一次局地强对流天气的地闪特征分析

赵志良，黄旭辉，郭 青，曾惠娟，高国靖

（1.梅州市气象局，广东 梅州 514021；2.连平县气象局，广东 连平 517100）

地闪是云对地的一种放电现象，包括正地闪与负地闪.闪电定位系统因其时空分辨率高、误差小，探测效率高等优点，近年来广泛运用于相关气象业务和科研中［1］.当前，综合运用闪电定位资料、雷达资料和相关气象资料分析强对流天气已成为强对流预测预报的重要手段之一［2］.苟阿宁［3］、苗爱梅［4］、慕建利［5］、郑栋［6］分析了地闪活动与降水的相关关系；冯桂力等［7］认为，负地闪在典型的中尺度对流系统中占绝对优势；钟颖颖［8］分析了两次雷暴过程的雷达回波特征；Williams［9］认为，地闪活动具有明显的地域性，强对流天气中的闪电特征因不同地理位置气象条件和海拔高度不同，并一定程度上依赖于局地强对流强度.近年来，卫星、雷达和地面气象要素资料在暴雨预报和研究中得到了广泛的运用.张腾飞［10］、林良勋［11］、庄燕洵［12］研究发现不同地区的地闪活动具有明显局地性，研究以梅州市某次强对流天气为例，分析了梅州的地闪特征与同期气象资料的关系，旨在为该地区强对流天气的监测与预警提供依据.

1 资料及分析方法

研究主要采用2016 年8 月7 日广东电力系统的地闪定位资料、梅州天气雷达资料、探空观测资料等，通过数理统计等方法，分析了梅州的地闪特征与同期气象资料的关系.笔者采用的广东电力闪电定位系统准确率达99%，精度高达320 m、有效率达96%.

垂直风切变是指水平风（含风速大小以及风的方向）随高度变化.垂直风切变其中（u0，v0）（u1，v1）分别表征近地面风的分量以及某一高度风的分量，笔者取1 000 hPa 处风的分量表征近地面风.

2 天气实况分析

2016 年8 月6 日20 时，欧亚大陆中高纬度区域受稳定的2 脊1 槽控制，梅州地区受高空槽槽前旺盛的西南气流影响，且低层暖湿气流不稳定能量释放，产生了强对流天气.当具备充足的水汽条件和使湿空气上升的动力条件时，产生了剧烈的对流运动，进而形成明显的闪电活动. 8 月7 日11：00—17：00 梅州地区出现了一次明显的降雨和大风天气，其中6 h 降水10 mm 以上区域自动站有29 个，30 mm 以上有7个，期间兴宁大坪镇6 h 累积降雨达到49.2 mm，梅江区长沙镇于15：23 录得10 min 最大风速13.6 m/s，瞬时极大风速达到22.2 m/s.

3 地闪活动特征

图1 2016 年8 月7 日11：00—17：00 梅州市地闪空间分布图

3.1 地闪时空分布特征分析

梅州市2016 年8 月7 日11：00—17：00 地闪空间分布特征呈明显的局地性，闪电定位系统一共监测到地闪10 917 次，其中负闪9 650 次，正闪1 267 次，正闪比11.6%（见图1）.

图2 为 梅 州 市2016 年8 月7 日11：00—17：00地闪频数随时间变化曲线，闪电频数大致有3 次明显的震荡过程：第一次过程（11：00—13：00），全市共探测到地闪2 406 fl，其中正闪216 次；闪电频数于12 时达到峰值，为359 fl；正闪比峰值于12：42 出现，为16.42%.第二次过程（13：00—14：12），全市共探测到地闪1 864 fl，其中正闪176 次；闪电频数于13：24 分达到峰值，为297 fl；正闪比峰值于14 时出现，为16.0%.第三次过程（14：12—17：00），全市共探测到地闪6 634 fl，其中正闪872 次；闪电频数于15：36 分达到峰值，为448 fl；正闪比峰值于16：6 分出现，为22.94%.由此可见，负闪在整个闪电活动过程占88.4%，同日正闪密集时段与地闪密集时段几乎相一致；正闪比峰值滞后于地闪的峰值约0.5 h 出现，往往出现在雷暴的消亡阶段.

3.2 地闪活动与雷达资料的关系

通过选取地闪密集区时段（11：00—17：00）的多普勒雷达资料分析可知，地闪密集区域与雷达强回波区域相一致，由对流发展旺盛时期的多普勒天气雷达资料（15：36）分析可知：（1）雷达回波图上有明显的块状回波，水平尺度近百公里，中心的组合反射率强度达到55 dbz 以上，且有2 个强中心（见图3（a））；强回波在垂直高度上达18 km 高，最强回波3～6 km高度处，但无明显的垂悬结构；（2）当发生强雷暴过程时，雷暴成熟阶段正速度区的强回波中心右前方始终有被负速度区包围着的正速度区即“逆风区”存在（见图3（b）），强对流发展旺盛逆风区生成于15：36的雷达径向速度图上，逆风区对应着雷达回波的强反射率因子区，位于大气层中低层，表明雷暴云成熟阶段同时存在强烈的上升气流和下沉气流；（3）雷达回波图上强回波中心的回波顶高度大于等于17 km，从多普勒天气雷达的逆风区特征、组合反射率特征、反射率垂直剖面图、回波顶高度特征以及径向移动速度特征分析可知，此次过程符合产生强对流天气的条件.

图2 2016 年8 月7 日11：00—17：00 梅州市地闪频数随时间变化曲线

图3 2016 年8 月7 日15：36 梅州多普勒雷达资料

当样本容量n=61，在显著水平α=0.01 时，得到相关系数临界值rc=0.330.通过计算闪电频数分别与同期最大回波顶高度、回波顶高度＞11 km 格点面积的相关系数（见表1），并经过相关系数的显著性检验可得到：闪电频数与同期最大回波顶高度、回波顶高度＞11 km 格点面积呈显著正相关.

表1 闪电频数与最大回波顶高度、回波顶高度＞11 km 格点面积的相关系数（R）

闪电频数变化趋势与最大回波顶高度以及回波顶高度＞11 km 格点面积相一致（见图4）.由此可见，闪电活动的活跃程度不仅需要对流云在垂直方向具有相当的高度，而且在水平方向也必须具备更为广阔的对流空间.因为强烈的上升运动加之大范围的对流云系往往更加有利于对流活动活跃，进而形成密集的闪电活动.

图4 闪电频数与最大回波顶高度、回波顶高度＞11 km 格点面积随时间变化曲线

3.3 闪电频数与探空曲线的关系

东源探空站（站号：59293）的大气层结曲线呈明显的“上干下湿”型，对流层中低层层结曲线（温度曲线和露点温度曲线）呈漏斗状（上宽下窄）（见图5（a））；对流层中低层（1 000～7 00 hPa）空气潮湿，湿度均大于90%，近于饱和，而500 h 以上的中高层相对干冷，因此整个对流层呈明显的上干下湿的位势不稳定层结，这有利于发生大范围的强对流天气（见图5（b））.查阅同期对流性稳定度指数：k 指数为37.5 ℃，si（沙氏指数）为-2.8，均表现出很强的不稳定特征.同时500～1 000 hPa 之间的相当位温均大于350 K，500 hPa 以下逐层递减，且平均递减率23.6 K/500 hPa，也表现出明显不稳定.对流层强烈的不稳定性且较大的湿度极易形成持续性的上升运动，对流活动活跃，引起长时间的闪电活动.同日19 时，对流活动减弱，区域闪电活动明显减少，而层结不稳定结构遭到破坏，层结不稳定特性不明显（见图5（c）、图5（d））.在600 hPa 以下，7 日7 时垂直风切变明显大于19 时的风速，其中7 时600 hPa、850 hPa 相对地面垂直风切变依次为8.93 m/s、5.71 m/s；19 时为600 hPa、850 hPa 相对地面垂直风切变依次为8.60 m/s、4.63 m/s（见图5（e））.

由此可见，对流层层结不稳定伴随着中低层明显的垂直风切变，有助于水汽上升运动，形成旺盛的对流活动，进而产生密集的闪电活动.

图5 东源站探空曲线

4 结论

利用闪电定位资料、多普勒雷达资料与探空资料，对梅州市2016 年8 月7 日的一次局地暴雨的地闪特征进行分析，结果表明：（1）地闪空间分布特征呈明显的局地性，负闪在整个闪电活动过程占主要比例，正闪比峰值滞后于地闪的峰值约0.5 h 出现，多出现在雷暴的消亡阶段.（2）地闪密集区域与雷达强回波区域相一致，闪电频数与同期最大回波顶高度、回波顶高度＞11 km 格点面积呈显著正相关；从多普勒雷达资料的“逆风区”特征、组合反射率强度大、强回波垂直高度高、回波顶高度高、径向移动速度快等特征分析可知，此次过程符合强对流天气的产生条件.（3）地闪活跃时期，大气层结曲线呈明显的“上干下湿”型.对流层强烈的不稳定性、较大的湿度加之明显的垂直风切变极易形成持续性的上升运动，使得对流活动活跃，进而引起长时间的闪电活动.（4）笔者基于有限的资料分析地闪与同期气象资料关系的分析，具有一定的局限性，有待于今后采集更多的实例做更深入的研究.