闪电定位资料在天山北坡强对流天气短临预警中的分析及应用

马 超，周雅蔓，李 伟

（新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

闪电活动是强对流天气常见的伴随现象之一，闪电活动与雷暴中的垂直运动、雷暴的发展演变、强对流天气形成有关，是强对流天气的重要信号之一。研究强对流天气过程的闪电特征和其与降雨及其它气象条件的关系，是深入揭示中尺度强风暴发生、发展机理的需要，也有助于提高灾害性雷暴的监测诊断，从而提高预报员对短临天气的预报服务水平。

强对流天气过程经常伴随剧烈的雷电活动。产生雷暴大风、短时强降雨或冰雹。这些天气往往带来严重的气象灾害，给国民经济造成严重损失，并危害人民生命安全，掌握雷暴的发生规律，减少雷击可能带来的灾害越来越受重视[1-2]。新疆于2011年安装使用ADTD型闪电定位仪，全疆共有48部，天山北坡有9部，范围上基本可覆盖整个天山北坡，可有效、及时地捕捉到强对流天气。天山北坡是强对流频发区，同时较容易出现灾害，例如：2013年7月17日乌苏出现短时强降雨，冲倒房屋、桥梁、院墙、洪坝等，造成530万元损失；2013年7月25日沙湾县出现短时强降雨引发洪水，6人被洪水冲走，直接经济损失达2000万元；2015年裕民出现雷暴及冰雹，1名牧民因雷击死亡。闪电定位资料在新疆短临预报预警工作中还未得到系统性的应用，新疆的短临预报工作也有很大的发展空间，做好天山北坡的短临预报工作具有重要意义。

对于闪电定位资料在强对流天气短临预警中的应用国内外学者做了一些研究。Goodman，et al[3]、Rutledge，et al[4]研究了MCS（中尺度对流系统）中伴随的闪电活动，发现正、负闪电位于对流云不同的降水区，闪电频率与多单体对流云的厚度和单体数有关，可惜没有提到相应的峰值降水强度是多少。Carey，et al[4]发现一些非常强的风暴并没有产生大量的正地闪；Qie，et al[5]分析了中国内陆高原地区雷暴的地闪特征。20世纪90年代以来随着闪电定位仪在我国的应用，郄秀书、陶祖钰等[6-20]分别对我国不同地区地闪的时空分布特征、中尺度对流系统中的地闪比例、对流云发展与闪电演变特征的关系、闪电与降水的关系等方面进行了分析研究。林卓宏等[21]闪电物理量中的总闪数序列能够较好地代表闪电频数物理量；总闪数和日雷电小时的候际、月际变化序列能较好地反映对流活动的情况；利用总闪数的候突变，可以作为华南夏季风爆发时间的预测指标之一。

这些学者通过研究发现，强对流天气的闪电特征、闪电落区与强对流演变对应关系以及闪电突增与强对流天气爆发之间的联系，不过这些结论可能因地域不同而有所差异，故研究闪电资料在新疆强对流天气中的应用是必要的。

1 资料及研究方法

本文所使用的闪电资料由新疆雷电监测定位系统ADTD获取，该系统是基于闪电发生时向外辐射的电磁波有其固有特征这一原理，通过设置多个探测点，分析波形特征点到达每个测站的准确时间，从而实现对云地闪电的精确定位。单站的探测效率是80%～90%，有效探测平均范围是300 km，定位精度＜500 m。闪电定位系统测量的参数主要提供的信息包括地闪回击发生的时间、位置、极性、强度、陡度、定位误差、定位方式以及地闪发生的省市县资料。北疆闪电定位仪站点共19个，其中天山北坡9个（图1）。

图1 电定位仪站点分布（“■”为天山北坡站点）

将一个国家站出现一次小时降雨量＞10.0 mm的强降水定义为一次短时强降雨过程，一个国家站天气现象观测记录出冰雹天气现象定义为一次冰雹过程，一次过程为一个样本个例。研究范围选取新疆博州精河站至昌吉州木垒站的天山北坡。依据上述标准选取2013—2015年新疆汛期（4—9月）天山北坡24个国家站的小时降水和冰雹天气现象等数据，以及对应区域强对流天气发生前后的9部闪电定位仪资料，运用数理统计学分析方法，研究两类强对流天气的闪电极性及时间演变特征，闪电突增与强对流天气爆发的关系及变化特征，结合闪电极性、闪电突增得出强对流天气短临预警的阈值。最终，共选出31次强对流天气过程作为个例进行研究，其中短时强降雨过程21次、冰雹过程10次（表1）。

表1 2013—2015年天山北坡强对流天气发生频次 次

2 强对流天气（冰雹、短时强降雨）的闪电极性及其时间演变特征

2.1 强对流天气发生前后闪电的极性

2.1.1 短时强降雨前后闪电的极性

由表2看出，2013—2015年天山北坡21次短时强降雨过程前、中、后共发生闪电的频次分别为306次、308次、93次，其中正地闪发生频次占总地闪的比例分别为5%、10%、15%，负地闪为95%、90%、85%（以下正地闪简称为正闪，负地闪简称为负闪）。可见，短时强降雨过程前后均以负闪为主，正闪发生频次相对较少，但正闪占总地闪频次的比例递增。

表2 2013—2015年短时强降雨前后闪电极性

2.1.2 冰雹前后闪电的极性

由表3看出，2013—2015年天山北坡10次冰雹过程前、中、后共发生闪电的频次分别为50、43、52次，其中正闪在总地闪中的比例分别为30%、30%、10%，负闪为70%、70%、90%。由此可见，过程前后均以负闪为主，冰雹过程前和过程中负闪发生次数占总地闪数的比例为70%，在冰雹结束后负闪所占比例增加至90%。

在冰雹发生前与发生时总地闪频次相对短时强降雨的总闪频次较少，且期间正闪占总地闪比例高于短时强降雨，虽冰雹过后总闪次数相较冰雹过程中略有增加，但过程前后总体变化不大。

表3 2013—2015年冰雹前后闪电极性

2.2 不同极性闪电与两类强对流天气的时间演变特征

2.2.1 短时强降雨与闪电的时间演变特征

因强对流天气持续时间短，本文取短时强降雨发生前1 h至其结束后0.5 h，作为短时强降雨前后闪电频次演变特征的研究时间段。在短时强降雨整个研究时段内负闪频次总体呈减少的趋势。短时强降雨发生前50 min至前30 min，负闪频次由30次迅速增加至69次，随后至短时强降雨开始前逐渐减少至33次；伴随降雨开始负闪频次迅速增加60次，其后逐渐减少；短时强降雨结束后30 min内，负闪频次虽有小幅度增加，但总体呈下降趋势（图2）。为方便研究，图2~5中闪电频次为所有个例对应闪电频次的总数。

在短时强降雨研究时段内正闪频次总体呈波动性变化（图2）。短时强降雨发生前50 min至降雨开始期间，正闪频次先减小后增加，再减小，并达到最小值1次；降雨开始后至结束期间正闪频次总体呈上升趋势，在3~8次波动，并在40 min时达最大值8次；短时强降雨结束后30 min内，正闪频次虽有小幅度增加，但总体呈下降趋势。

图2 天山北坡2013—2015年短时强降雨过程地闪频次变化

2.2.2 冰雹与闪电的时间演变特征

文中冰雹前后闪电频次演变特征的研究时间段为冰雹爆发前1 h至结束后0.5 h，因10次冰雹过程持续时间均在10~20 min，故冰雹过程持续时间均取20 min。在冰雹过程研究时段内负闪频次总体呈增加的趋势（图3）。冰雹爆发前1 h，负闪频次的最小值、最大值分别为0次和10次，负闪频次虽呈先增加后减小，再增加的波动性变化，但整体呈增加态势；伴随冰雹爆发，负闪从8次增加至19次；冰雹结束后10 min时，负闪频次增加至最大值24次，随后迅速减小至7次。

在研究时段内冰雹的正闪频次整体呈波动性变化（图3）。冰雹爆发前1 h，正闪频次呈现先减小后迅速增加的变化态势，并在冰雹爆发时达到最大值7次；伴随冰雹完全爆发，正闪频次逐渐减小；冰雹结束后正闪数迅速减少，期间虽略有上升，但总体呈下降趋势。

图3 天山北坡2013—2015年冰雹过程地闪频次变化

3 闪电突增与强对流天气爆发的关系及变化特征

通过研究闪电活动和短时强降雨的关系（图4），得出短时强降雨发生前后出现2次突增现象，且均是负闪贡献多（图2）。第一次是在过程发生前50 min至降雨前30 min，总地闪频次从35次增加到71次，突增量为36次，突增现象持续时间为20 min，提前量为30 min；第二次是在短时强降雨发生后10 min内，总地闪频次从34次增加到66次，突增量为32次，持续10 min。综合2次突增现象来看，第一次突增更有指示意义，虽突增的强度不如第二次，但其突增量明显，持续时间长，关键是其提前量较大，可为短临预报预警提供更好的指导性。从图中还得出，总地闪频次在短时强降雨爆发前10 min内有明显减少现象，减少量为25次，这对短临预报也有一定的指示意义。

通过研究（图4）发现冰雹过程有2次突变现象，第一次在冰雹开始前30 min至前20 min之间，总地闪从1次增加至11次，突增量10次，持续10 min，提前量20 min；第二次在冰雹开始后20 min内，总地闪从15次增加至25次，突增量10次，持续20 min。2次突增现象均为负闪贡献多，但第一次突增有明显提前量，对短临预报更具指导意义。

图4 天山北坡2013—2015年两类强对流天气过程地闪频次变化

4 个例应用

4.1 短时强降雨个例

4.1.1 短时强降雨前后闪电的极性

表4 2015年6月9日21时短时强降雨过程前后闪电极性

4.1.2 短时强降雨与闪电的时间演变关系

此过程总地闪频次随时间总体上呈先增大后减小的变化态势，期间有波动性变化，以负闪贡献为主（图5）。此过程有3次突增现象，第一次是在过程发生前50 min至降雨前30 min，总地闪频次从1次增加到8次，突增量7次，总地闪突增现象持续20 min，提前量为30 min；第二次在过程发生前20 min~10 min，从4次增加到10次，突增量6次，持续10 min，提前量10 min；第三次是在短时强降雨开始后10 min内，从3次增加到8次，突增量5次，持续10 min。综合来看，第二次突增属于个别变化，无普遍性，第三次突增无提前量，故第一次突增更具指示意义。此外，第一次突增也是以负闪贡献多，在降雨开始前10 min内闪电频次从10次骤降到3次，此个例的研究结果与短时强降雨的平均结论相符。

通过统计分析其余20次短时强降雨个例，发现21次个例中13次在降雨开始前存在闪电突增现象（占总数62%），突增量3~8次不等，持续时间10 min或20 min，提前量在20~40 min；其余8次个例在降雨开始前无闪电突增现象，可能是由于强对流天气过程前后地闪总数相对较少，故闪电频次变化不明显。

图5 2015年6月9日21时短时强降雨过程地闪频次变化

4.2 冰雹个例

4.2.1 冰雹前后闪电的极性

此次冰雹个例过程时间为2013年7月25日17时50分—18时10分，发生在沙湾县，冰雹直径1 cm，过程前、中、后共发生地闪的频次分别为7次、18次、16次（表5），其中正闪发生频次占总地闪的比例分别为29%、39%、14%，负闪为71%、61%、86%。此次冰雹过程前后以负闪居多，正闪发生频次相对较少，但正闪比例先增大后减小，与之前结论不符。

表5 2013年7月25日17时50分冰雹过程前后闪电极性

4.2.2 冰雹与闪电的时间演变关系

通过研究（图6）发现此冰雹过程有2次突增现象，第一次在冰雹开始前30~20 min，总地闪从0次增加至4次，持续10 min，提前量20 min；第二次在冰雹开始20 min内，总地闪从1次增加至11次，持续10 min。两次突增现象均是负闪贡献多，与之前结论基本一致。

新媒体时代，语言资源深层结构正在被重组，如何保持方言活力与生命力，要依靠新媒体进行深挖掘、重塑造和再传播，注重方言文化传播的精准性和个性化。因此，笔者提出创建方言传播新范式（图2）。

通过对其余9次冰雹个例的统计分析，得出10次个例中8次在冰雹开始前存在闪电突增现象（占总数的80%），突增量2~4次不等，持续时间10~20 min，提前量在10~40 min；其余2次个例在冰雹开始前无闪电突增现象，原因亦是在冰雹过程前后地闪总数太少，故闪电频次变化不明显。综上研究，在强对流天气发生前确实存在1次闪电突增现象，其具有普遍性，对短临预报有指示意义。

图6 2013年7月25日17时50分冰雹过程地闪频次变化

4.3 2016年强对流天气个例应用

为更进一步验证上述结论的普适性，选取本文研究资料以外的2类强对流天气个例进行讨论分析。从2016年12次短时强降雨个例和2次冰雹个例中各随机选取1次做重点分析。经统计发现，12次短时强降雨个例中有9次在降雨开始前20~40 min内存在闪电突增现象；2次冰雹个例中有1次在冰雹开始前50~30 min有闪电突增现象。由于2类强对流天气过程前后闪电极性变化的结论并不存在普遍性，以下只着重分析讨论强对流与闪电的时间变化关系。

4.3.1 短时强降雨与闪电的时间演变关系

短时强降雨个例过程时间为2016年6月4日14—15时，降雨量为14.9 mm。此过程总地闪频次随时间总体上呈先增大后减小的变化态势，期间有波动性变化，以负闪贡献为主（图7）。此过程有2次突增现象，第一次是在降雨发生前50~30 min，总地闪频次从1次增加到6次，突增现象持续20 min，提前量为30 min；第二次在降雨发生前20~40 min，从2次增加到5次，持续20 min。

图7 2016年6月4日15时短时强降雨过程地闪频次变化

4.3.2 冰雹与闪电的时间演变关系

冰雹个例过程时间为2016年6月2日22时40分—23时，冰雹直径1 cm，发生在乌苏市。通过研究（图8）发现，此冰雹过程有1次突增现象，发生在冰雹开始前50~30 min，总地闪从1次增加至9次，持续20 min，提前量30 min，且突增现象负闪贡献多。

图8 2016年6月2日22时40分冰雹过程地闪频次变化

经过上述验证应用分析，大部分强对流天气（短时强降雨62%，冰雹80%）发生前存在一次闪电突增现象，突增现象发生在强对流天气开始前10~40 min不等，持续时间10~20 min，突增量在2~8次，其具有普适性，对短临预报有指示意义。

5 强对流天气闪电极性、闪电突增短临预警阈值

综合上述研究，强对流天气前后闪电极性均以负闪为主，在强对流天气发生前30 min左右均有闪电突增现象发生。在具体短临预报预警中，可综合闪电随时间的极性和频次变化，以及突增现象来进行判断。若在某时刻同一地点附近出现1次闪电，且在20 min内增加3次以上，可判断未来2 h内此地出现强对流天气的可能性较大；若出现突增现象后，闪电频次先骤减又突增，则判定未来1 h内出现短时强降雨可能性极大，可发布预警。文中冰雹过程闪电频次较短时强降雨少，可能是冰雹天气较短时强降雨局地性更强，更难监测的缘故。

6 结论

本文旨在研究探索闪电定位资料在新疆天山北坡短临预警中的阈值，研究结论对天山北坡的短临预警有一定的指示意义，但由于样本个例较少，研究可能存在一定的误差，今后还有待进一步研究。

（1）强对流天气过程前后均以负闪为主，过程前、中、后正闪所占比例具有不确定性。冰雹过程前后的总闪频次相比短时强降雨过程前后的总闪发生频次少，冰雹过程前后的正闪比例普遍高于短时强降雨过程的。

（2）短时强降雨过程前后正、负闪分别在4次和36次内呈波动性变化。冰雹过程前后正、负闪分别在5次和11次内波动。短时强降雨过程随时间负闪频次整体呈下降态势，其正闪和冰雹负闪频次呈上升态势。

（3）2类强对流天气过程前后均有2次闪电突增现象，短时强降雨过程第二次突增现象无预报提前量，冰雹过程第二次突增属个别变化，故2类强对流天气过程都是第一次突增现象更具指导意义，此突增现象发生在强对流天气开始前10~40 min不等，持续时间10～20 min，突增量在2~8次不等。

（4）若在某时刻同一地点附近出现1次闪电，且在20 min内增加至3次以上，可判断未来2 h内此地出现强对流天气的可能性较大；若出现突增现象后，闪电频次先骤减后又突增，则可判定未来1 h内出现短时强降雨可能性极大。闪电定位资料对于短临预警一定的指示性，但不可孤立使用来判断强对流天气，在日常短临预报预警中，应尽量结合其他短临监测资料来综合判断强对流天气。