时雷暴进入消散阶段，闪电强度减弱，与雷暴旺盛发展阶段相比磁感应强度减弱，但距离雷暴完全消散还有一个多小时，还有部分闪电，因此磁感应强度高于闪电始发阶段。表1选取了6次云闪的半峰值宽度及磁感应强度幅值，半峰值宽度均在1-10 μs，磁感应强度幅值大致呈现先增后减的趋势，磁感应强度幅值最大达到了46.7 nT。

表1 6次云闪波形部分参数Table 1 Partial parameters of 6 cloud-to-cloud waveforms

图4选取了3次地闪的波形，14：27发生的地闪，地波、一次天波和二次天波的位置都已在图中标出，上升沿时间约为7 μs，下降沿时间约为10 μs，半峰值宽度约为11 μs，磁感应强度的幅值约为14 nT。二次天波的磁感应强度幅值明显小于一次天波，这也符合自由空间中电磁场的衰减规律。15：05的地闪半峰值宽度约为16 μs，上升沿时间约为10 μs，下降沿时间约为15 μs，磁感应强度幅值约为18.6 nT。19：19地闪半峰值宽度约为20 μs，上升沿时间约为10 μs，下降沿时间约为18 μs，磁感应强度幅值约为5.3 nT。

图4 3次地闪波形Fig.4 Waveforms of cloud-to-ground lightning

表2选取6次地闪的脉冲宽度及磁感应强度幅值，半峰值宽度在10～25 μs，磁感应强度幅值的变化趋势为先增后减，最高达到了25 nT。

表2 6次地闪波形部分参数Table 2 Partial parameters of 6 cloud-to-ground waveforms

取1 h为间隔对整个过程的闪电频次加以分析，见图5，可以看到闪电主要集中在15-18时，总闪频次、地闪频次、云闪频次的变化趋势非常一致，都为先增后减，14-17时呈上升趋势，17-20时呈下降趋势，在17-18时出现峰值，在19-20时迅速下降。

图5 闪电频数随时间变化关系Fig.5 Numbers of lightning verus time

图6反映的是本次雷暴过程每个时段云闪平均高度随时间的变化图，虚线代表正云闪的变化趋势，实线代表负云闪的变化趋势。从图中可以看出雷暴始发阶段正负云闪的起始高度均为5.5 km左右，在雷暴旺盛发展阶段，云闪的高度较为稳定，基本维持在4～6 km，雷暴消散阶段，正云闪消失，负云闪的高度也迅速下降[18]。

图6 云闪平均高度Fig.6 Average heights of cloud lightning

电流强度可以在一定程度上反应雷暴的强度以及变化趋势。图7统计了这次雷暴过程中每个时段正负地闪、正负云闪的平均电流强度。从图中可以看出在雷暴起始阶段(14时-15时)，无论是云闪还是地闪的电流强度极不稳定，上下浮动极大，出现短暂的跳跃性变化。随着雷暴进入旺盛发展阶段(15-19时)，云地闪的电流强度趋于稳定：正云闪的平均电流强度维持在30～40 kA，正地闪的平均电流强度维持在50～60 kA，负云闪的平均电流强度维持在-100～-50 kA,负地闪的平均电流强度维持在-50 kA左右。当雷暴逐渐进入消散阶段(19-20时)，云地闪的电流强度都逐渐减小。

图7 云地闪电流强度随时间变化Fig.7 Current intensity of lightning verus time

3 雷达回波特征分析

图8是14时-15时的雷达组合反射率与闪电辐射源定位结果的半小时叠加图，对应本次雷暴过程的始发阶段，“▲”对应7个测站的位置，“+”对应闪电发生的位置(下同)。始发阶段闪电发生较少且强度较弱，该时段共探测到99次闪电，其中云闪77次，占77.8%，地闪22次，占22.2%。绝大部分闪电分布在雷电回波区内，但也有极少数的定位点没有分布在雷达回波区，这可能是因为雷达每6 min完成一次体扫，在一次体扫的过程中雷暴云发生了移动。

图8 雷暴始发阶段雷达组合反射率与闪电辐射源定位结果的叠加图Fig.8 Radar reflectivity combined with lightning locations during the thunderstorm initiation

本次雷暴从海南省北方始发，先是出现在广东省境内，之后在30 min内迅速向南发展，在14时-15时之间开始有部分闪电出现在海南省东北部，始发雷达回波强度在25 dBz左右。与之前的研究大多认为较强的雷达回波特征值35 dBz相比，雷暴始发时雷达回波强度较弱，没有达到雷达回波特征值，发生在弱回波区。

图9反应的是本次雷暴发展旺盛阶段雷达组合反射率与闪电辐射源定位结果的叠加图，过程对应的时间段是15时-18时，该时段闪电发生密集，共计3 315次，其中云闪2 349次，占70.8%，地闪966次，占29.2%，云闪平均高度为4.9 km。该阶段对流较强，闪电电流强度大[19]。闪电密集区与强对流回波带相对应，闪电活动主要集中在向西南方向移动的对流系统的强回波中心及其前部的雷达反射率因子较大的区域，这可能是因为强回波核前部对应较强的对流上升气流区，而云底近地面处的上升气流和云内强烈的下沉气流是电荷对流输送维持的基础。与雷暴起始阶段相比，雷暴的发展方向由海南的东北方向西南方发展，并且闪电对应的雷达回波强度呈递增趋势，在16:30之后明显可以看到大部分闪电的雷达回波强度在35 dBz以上，最高的已经超过了50 dBz[20-21]。

图9 雷暴盛行阶段雷达组合反射率与闪电辐射源定位结果的叠加图Fig.9 Radar reflectivity combined with lightning locations during the thunderstorm development

图10反应的是本次雷暴消散阶段雷达组合发射率与闪电辐射源定位结果的叠加图，该阶段对应的时段是19时-21时，该时段共计探测到303次闪电，其中云闪235次，占77.6%，云闪平均高度为5.4 km，地闪68次，占22.4%，与15时-19时的雷暴旺盛发展阶段相比，不管是总闪、云闪还是地闪的数量都有了大幅度的下降，只有极少数的闪电出现在强回波区，该阶段的雷达回波强度明显减弱[22]，种种数据表明本次雷暴已经进入末期且即将消失。

图10 雷暴消散阶段雷达组合反射率与闪电辐射源定位结果的叠加图Fig.10 Radar reflectivity combined with lightning locations during the thunderstorm dissipation

4 云顶温度特征分析

云顶亮温与对流强度有较好的相关性，可以大致反应雷暴的发展区域，在雷暴云的发展过程中，随着高度上升云层温度逐渐降低，云顶温度越低，意味着雷暴云高度越高，对流活动越强烈。

图11选取了本次雷暴过程中每个阶段的云顶温度与闪电辐射源定位结果的叠加图，“+”表示闪电定位点的位置，“▲”表示海南7个测站。(a)-(b)对应雷暴的起始阶段，在14:45之前，海南省内部几乎没有出现冷云区，也没有出现闪电，冷云区集中在海南的西部和北部区域，在这之后云团明显向海南内部靠近，分别从澄迈和昌江处进入海南。(c)对应的是雷暴的旺盛发展阶段，和始发阶段相比，海南的大部分区都被冷云团笼罩，云团的整体发展趋势是由东北部向西南部发展，这和雷达反射率资料分析出的结果一致。(d)对应的是雷暴消散阶段，海南只有一半的部分被冷云团笼罩，和旺盛发展阶段相对比，可以预见的是冷云团即将从乐东处离开海南向海南的西南方向发展，雷暴迅速消散。

图11 云顶温度与闪电辐射源定位结果的叠加图Fig.11 Cloud top temperature combined with lightning locations

始发阶段云顶温度最高为300 K，最低为220 K；发展阶段云顶温度最高为230 K，最低为190 K；消散阶段云顶温度在230 K左右。整个雷暴过程中闪电都发生在190～230 K的冷云区。当天海南的地面温度为26～33 ℃,假定温度垂直递减率为6.5 ℃/km，即高度每增加1 km，温度下降6.5 ℃，可以算得平均云顶高度大概约为14 km。

5 结论

本研究结合三维闪电定位结果与雷达回波强度、云顶温度对2019年9月9日的一次雷暴过程进行了分析。6次云闪半峰值宽度在1～10 μs；6次地闪半峰值宽度在10～25 μs。磁感应强度幅值在雷暴始发阶段至雷暴旺盛发展阶段呈现上升趋势，随后呈现下降趋势。雷暴始发阶段云闪起始高度为5.5 km，随后维持在4～6 km。云地闪电流强度在雷暴开始阶段起伏较大，进入发展阶段逐渐稳定。闪电定位结果与雷达回波及云顶温度之间相关性较好，雷暴始发阶段雷达回波强度在25 dBz,旺盛发展阶段雷达回波强度均在35 dBz以上，最高的超过了50 dBz。雷暴发生在190～230 K的冷云区，平均云顶高度约为14 km。

本研究只是针对海南2019年9月的一次雷暴个例进行了分析，不同的天气过程闪电活动的特征可能会不尽相同，更加确切的闪电特征应该基于更多的个例进行统计分析和比对。这里提出一种研究方法和思路，利用闪电特征结合雷达回波强度以及云顶温度的相关性揭示强对流天气的闪电活动规律。