一次重大雷灾事故的雷暴特征分析

石湘波　张其林　王焕邦　郑玲

摘要通过对比分析闪电定位、多普勒雷达以及地面大气电场资料，探讨2013年9月14日重大雷灾事故的致灾过程中雷灾事发地的地闪活动和雷达回波之间以及地闪活动和地面大气电场之间的关系。结果发现，当回波顶高从8 km达到13 km以及垂直积分液态含水量值由33 kg/m2跃升至48 kg/m2时，发生初闪；回波顶高的变化与地闪次数的变化呈正相关；回波强度在达53 dBz以上后，与地闪次数的变化无明显对应关系；除峰值到达时间不一致外，垂直积分液态含水量与地闪次数变化趋势基本相同；地闪次数变化与地面大气电场场强值波动频率基本一致；同一时间不同地面大气电场仪的地面大气电场场强值波动幅度大小可以表征该时刻发生的地闪与这些地面大气电场仪之间的距离远近。

关键词重大雷灾事故；雷暴特征；雷达回波；地闪活动；地面大气电场

中图分类号S429文献标识码A文章编号0517-6611（2014）04-01114-03

基金項目宁波市气象局科技计划项目（NBQX2012010B）。

作者简介石湘波（1980- ），男，浙江宁波人，工程师，在读硕士，从事雷暴监测工作。

宁波雷灾事故频发，每年均有人员因遭受雷击而导致受伤或死亡。2013年9月14日北仑九峰山雷灾事故就是一次雷击致人伤亡的严重雷击事故。13：20左右，北仑九峰山景区（图1）的“九峰之巅”景点的凉亭不幸被雷击中，造成1死16伤。雷灾发生前，市、区两级气象部门均发布雷暴预警信息。事实证明，现阶段雷暴预报预警服务已无法满足日益重要的防雷需求。为了避免或减轻今后雷电灾害可能造成的损失，有必要分析了解当地雷电发生发展规律，掌握其监测预警的方法，建立必要的服务体系，提高防雷服务的能力和水平。宁波市近年来陆续建成新一代多普勒雷达、ADTD闪电定位系统以及覆盖全市的地面大气电场仪，这为雷暴监测和预警提供了硬件支撑，而针对宁波当地的雷暴精细化、准确化预报预警还处于探索阶段。笔者通过分析此次致灾雷暴过程中的各类数据，了解其发展过程和特征，探讨雷灾事发地的地闪活动与雷达回波以及地面大气电场之间的关系。

2013年9月13、14日受副高边缘和低槽东移影响，午后到夜里宁波市大部分地区出现雷阵雨天气。根据宁波闪电监测网显示，全市共发生地闪2 662次，其中负地闪2 453次，地闪发生时段主要集中在14日13：00～15：00，地闪主要分布在宁波的东部沿海地区和南部的宁海县；北仑区全天发生地闪524次，其中13：00～14：00共发生地闪498次，占总数的95%。从强度分布来看，50 kA以上的地闪有34次，其中100 kA以上的1次；从空间分布来看，地闪集中在北仑中部、中东部地区，当天地闪高密度区位于中部丘陵地区（图2），雷灾事发地处于地闪高密度区，该处地闪密度在6次/km2以上。

图22013年9月14日北仑单日地闪密度等值线9月14日10：42：10起，慈溪东南部及鄞州西部云层增厚、回波强度增强，至11：15：39最大回波强度达53 dBz，对流云团不断发展并向东移动，12：00：22北仑东北区域开始有对流云团生成，于13：01：56与东移对流云团合并，强回波区面积不断增大，回波最大强度达58 dBz，覆盖北仑中部及东部地区，雷灾事发地正处于该强回波区（图3）。将14日12：56：20雷达组合反射率（图3e）与图1中地形对照可以清楚地看到，回波的加强区与地势升高区相对应。14日13：52：14对流云团移出雷灾事发地并与其他东移的对流云团融合，雷达回波呈东北—西南带状分布，向东移动进入东海后，强回波带面积减小，回波强度减弱。

注：a～f分别为10：42：10、11：15：39、12：00：22、12：50：44、12：56：20、13：52：14。

2雷达数据与地闪资料的对比分析

雷电的发生与中小尺度对流系统有密切联系。大量观察资料表明，雷电的发生与对流云发展的强度、高度、发展阶段、内部粒子相态、温度等密切相关[1]；回波强度、回波顶高、垂直积分液态含水量（VIL）与地闪活动关系密切[2-4]。为了更清楚地分析此次致灾雷暴过程的雷达回波和地闪活动的关系，选定雷灾事发地（121.858° E、29.843° N）为中心，半径3 km范围内的区域作为分析区域（图1中圆形区域）。使用14日12：50：44～13：41：06共10个雷达体扫数据和对应时间段的地闪数据，为保证地闪数据与雷达数据的分析更符合实际情况，选取雷达体扫时间前后各2分48秒共5分36秒内的地闪数据与同一体扫时间的雷达数据进行分析。

对照地闪数据（图4）发现，在12：50：44之前，宁波北部地区偶有地闪发生；13：01：56两处对流云团合并后，分析区域上空云层不断增厚对流加强，回波强度增强，最大强度达58 dBz；回波顶高则从12：50：44的5 km增加至13：01：56的8 km，此时分析区域内无地闪发生；13：04：59该区域发生初闪，距离雷灾事发地0.7 km左右；而13：07：32回波顶高已跃增至13 km，这也验证了雷暴初闪出现时回波顶高需要达9 km以上[5]，此时起地闪次数有明显增多。13：13：08回波顶高为16 km，达到峰值，同时该区域的地闪次数也达到峰值；13：41：06回波顶高下降至8 km时，该区域已无地闪发生。这符合闪电的频率与回波顶高正相关的结论[3]。

3大气电场与地闪资料的对比分析

利用地面大气电场仪又是一种有效探测雷暴发生发展的手段。地面大气电场仪通过监测云中电荷的变化对地面大气电场的影响，以获得雷暴发生发展的情况，其探测范围在0～20 km。马芳等根据雷暴发生发展过程中的地面大气电场变化特征，将地面大气电场变化过程划分为6个阶段[7]。当地面大气电场场强值超过1.5 kv/m，即属于地面大气电场异常现象[8]，可成为发布雷电预警的一个重要参考指标。单个地面大气电场仪可以连续监测有效探测范围内雷暴的发生发展过程，但也有其局限性。因为它是一种无定向探测设备，无法确定雷暴云的移动方向。为了弥补这个不足可将地面大气电场仪进行组网布设，通过不同测站的地面大气电场场强值时序变化来判断雷暴云的移动路径。

雷灾事发地附近有北仑站和小港站2个地面大气电场测站，两站与雷灾事发地直线距离分别为5 km和17 km（图2）。从北仑、小港两站9月14日11：30～15：00地面大气电场场强值时序变化（图5）可以看出，11：45左右小港站地面大气电场极性开始反转，这是由于雷暴云底电荷不断积累，使地面感应电场不断增大，地面大气电场场强值负向剧增，这是地闪发生初期（雷暴云逐渐靠近）的电场变化，这对雷电预警具有重要指示意义。当电荷累积到一定击穿场强时就会发生闪电，在地面大气电场场强值时序变化曲线上就表现为电场突变。 11：43～12：01小港站地面大气电场场强值时序变化总体趋向负向增长时多次微弱的正向突变，是由离小港站15～19 km处的多次负地闪所引起的；12：30～12：52地面大气电场场强值时序变化曲线波动幅度大且频繁，这是因为距离小港站3～4 km处发生多次负地闪以及此时小港站附近多个雷暴云的融合发展引起的。北仑站地面大气电场场强值时序变化曲线在12：30前在0～1.5 kv/m范围内波动，12：30后开始向相反极性增长，13：00之前在曲线整体趋势负向增长时，亦有多次幅度较小的正向突变，这与小港站地面大气电场场强值变化曲线中13：00前时序变化规律相似，表明北侖、小港两站大气电场仪均探测到同一处地闪的发生。同一时间不同地面大气电场仪的地面大气电场场强值波动幅度大小可以表征该时刻发生的地闪与这些地面大气电场仪之间的距离远近，因此小港站13：00前的地面大气电场场强值时序变化曲线波动幅度较北仑站大，表示雷暴云离小港站近，这从12：56雷达组合反射率的强回波区所处位置（图3）也可以看出。13：01起北仑站地面大气电场场强值曲线发生幅度较大的正向突变，且频繁波动，地闪次数峰值是在13：01～13：40，以北仑站为中心，半径20 km范围内共发生地闪549次，地闪主要集中在距北仑站3～10 km的区域内，此时小港站为中心，半径10 km范围内无地闪发生。由图5可见，小港站的地面大气电场场强值变化曲线波动幅度明显小于北仑站；据统计，14日11：30～15：00分析区域共发生地闪84次，最大雷电流强度-74.3 kA。13：50小港站附近已无地闪发生，该站地面大气电场场强值不再发生脉冲变化。小港站地面大气电场场强值时序变化反映出大幅度长时间的起伏，这是雷暴消亡阶段的正弦波动，被称作雷暴消亡阶段电场的振荡（EOSO）[9]。