北京地区一次飑线过程的闪电特征及其与水汽条件的关系

2022-07-27刘冬霞袁善锋王东方

气象与减灾研究 2022年1期

徐燕 , 刘冬霞 , 袁善锋 , 王东方

1.江西省人工影响天气中心，江西南昌 330096 2.中国科学院大气物理研究所，中层大气和全球环境探测重点实验室，北京 100029

0 引言

闪电是大气强对流活动的产物，其发生与云内复杂的动力、微物理过程密切相关，闪电活动特征能直接反映对流天气的发生、发展及消散。相较于雷达、卫星资料，闪电资料具有更高的时间、空间分辨率，能弥补雷达资料探测盲区缺陷，并且可以与多种资料相互融合补充，发挥其在短时临近预报中的作用。因此，研究闪电活动特征对提升灾害性天气预报预警能力具有重要意义。曾勇等(2020)研究发现，闪电的空间分布与冰雹云的移动路径基本一致，对冰雹云的移动发展有指示作用，雹区主要位于闪电发生位置的右侧。郭润霞等(2020)研究发现，在冰雹、雷暴大风、对流性暴雨发生期间，闪电频数从大到小依次为对流性暴雨过程、冰雹过程、雷暴大风过程；在冰雹过程中云闪所占比例不断增大，雷暴大风过程中始终都是云闪活动占主要地位，对流性暴雨过程中始终是地闪尤其是负地闪活动占主要地位。孙萌宇等(2020)利用全闪三维定位资料，分析北京一次相继多次降雹过程同样发现总闪频数在降雹前8—18 min出现跃增。朱义青和高安春(2021)研究发现，地面大风阶段对应着剧烈的闪电活动，冰雹大风等灾害性天气的最强时刻与正地闪的峰值出现时间较为一致。由此可见，监测闪电活动对大风、降雹、强降水等灾害性天气有一定的预警作用。

再者，闪电活动与水汽密切相关。Neumann(1990)提出的雷暴指数中就包含800—600 hPa的平均湿度；Price和Asfur(2006)发现,非洲闪电活动日变化峰值出现时间与对流层上层(300 hPa)水汽峰值出现时间相隔一天。我国针对不同省份的闪电活动特征和水汽输送也有一些研究，发现二者有较好的相关关系(左迎芝等,2009;沈定成,2011)。也有研究发现，700—400 hPa层平均湿度与闪电活动有很好的相关性，可用于雷暴预报(张翠华等,2002;郑栋等,2005)。然而，这些研究存在一定局限：受观测资料分辨率的限制，针对个例分析比较少；大多数研究基于地闪资料，而地闪资料并不能完全反映云内的闪电特征。

文中利用北京闪电综合探测网(Beijing Lightning Network，简称BLNet)总闪(云闪和地闪)定位资料、雷达资料详细分析一次冷涡背景下飑线过程的闪电特征，并用变分多普勒雷达分析系统反演结果讨论分析闪电分布与水汽通量散度的关系，以丰富对闪电活动规律的认识，旨在为闪电资料在对流天气监测中的应用提供更多科学依据。

1 资料和方法

文中所用资料为BLNet的总闪定位资料和北京南苑S波段天气雷达资料。BLNet是一个区域性、多频段、多站的闪电综合探测网，覆盖了整个北京地区，能同时对地闪和云闪进行探测定位，对全闪的探测效率可达93.2%，并可实现对闪电辐射源的二维和三维实时定位(Srivastava et al,2017)，其高分辨率闪电资料使用于近期多个研究成果中(孙凌等,2019; Liu et al, 2020;王东方等,2020;于函等，2021)。一次闪电过程有多次辐射放电事件，通过反演获得的辐射所在位置为辐射源，将前后发生时间间隔小于400 ms且水平距离小于15 km、总持续时间不超过1.5 s的辐射源聚类为一次闪电，并以第一个辐射源定位结果作为此次闪电的定位结果。如果一次闪电的辐射源既包括地闪脉冲，又包括云闪脉冲，则以地闪定位结果作为此次闪电定位结果。每6 min统计一次闪电频次，并与雷达资料相匹配，每次雷达体扫对应的闪电为此次体扫的开始与下次体扫开始之间所探测到的闪电。

2 天气过程介绍

2017年8月8日傍晚北京地区出现一次强飑线过程，多单体呈东北—西南向分布，且自西北向东南移动，在北京境内单体合并发展，并在北京中部区域发展成熟，形成飑线系统。此次飑线系统伴随较强的闪电活动、强降水和大风等天气，过程大概持续6 h。飑线系统发展演变均在BLNet探测范围内。

由8日08时(北京时，下同)天气形势(图1)可见，500 hPa层上东北冷涡发展深厚，蒙古国境内有一冷中心，北京上空有干冷平流侵入；850 hPa层上北京北部有一切变线，附近有一较弱的辐合区，西南侧有弱的暖湿气流输入，形成“上冷下暖”的热力不稳定结构。分析08:00探空图(图1c)发现，中层大气处于较湿状态，900 hPa层与950 hPa层之间存在逆温层，有利于不稳定能量聚集，且低层温度露点差较大，CAPE值为1 425 J/Kg，低层有垂直风切变，这为飑线的维持和加强提供了动力条件(孙素琴等,2020;2021)。

图1 2017年8月8日08时500 hPa(a)、850 hPa(b)温度场(填色,单位:℃)、高度场(等值线,单位：dagpm)、风场(矢线,单位:m/s)，以及北京站t-logp图(c)

3 雷达回波与闪电活动特征

图2给出了此次飑线系统数个时刻雷达组合反射率和6 min闪电分布。分析发现，18:00，北京东北部的对流单体发展成熟，北京西南边界上也有2个单体移入。此时，BLNet开始探测到闪电，闪电频数较小(图3)。19:00，北京东北部的对流单体发展演变成2个单体，东北部也有单体移入，北京西南边界上的单体开始减弱，此时闪电活动较前期有所增多。19:30，北京境内的几个对流单体均发展成熟，导致此时闪电活动在对流系统生命期的前段出现一个相对小的峰值。20:36，闪电经历了第一个快速减弱阶段。雷达回波表现为，之前北京境内活跃的对流单体已快速减弱至消散，而北京西南侧徘徊的多单体虽然较强，但还未进入北京境内，不在BLnet探测范围内，所以此阶段闪电出现谷值。随后北京中部已经消散的对流单体再度活跃，同时北京西部边界的对流单体开始移入并发展成熟。21:00左右，两部分对流发生合并，随后形成线状分布的对流单体群，开始向东南方向移动，并发展成熟，此时闪电处于快速增长阶段。21:48，闪电频数达到峰值(6 min出现671次)(图3a)，此时北京东北部有新的对流单体生成。21:54—22:06，飑线对流结构明显松散，系统有减弱趋势，闪电活动快速减弱，此时东北部新生的对流单体快速发展成熟。22:12，新生的对流单体与飑线主体合并，此时闪电频数快速回升，并在22:18达到一个次峰值(6 min出现472次)(图3a)。随后，系统逐渐移出北京减弱消散，北京地区为大范围的层云区，闪电频数快速减少。至24:00北京境内基本探测不到闪电活动，此次过程结束。整个飑线过程，云闪占主导地位，云地闪比例约为2.2:1；地闪以负地闪为主，正负地闪比例约为1:4.5。

图2 2017年8月8日不同时刻雷达组合反射率(填色区，单位：dBz)和6 min内闪电分布(“+”为正地闪，“-”为负地闪，“·”为云闪)Fig. 2 Composite radar reflectivity at different time and the corresponding lightning distribution within 6 min on August 8, 2017 (“+”: positive cloud-to-ground flashes, PCG; “-”: negative cloud-to-ground flashes, NCG; “·”: intra-cloud flashes, IC)

图3 飑线过程中闪电频数随时间变化Fig. 3 Evolution of lightning frequency during the squall line process

根据闪电活动和雷达回波特征，可将此次过程大致分为四个阶段：1) 单体此消彼长阶段(18:00—20:36),单体的生命史较短，多个孤立单体此消彼长，闪电频数较低；2) 第一次合并阶段(20:42—21:48),两部分对流在21:06合并形成线状对流单体群，闪电频数快速增加至峰值；3) 第二次合并阶段(21:54—22:36)，有减弱趋势的对流主体与局地小单体合并，对流再次增强，闪电再次活跃到达次峰值；4) 减弱移出阶段(22:42—24:00)，系统逐渐移出北京，减弱消散。正地闪比例在第一阶段和第四阶段较高，超过35%(图3b)。

4 对流单体合并过程的闪电特征

分析雷达回波发现，此次飑线过程发生了两次明显的对流合并现象。由于第二次合并时(22:12左右)系统恰好移至北京南苑雷达站点附近，雷达探测存在盲区，所以这里主要分析第一次合并过程。21:00左右，东、西两部分对流单体在北京西北部相互靠近，此时发生第一次合并。沿着两部分对流单体移动方向的固定直线(40.27°N，115.83°E；40.19°N，116.57°E)作垂直剖面，并叠加剖线前后10 km的闪电辐射源(图4)。20:54，剖线上分布2个孤立的发展旺盛的对流单体，西侧单体55 dBz高度发展到6 km(-10 ℃)，东侧单体发展到8 km(-20 ℃层以上)，单体发展旺盛，但内部辐射源数量相对较少。21:00，两部分单体均向剖线右侧移动，但西侧单体移动速度较快，二者距离变小，且对流强度接近，辐射源数量也较前一时刻明显增多，且主要分布在强度大于40 dBz的强回波区。21:06，强度大于30 dBz的回波连接在一起，即对流体开始合并，此时分布在东侧单体内的闪电辐射源较多，且部分辐射源在东侧单体移动方向的前方，而西部单体内强度大于50 dBz回波其高度从前一时刻的8 km下降到6 km，闪电辐射源也较前一时刻减少，主要分布在强回波的后方。21:12，强度大于45 dBz的强回波区已经合并，对流系统较前一时刻增强，强度大于55 dBz的回波高度回升到9 km，合并后对流体明显加强，移动方向后部出现层云区，辐射源主要分布在移动方向前方的对流区内，沿着对流线向后部层云区倾斜。22:18—22:24，对流组合体继续向前移动发展，其结构更加密实，中心部分出现了强度大于60 dBz的强回波核。闪电辐射源数量明显增多，主要集中在对流组合体前部的对流旺盛区内。对流体高度整体抬升，其移动方向的后方对流区衰减成层云区，4 km(0 ℃)处存在明显亮带，但亮带内无闪电辐射源。

图4 2017年8月8日对流体合并过程中雷达回波剖面(色区，单位：dBz)和剖线两侧10 km范围内的6 min内闪电辐射源数量(黑色虚线)随高度分布(黑色圆点表示闪电辐射源)Fig. 4 Evolution of radar echo profile (stains; units:dBz) and distribution of lightning radiation sources (black dotted line) with height in 6 minutes within 10 km on both sides of the section line during the merging of convective cells on August 8, 2017 (black dots indicate sources of lightning radiation)

此次飑线过程共发生两次对流单体合并，根据雷达反射率确定的合并时间分别为21:06和22:06，对应的合并区域分别为(40°—40.5°N，116.1°—116.6°E)和(39.5°—40°N，116.4°—117.1°E)。图5给出了对流单体合并区域的闪电变化，可以看出两次合并样本的闪电频数均在开始合并后18 min达到峰值。以上分析表明，对流单体合并发生后对流强度值和闪电频数均增大，这与Lu等(2021)的研究结果一致。

图5 对流体第一次(a)、第二次(b)合并过程中的总闪电频数(箭头表示对流合并开始时刻)Fig. 5 Total lightning frequencies during the first (a) and second (b) merger of convective cells (arrows indicate the initiation of convective mergers)

5 闪电与水汽通量散度关系

由于观测资料和再分析资料无法提供高时空分辨率的大气动力、热力特征，但可以利用能够反演出对流尺度中低层大气热动力结构(Sun et al，2010)的变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)。VDRAS已经业务化，其反演结果的可靠性已经过多方验证(陈明轩等2012；2016)。

5.1 VDRAS模拟设置及效果检验

VDRAS模式系统配置方案：中心点(39.5836°N，116.1802°E)；水平方向网格点数为180×180，水平分辨率设置为3 km；垂直方向设置为30层，分辨率为500 m，模式最底层高度为0.25 km，模式顶高为14.75 km。设定每个4DVar循环为12 min，并利用云模式进行6 min短时间积分预报，作为下一次热启动的初猜场。模式可同时对京津冀地区4部S波段天气雷达(北京、天津、秦皇岛、石家庄)和2部C波段天气雷达(承德、张北)的反射率因子和径向速度进行同化，雷达站位置如图6所示。

图6 京津冀地区6部雷达位置(“☆”)和VDRAS系统模拟范围(虚线框)(色斑表示地形海拔)

模拟结果(图7)显示，VDRAS模拟的对流形态、位置及发展演变与实况较为吻合，但反射率值整体偏小，模拟的对流活动偏弱。认为模式能较好地模拟对流单体的回波结构及位置，模拟结果较为可靠，可以使用模拟结果中来分析云内动力结构和水汽情况。

图7 观测(a)和模拟(b)的2017年8月8日22:30雷达组合反射率(单位：dBz)Fig. 7 Observational (a) and simulated (b) radar combined reflectivity (units：dBz) at 22:30 BT on August 8, 2017

5.2 闪电与水汽通量散度的关系

闪电的发生需要一定的水汽和动力条件，而水汽通量散度这个物理量一定程度上结合了水汽条件与动力场，表示输送水汽的集中程度。由于大气中的水汽通量主要集中在对流层的中下层，所以计算整层水汽通量时取上边界为500 hPa层。

图8 2017年8月8日20:54(a)、21:30(b)、22:06(c)、22:30(d)整层汽通量散度(单位：10-6 g/(cm2·hPa·s))和6 min内闪电分布(“+”为正地闪，“-”为负地闪，“·”为云闪)Fig. 8 Distribution of vapor flux (units:10-6 g/(cm2·hPa·s))of the whole layer and the lightning in 6 minutes at 20:54 BT (a), 21:30 BT (b), 22:06 BT (c), 22:30 BT (d) on August 8, 2017 (“+”: positive cloud-to-ground flashes, PCG; “-”: negative cloud-to-ground flashes, NCG; “·”: intra-cloud flashes, IC)

运用VDRAS模拟结果计算整层水汽通量，并叠加6 min内闪电，得到不同时刻的整层水汽通量散度与对应6 min闪电分布(图8)。20:54，此刻在第一次对流合并前，对流系统处于发展阶段，闪电主要分布在水汽通量辐合区；两个对流主体之间为水汽通量辐散区，闪电较少。21:30，此刻处于第一次合并后，对流单体迅速发展成熟，水汽通量辐合区范围变大，辐合量变强。22:06，第一次合并后，对流系统主体减弱，水汽通量辐合区减小，闪电分布分散，但此时东北部有新生单体快速发展。22:30，呈现消散趋势的主体对流单体与新生对流单体完成第二次合并，对流系统再次发展，水汽通量辐合范围明显扩大，强度增强；闪电主要分布在水汽通量辐合区，且辐合强度值越大的区域，闪电数量越多。