基于雷达、卫星资料对河南省一次雷暴过程的地闪演变分析

杨美荣

（河南省气象灾害防御技术中心，河南 郑州450003）

雷暴（Thunderstorms）是伴有雷电的严重灾害性天气，具有极强的破坏性和杀伤力，直接威胁着人们的生命和财产安全。近年来随着探测技术的发展，人们利用多种观测资料对不同类型强对流如冰雹、飑线、台风、雷暴大风、暴雨等天气过程进行了大量的观测和分析研究[1-5]，发现不同强对流天气的闪电活动特征有差别，比如冰雹天气过程中正地闪发生的比例一般较高[6-8]。 研究发现闪电对强对流天气具有较好的指示作用，可以用来确定对流过程的发展趋势和强度[9-14]。 冯桂力等[13]研究中尺度对流系统中的地闪分布特征，发现负地闪主要出现在强对流区，其持续时间和强对流的维持时间几乎相当。 在雷暴对流参数与闪电活动的定量分析方面，学者们也做了不少的研究[15-18]。 袁铁等[15]研究了中国华南一次强飑线过程的闪电活动及其与降水结构的关系，发现对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以较好地指示单体的闪电频次和对流发展强度，对流单体总闪电频次与冰相降水含量的相关系数为0.92。 吴学珂等[17]分析山东一次强飑线过程发现， 地闪频次与45 dBZ 强回波面积相关系数为0.89。

本文对河南省夏季多见、 具有代表性的一次对流过程进行分析， 希望对强对流天气的预报预警工作有所帮助。

1 资料与方法

本文所用的地闪资料由河南省气象局ADTD地闪探测系统提供， 该系统共有19 个ADTD 地闪探测仪，站网分布见图1。 ADTD 地闪探测系统由中国科学院空间中心研制，该系统分为5 部分：探测站网、中心处理站、数据库+WebGIS 服务器、图形显示工作站以及将上述部分联结起来的通讯和网络系统。 ADTD 地闪探测系统计算的参量有地闪闪击的时间、位置、放电极性、峰值电流强度、陡度等信息。单站探测范围约150 km，3 站及以上定位误差约在390～1850 m[19]，4 站定位误差在1 km 以内[20]。考虑到ADTD 地闪探测系统观测到的＜10 kA 电流的正地闪可能是云闪，本文滤除了＜10 kA 的正地闪。另外，地闪探测系统观测的数据为闪击数据，一般一次地闪有多次闪击，为了科学分析，本文将时间间隔＜1.0 s、水平距离在10 km 之内、极性相同的闪击判定为同一次地闪。

图1 河南省ADTD 地闪探测系统分布

雷达能提供强度、速度和谱宽等信息，是监测中小尺度对流系统最有效的工具。 但雷达探测也有一些缺陷，雷达扫描时距离站点越远，相邻方位角、仰角之间的空间距离就会越大， 使得观测值的空间分布比较稀疏；而在雷达站点附近，由于距离地面太近会有地物杂波出现，且上部存在观测盲区。因此为了能更准确地分析雷达反射率因子与地闪活动之间的关系，本文选取距离雷达站点50～130 km 作为研究对象，该范围也基本涵盖了此次雷暴过程从生成、发展到最后减弱、消散的全过程。

本文选取的雷达站点为驻马店雷达观测站，使用的雷达数据为雷达体扫基数据。 为了方便数据分析， 需要将极坐标系下的雷达基数据插值到笛卡尔坐标系， 处理成大小约1 km×1 km×1 km 的三维网格， 垂直方向上共24 层， 即从1 km 高度至24 km高度。经过比较几种插值方法，本文选取了径向和方位上最近邻居法和垂直方向上线性内插法（NVI）[21]，该方法既能得到空间比较连续的反射率分析场，同时也最好地保留雷达体扫数据中原有反射率的结构特征。共选取25 个雷达体扫文件，从20：08—22：33（北京时），包括了雷暴从生成到消亡的整个时段。

2 雷暴整体特征

因局地不稳定能量的产生，2012 年8 月18 日20：02 在驻马店与周口交界处有小片回波开始出现，最大雷达反射率因子为35 dBZ；回波朝东北方向移动并发展，20：20 最大雷达反射率达到60 dBZ（图2a）；20：23 左右开始观测到地闪，此后雷暴持续增强（图2b），地闪频次也随之增加；21：14 雷暴与东北方向对流单体开始合并（2 个对流单体30 dBZ 雷达回波相连即被认为合并[22]），21：20 两个雷暴已经完全融合在一起（图2c）；22：03 雷暴逐渐减弱（图2d）并于22：33 消亡。 该雷暴共持续约2.5 h，所经区域出现了短时强降水，如李埠口、郸城和黄寨镇最大小时降雨量分别为63、43 mm 和48 mm， 属于夏季比较典型的局地性小尺度雷暴天气过程。

3 雷暴的地闪活动特征

为了方便雷暴中地闪与雷达数据进行对应分析， 将单个雷达基数据体扫时间内的地闪数量统计出来，再除以雷达基数据体扫时间，计算出该雷达基数据文件对应的地闪频次， 单位为fl/min。 统计发现，在整个雷暴过程中共探测到地闪2373 次，其中负地闪为2360 次，占总地闪的99.5%；正地闪仅有13 次，占总地闪的0.5%；最大地闪频次为46 fl/min，平均地闪频次为16.7 fl/min。

图3 给出了雷暴正负地闪频次随时间的变化情况。地闪随时间的波动性比较大，整个过程中出现了3个峰值2 个谷值。20：56 之前，地闪频次虽然有波动但一直在增加，20：56 地闪频次达到29.7 fl/min。 21：14雷暴与东北方向的对流单体合并，此时雷暴地闪达到峰值，频次为46 fl/min，在合并之前地闪有一个相对不活跃期，约维持一个雷达体扫时间。 观察雷达回波参量发现，在地闪不活跃期雷暴并没有减弱，强回波体积和强回波面积反而在增强。 21：14 之后地闪频次骤减，21：32 地闪频次降为27.5 fl/min，21：51 地闪频次稍有增加，22：03 之后随着雷暴的减弱，地闪频次也直线降低。整个雷暴过程中大部分时段地闪频次维持在10 fl/min 以上，但正地闪非常少，仅有13 次，且出现的时段比较集中， 仅出现在雷暴合并之后的约半小时内。

根据整个雷暴地闪活动特征并结合雷达回波的变化情况可以将雷暴分成3 个阶段：21：14—22：03，雷暴与东北方向的对流单体合并， 合并后地闪频次显著增大，将该阶段定义为雷暴的合并阶段；在合并阶段之前20：08—21：08， 雷暴初生并独立发展，定义为雷暴的合并前阶段； 在雷暴合并之后22：09—22：33，随着雷暴减弱，地闪频次迅速降低，定义为雷暴的减弱阶段。

图2 2012 年08 月18 日雷暴过程的雷达组合反射率

图3 正、负地闪频率随时间的变化曲线

图4 给出了该雷暴地闪强度随时间的演变情况。地闪平均强度表现出中间低两头高的趋势，即在雷暴合并前阶段、雷暴减弱阶段地闪平均强度较高，特别是在减弱阶段的后期，地闪平均强度达到65 kA。在雷暴开始产生地闪的时段内， 发生地闪的时间间隔较大，Chronis 等[23]发现雷电峰值电流和雷电放电的间隔时间成正相关关系。Zheng 等[24]揭示了对流相对较弱的雷暴更有可能产生雷电流较大的地闪。 在雷暴的减弱阶段，特别是22：15 之后，结合雷达回波与地闪的分布图发现地闪发生在层云区的比率变大，Wang Fei 等[25-28]研究发现层云区的地闪比对流云区的地闪平均强度要大。

图4 地闪频次、强度随时间的变化曲线

4 雷暴地闪与雷达回波

4.1 地闪频次与雷达回波的时间演变关系

在分析地闪与雷达回波的关系时， 通常选择雷暴云0 ℃层高度之上的区域作为分析对象。 通过查看雷暴过程当天郑州和南阳探空资料发现，5 km 高度温度约为0 ℃，6 km 高度温度约为-3 ℃， 本文对雷暴云0 ℃层高度之上区域的多种雷达参量进行了分析， 经过比较最后选取了与地闪频次相关性较好的3 个雷达参量，分别是40 dBZ 强回波顶高、6 km高度50 dBZ 强回波面积和5 km 高度之上50 dBZ强回波体积， 为了方便表述下文分别简称为强回波顶高、强回波面积和强回波体积。3 种雷达参量与地闪频次均表现出明显的正相关关系， 相关系数分别为0.80、0.91 和0.93（表1）。强回波体积与地闪频次的相关性最好， 强回波顶高与地闪频次的相关性弱一些。 将雷暴不同阶段地闪频次与3 种雷达参量进行相关性计算， 发现不同阶段3 种雷达参量与地闪频次的相关系数存在差异。在合并前阶段，地闪频次与强回波体积的相关系数达到0.96， 与强回波面积也达到0.95；在合并阶段，地闪频次与强回波顶高的相关系数仅为0.42，与强回波面积相关性最好，相关系数为0.90；在减弱阶段，地闪频次与强回波顶高的相关系数高达0.96， 而强回波面积和强回波体积与地闪频次的相关性则较弱一些。

表1 雷暴不同阶段地闪频次与强回波顶高、强回波面积、强回波体积的相关系数

雷暴开始产生地闪时（20：23），雷达回波快速增强，强回波面积由42 km2增加到187 km2（图5），强回波体积由16 km3增加109 km3（图6）。 虽然减弱阶段地闪频次与雷暴开始观测到地闪时相当， 但雷暴强度却明显较弱，如20：20 地闪频次为0.83 fl/min，此时强回波面积为187 km2、强回波体积为109 km3；22：33 地闪频次为1.33 fl/min，此时强回波面积和强回波体积均为0。 原因可能是在地闪初生阶段地闪的产生主要依赖雷暴内的上升气流， 强的上升气流将水汽带到0 ℃层高度之上， 然后在感应和非感应起电机制作用下产生电荷，且电荷层高度高，产生地闪的难度相对较大； 而在雷暴减弱阶段云中不仅存在残留的电荷，起电机制也会产生作用，并且此时雷暴云中的下沉气流将电荷层的高度降低， 有利于地闪的产生。

从图5、图6 和图7 中可以看出，强回波面积与强回波体积的时间演变曲线比较相似， 但二者与强回波顶高的曲线差别比较明显。 强回波面积和强回波体积在雷暴合并前阶段虽然一直在增强， 但相比雷暴合并阶段数值是比较小的， 主要是由于2 个雷暴合并后整体空间尺寸成倍增大； 强回波顶高在雷暴初始产生地闪时快速增加， 然后在合并前阶段缓慢增长，在雷暴合并阶段回波顶高下降比较明显。回波顶高是对雷暴内上升气流的响应， 当雷暴上升气流比较强时，冰相粒子被带到比较高的地方，在雷达图上表现为回波顶高比较高。在雷暴合并前阶段，雷暴的上升气流占主导地位， 强上升气流一直推动强回波顶高增大；而雷暴合并后强回波顶高下降，对流强度明显减弱了。

图5 地闪频次与6 km 高度50 dBZ回波面积的关系

图6 地闪与雷暴5 km 以上高度50 dBZ回波体积的关系

图7 地闪频次与40 dBZ 回波顶高的关系

4.2 地闪与雷达回波的空间对应关系

考虑到ADTD 地闪探测系统两站定位数据误差比较大[19]，在分析地闪与雷达回波空间分布特征时剔除了两站定位的地闪数据。 从图8 可以看出地闪的落点与6 km 高度雷达强回波具有较好的对应关系，地闪分布在强回波中心或其周围，一般在≥40 dBZ 的回波区域。 另外，随着雷暴的时间演变，地闪的空间分布特征存在微妙的变化。 20：44 之前地闪分布没有明显的特征，分布比较集中，没有出现松散的情况，雷暴内上升气流占主导地位，雷暴主体在垂直方向上倾斜度比较小。20：50—21：08 雷暴接近东北方向相对较弱的雷暴单体， 地闪倾向于分布在强回波移动方向的前侧（图8a、8b）；在雷暴合并阶段，雷暴的西南部分向东北方移动， 而雷暴的东北部分继续向东南移动，二者交汇并相互影响，在此过程中地闪的分布特征也发生着变化。从图8c、8d 可见，雷暴西南部分地闪仍分布在该部分移动方向的前侧，而雷暴东北部分的地闪受到影响也倾向于分布在强回波的右侧（图8d）；当雷暴西南部分减弱后，地闪的分布逐渐倾向于回波移动方向的后方（图8e、8f）。两个雷暴在合并之前，东北方向雷暴相对比较弱，在合并之后反而越来越强， 而原来较强的西南方向雷暴却逐渐减弱消失，可见雷暴合并是一个多尺度、非线性过程，包含了复杂的动力和微物理过程[26-27]，在此过程中可能伴随着主要起电区域的转移或者不同区域电荷结构的变化。

5 地闪与红外云图的对应关系

文中所用卫星资料是MTSAT 卫星IR1 通道云图资料， 每幅云图的覆盖范围为70°～160°E，20°～70°N，分辨率为0.05 经纬度。 由图5、图6 和图7 可知，21：02 和22：03 的雷暴强度相差较小，21：02 的雷暴强度稍强一点，但从云顶亮温（图9）来看，22：00的雷暴云顶亮温较低，对流强度更强。这种差异主要是卫星观测空间分辨率较低造成。当云区较大，而且云较厚，云下的辐射不能透过云顶，卫星观测到的云顶亮温比较符合实际情况；当云区内面积较小，或者云区内有小裂缝或者晴空区， 而小裂缝或者晴空区低于卫星仪器的分辨率， 这时卫星测到的云顶亮温比实际要暖，21：02 雷暴虽然回波较强，但雷暴面积较小，所以21：02 的云顶亮温比实际偏高，因此本文主要参考22：00 地闪与云顶亮温统计的结果。

图9 为地闪与云顶亮温空间分布图， 地闪数据的统计时间分别为21：00—21：10（图9a）、22：00—22：10（图9b）。21 时云图中雷暴（图9a 黑色圈内）地闪非常活跃，10 min 内观测到地闪数量为243 次，由于观测的云顶亮温比实际偏暖， 图中显示地闪并未全部在低于200 K 的亮温区（图9a、 图10a）；22时云图中10 min 内观测到地闪132 次，地闪活动相对较弱， 绝大部分分布在低于200 K 的亮温区（图9b、图10b）。 这和冯桂力[13]发现的地闪倾向于发生在最低温度区域内或周围的结论一致。

图8 地闪与6 km 高度雷达回波分布

图9 卫星云图云顶亮温与地闪的分布

图10 云顶亮温与对应地闪数量统计

6 结论

本文选取2012 年8 月18 日河南省一次夏季雷暴过程，利用地闪探测系统、雷达和卫星资料分析了地闪特征及其与云体结构的关系，结论如下：

（1）在雷暴整个生命史中负地闪占据主导地位，占总地闪的99.5%； 正地闪极少， 仅占总地闪的0.5%。 在雷暴合并前地闪震荡增长、在雷暴合并阶段地闪频次先跃增后骤减、 减弱阶段地闪频次急剧下降。地闪平均强度与地闪频次存在负相关的关系，在地闪频次较低时平均强度较高， 而在负地闪频次较高时平均强度较低。

（2）初次地闪出现时，雷暴强度快速增强。 40 dBZ强回波顶高、6 km 高度50 dBZ 强回波面积以及5 km 高度之上50 dBZ 强回波体积都与地闪频次存在明显的正相关关系， 在整个雷暴过程中的相关系数分别为0.80、0.91 和0.93，而在雷暴不同发展阶段3 种雷达参量与地闪频次的相关系数有不同的变化趋势。

（3）地闪与雷达回波有较好的空间对应关系，地闪一般发生在6 km 高度雷达回波≥40 dBZ 的区域。 雷暴不同阶段地闪与雷达回波的空间分布特征也不一样，20：44 之前地闪分布位置没有明显的特征；20：50—21：08 受东北方向雷暴气流的影响，地闪倾向于分布在强回波的前侧；21：14—21：26 两个雷暴相互影响， 地闪倾向于分布在强回波的右侧；21：32 之后雷暴西南部分逐渐减弱， 地闪倾向于分布在强回波的后方。

（4）分析地闪与云顶亮温的关系发现，地闪基本出现在云顶亮温低于200 K 的区域。

致谢：感谢河南省气象台提供的雷达资料，感谢日本高知大学提供的MTSAT 云图资料。