江西两次雷击事件雷达回波特征分析

黄中根，马中元，谌 芸，陈鲍发，段和平

（1.九江市气象局，江西 九江 332000；2.江西省气象科学研究所，江西 南昌 330046；3.国家气象中心，北京 100081；4.景德镇市气象局，江西 景德镇 333000；5.江西省气象灾害防御技术中心，江西 南昌 330046）

2021年3月30—31日，江西先后经历了6次冰雹、雷暴大风等强对流天气回波系统影响过程。在这次罕见的连续性大冰雹天气过程中，江西发生两起雷击事件，分别是3月30日16：40余干县玉亭镇百湖村发生雷击事件和3月31日14：40南昌县塘南镇西联村发生的雷击事件。这两起雷击事件分别由超级单体回波和强单体回波导致，因此，有必要针对产生雷电的这两类回波系统进行分析和总结，有利于识别产生雷电的雷暴系统，更好地为预防雷击事件提供帮助。

国内外对雷击事件形成原因研究颇多，取得不少研究成果。有研究指出，闪电先于降水之前开始，降水量峰值与闪电频数峰值同相或者落后1～2 h；强对流暴雨的闪电活动与强回波区有较好的对应关系[1-3]。低纬高原地区春夏季节，80%的短时强降水过程伴随有闪电活动发生[4-5]。负地闪广泛分布于25～55 dBZ雷电回波区域[6-8]。总闪频数与30 dBZ雷达回波顶高、-20℃温度层上＞20 dBZ的回波体积具有较好的相关性[9-10]。地闪发生位置附近的雷达最大反射率因子呈正态分布；30 dBZ回波顶高分布的峰值区间则为8.5～12 km[11-13]。采用Kalman滤波算法实现雷暴的追踪与外推，算法具有较好的0～60 min临近外推预报能力[14]。雷电活动3月开始增多，峰值出现在7—8月[15]。45 dBZ以上回波伸展高度越高，伴随的地闪数也越多[16-17]。大气动力和大气温湿类参数与雷电活动关系密切，副热带高压边缘型雷电天气明显受大气动力参数影响[18-20]。雷电灾害的发生不仅与致灾因子（雷电）有关，还与承载体的暴露度、脆弱性和雷电防护水平有关[21]。地表的不规则起伏程度会引起垂直电场峰值的衰减和上升沿时间的滞后[22]。正、负地闪中单回击地闪所占比例分别为91.1%和24.2%[23-26]。皖南山区地闪发生频次占安徽全省地闪发生频次的28.2%[27]。大兴安岭地区的年平均雷电次数为36 013.4次，以负闪为主[28]。地面相对湿度（RH）过小或过大都不利于闪电活动产生[29]。雹暴整个生命史内主要以负地闪为主，且伴随强降水[30-33]。雷电灾害事件最为严重的是电力行业，人员伤亡事故主要发生在乡村[34-36]。雷电强度和回波强度有很好的对应关系，但产生强雷电的回波要具备强度＞50 dBZ、强回波中心密实、强回波边缘梯度大等条件[37-39]。这些成果为本文研究提供了理论依据，但使用雷达拼图资料，监测预警雷电天气的研究较少。

本文采用天气学、统计学和雷达气象学等分析方法，从产生雷电现象的超级单体和强单体回波角度进行分析，试图揭示雷电天气与雷达回波系统之间的关系，为雷电天气的监测预报提供有指导意义的范例。

1 资料来源和江西雷击事件

1.1 资料来源

天气资料来源于MICAPS平台常规天气图、地面要素、探空等资料；地面雨量资料来源于江西自动气象站雨量检索平台；雷电数据来源于CIMISS数据库和江西雷电产品内网平台；雷达拼图资料来源于江西WebGIS雷达拼图平台，雷达产品资料来源于南昌SA天气雷达基数据PUP反演。

1.2 江西雷击事件

江西属于多雷电活动的地区，据江西省气象灾害防御技术中心数据统计表明：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月雷击事件最频繁，有176人丧身。从2007年江西雷击事件高峰（145人）开始，2021年江西雷击事件低谷（6人）止，江西雷击事件在逐年减少，这与人们雷电防御意识的提高、雷电监测手段的完善和雷电天气预警预报能力的提高有关。

2 雷击地点、雷电实况和天气背景

2.1 雷击地点

2021年3月30日16：40，余干县玉亭镇百湖村发生雷击事件；3月31日14：40，南昌县塘南镇西联村发生雷击事件（图1）。雷击事件的发生与中小尺度超级单体和强单体回波系统密切相关。

图1 2021年3月30日余干县雷击事件（黄色区域）和3月31日南昌县雷击事件区（绿色区域）

2.2 江西省雷电实况

2021年3月30日00：00—4月1日20：00，江西先后经历了6次飑线（超级单体）回波系统的侵袭，雷电次数频繁（图2）。

这次强对流天气过程雷电次数的逐小时平均值（1 618次），将雷电曲线划分为上下2个区域，高于1 618次的峰值为高峰区。共出现2个连贯的雷电高峰“3”和“6”（图2）。第一个“3”高峰为主峰，由“1234峰”组成；第二个“6”高峰为次高峰，由“56峰”组成。

图2 2021年3月30日00：00—4月1日20：00江西省雷电小时总数分布

第一个高峰开始时间是30日15时，然后逐步攀升，31日01时达到顶点，之后快速下降；第二个高峰开始时间是31日13时，然后逐步攀升，31日20时达到顶点，之后快速下降。2个雷电高峰的起步点都发生在午后，与太阳辐射地表加热有关，是江西对流天气发生的重要影响因素之一。

在2个雷电高峰起步时间点前，雷电次数有个相对“平坦底”，即小时雷电次数＜1 000次的低值雷电次数时间段。第一个高峰的平坦底时间比较长，≤200次/h的平坦底维持11 h；第二个高峰的平坦底时间较短且雷电次数多于前者，≤900次/h的平坦底只有7 h。两次过程表明雷电高峰开始前，有个较长时间雷电次数≤1 000次/h的酝酿期，这个期间雷电次数没有太大的起伏变化。

图2中“1”和“5”2个小高峰是经过“平坦底”后雷电开始上升的首个小高峰，也是两次雷击事件（“1”和“5”两个圆圈）发生时段。雷电次数经过平坦底后开始上升，达到小高峰“1”和“5”后迅速下降，在这个转折时段最易出现雷击事件。

2.3 闪电次数与回波强度、回波面积、雨量等参数的关系

2021年3月30日（图3a），受到超级单体回波的影响，五要素曲线图为单峰态势。16：10—17：10，最强回波、强回波面积、闪电次数、10 min雨量和冰雹情况（五要素）最大值重叠在一起，具有较好的相关性。余干县玉亭镇百湖村发生雷击事件的时间处在高峰区中间。

2021年3月31日（图3b），受到多个强单体回波影响（东—西走向回波带上多单体回波），五要素曲线图为双峰态势。13：00—13：50、14：30—15：10（图3b），最强回波、强回波面积、闪电次数、10 min雨量和冰雹情况（五要素）最大值重叠在一起，具有较好的相关性。南昌县塘南镇西联村发生雷击事件的时间处在第二个高峰区前沿。

图3 2021年3月30—31日 江西闪电次数与回波强度、回波面积、雨量曲线图

2.4 天气背景概况

2021年3月30日20时100 hPa是高度一致的西风，高空分流明显；500 hPa槽前曲率较大，西南气流强劲，长江北存有乱流区；850 hPa气旋性环流明显，西南有急流，湖南、江西北部有切变线；925 hPa西南倒槽和850 hPa西南低涡有明显特征，在850 hPa切变线南侧相配合是地面中尺度辐合线；这种天气背景有利于江西北部出现强对流天气。

3 雷达拼图回波特征

3.1 超级单体与强单体回波演变

3.1.1 余干县玉亭镇百湖村雷击事件的超级单体回波

2021年3月30日16：40余干县玉亭镇百湖村出现一起雷击事件，江西WebGIS雷达拼图记录了产生雷击事件的超级单体回波演变过程（图4）。

16：00余干西部和西北部有两块较强回波发展，中心强度达55 dBZ，回波向偏东方向移动（图4a）。16：10—16：20西部强回波移近余干，55 dBZ回波面积增大（图4b、4c），意味着回波有所发展。16：30回波移进余干，强度加强到60 dBZ（图4d）。16：40（图4e）60 dBZ回波面积增大，其中有65 dBZ强回波核，强回波梯度变窄，形成超级单体结构。从图4e可知，单站PUP速度图上16：47出现与径向线对称的“气旋型速度对”，表示该强回波单体为超级单体。16：50超级单体回波继续加强（图4f），余干部分乡镇出现冰雹天气。17：00—17：20超级单体回波逐渐移出余干（图4g、4h、4i），影响下游万年等地。

图4 2021年3月30日16：00—17：20余干县玉亭镇百湖村雷击事件雷达拼图演变

3.1.2 南昌县塘南镇西联村雷击事件的强单体回波

图5为2021年3月31日14：40发生在南昌县塘南镇西联村雷击事件的强单体回波演变。

14：00南昌县北部是一条东—西走向的回波带（图5a），雷击事件地点有较强对流单体回波发展，回波强度为50 dBZ；14：10—14：30南昌回波发展，50 dBZ回波面积增大（图5b、5c、5d），并移近西联村；14：40回波进入西联村得到快速发展（图5e），中心强度达到60 dBZ，形成弱于超级单体的强单体回波；14：50强单体回波60 dBZ回波面积不断扩大（图5f），但没有达到超级单体回波面积要求，强回波梯度也不大；15：00—15：20强单体回波逐渐移出西联村（图5g、5h、5i），影响下游地区。

图5 2021年3月31日14：00—15：20南昌县塘南镇西联村雷击事件雷达拼图演变

超级单体回波和强单体回波的区别在于是否有中气旋或旋转速度对结构、回波强度、强回波面积、强回波梯度等方面，强单体回波要弱于超级单体，没有中气旋结构，但环境条件较好时，强单体回波也会出现强雷电和小冰雹（冰粒）天气。

3.2 雷电分布与回波特征

2021年3月30—31日，江西余干县和南昌县两次雷击事件是由超级单体回波和强单体回波造成。

30日16：00—17：00（图6a），余干县雷击事件发生区域的雷电要明显多于31日14：00—15：00（图6b）南昌县雷击事件发生区域，这是具有中气旋结构的超级单体回波与没有中气旋结构的强单体回波的区别。超级单体回波的强度、面积都远大于强单体回波，因此，雷电次数也多于强单体回波。但是，雷击事件的发生并不完全取决于回波系统的强弱和雷电的强度，只要雷击位置合适，就是普通的雷电也能造成雷击灾害。

在雷达拼图上，无法看到速度场拼图和径向速度垂直剖面图，但从组合反射率CR产品拼图上，可以间接反映出超级单体回波的4个指标：（1）具有≥60 dBZ回波强度（图6c中粉红色区域），并存有≥65 dBZ回波核；（2）强回波面积（图6c中粉红色60 dBZ区域）≥10 km×10 km；（3）强回波梯度30～60 dBZ最短距离（图6c中黄色与粉红色区域）≤8 km；（4）在强回波移动方向的下风方（图6c中东北方向）有云砧形成的“前伸”回波结构。

强单体回波也遵循超级单体回波特征原则，4个指标为回波强度（没有回波核）、强回波面积、强回波梯度和“前伸”回波结构都弱于经典超级单体回波（图6d），因此，由于没有中气旋配合，所以这种能产生小冰雹的强单体回波不能称为超级单体，只能称为强单体回波。

雷击点发生在超级单体回波的左上方（图6c中圆圈位置）和强单体回波的右下方（图6d中圆圈位置）。至于形成原因有待于多个例从空中地面RH值、承载体的暴露度、脆弱性和雷电防护水平以及地表的不规则起伏程度会引起垂直电场峰值的衰减等方面进行讨论。

图6 2021年3月30日16：40（余干）和31日14：40（南昌）雷击事件雷电分布与典型回波

4 超级单体和强单体回波PUP产品特征

在单部雷达PUP产品上，超级单体和强单体具有更多回波特征。

4.1 超级单体回波不同仰角R和V特征

2021年3月30日16：47（图7）反射率因子R产品和径向速度V产品特征主要表现为：超级单体反射率因子2.4°R最强（图7c），之下或之上逐渐减弱（图7a、7b、7d），超级单体回波面积较大，强度≥60 dBZ。超级单体径向速度0.5°V和1.5°V都有中气旋结构出现（图7e、7f），≥2.4°V为正速度区（图7g、7h）；速度对强度为-10～20 m·s-1。

图7 2021年3月30日16：47南昌SA雷达反射率因子产品R和径向速度产品V演变

4.2 超级单体回波CR、ET、VIL、RCS和VCS特征

2021年3月30日16：47（图8）组合反射率CR、回波顶高ET、垂直积分液态水含量VIL、反射率因子垂直剖面RCS（Reflectivity Cross Section）和径向速度垂直剖面VCS（Velocity Cross Section）特征主要为：超级单体CR回波强度达到65 dBZ（图8a），符合江西超级单体回波四要素标准；回波顶高ET达到11～12 km（图8b），超过江西3月冰雹回波顶高标准；垂直积分液态水含量VIL达到60 kg/m2（图8c），这基本上是VIL的上限标准。

超级单体回波垂直剖面RCS（图8d）中，回波垂直结构向移动方向倾斜、55 dBZ强回波顶高达到8 km、65 dBZ强中心悬挂在6 km高度。径向速度垂直剖面VCS（图8e），强回波存在速度对、-5～19 m·s-1速度达到弱切变的强度。

图8 2021年3月30日16：47南昌SA雷达5种产品

玉亭镇百湖村雷击事件是由超级单体回波所致，从16：47南昌SA雷达中气旋M、龙卷涡旋TVS、风暴跟踪信息STI产品图上分析：没有观测到中气旋M。龙卷涡旋TVS观测到2个倒三角形，表明超级单体具有龙卷涡旋结构。

4.3 强单体回波不同仰角R和V特征

由图9可知，2021年3月31日14：43反射率因子R产品和径向速度V产品特征主要为：强单体回波反射率因子2.4°R和3.3°R最强（图9c、9d），之下或之上逐渐减弱（图9a、9b），强单体回波面积远比超级单体小，但回波强度达到60 dBZ。强单体回波的径向速度0.5°V存在弱的辐散区（图9e），其他层都是正速度区（图9f、9g、9h），其中1.5°V（图9f）正速度强度在5～27 m·s-1。

图9 2021年3月31日14：43南昌SA雷达反射率因子产品R和径向速度产品V演变

4.4 强单体回波CR、ET、VIL、RCS和VCS特征

2021年3月31日14：43（图10），组合反射率CR、回波顶高ET、垂直积分液态水含量VIL、反射率因子垂直剖面RCS和径向速度垂直剖面VCS特征主要为：强单体回波CR强度达到60 dBZ（图10a），呈“点”状结构；回波顶高ET达到9～10 km（图10b）；垂直积分液态水含量VIL达到60 kg/m2（图10c），但面积远比超级单体小。

强单体回波垂直剖面RCS（图10d）中，回波向移动方向倾斜，角度弱于超级单体；55 dBZ强回波顶高达8 km，60 dBZ强中心回波高度伸展到6 km，没有65 dBZ强回波中心；径向速度垂直剖面VCS中强回波为正速度区、5～27 m·s-1正速度分成上下两层（图10e）。

图10 2021年3月31日14：43南昌SA雷达五种产品

塘南镇西联村雷击事件是由强单体回波所致，从14：43南昌SA雷达M、TVS、STI产品图上没有观测到中气旋M和龙卷涡旋TVS，表明强单体回波不具备中气旋和龙卷涡旋结构。

强单体回波反射率因子2.4°R和3.3°R最强，强单体回波的径向速度0.5°V存在弱的辐散区，其它层都是正速度区；强单体回波CR强度达到60 dBZ，回波顶高ET达到9～10 km，垂直积分液态水含量VIL达到60 kg/m2；强单体回波反射率因子垂直剖面RCS倾斜角度弱于超级单体，55 dBZ强回波顶高达到8 km，60 dBZ强回波高度伸展到6 km，没有65 dBZ的强回波中心；径向速度垂直剖面VCS强单体回波表现为正速度区，并分成上下两层。

5 结论与讨论

（1）余干县玉亭镇百湖村雷击事件和南昌县塘南镇西联村两次雷击事件，是由中小尺度超级单体和强单体回波系统影响产生。雷电高峰逐步攀升，达到顶点后快速下滑；雷电高峰的起步点都发生在午后，此前，都有雷电次数较少的“平坦底”，过后雷电开始上升到首个高峰，两次雷击事件的发生时段都发生在“平坦底”上升首个高峰中。

（2）在雷达拼图上，超级单体回波具有4个特征：①具有≥60 dBZ回波强度，并有≥65 dBZ回波核；②强回波面积≥10 km×10 km；③强回波梯度≤8 km；④在强回波移动方向的下风方有云砧形成的“前伸”回波结构。

（3）在雷达PUP产品上，两次雷击事件的雷达回波特征，无论是超级单体还是强单体回波均可以引发较严重的雷击事件，且最容易发生在最强回波、强回波面积、闪电次数密集区和雨量较大等高峰时期或高峰前沿，雷达最强反射率因子高度位于6～8 km，对应的组合反射率CR回波强度达到60 dBZ，回波顶高ET达到9 km以上，垂直积分液态水含量VIL达到60 kg/m2以上。3月30日有中气旋配合，为超级单体雷暴，31日没有中气旋配合，加上回波强度的中心值、面积和梯度都稍弱，故为强单体。

江西雷击事件主要发生在雷电发展初期，由少量雷电上升到雷电小高峰过程中，这个时段人们的防护意识最为淡薄，不少人还在野外作业，无法躲避雷电的袭击。雷电灾害对电力行业的影响最为严重，雷击事件则主要发生在乡村。雷电灾害的发生不仅与雷电的强弱和密集程度相关，还与承载体的暴露程度、脆弱性和雷电防护认知等因素相关。随着雷电防御意识、雷电监测手段、雷电预警预报能力的提高，江西雷击事件明显减少。