鹰潭市雷电天气分型和雷达PUP产品特征分析

李 密，马中元，余剑浩，刘懿枢，姜 磊，戴震天

(1.江西省气象科学研究所，南昌 330046；2.鹰潭市气象局，鹰潭 335001)

0 引言

雷电灾害是江西十大自然灾害之一。据数据统计：2005—2021年，江西因雷击事件身亡人数高达575人，主要分布在3-9月，其中7月雷击发生最频繁，有176人丧生。因此，开展雷电灾害的监测预警研究和预报服务十分有意义。

国内外学者对雷电灾害性天气监测预警技术进行了大量研究，例如：主观临近预报技术包括基于雷达观测并结合其他资料，对雷暴生成、发展和衰减的临近预报；层结不稳定是雷暴发生的3要素之一[1，2]。冰雹回波具有高悬的强回波、低层的弱回波区、中高层的回波悬垂和有界弱回波区、中气旋、风波顶辐散和三体散射长钉；任何对流风暴(雷暴)都是由对流单体构成，对流单体在雷达反射率因子图上表现为一个分立的密实区域[3，4]。雷达回波反射率因子的回波面积大小和强回波中心的移动与闪电发生的时间、地点有很好的一致性；强雷电回波具备强度大于50 dBz、强回波中心密实、强回波边缘梯度大等条件[5，6]。江西雷电天气具有明显的季节变化与日变化特征，每年2—5月集中在08：00—20：00，6—9月集中在11：00—20：00[7]。水汽云图上的强水汽累积区、雷达回波上的回波合并与高层强回波区以及雷达回波速度场上的“零值线”等特征，是判断雷电发生和强对流天气的重要依据[8-12]。飑线移动前方不断产生具有“前伸”、TBSS 、虚假回波结构和局地雹云超级单体回波群，这些飑前中小尺度系统是产生强对流天气的主要回波系统[13]。强垂直风切变、适宜的 0～-20 ℃高度、“上干下湿”的结构配置是形成地面降雹和雷雨大风的有利环境条件[14]。局地冰雹回波强度CR 达到 60～65 dBz，回波顶高ET 达到 9～12 km，垂直累积液态水含量VIL 达到 40～60 kg/m2，伴有强雷电活动[15]。8种云型是构成江西强对流天气的典型云型和两种回波形态[16-18]。

文章通过雷电资料、天气资料和雷达PUP产品进行统计分析，总结出鹰潭市雷电天气的天气类型、雷达拼图特征和雷达PUP产品特征，为开展鹰潭市雷电天气的监测预警和预报服务提供分析依据。

1 资料与区域划分

1.1 资料

雷电资料来源于江西强天气监测平台(http：//10.116.36.68/，2013年)和CIMISS数据库雷电数据。雷达资料有两种：一是江西WebGIS雷达拼图资料(http：//10.116.32.81/，2012年)；二是抚州(9794)SA雷达PUP产品数据。文章统一使用北京时间。

1.2 区域划分

雷电区域的统计范围是以鹰潭117.8°E/28.26°N为中心点，扫描半径0.5°(约55 km)的同心圆，该范围包含了鹰潭市所属县市和周边县部分区域。在江西强天气监测平台上设置好中心经纬度和半径，然后以鹰潭市为中心点的1°经纬距(110 km)覆盖圆内统计雷电日、雷电单日次数和雷电最大强度值。

2 雷电天气分型和雷达拼图回波特征

2.1 雷电数据统计和天气系统分型

2016—2018年，鹰潭市落雷密度≥500次/日的强雷电天气过程共有39次，对其进行数据统计和天气系统分型得出，鹰潭市雷电天气过程主要有4种天气系统：1)冷锋型(20次)；2)副高边缘型(11次)；3)东部台风型(5次)；4)南部台风型(3次)。

冷锋型(图1a)指对流触发主要由地面冷锋造成，并伴随着高空槽、中层切变和地面倒槽。特别是3—4月，强对流天气过程与地面倒槽的剧烈发展有关，而往往倒槽以北又有冷空气堆积、南下。前期辐射增温，在“舌”状倒槽最明显的时段，倒槽附近先出现强对流天气过程，有强雷电，并常伴有雷暴大风、强降水等强对流天气。随着冷空气南下，冷暖气团交汇，冷锋不断向倒槽侵入，在锋面附近又会激发出剧烈对流，有时强度更强，强雷电并伴有冰雹、雷暴大风。冷锋型过程有时会持续3～4 d，先是暖区强对流，后冷锋南下，冷暖气团交汇，冷平流又激发强对流，直到冷锋南移至赣南，赣北、赣中的强对流天气过程才趋于结束。高空低槽、中低层切变线，切变线以南700 hPa、850 hPa、925 hPa有显著的西南气流从西南伸向赣北、赣中。850 hPa的18 ℃露点线由福建南部经赣东南、赣西北伸向湘中。受低槽、切变影响，在上干、下湿、200 hPa分流区、低层辐合中心附近等对流易发区出现强雷电。

副高边缘型(图1b)是热力条件、水汽条件很好的地方，在副热带高压(588 dagpm线)进入江西省，在6-8月，受低槽东移或台风影响，有一定的动力条件，也容易出现强对流天气。鹰潭位于副高边缘，500 hPa高空有低槽移动，低槽附近有干舌配合，江西处槽前；当低槽翻过110°E移近江西时，在槽前上干、下湿、700 hPa急流、200 hPa分流区等系统重合区域出现强雷电。

东部台风型(图1c)受台风低压沿副热带高压边缘东北方向运动影响，副热带高压断裂成东西二环，日本海以东海面的副热带高压，河套地区的大陆高压。台风低压中心向东部伸出辐合线或低层切变线，在上干、下湿、地面辐合线或低层切变线附近等对流易发区出现强雷电。

南部台风型(图1d)副热带高压控制华东大部地区，588 dagpm线伸入江西中西部。此时南部或西南部有台风活动，低压中心向北部伸出南北向或西南—东北向的倒槽；或东南方向有东风波从东南沿海向西北方向移动；热带系统活跃导致副热带高压强度有所减弱，控制区内出现辐合线或切变线，受台风倒槽或东风波等热带系统影响，在上干、下湿等对流易发区出现强雷电。

图1 鹰潭市雷电天气的4种天气系统配置

2.2 雷电天气过程雷达拼图回波特征

雷达拼图比单部雷达探测范围要广泛，多部雷达资料拼图弥补了单部雷达近距离挡角、盲区，远距离地球曲率、衰减等因素的影响，使得雷达拼图探测回波系统更加完整和完善。雷达拼图可以在网站上采用不同方式随时进行调阅，因此，在实际业务中使用频率最高。

鹰潭雷电的雷达拼图主要是带状回波(图2)，由多个对流单体排列成带形成。例如：飑线带状回波、短带回波和台风外围螺旋雨带回波。在单部雷达产品分析团块状回波和块状回波结构中，也能看出尺度不同的短带回波结构。

飑线回波带(图2a)是由多个对流单体回波排列成东北—西南走向的紧密回波带，带上强回波单体强度可达60 dBz以上，整体回波朝东南方向移动，途经鹰潭时产生雷电。短带回波(图2b)是由多个对流单体回波排列成近似南北走向的回波带，回波带长度比飑线回波带要短，回波强度可达60 dBz以上，整体回波朝偏东方向移动，途经鹰潭时产生雷电。

台风外围回波带是由台风外围螺旋雨带或环流引起的雷暴回波带。根据台风来向位置不同，大致分为东部台风(图2c)和南部台风(图2d)两种。东部台风一般为南北走向的回波短带，强回波单体强度可达60 dBz以上，整体回波朝偏西方向移动，途经鹰潭时产生雷电。南部台风一般为东南—西北走向的回波带，结构较松散，强回波单体强度可达50～55 dBz，整体回波朝东北方向移动，途经鹰潭时产生雷电。

3 雷达PUP产品特征

雷达产品选择距离鹰潭最近的抚州SA雷达(9794)，主要分析：组合反射率CR、回波顶高ET、垂直累积液态水含量VIL、垂直剖面反射率因子RCS和径向速度垂直剖面VCS。组合反射率CR 反映了整层回波的强度分布；回波顶高ET从0 dBz开始取消了18 dBz的限制；垂直累积液态水含量VIL将4×4精度改进为1×1精度(肖艳娇等[19]2009)；反射率因子垂直剖面RCS和径向速度垂直剖面VCS用来反映反射率因子Z与速度场V之间的关系。

径向速度场上“中气旋 (mesocyclone)”的小尺度涡旋(Fujita[20]1963)，与最早 Brooks通过分析龙卷周围的地面气压场得出的龙卷母气旋是同一个概念(Brooks[21]1949)，在速度场上重点监测速度对、正负速度大值区、或者明显速度分层；垂直累积液态水含量(VIL)定义为液态水混合比的垂直积分(Greene et al[22]1972)，液态水混合比是通过雷达测量的反射率因子和雨滴之间的经验关系：M=3.44×10-3Z4/7进行垂直积分计算得到垂直累积液态水含量VIL。

为了便于分析，雷达产品按照回波形态分为：带状回波、短带回波、团块状回波和块状回波4类，并针对这4类回波的组合反射率CR、回波顶高ET、垂直累积液态水含量VIL、垂直剖面反射率因子RCS 和径向速度垂直剖面VCS等5个产品进行分析。团块状回波类似“絮状”回波，不同的是在团状回波中块状对流回波更为旺盛[23-26]。

3.1 飑线带状回波特征

2018-05-01T17：56，整个飑线回波带呈东北—西南走向，带上回波单体排列紧密，回波强度CR在55～60 dBz，回波带影响鹰潭市时，造成鹰潭市区域落雷861个，最大雷电强度-174.6 kV。2018-05-01T17：56，回波带上强中心回波顶高ET在14～15 km，大部分回波顶高ET 在10～12 km。2018-05-01T17：56，回波带上强中心回波的垂直累积液态水含量VIL在35～40 kg/m2。

2018-05-01T17：56，反射率因子垂直剖面RCS强中心强度在55～60 dBz，45 dBz强回波顶高在8 km，0 dBz最高回波顶高超过16 km，强回波呈柱状；径向速度垂直剖面VCS具有正负速度对(上下结构)[27]。

3.2 短带回波特征

2018-05-22T13：00，短带回波带呈东北—西南走向，带上回波单体排列紧密，回波强度CR 在50～55 dBz，回波带影响鹰潭市时，造成鹰潭市区域落雷1396个，最大雷电强度-132.9 kV。2018-05-22T13：00，回波带上强中心回波顶高ET 在14～15 km，大部分回波顶高ET 在10～11 km。2018-05-22T13：00，短带回波上强中心回波的垂直累积液态水含量VIL 在25～30 kg/m2。

2018-05-22T13：00，反射率因子垂直剖面RCS 强中心强度在50～55 dBz，45 dBz强回波顶高在10 km，0 dBz最高回波顶高超过18 km，强回波呈柱状；径向速度垂直剖面VCS具有正速度核。

3.3 团块状回波特征

2017-08-17T18：01，团块状回波影响鹰潭市，回波结构紧密，回波强度CR 在55～60 dBz，回波影响鹰潭市时，造成鹰潭市区域落雷2264个，最大雷电强度-70.1 kV。2017-08-17T18：01，团块状回波顶高ET 在14～15 km，大部分回波顶高ET 在10～12 km。2017-08-17T18：01，团块状回波上强中心回波的垂直累积液态水含量VIL 在40～50 kg/m2。

径向速度垂直剖面VCS具有正负速度对；反射率因子垂直剖面RCS 强中心强度在60～65 dBz，45 dBz强回波顶高在12 km，0 dBz最高回波顶高超过18 km，强回波呈柱状[28]。

3.4 块状回波特征

2018-08-05T17：57，块状回波影响鹰潭市CR 在55～60 dBz，造成鹰潭市区域落雷275个，最大雷电强度-154.0 kV。2018-08-05T17：57，块状回波顶高ET 在14～15 km。2018-08-05T17：57，块状回波上强中心回波的垂直累积液态水含量VIL 在15～20 kg/m2。

径向速度垂直剖面VCS具有上下结构的正负速度层；反射率因子垂直剖面RCS 强中心强度在45～55 dBz，45 dBz强回波顶高在8 km，0 dBz最高回波顶高超过16 km，强回波呈柱状。

由此可见，单部雷达产品特征表现为：组合反射率CR在50～60 dBz；回波顶高ET在14～15 km；垂直累积液态水含量VIL在15～50 kg/m2；反射率因子垂直剖面RCS在45～65 dBz；45 dBz强回波顶高在8 km以上，有时超过10 km；强回波呈柱状；有时强回波上方有旁瓣引起的虚假回波；径向速度垂直剖面VCS具有正负速度对(包括上下结构速度层)和正速度里面的强速度核。

4 结束语

文章通过使用雷电资料、天气资料和雷达PUP产品进行分析，得出鹰潭市雷电天气的天气类型、雷达拼图特征和雷达PUP产品特征。

雷电天气来自于雷暴单体，雷暴单体雷达回波是产生雷电天气的主要回波系统，了解和把握雷达回波特征，是监测预警雷电天气的有效手段。雷电天气的预测，取决于对雷暴回波系统的识别和外推，同时，雷电天气的产生还与环境条件相关。因此，不断积累雷电天气过程数据，更好地总结分析雷电天气特征、雷达拼图回波特征和雷达PUP产品特征，是今后继续研究和努力的方向。