馬 超，周雅蔓，李 偉

（新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

閃電活動是強對流天氣常見的伴隨現(xiàn)象之一，閃電活動與雷暴中的垂直運動、雷暴的發(fā)展演變、強對流天氣形成有關(guān)，是強對流天氣的重要信號之一。研究強對流天氣過程的閃電特征和其與降雨及其它氣象條件的關(guān)系，是深入揭示中尺度強風暴發(fā)生、發(fā)展機理的需要，也有助于提高災害性雷暴的監(jiān)測診斷，從而提高預報員對短臨天氣的預報服務水平。

強對流天氣過程經(jīng)常伴隨劇烈的雷電活動。產(chǎn)生雷暴大風、短時強降雨或冰雹。這些天氣往往帶來嚴重的氣象災害，給國民經(jīng)濟造成嚴重損失，并危害人民生命安全，掌握雷暴的發(fā)生規(guī)律，減少雷擊可能帶來的災害越來越受重視[1-2]。新疆于2011年安裝使用ADTD型閃電定位儀，全疆共有48部，天山北坡有9部，范圍上基本可覆蓋整個天山北坡，可有效、及時地捕捉到強對流天氣。天山北坡是強對流頻發(fā)區(qū)，同時較容易出現(xiàn)災害，例如：2013年7月17日烏蘇出現(xiàn)短時強降雨，沖倒房屋、橋梁、院墻、洪壩等，造成530萬元損失；2013年7月25日沙灣縣出現(xiàn)短時強降雨引發(fā)洪水，6人被洪水沖走，直接經(jīng)濟損失達2000萬元；2015年裕民出現(xiàn)雷暴及冰雹，1名牧民因雷擊死亡。閃電定位資料在新疆短臨預報預警工作中還未得到系統(tǒng)性的應用，新疆的短臨預報工作也有很大的發(fā)展空間，做好天山北坡的短臨預報工作具有重要意義。

對于閃電定位資料在強對流天氣短臨預警中的應用國內(nèi)外學者做了一些研究。Goodman，et al[3]、Rutledge，et al[4]研究了MCS（中尺度對流系統(tǒng)）中伴隨的閃電活動，發(fā)現(xiàn)正、負閃電位于對流云不同的降水區(qū)，閃電頻率與多單體對流云的厚度和單體數(shù)有關(guān)，可惜沒有提到相應的峰值降水強度是多少。Carey，et al[4]發(fā)現(xiàn)一些非常強的風暴并沒有產(chǎn)生大量的正地閃；Qie，et al[5]分析了中國內(nèi)陸高原地區(qū)雷暴的地閃特征。20世紀90年代以來隨著閃電定位儀在我國的應用，郄秀書、陶祖鈺等[6-20]分別對我國不同地區(qū)地閃的時空分布特征、中尺度對流系統(tǒng)中的地閃比例、對流云發(fā)展與閃電演變特征的關(guān)系、閃電與降水的關(guān)系等方面進行了分析研究。林卓宏等[21]閃電物理量中的總閃數(shù)序列能夠較好地代表閃電頻數(shù)物理量；總閃數(shù)和日雷電小時的候際、月際變化序列能較好地反映對流活動的情況；利用總閃數(shù)的候突變，可以作為華南夏季風爆發(fā)時間的預測指標之一。

這些學者通過研究發(fā)現(xiàn)，強對流天氣的閃電特征、閃電落區(qū)與強對流演變對應關(guān)系以及閃電突增與強對流天氣爆發(fā)之間的聯(lián)系，不過這些結(jié)論可能因地域不同而有所差異，故研究閃電資料在新疆強對流天氣中的應用是必要的。

1 資料及研究方法

本文所使用的閃電資料由新疆雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)ADTD獲取，該系統(tǒng)是基于閃電發(fā)生時向外輻射的電磁波有其固有特征這一原理，通過設(shè)置多個探測點，分析波形特征點到達每個測站的準確時間，從而實現(xiàn)對云地閃電的精確定位。單站的探測效率是80%～90%，有效探測平均范圍是300 km，定位精度＜500 m。閃電定位系統(tǒng)測量的參數(shù)主要提供的信息包括地閃回擊發(fā)生的時間、位置、極性、強度、陡度、定位誤差、定位方式以及地閃發(fā)生的省市縣資料。北疆閃電定位儀站點共19個，其中天山北坡9個（圖1）。

圖1 電定位儀站點分布（“■”為天山北坡站點）

將一個國家站出現(xiàn)一次小時降雨量＞10.0 mm的強降水定義為一次短時強降雨過程，一個國家站天氣現(xiàn)象觀測記錄出冰雹天氣現(xiàn)象定義為一次冰雹過程，一次過程為一個樣本個例。研究范圍選取新疆博州精河站至昌吉州木壘站的天山北坡。依據(jù)上述標準選取2013—2015年新疆汛期（4—9月）天山北坡24個國家站的小時降水和冰雹天氣現(xiàn)象等數(shù)據(jù)，以及對應區(qū)域強對流天氣發(fā)生前后的9部閃電定位儀資料，運用數(shù)理統(tǒng)計學分析方法，研究兩類強對流天氣的閃電極性及時間演變特征，閃電突增與強對流天氣爆發(fā)的關(guān)系及變化特征，結(jié)合閃電極性、閃電突增得出強對流天氣短臨預警的閾值。最終，共選出31次強對流天氣過程作為個例進行研究，其中短時強降雨過程21次、冰雹過程10次（表1）。

表1 2013—2015年天山北坡強對流天氣發(fā)生頻次 次

2 強對流天氣（冰雹、短時強降雨）的閃電極性及其時間演變特征

2.1 強對流天氣發(fā)生前后閃電的極性

2.1.1 短時強降雨前后閃電的極性

由表2看出，2013—2015年天山北坡21次短時強降雨過程前、中、后共發(fā)生閃電的頻次分別為306次、308次、93次，其中正地閃發(fā)生頻次占總地閃的比例分別為5%、10%、15%，負地閃為95%、90%、85%（以下正地閃簡稱為正閃，負地閃簡稱為負閃）。可見，短時強降雨過程前后均以負閃為主，正閃發(fā)生頻次相對較少，但正閃占總地閃頻次的比例遞增。

表2 2013—2015年短時強降雨前后閃電極性

2.1.2 冰雹前后閃電的極性

由表3看出，2013—2015年天山北坡10次冰雹過程前、中、后共發(fā)生閃電的頻次分別為50、43、52次，其中正閃在總地閃中的比例分別為30%、30%、10%，負閃為70%、70%、90%。由此可見，過程前后均以負閃為主，冰雹過程前和過程中負閃發(fā)生次數(shù)占總地閃數(shù)的比例為70%，在冰雹結(jié)束后負閃所占比例增加至90%。

在冰雹發(fā)生前與發(fā)生時總地閃頻次相對短時強降雨的總閃頻次較少，且期間正閃占總地閃比例高于短時強降雨，雖冰雹過后總閃次數(shù)相較冰雹過程中略有增加，但過程前后總體變化不大。

表3 2013—2015年冰雹前后閃電極性

2.2 不同極性閃電與兩類強對流天氣的時間演變特征

2.2.1 短時強降雨與閃電的時間演變特征

因強對流天氣持續(xù)時間短，本文取短時強降雨發(fā)生前1 h至其結(jié)束后0.5 h，作為短時強降雨前后閃電頻次演變特征的研究時間段。在短時強降雨整個研究時段內(nèi)負閃頻次總體呈減少的趨勢。短時強降雨發(fā)生前50 min至前30 min，負閃頻次由30次迅速增加至69次，隨后至短時強降雨開始前逐漸減少至33次；伴隨降雨開始負閃頻次迅速增加60次，其后逐漸減少；短時強降雨結(jié)束后30 min內(nèi)，負閃頻次雖有小幅度增加，但總體呈下降趨勢（圖2）。為方便研究，圖2~5中閃電頻次為所有個例對應閃電頻次的總數(shù)。

在短時強降雨研究時段內(nèi)正閃頻次總體呈波動性變化（圖2）。短時強降雨發(fā)生前50 min至降雨開始期間，正閃頻次先減小后增加，再減小，并達到最小值1次；降雨開始后至結(jié)束期間正閃頻次總體呈上升趨勢，在3~8次波動，并在40 min時達最大值8次；短時強降雨結(jié)束后30 min內(nèi)，正閃頻次雖有小幅度增加，但總體呈下降趨勢。

圖2 天山北坡2013—2015年短時強降雨過程地閃頻次變化

2.2.2 冰雹與閃電的時間演變特征

文中冰雹前后閃電頻次演變特征的研究時間段為冰雹爆發(fā)前1 h至結(jié)束后0.5 h，因10次冰雹過程持續(xù)時間均在10~20 min，故冰雹過程持續(xù)時間均取20 min。在冰雹過程研究時段內(nèi)負閃頻次總體呈增加的趨勢（圖3）。冰雹爆發(fā)前1 h，負閃頻次的最小值、最大值分別為0次和10次，負閃頻次雖呈先增加后減小，再增加的波動性變化，但整體呈增加態(tài)勢；伴隨冰雹爆發(fā)，負閃從8次增加至19次；冰雹結(jié)束后10 min時，負閃頻次增加至最大值24次，隨后迅速減小至7次。

在研究時段內(nèi)冰雹的正閃頻次整體呈波動性變化（圖3）。冰雹爆發(fā)前1 h，正閃頻次呈現(xiàn)先減小后迅速增加的變化態(tài)勢，并在冰雹爆發(fā)時達到最大值7次；伴隨冰雹完全爆發(fā)，正閃頻次逐漸減小；冰雹結(jié)束后正閃數(shù)迅速減少，期間雖略有上升，但總體呈下降趨勢。

圖3 天山北坡2013—2015年冰雹過程地閃頻次變化

3 閃電突增與強對流天氣爆發(fā)的關(guān)系及變化特征

通過研究閃電活動和短時強降雨的關(guān)系（圖4），得出短時強降雨發(fā)生前后出現(xiàn)2次突增現(xiàn)象，且均是負閃貢獻多（圖2）。第一次是在過程發(fā)生前50 min至降雨前30 min，總地閃頻次從35次增加到71次，突增量為36次，突增現(xiàn)象持續(xù)時間為20 min，提前量為30 min；第二次是在短時強降雨發(fā)生后10 min內(nèi)，總地閃頻次從34次增加到66次，突增量為32次，持續(xù)10 min。綜合2次突增現(xiàn)象來看，第一次突增更有指示意義，雖突增的強度不如第二次，但其突增量明顯，持續(xù)時間長，關(guān)鍵是其提前量較大，可為短臨預報預警提供更好的指導性。從圖中還得出，總地閃頻次在短時強降雨爆發(fā)前10 min內(nèi)有明顯減少現(xiàn)象，減少量為25次，這對短臨預報也有一定的指示意義。

通過研究（圖4）發(fā)現(xiàn)冰雹過程有2次突變現(xiàn)象，第一次在冰雹開始前30 min至前20 min之間，總地閃從1次增加至11次，突增量10次，持續(xù)10 min，提前量20 min；第二次在冰雹開始后20 min內(nèi)，總地閃從15次增加至25次，突增量10次，持續(xù)20 min。2次突增現(xiàn)象均為負閃貢獻多，但第一次突增有明顯提前量，對短臨預報更具指導意義。

圖4 天山北坡2013—2015年兩類強對流天氣過程地閃頻次變化

4 個例應用

4.1 短時強降雨個例

4.1.1 短時強降雨前后閃電的極性

表4 2015年6月9日21時短時強降雨過程前后閃電極性

4.1.2 短時強降雨與閃電的時間演變關(guān)系

此過程總地閃頻次隨時間總體上呈先增大后減小的變化態(tài)勢，期間有波動性變化，以負閃貢獻為主（圖5）。此過程有3次突增現(xiàn)象，第一次是在過程發(fā)生前50 min至降雨前30 min，總地閃頻次從1次增加到8次，突增量7次，總地閃突增現(xiàn)象持續(xù)20 min，提前量為30 min；第二次在過程發(fā)生前20 min~10 min，從4次增加到10次，突增量6次，持續(xù)10 min，提前量10 min；第三次是在短時強降雨開始后10 min內(nèi)，從3次增加到8次，突增量5次，持續(xù)10 min。綜合來看，第二次突增屬于個別變化，無普遍性，第三次突增無提前量，故第一次突增更具指示意義。此外，第一次突增也是以負閃貢獻多，在降雨開始前10 min內(nèi)閃電頻次從10次驟降到3次，此個例的研究結(jié)果與短時強降雨的平均結(jié)論相符。

通過統(tǒng)計分析其余20次短時強降雨個例，發(fā)現(xiàn)21次個例中13次在降雨開始前存在閃電突增現(xiàn)象（占總數(shù)62%），突增量3~8次不等，持續(xù)時間10 min或20 min，提前量在20~40 min；其余8次個例在降雨開始前無閃電突增現(xiàn)象，可能是由于強對流天氣過程前后地閃總數(shù)相對較少，故閃電頻次變化不明顯。

圖5 2015年6月9日21時短時強降雨過程地閃頻次變化

4.2 冰雹個例

4.2.1 冰雹前后閃電的極性

此次冰雹個例過程時間為2013年7月25日17時50分—18時10分，發(fā)生在沙灣縣，冰雹直徑1 cm，過程前、中、后共發(fā)生地閃的頻次分別為7次、18次、16次（表5），其中正閃發(fā)生頻次占總地閃的比例分別為29%、39%、14%，負閃為71%、61%、86%。此次冰雹過程前后以負閃居多，正閃發(fā)生頻次相對較少，但正閃比例先增大后減小，與之前結(jié)論不符。

表5 2013年7月25日17時50分冰雹過程前后閃電極性

4.2.2 冰雹與閃電的時間演變關(guān)系

通過研究（圖6）發(fā)現(xiàn)此冰雹過程有2次突增現(xiàn)象，第一次在冰雹開始前30~20 min，總地閃從0次增加至4次，持續(xù)10 min，提前量20 min；第二次在冰雹開始20 min內(nèi)，總地閃從1次增加至11次，持續(xù)10 min。兩次突增現(xiàn)象均是負閃貢獻多，與之前結(jié)論基本一致。

新媒體時代，語言資源深層結(jié)構(gòu)正在被重組，如何保持方言活力與生命力，要依靠新媒體進行深挖掘、重塑造和再傳播，注重方言文化傳播的精準性和個性化。因此，筆者提出創(chuàng)建方言傳播新范式（圖2）。

通過對其余9次冰雹個例的統(tǒng)計分析，得出10次個例中8次在冰雹開始前存在閃電突增現(xiàn)象（占總數(shù)的80%），突增量2~4次不等，持續(xù)時間10~20 min，提前量在10~40 min；其余2次個例在冰雹開始前無閃電突增現(xiàn)象，原因亦是在冰雹過程前后地閃總數(shù)太少，故閃電頻次變化不明顯。綜上研究，在強對流天氣發(fā)生前確實存在1次閃電突增現(xiàn)象，其具有普遍性，對短臨預報有指示意義。

圖6 2013年7月25日17時50分冰雹過程地閃頻次變化

4.3 2016年強對流天氣個例應用

為更進一步驗證上述結(jié)論的普適性，選取本文研究資料以外的2類強對流天氣個例進行討論分析。從2016年12次短時強降雨個例和2次冰雹個例中各隨機選取1次做重點分析。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，12次短時強降雨個例中有9次在降雨開始前20~40 min內(nèi)存在閃電突增現(xiàn)象；2次冰雹個例中有1次在冰雹開始前50~30 min有閃電突增現(xiàn)象。由于2類強對流天氣過程前后閃電極性變化的結(jié)論并不存在普遍性，以下只著重分析討論強對流與閃電的時間變化關(guān)系。

4.3.1 短時強降雨與閃電的時間演變關(guān)系

短時強降雨個例過程時間為2016年6月4日14—15時，降雨量為14.9 mm。此過程總地閃頻次隨時間總體上呈先增大后減小的變化態(tài)勢，期間有波動性變化，以負閃貢獻為主（圖7）。此過程有2次突增現(xiàn)象，第一次是在降雨發(fā)生前50~30 min，總地閃頻次從1次增加到6次，突增現(xiàn)象持續(xù)20 min，提前量為30 min；第二次在降雨發(fā)生前20~40 min，從2次增加到5次，持續(xù)20 min。

圖7 2016年6月4日15時短時強降雨過程地閃頻次變化

4.3.2 冰雹與閃電的時間演變關(guān)系

冰雹個例過程時間為2016年6月2日22時40分—23時，冰雹直徑1 cm，發(fā)生在烏蘇市。通過研究（圖8）發(fā)現(xiàn)，此冰雹過程有1次突增現(xiàn)象，發(fā)生在冰雹開始前50~30 min，總地閃從1次增加至9次，持續(xù)20 min，提前量30 min，且突增現(xiàn)象負閃貢獻多。

圖8 2016年6月2日22時40分冰雹過程地閃頻次變化

經(jīng)過上述驗證應用分析，大部分強對流天氣（短時強降雨62%，冰雹80%）發(fā)生前存在一次閃電突增現(xiàn)象，突增現(xiàn)象發(fā)生在強對流天氣開始前10~40 min不等，持續(xù)時間10~20 min，突增量在2~8次，其具有普適性，對短臨預報有指示意義。

5 強對流天氣閃電極性、閃電突增短臨預警閾值

綜合上述研究，強對流天氣前后閃電極性均以負閃為主，在強對流天氣發(fā)生前30 min左右均有閃電突增現(xiàn)象發(fā)生。在具體短臨預報預警中，可綜合閃電隨時間的極性和頻次變化，以及突增現(xiàn)象來進行判斷。若在某時刻同一地點附近出現(xiàn)1次閃電，且在20 min內(nèi)增加3次以上，可判斷未來2 h內(nèi)此地出現(xiàn)強對流天氣的可能性較大；若出現(xiàn)突增現(xiàn)象后，閃電頻次先驟減又突增，則判定未來1 h內(nèi)出現(xiàn)短時強降雨可能性極大，可發(fā)布預警。文中冰雹過程閃電頻次較短時強降雨少，可能是冰雹天氣較短時強降雨局地性更強，更難監(jiān)測的緣故。

6 結(jié)論

本文旨在研究探索閃電定位資料在新疆天山北坡短臨預警中的閾值，研究結(jié)論對天山北坡的短臨預警有一定的指示意義，但由于樣本個例較少，研究可能存在一定的誤差，今后還有待進一步研究。

（1）強對流天氣過程前后均以負閃為主，過程前、中、后正閃所占比例具有不確定性。冰雹過程前后的總閃頻次相比短時強降雨過程前后的總閃發(fā)生頻次少，冰雹過程前后的正閃比例普遍高于短時強降雨過程的。

（2）短時強降雨過程前后正、負閃分別在4次和36次內(nèi)呈波動性變化。冰雹過程前后正、負閃分別在5次和11次內(nèi)波動。短時強降雨過程隨時間負閃頻次整體呈下降態(tài)勢，其正閃和冰雹負閃頻次呈上升態(tài)勢。

（3）2類強對流天氣過程前后均有2次閃電突增現(xiàn)象，短時強降雨過程第二次突增現(xiàn)象無預報提前量，冰雹過程第二次突增屬個別變化，故2類強對流天氣過程都是第一次突增現(xiàn)象更具指導意義，此突增現(xiàn)象發(fā)生在強對流天氣開始前10~40 min不等，持續(xù)時間10～20 min，突增量在2~8次不等。

（4）若在某時刻同一地點附近出現(xiàn)1次閃電，且在20 min內(nèi)增加至3次以上，可判斷未來2 h內(nèi)此地出現(xiàn)強對流天氣的可能性較大；若出現(xiàn)突增現(xiàn)象后，閃電頻次先驟減后又突增，則可判定未來1 h內(nèi)出現(xiàn)短時強降雨可能性極大。閃電定位資料對于短臨預警一定的指示性，但不可孤立使用來判斷強對流天氣，在日常短臨預報預警中，應盡量結(jié)合其他短臨監(jiān)測資料來綜合判斷強對流天氣。