华南一次典型雷暴过程双偏振雷达参量与闪电活动关系研究

杜赛，刘显通，孙皓霆，陈绍东，陈绿文，颜旭

（1.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州510641；2.海珠区气象局，广东 广州510220）

1 引言

闪电是常发生在雷暴云中的一种自然放电现象，具有随机性、地点不确定性等特点，常常以大电流、高电压和强电磁辐射危害人们的生命并造成经济损失。为减少人员伤亡和财产损失，闪电预警预报从早期雷达工作开始就一直是研究的重点。大量的研究发现可通过普通多普勒雷达探测得到的雷达回波判断首次闪电发生时间[1-9]。国内外专家通过研究多次雷暴过程后提出40 dBZ雷达回波出现在-10℃温度层结高度是判断雷暴云内能否发生闪电的重要指标[10-13]。雷达由于其时空高分辨率和雷达反射率因子对雷电的发生有一定的指示作用，因此通过雷达资料结合闪电定位资料对闪电临近预警是最有效的技术手段。但由于雷暴过程处于运动状态，雷暴未来的移动方向以及整个雷暴的生消一直处于变化中，给闪电临近预警带来了很大的困难，常常导致闪电预警出现较高的误警率和虚警率。

雷暴产生的机理和微物理过程是在动态雷暴环境下发生的。一种广泛接受的雷暴云内电荷积聚导致闪电放电的方式是非感应起电机制[14-17]。在雷暴云中，两种不同尺度的冰相粒子，如霰和冰晶，发生碰撞并电荷分离，在重力和雷暴云内上升气流抬升作用下将带电的水成物粒子分离到不同层结区域。一般来说，电荷分离在雷暴云中形成三极结构[18]。三极结构包括雷暴云上部的主正电荷区，中部的主负电荷区和下部较小的次正电荷区[19]。较低的正电荷区存在大约-10°C以下高度,主负电荷区从-10°C延伸到-20°C温度层，上部主正电荷区大约从-20℃以上的高度延伸到-35℃左右。当不同极性电荷区间电场达到一定阈值时，便会产生放电过程。在雷暴云起放电机制下，闪电活动的发生与云内冰相粒子的存在息息相关，冰相粒子的浓度对雷暴云起放电有决定性的影响。Deierling[20]通过分析卫星和地基观测资料发现冰水含量与闪电活动在时间序列上具有较好的一致性。Carey等[21-22]通过分析双偏振雷达与闪电活动关系发现双偏振雷达反演得到的-40～-10℃温度层内霰的体积和质量与闪电频率的关系要优于上升气流体积和最大上升速度与闪电频率的关系。因此，雷暴云中冰相粒子是闪电活动发生的重要条件，若探测得到雷暴云中-35～0℃范围内冰相粒子分布情况对于闪电活动的预警预报有很大的作用[23]。

随着科学技术的发展，很多地区已经将普通多普勒雷达升级为双偏振雷达。相比于普通多普勒雷达而言，双偏振雷达不仅可获得雷达反射率因子(ZH)、径向速度、速度谱宽等信息，还可获得差分相移率(KDP)、差分反射率(ZDR)、相关系数(CC)、水凝物粒子分类(HCA)以及反演得到冰水含量(IWC)等参数。闪电活动的发生主要与冰相粒子(霰、冰晶)间碰撞反弹过程中的非感应起电机制有关，而双偏振雷达探测得到的雷达参数刚好能反映粒子的相态、尺度、浓度和分布等特征。近年来使用双偏振雷达预警闪电活动的研究有一些初步结果。Preston等[24]分析了80个夏季雷暴单体发现在-10℃温度层出现霰并且雷达反射率因子达到35 dBZ时可作为闪电发生的判断条件。Wang等[25]通过分析南京地区双偏振雷达资料发现-10℃温度层雷达反射率因子达到40 dBZ或者-10℃温度层出现霰和冰晶是预警闪电发生的较好阈值。Mosier等[26]通过气象雷达分析美国德克萨斯州十年夏季雷暴天气发现，-15℃或-20℃温度层雷达反射率因子达到30 dBZ以及垂直冰相粒子含量在0.42 kg/m2或0.58 kg/m2时，对闪电预警有较好的结果。Hayashi等[27]通过分析双偏振雷达反演得到的冰相粒子体积(霰体积、霰雹体积、35 dBZ冰相体积、40 dB冰相体积)与闪电频次关系，发现35 dBZ冰相体积和冰粒子含量是预警闪电活动发生最好的两个阈值。

广东省属于热带和亚热带交界地区，每年4月开始飑线等深对流雷暴活动逐渐增多[28]，雷暴过程产生的闪电对广东地区造成较严重的人员伤亡和经济损失，另外，前人通过双偏振雷达分析广东地区的雷暴活动的研究较少，双偏振雷达参量与闪电活动的关系还不清晰，因此，基于双偏振雷达对广东地区的闪电预警预报开展研究是十分必要的[29-30]。本文在前人研究的基础上通过分析双偏振雷达参量与闪电活动的关系，以期获得可帮助确定与雷电产生有关的双偏振雷达物理参量，从而有助于闪电预警预报能力的提升。

2 资料及方法介绍

2.1 资料介绍

本文采用常规气象观测资料、闪电资料和雷达探测资料。常规气象观测资料由广东清远站探空分析资料获得。闪电数据选用地球网络公司(EN)闪电定位系统探测到的闪电资料。EN闪电定位系统全称为地球网络公司闪电定位系统(Earth Networks Total Lightning System，简 称EN)，探测数据为总闪，包括云闪和地闪。频率探测范围在1 Hz～12 MHz之间，探测方法为长基线时差法，可探测闪电的强度、经度、纬度，探测效率约为77%，定位精度在300 m左右。将发生在10 km以及持续时间在700 ms范围内的脉冲信号定义为一次闪电过程，通过判断是否有回击过程区分云闪和地闪，若有1次或多次回击过程，统计为地闪，若无回击过程，统计为云闪[31-33]。2013年建设至今共有16个探测子站(饶平、东源、惠阳、花都、南沙、连州、云浮、信宜、雷州、上川岛、徐闻、电白、曲江、怀集、蕉岭、南澳)。图1中给出了EN闪电定位系统的探测子站分布图(蓝色三角形)。雷达探测资料由架设在广州站(Z9200)S波段双偏振雷达探测数据获得。广州S波段天气雷达位于广州市番禺区大镇岗山，雷达天线海拔高度179 m。为加强天气雷达对雷暴天气系统的监测能力，获取更多的雷暴有效探测信息，广东地区近年来将传统多普勒雷达升级为双偏振雷达，双偏振雷达在传统雷达只发射水平电磁波基础上增加了纵向电磁波，从而更好地探测云内粒子的形态和相态。表1为双偏振雷达的主要性能指标。目前广东省境内有11部业务运行的S波段双偏振雷达，已基本实现全境覆盖，运行状态良好，能很好监测华南雷暴天气系统发生发展演变过程。基于双偏振雷达探测范围以及EN闪电定位系统探测效率，本文研究区域选择每年雷暴活动频繁的广东地区(110.9～114.9°E，21.7～25.7°N，图1)，以2017年5月8日飑线过程为例分析双偏振雷达参量与闪电活动的关系，时间范围选择00:00—18:00时(除标明外都为世界时)。

图1 研究范围(图中黑框部分)

表1 广州S波段双偏振天气雷达主要性能指标

2.2 方法介绍

通过总体分析整个雷暴过程闪电频次(总闪频次、云闪频次、地闪频次)和双偏振雷达参量时间分布情况，将研究范围内与闪电活动息息相关的-35～0℃温度层双偏振雷达参数进行筛选并统计相应雷达参数分段占比情况。后将研究区域中的闪电数据每隔6 min统计，与双偏振雷达体扫数据对应。将每次双偏振雷达体扫得到的参量数据筛选出-35～0℃温度层范围内的最大值与对应时间的闪电数据进行总体上的相关分析，通过线性拟合和多项式拟合方法得到双偏振雷达参量与闪电活动的关系。

3 资料分析

3.1 天气背景及闪电过程分析

2017年5月8 日广西、湖南和广东一带发生一次典型的中尺度强对流天气过程。5月8日03时前后，由广西和湖南境内发展起来的降水回波移入广东清远、韶关北部，进入广东境内后逐渐加强并向东南方向移动，06时前后发展成熟，形成东北-西南向的飑线。空间尺度上，成熟时期飑线长约800 km，宽约40 km，前进速度30～40 km/h，横扫广东大部分地区，直到17时左右才逐渐减弱为多单体雷暴。整个过程持续时间长，影响范围广，飑线经过地区先后出现强降水和强雷暴并伴随7～9级大风。

图2是2017年5月8日广东清远探空站在00时的T-logp图。CAPE为对流有效位能，表征气块在大气中做垂直运动时所需要的能量，在一定程度上可反映大气不稳定度，常常作为未来是否发生雷暴天气的判断条件，CAPE值越大，表征发生雷暴天气的可能性越大。CIN为对流抑制能量，反映低层气块发生对流活动时所克服的能量，CIN值较小时有利于对流活动的发生。K指数是综合垂直温度梯度、低层水汽含量和湿层厚度的一个气团属性量，K值越大表征可能发生雷暴活动的概率较大。沙氏指数SI和抬升指数LI都可表征大气层结稳定情况，SI和LI值越小，代表大气层结越不稳定。由表2中00时探空数据可知CAPE=94 J/kg，CIN=-17.3 J/kg，K＝32.7℃，SI＝1.41℃，LI＝0.51，同时750 hPa以下层结曲线和露压曲线距离较近，以上则较远，说明低层湿空气很薄，中高层较干燥，这种湿度分布特征以及各个指数表征情况在很大程度上决定了此次天气过程以雷暴大风和强降水天气为主。

表2 2017年5月8日清远探空资料分析

图2 2017年5月8日00时清远探空站T-log p图

图3是2017年5月8日整个雷暴过程闪电频数每隔6 min的时间演变图，从整个系统生命史可发现总闪中云闪占主导地位，负地闪在地闪中占主导地位。为便于分析雷暴过程中闪电频次情况，将整个雷暴过程分为三个阶段。00:00—06:30为雷暴过程的第一阶段，总闪平均频次为338 fl/(6 min)，02:48—02:54达到第一阶段高峰1118 fl/(6 min)，05:12—05:18达到第一阶段最低值96 fl/(6 min)，该阶段主要是多单体雷暴过程。06:30—12:30为雷暴过程的第二阶段，随着对流活动的增强，闪电频次逐渐增多，在08:48—09:30闪电频次迅猛跃增，09:12—09:18达到峰值：总闪3899 fl/(6 min)，其中云闪3655 fl/(6 min)，地闪244 fl/(6 min)，正地闪9 fl/(6 min)，负地闪235 fl/(6 min)。第二阶段总闪平均频次为1833 fl/(6 min)，08:48—10:00是闪电发生的最高频时段，总闪平均频次为2829 fl/(6 min)，该阶段主要是飑线过程。12:30—18:00为雷暴过程的第三阶段，总闪平均频次为89次/(6 min)，该段时间整个雷暴过程由陆地逐渐过渡到海上，直至雷暴过程消亡，该阶段主要是多单体雷暴过程。

图3 2017年5月8日雷暴过程每6 min闪电频次分布(00:00—18:00)

整个过程闪电频数主要呈现单峰值分布，00—18时共发生总闪137185次，其中云闪123648次，地闪13537次，地闪比例9.87%，与郭凤霞等[34]模拟广东一次系统性强雷暴过程发现云闪数目远多于地闪数目相一致。整个雷暴过程地闪中：正地闪580次，负地闪12957次，正地闪占总地闪的比例4.28%，正地闪比例较低原因可能与南方地区雷暴云电荷结构呈现偶极性有关[35-36]。

3.2 飑线过程的双偏振雷达参量特征

将研究范围-35～0℃温度层内双偏振雷达参数筛选并对相应雷达参数分段统计，得到图4整个雷暴过程中双偏振雷达各个参数在-35～0℃温度层内占比图。为便于分析，筛选出每一时刻雷达参数对应最大值，并绘制图5所示的2017年5月8日雷暴过程中双偏振雷达参量最大值在00:00—18:00时间段内的分布图。

图4 双偏振雷达各参数在-35～0℃温度层占比

图5 2017年5月8日雷暴过程双偏振雷达各参量最大值时间分布

结合图4和图5可发现，整个雷暴过程中冰水含量(IWC)主要分布在0～0.2 g/m3区间，随着冰水含量数值的增大，整体占比呈现逐渐减小的趋势。最大冰水含量时间分布图与闪电活动对应较一致。闪电活动的发生主要与雷暴云中冰相粒子之间碰撞有关，雷暴云中不同冰相粒子(如霰和冰晶)碰撞后电荷转移并在重力和雷暴云内气流作用下形成不同极性的电荷结构，不同极性电荷结构间电场强度达到一定阈值时发生放电。在本次飑线过程中，最大冰水含量平均值为4.02 g/m3，最大值发生在09:12—09:18时间段，为18.21 g/m3，对应闪电频数也是本次过程最大值：总闪3899 fl/(6 min)。雷达反射率因子(ZH)在整个雷暴过程中主要分布在16～32 dBZ区间，呈正态分布。最大雷达反射率因子在飑线的整个过程中，均具有较大值，特别是在闪电高峰频繁的第二阶段，一直维持在50 dBZ以上，主要分布在44～63 dBZ范围内，整个过程最大雷达反射率因子平均值为54.4 dBZ，最大值为66.1 dBZ。整个雷暴过程中差分反射率(ZDR)主要分布在-0.5～0.3 dB，呈正态分布。差分反射率的值为负值时一般对应为小的冰晶，在本次飑线过程中最大差分反射率一直大于2 dB，表示雷暴云内对流活动强，雷暴云上部以大冰晶和雹、雪为主，大的冰晶、雹等在下落过程中融化，使得雷暴云内液态水含量增加，整个过程最大差分反射率平均值为3.84 dB，最大值为7.31 dB。差分相移率(KDP)主要分布在-0.10～0.25°/km区间，较大值反映雷暴云上部主要为雪、冰晶和雹等冰相态粒子，后期闪电活动减弱，差分相移率也逐渐减小，主要以降雨为主。最大差分相移率与闪电活动变化有一定的对应性，雷暴过程第二阶段及闪电高峰期间，差分相移率值保持在5°/km以上，整个过程最大差分相移率平均值为4.69°/km，最大值为18.2°/km。相关系数(CC)在雷暴活动整个过程中主要分布在0.94～0.99，呈现先增大在大于0.99后减小的趋势，在0.98～0.99阶段占比最大。相关系数值较大时雷暴云中主要以球形的雨滴为主，相关系数值降低时雷暴云中主要以非球形的霰、冰晶等冰相粒子为主。粒子相态(HCA)主要以干雪、小～中雨滴的形式存在，并且干雪占比较大，说明整个雷暴过程对流活动强、零度层以上范围广。雷达回波顶高(Echo top high)可反映雷暴过程发生发展情况，整个过程中回波顶高均大于10 km，平均为15.87 km，较高的回波顶高有利于水成物粒子的上升和碰撞、碰撞越频繁起放电过程就越强[37]。结合00时探空资料可知，0℃温度层对应高度为5050 m，-10℃温度层对应高度为7000 m，-20℃温度层对应高度为8080 m，-30℃温度层对应高度为9700 m，-35℃温度层对应高度为10300 m。0℃温度层高度大于5 km，说明回波顶高会远大于5 km，表示该区域对流活动较强，该区域的水成物粒子主要为冰相粒子(霰粒子和冰晶)，是非常重要的起电粒子。

3.3 闪电活动与雷达参数相关性分析

根据当日探空资料，选取-35～0℃温度层内雷达探测数据，将00:00—18:00时间段内每6 min雷达探测数据中各个参数最大值求出，并统计对应6 min时间内闪电频次(总闪频次、云闪频次、地闪频次)。图5是双偏振雷达参数与闪电频次的散点分布图，并分别进行散点的线性和多项式拟合图，双偏振雷达各个参量最大值与闪电活动均呈现正相关关系。最大冰水含量(IWCmax)和最大雷达反射率因子(ZHmax)与闪电频次的对应关系相对于最大差分反射率(ZDRmax)和差分相移率(KDPmax)较好，最大冰水含量与闪电活动(总闪频次、云闪频次和地闪频次)线性拟合关系分别为0.83、0.82、0.73(相关系数，下同)，多项式拟合关系分别为0.72、0.70、0.59，最大雷达反射率因子与闪电活动(总闪频次、云闪频次和地闪频次)线性拟合关系分别为0.73、0.73、0.64，多项式拟合关系分别为0.71、0.70、0.48。最大冰水含量与闪电频次拟合关系要好于最大雷达反射率因子的原因在于，闪电的发生主要与雷暴云中的冰相粒子(霰、冰晶)密切相关。雷暴云中小的云滴在上升气流作用下被带到0℃以上高度，当不同大小的冰相粒子碰撞后电荷分离，在重力和雷暴云内气流作用下到达不同的分层高度，形成不同极性的电荷区，随着不同极性电荷区的积累，不同极性电荷区间的电场逐渐增强，当雷暴云内不同极性电荷区的电场达到一定阈值便会发生闪电。雷达反射率因子多反映的是云内粒子的尺度、浓度等特征，不仅有冰相粒子，还包括液态粒子如云滴、雨滴，而冰水含量能比雷达反射率因子更好地对应雷暴云中的冰相粒子的浓度、分布等情况。最大差分反射率因子与闪电活动(总闪频次、云闪频次和地闪频次)线性拟合关系分别为0.41、0.41、0.33，多项式拟合关系分别为0.16、0.15、0.10；最大相移率与闪电活动(总闪频次、云闪频次和地闪频次)线性拟合关系分别为0.51、0.51、0.43，多项式拟合关系分别为0.31、0.31、0.18。最大差分反射率、最大差分相移率相比于最大冰水含量和最大雷达反射率因子与闪电频次关系较弱，可能原因是差分反射率和差分相移率均与云内液态粒子的形成有关，而与闪电活动相关的冰相粒子关系较弱。双偏振雷达各个参量与闪电频次的关系均是线性拟合关系均高于多项式拟合。

由图6可知，双偏振雷达参数中最大反射率因子和最大冰水含量与闪电频次关系最紧密，并且最大冰水含量与闪电活动的关系要高于最大反射率因子与闪电活动的关系。气象业务上通常将35 dBZ作为判断雷暴过程是否发生闪电的阈值。闪电活动的发生通常和雷暴云中冰相粒子息息相关，而雷达反射率因子反映的是云内粒子的尺度、浓度等信息，不仅包含冰相粒子还包括液态粒子，如云滴、雨滴等，若仅将雷达反射率因子作为预警预报是否发生闪电的参量，常常会造成较高的误警率和虚警率。通过图7a、图7b分别对比双偏振雷达参量中组合反射率、冰水含量在-35～0℃范围内与总闪频次叠加图(“+”为闪电)发现，双偏振雷达探测到冰水含量，其对应就会有闪电的发生，而双偏振雷达探测到雷达反射率因子时并不一定发生闪电，即使雷达反射率因子在35～40 dBZ甚至更大时，有些区域并不一定有闪电活动。闪电活动的对应关系双偏振雷达反演产品冰水含量要优于双偏振雷达探测参量雷达反射率因子(通过其它时次对比得到同样的结论，此处未一一列出)。图7c为沿图7a黑色实线的垂直剖面图。通过图7c更能清晰发现，闪电活动发生区域双偏振雷达反射率因子大于35 dBZ并且高度超过-10℃温度层。较大雷达反射率因子值并不一定对应有闪电活动，其原因可能是双偏振雷达探测到较大尺度降水粒子。图7c中左侧强降水回波发展旺盛，超过35 dBZ雷达回波可延申到10 km以上，而图7c中右侧降水回波发展较弱，超过35 dBZ雷达回波区域在0℃温度层附近及以下，无法形成与雷暴云起电息息相关的冰相粒子(霰、冰晶等)。雷暴云内主要的起电机制为非感应起电机制，非感应起电是指在雷暴云内-10℃温度层附近存在丰富的冰水共存区，霰粒子可通过与过冷水滴碰撞增长，冰相粒子(霰、冰晶等)碰撞时，大小粒子之间产生碰撞分离后带有不同极性的电荷，带电粒子在雷暴云内受重力和气流的影响，分离到不同的区域，形成不同的电荷区，当异种电荷区间的电场强度超过一定阈值时，便会发生放电。因此，仅通过雷达反射率因子对闪电的预警预报会产生较大的误警率和虚警率。未来若将双偏振雷达探测得到的冰水含量或雷达反射率因子大于35 dBZ并且对应高度超过-10℃温度层的判断条件，加入到预警预报闪电活动中，预警率可能会有较大提高。

图6 双偏振雷达各参量最大值与闪电活动(总闪频数、云闪频数、地闪频数)散点图

图7 在10:00时刻双偏振雷达组合反射率(a)、冰水含量(b)分别和闪电(总闪频次)叠加图及沿a中黑色实线剖面图(c)

4 结论及讨论

本文基于双偏振雷达资料、闪电定位资料以及常规气象观测资料，分析了2017年5月8日广东一次雷暴过程中闪电频次和-35～0℃温度层内双偏振雷达参量分布特征及双偏振雷达参数与闪电活动间的关系发现

在整个雷暴过程中，双偏振雷达参量与闪电频次的趋势在时间变化上有较好的一致性，随着闪电活动的发生以及雷暴过程的增强，双偏振雷达参量中的冰水含量、雷达反射率因子、差分反射率、差分相移率等偏振参量都有不同程度的增加，闪电频次高峰时间段对应各个参量时间段最大值。冰水含量与闪电频次对应关系最一致，冰水含量主要分布在0～0.2 g/m3，最大值为18.21 g/m3。雷达反射率因子和差分反射率呈现正态分布，雷达反射率因子主要分布在16～32 dBZ，最大值为66.1 dBZ，差分反射率主要分布在-0.5～0.3 dB，最大值为7.31 dB。雷达回波顶高在整个过程中均高于10 km。相态粒子主要以干雪和小～中雨滴为主。差分相移率主要分布在-0.10～0.25°/km区间，最大值为18.2°/km。相关系数在雷暴活动整个过程中主要分布在0.94～0.99。双偏振雷达参量中最大反射率因子、最大冰水含量、最大差分反射率和最大差分相移率与闪电活动均呈现正相关关系，且各偏振参量线性拟合关系均要高于多项式拟合关系。最大冰水含量、最大反射率因子、最大差分反射率和最大差分相移率与闪电活动(总闪频次、云闪频次、地闪频次)线性相关系数分别为R=0.83、0.82、0.73，R=0.73、0.73、0.64，R=0.41、0.41、0.33，R=0.51、0.51、0.43。双偏振雷达参量中最大雷达反射率因子和最大冰水含量与闪电活动拟合关系最优，最大冰水含量与闪电活动的关系要比最大雷达反射率因子更紧密。

通过本文的研究可定性发现双偏振雷达参量与闪电活动的关系，为将来将双偏振雷达参量加入到闪电临近预警预报提供新的参考。