永州市雷暴气候特征及预警指标研究

冯憬婉 宋伊文 冯平荣 宋定满

[摘要]利用永州市1960～2013年的雷暴日资料，通过数理统计、线性趋势拟合，研究了永州市近54a来雷暴的年代际变化特征、空间分布特征。结果表明：永州市雷暴日数年际间变化幅度较大，年均雷暴日总体呈下降趋势，大约每10a减少6d，雷暴日分布南多北少。永州市月均雷暴日变化呈明显的双峰型，夏季（6～8月）持续较多，占49.7%。利用雷达和卫星资料对2016～2017年永州地区发生的20次雷暴天气过程进行研究发现：永州地区在基本反射率达到了35dBz，組合反射率达到40dBz，回波顶达到6km，垂直积分液态水含量超过5kg/m2，黑体温度变温率大于等于7℃/h和黑体温度低于等于-27℃等条件时，预报有雷电发生。

[关键词]雷暴;气候特征;预警;雷达;卫星   [中图分类号]P446[文献标识码]A

引言

雷暴是一种伴有冰雹、大风和雷电等多种天气现象的中小尺度天气过程，雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观的放电现象。由于雷暴这种对流性天气过程具有范围小、发展快、持续短、影响大的特点，分析雷电的时空分布特征，了解雷电发生发展规律，及时发布雷电预警信号，对减少雷电灾害造成的损失有重要意义。

近年来一些气象科技人员研究和探讨了多普勒雷达资料在雷电短时预报中的应用，得出了一些雷电预警指标。但是针对永州市雷暴气候特征及预警的研究尚少，仅李湘祁等简要分析了永州市雷暴的空间分布情况。本文利用永州市雷暴日资料，详细分析了永州市雷暴的年、月、季变化特征，利用新一代多普勒天气雷达和卫星资料，分析数据资料相关特征，提取用雷达和卫星资料进行雷电预警的预报因子，为闪电的临近预报提供有力的证据。

1    永州市雷暴气候特征分析

1.1    研究资料和方法

利用永州市11个气象观测站1960～2013年54a的雷暴日资料，进行了永州市雷暴气候特征分析及其区划研究。

可以用一元线性函数y=ax+b来表示气象要素y序列的长期趋势变化，x表示时间序列（x=1960、1961、、2013），b为常数项，a表示线性倾向值。a为正（负）时表示气象要素在所计算的时间序列内有线性增（降）的趋势，|a|反应增或降的速率。定义线性倾向值a乘以10为气候倾向率，雷暴气候倾向率单位为d/10a。

1.2    永州市雷暴年变化特征

永州市11个气象站1960～2013年54a平均雷暴日数为55.7d。从图1中可以看出，54a来永州市雷暴日数年际间变化幅度较大，最大为1975年的83.8d，最小为2011年的29.5d。由5年滑动平均曲线可以看出，60年代初期雷暴日开始增多，直到80年代一直上下波动，到80年代中期开始在波动中持续减少。通过计算得到永州市雷暴日的趋势定量化一次线性方程为y=1253.1642-0.6021x，气候倾向率为-6.021/10a，即自1960年以来，永州市年均雷暴日总体呈现下降趋势，大约每10a减少6d。

分析雷暴日的年代际变化趋势（见表1），60年代各县平均雷暴日数明显多于多年平均值，而21世纪以来则显著小于多年平均值，80年代中期前后是永州市雷暴日数由多变少的转折点。各县雷暴日数均呈下降趋势，但下降幅度不同，祁阳县的下降趋势最明显，气候倾向率为-8.491d/10a，而东安县的下降趋势最弱，气候倾向率仅为-3.155d/10a。

1.3    永州市雷暴月、季变化特征

永州市月均雷暴日变化（见图2）呈明显的双峰型，1～4月开始逐渐增多，4月达到第一个峰值;5月有所减少，之后6～8月持续增多，8月份达到第二个峰值。夏季（6～8月）持续较多，占49.7%，9～12月逐渐减小。这主要是由于永州地区夏季高温潮湿，容易产生强对流，形成雷暴天气。

1.4    永州市雷暴空间分布规律

永州市位于湖南省东南西三面环山、向东北开口的马蹄形盆地的南缘，南北纬度跨越较大。受地形和气候条件的影响，永州市雷暴空间分布不尽相同。由图3可以看出，永州市雷暴日分布南多北少，这可能是由南部山区偏多的地形原因造成的。但是这个结果与闪电定位数据密度空间分布呈现的南少北多规律不一致，主要原因是永州处于本省南部边界，本站及附近站点的分布在永州市北部及东北部，且探测范围没有完全覆盖到永州市的南部地区。

2    雷电预警因子研究

闪电的发生与云体发展有关，新一代天气雷达和卫星资料，能够综合直观地了解天气过程的发生发展趋势。选取永州市区域内2016～2017年发生的20次雷暴天气作为研究对象，利用闪电定位仪、雷达和卫星资料，找出雷电发生的共同特征。

2.1    资料选取

雷达资料选取的是新一代天气雷达监测PUP产品中的基本反射率（R）、组合反射率（CR）、回波顶高（ET）、垂直积分液态水含量（VIL）;卫星资料选取的是黑体温度，通常将气象卫星红外通道的观测值以相当黑体温度（TBB）表示，也称之为“亮度温度”或者“亮温”。将雷达和卫星资料进行分析验证，以期得到比较可靠的雷电预警指标。

2.2    基本反射率和组合反射率特征分析

从表2的参数来看，闪电发生时基本反射率基本都达到了35dBz，但是也有30dBz时发生闪电的少量情况，这与Mac Gorman and Rust1988年发现的，当雷暴云在雷达反射率因子大于或者等于35dBz时，就可能产生足够高的软雹浓度促使闪电发生相符合。组合反射率因子表示的是在一个体积扫描中，将常定仰角方位扫描中发现的最大反射率因子投影到笛卡尔格点上的产品。由图4可以看出：组合反射率在40dBz时是发生雷暴的一个重要参数特征。

2.3    回波顶高特征分析

雷达回波顶高是判断冰雹云的一个重要指标，雷暴云的回波顶高平均值为9.3km（因地区不同有所差异），从图5可以看出只有3个个例的回波顶高在6km以下，6km及以上的占个例总数的85%，所以将6km回波顶高作为永州地区将要发生闪电的预警参数，有着可靠的依据。

2.4    垂直积分液态水含量特征分析

垂直积分液态水含量与基本反射率的强度有关，持续高的垂直积分液态水含量又对应于超级单体回波，这一特性可以识别出更强的雷达回波，从而可以进一步确定雷暴出现的可能性。图6中垂直积分液态水含量的特征比较离散，超过半数以上的个例中垂直液态水含量超过了5kg/m2，可以将此数据作为初步判断雷电发生的依据。

2.5    黑体温度特征分析

黑体温度变温率可以间接反映出云顶高度发展情况。在选出的20次个例中，有17次云顶黑体温度降温率大于等于7℃/h，有14次云顶黑体温度低于等于-27℃;同时满足降温率大于等于7℃/h和黑体温度低于等于-27℃的有11次（见图7）。这与Goodman and Mayer（1988）研究的卫星云图特征，发现产生放电的对流云顶温度一般低于-30℃基本吻合。

3    结论

（1）永州市54a平均雷暴日数为55.7d，永州市雷暴日数年际间变化幅度较大，年均雷暴日总体呈下降趋势，大约每10a减少6d。永州市月均雷暴日变化呈明显的双峰型，夏季（6～8月）持续较多，占49.7%。雷暴日分布南多北少，这可能与南部山区偏多的地形有关。

（2）永州地区可以在基本反射率达到35dBz，组合反射率达到40dBz，回波顶达到6km，垂直积分液态水含量超过5kg/m2，黑体温度变温率大于等于7℃/h和黑体温度低于等于-27℃等条件时，预报有雷电发生。

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