徐迎港 陳新甫 楊波 韋一

(1 國防科技大學 氣象海洋學院，南京 211101;2 解放軍95877部隊,甘肅 酒泉 735108; 3 解放軍93117部隊，南京 210018;4 成都錦江電子系統(tǒng)工程有限公司，成都 610000)

引 言

提高監(jiān)測和預報雷暴天氣的準確率和時效性一直是雷暴研究重難點問題。通過研究雷暴事發(fā)地的雷達回波和閃電活動之間的關系，從中提取雷暴回波關鍵特征，可為雷暴預報預警提供理論依據(jù)，進而滿足雷暴預警預報氣象服務日益增加的需求。為此，國內(nèi)外學者開展了大量的相關研究。李南等[1]對在安徽發(fā)生的3次雷暴進行了相關分析，結合雷達RHI(Range Height Indication)掃描，發(fā)現(xiàn)地閃頻數(shù)與反射率因子回波頂高有較好的相關性；王飛等[2]認為反射率因子強度為40 dBZ的回波高度達到-10℃高度層是閃電發(fā)生的一個重要雷達回波特征。楊超等[3]認為在某一時段的平均地閃強度越大，其地閃頻數(shù)越小。張一平等[4]認為，雷暴中暴雨對應的負閃密集區(qū)和冰雹對應的正閃密集區(qū)都與反射率因子強度大于40 dBZ的強回波區(qū)域有很好的對應關系；何文等[5]認為，雷達回波和雷電強度關系密切，回波類型以帶狀和塊狀為主，雷電強度和雷達回波強度有很好的對應關系，但產(chǎn)生強雷電的回波強度要大于50 dBZ；王洪生等[6]認為，冰雹、閃電、強降水分別發(fā)生在雷暴發(fā)展的不同時間和不同部位，其回波高度及回波強度也各不相同；Laksen, et al[7]在對加拿大蒙特利爾地區(qū)夏季雷暴進行預報研究時，提出將-17℃高度層上的雷達反射率因子值達到38 dBZ作為最佳預報因子，其探測概率(Probability of Detection，POD)達到了100%。Dye, et al[8]提出將-10℃高度層的反射率因子值達到40 dBZ作為美國新墨西哥中部地區(qū)夏季雷暴的最佳臨近預報因子，其預報效果滿足預期要求。Buechler, et al[9]在對美國佛羅里達地區(qū)、亞拉巴馬地區(qū)以及新墨西哥地區(qū)的夏季雷暴進行臨近預報研究時，提出將-10℃高度層的反射率因子值達到40 dBZ，并且回波頂高超過9 km作為首次出現(xiàn)閃電的最佳預報因子，其POD達到100%，虛報率(False Alarm Rate，F(xiàn)AR)為7%，臨界成功指數(shù)(Critical Success Index，CSI)為93%，預報時間為4～33 min。Michimoto, et al[10-11]在對日本北陸地區(qū)的雷暴進行預報研究時，提出將-20℃高度層的反射率因子值達到30 dBZ作為預報的特征，其預報時間為5 min，預報結果與實際情況相差不大。Hondl, et al[12]利用多普勒雷達資料以及雷電監(jiān)測資料，分析了美國佛羅里達地區(qū)的雷暴過程中的雷達回波演變特征，提出將0℃高度層上的反射率因子值達到40 dBZ作為預報因子，其預報時間為5～45 min，預報時間中值為15 min，POD達到100%。Gremillion,et al[13]結合WSR-88D雷達資料以及閃電定位數(shù)據(jù)，研究了經(jīng)過美國肯尼迪航天中心上空的39個夏季雷暴過程，提出將-10℃高度層上的連續(xù)兩個體掃反射率因子值都能達到大于40 dBZ，同時回波頂高超過9.5 km作為最佳預報因子，其POD為84%，F(xiàn)AR為7%，CSI為79%，平均預報時間為7.5 min。Martinez[14]在美國氣象局(NWS)和海洋與大氣管理局(NOAA)聯(lián)合開展的強雷暴起電和降水研究(STEPS)項目的研究過程中，對12個雷暴過程和2個非雷暴過程的反射率因子值與地閃頻數(shù)的關系進行了研究，發(fā)現(xiàn)只有當反射率因子值超過40 dBZ的回波對應的高度大于7 km才會發(fā)生閃電。Vincent，et al[15]結合WSR-88D雷達資料以及閃電定位資料對美國北卡羅來納州中部地區(qū)的50個雷暴過程進行了研究，提出將-10℃高度層對應的反射率因子值達到40 dBZ作為最佳預報因子，其POD為100%，F(xiàn)AR為37%，CSI為63%，平均預報時間為14.7 min。

綜上，雷暴特征大都是反射率因子與某溫度層高度的關系，但該特征的地域性較強，不同地區(qū)的特征各不相同，且雷暴其他特征的研究較少，針對上述問題，本文利用雷達回波資料，結合閃電定位資料，進一步研究江蘇省雷暴回波特征。

1 資料與方法

利用S波段雙偏振多普勒天氣雷達結合閃電定位數(shù)據(jù)研究分析江蘇省2014年7—8月的33次雷暴過程，包括單體雷暴、多單體雷暴和混合型雷暴。

觀測使用的S波段雙偏振多普勒天氣雷達為成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司研制的國內(nèi)第一部雙發(fā)雙收S波段雙偏振多普勒天氣雷達，其監(jiān)測半徑為500 km，定量測量距離250 km，能夠提供反射率因子ZH、多普勒速度V、速度譜寬W、差分反射率因子ZDR、雙程差分傳播相位變量ΦDP、差分傳播相位常數(shù)KDP、相關系數(shù)ρhv等參量。

為保證數(shù)據(jù)的有效性，利用雷達回波資料和閃電定位數(shù)據(jù)，對江蘇省2014年7—8月的雷暴進行了篩選，完成了雷暴和非雷暴降水回波的區(qū)分；為研究雷暴內(nèi)部結構，采用了雷達體掃數(shù)據(jù)并對其進行VCS垂直剖面處理；為分析雷暴過程中降水粒子的演變，利用基于雙偏振參數(shù)的模糊邏輯算法對雷暴內(nèi)部粒子進行識別，將粒子分為毛毛雨、大雨、冰晶、干霰、濕霰等11類。

2 雷暴發(fā)展過程反射率因子核心的演變特征研究

回波強度不小于20 dBZ的回波被稱為基本降水回波，回波強度不小于40 dBZ的回波被稱為強回波[16]，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，雷達PPI中雷暴反射率因子強回波中心的方位與閃電的定位坐標有著很好的一致性[17]，而雷暴產(chǎn)生在對流強烈的積雨云中[18]，與層狀云降水相比，對流云降水的垂直尺度要大得多，因此本文主要對雷達PPI中的強回波中心做垂直剖面分析，得到雷暴發(fā)展過程反射率因子核心的演變特征。

以2014年8月6日江蘇地區(qū)一次雷暴過程為例，根據(jù)江蘇省閃電定位數(shù)據(jù)，對該區(qū)域雷暴在演變過程的地閃頻數(shù)隨時間的變化進行統(tǒng)計，結果如圖1所示。

圖1 2014年8月6日江蘇省地區(qū)某雷暴地閃頻數(shù)Fig.1 Evolution statistics of lightning strokes over time in a thunderstorm area of Jiangsu on August 6， 2014

從圖1中可以看出，在13∶48—13∶56(北京時，下同)時段，還未有閃電產(chǎn)生，從13∶56時刻開始，該雷暴單體影響區(qū)域內(nèi)首次有閃電記錄，并且地閃頻數(shù)不斷增加，在14∶04，地閃頻數(shù)突然大幅度增加，達到小峰值，14∶12—14∶34地閃頻數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，在14∶34，地閃頻數(shù)迅速增加，達到整個階段的峰值，14∶42后地閃頻數(shù)下降幅度明顯增大，直至15∶05地閃頻數(shù)降至為0次。其中14∶04—14∶50閃電頻發(fā)階段，其每隔8 min的地閃頻數(shù)平均在40次以上，整體來看，該雷暴的地閃頻數(shù)隨時間先增加后減少，再增加最后減少到0次，中間經(jīng)歷了兩次峰值，分別在14∶04和14∶34。

圖2表示雷暴單體對應的反射率因子隨時間(13∶48、 13∶56、14∶04、14∶12、14∶20、14∶26和14∶34)演變的0.5°仰角PPI結果，同時分別對以上時刻的雷暴單體的反射率因子最強核心區(qū)域進行VCS垂直剖面，如圖3所示。

圖2 雷暴單體反射率因子隨時間演變的PPI結果:(a)13∶48; (b)13∶56; (c)14∶04; (d)14∶12; (e)14∶20; (f)14∶26; (g)14∶34Fig.2 The PPI results of time evolution of reflectance factor of thunderstorm monomer:(a)13∶48 BST; (b)13∶56 BST; (c)14∶04 BST; (d)14∶12 BST; (e)14∶20 BST; (f)14∶26 BST; (g)14∶34 BST

通過分析圖1、圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，在13∶48—13∶56，雷達0.5°仰角PPI上，出現(xiàn)了一個長13 km、寬3 km的帶狀強回波，將其稱為1號單體，其最大中心強度在40～45 dBZ之間，經(jīng)VCS垂直剖面分析，該單體的強反射率因子中心高度為4 km、大小為45～50 dBZ，云頂高度為9 km，此時還沒有閃電產(chǎn)生；13∶56—14∶04，雷達0.5°仰角PPI上該單體的回波變成團塊狀，最大反射率因子強度仍是40～45 dBZ之間，該單體的橫向縱向的尺度都有明顯增大，云頂高度達到12 km，強反射率因子中心高度增加到5 km，強度核心增加為50～55 dBZ，對應時刻出現(xiàn)閃電首次記錄，閃電定位數(shù)據(jù)顯示在此時間段共發(fā)生了2次負地閃；14∶04—14∶12雷達0.5°仰角PPI上該雷暴的回波面積增大，但強反射率因子回波面積變小，通過分析其VCS垂直剖面，發(fā)現(xiàn)是因為強反射率因子中心高度增加，才使得雷達0.5°仰角PPI上該雷暴的強反射率因子回波面積變小，云頂高度增加到了16 km以上，強反射率因子中心高度增加到了最大值7 km，強度核心為50～55 dBZ，且剖面面積達到最大值，對流發(fā)展極為旺盛，此時的閃電頻數(shù)也達到了最大值，總共發(fā)生了85次閃電，其中84次為負地閃，1次正地閃；14∶12—14∶20雷達0.5°仰角PPI上該雷暴的回波面積增大，強反射率因子回波面積增大，呈團塊狀，經(jīng)VCS垂直剖面分析，云頂高度仍大于16 km，強度核心為50～55 dBZ，但強反射率因子中心高度降低到5 km，強度核心剖面面積大幅度減小，在此時間段的閃電頻數(shù)減少到43次，其中42次負地閃，1次正地閃，說明該雷暴正在減弱；在14∶20—14∶26時段，雷達0.5°仰角PPI上該雷暴的回波面積和強反射率因子回波面積都增大，分析它的VCS垂直剖面發(fā)現(xiàn)，云頂高度大于16 km，強度核心為50～55 dBZ，強反射率因子中心高度繼續(xù)降低到4 km，對流強度大幅度減小，強度重心幾乎轉(zhuǎn)移到了雷暴底部，在此時間段的閃電頻數(shù)減少到35次，其中32次負地閃，3次正地閃；14∶26—14∶34雷達0.5°仰角PPI上該雷暴的回波面積和強反射率因子回波面積都增大，且在其西北方向約7 km處出現(xiàn)小型強回波區(qū)域，將該強回波區(qū)域稱為2號單體，通過分析1號雷暴和2號單體的VCS垂直剖面，發(fā)現(xiàn)2號單體已經(jīng)和雷暴在4～9 km高度處結合，雷暴的云頂高度降到了14 km，單體的云頂高度為10 km，雷暴的強反射率因子中心高度為4 km，強度為50～55 dBZ，單體的強反射率因子中心高度為7 km，強度為45～50 dBZ，在此時間段內(nèi)，共發(fā)生了閃電73次，其中由1號雷暴產(chǎn)生的閃電數(shù)為31次，由2號單體產(chǎn)生的閃電數(shù)為42次；14∶34—14∶42雷達0.5°仰角PPI上顯示1號雷暴與2號雷暴已經(jīng)結合到一起，使得回波面積和強反射率因子回波面積較大幅度增加，分析其VCS垂直剖面可得，此時雷暴的對流重新變得旺盛起來，云頂高度增加到了16 km以上，強反射率因子中心高度為6 km，強度核心為50～55 dBZ，強度核心剖面積大幅度增加，閃電發(fā)生次數(shù)激增至94次，其中負地閃93次，正地閃1次。

可以看出，在雷暴成熟之前，隨著對流單體不斷發(fā)展，雷暴的反射率因子核心的強度不斷增強、強反射率因子核心對應高度不斷增加、云頂高度不斷增加以及對流發(fā)展不斷旺盛，云內(nèi)大粒子在較強上升氣流推動下伸展高度不斷增大，雷暴云內(nèi)可能已有一定量的冰晶、霰以及過冷水滴等混合粒子存在并有增長趨勢，同時回波區(qū)域可能已有一定強度降雨產(chǎn)生，且以純雨滴為主，并且強度越來越大，當雷暴成熟之后，雷暴的強反射率因子核心的強度和對應高度就會不斷降低，強烈的降水過程帶走了云內(nèi)大量的水汽，因此當沒有外來單體干擾的情況下，雷暴將趨于消散，而本次分析的雷暴過程中由于受到外來單體的介入，又生成了新的雷暴。

3 不同溫度層反射率因子與地閃頻數(shù)隨時間的相關性研究

為進一步定量分析雷暴單體演變過程中的反射率因子與地閃頻數(shù)隨時間的相關性，根據(jù)雷暴云非感應起電機制，雷暴云中的電荷產(chǎn)生與分離主要集中于-10～-20℃高度層之間，過冷水滴、霰(軟雹)以及冰晶等不同相態(tài)的水成物粒子主要存在于0～-20℃高度層區(qū)域，而這些粒子是促發(fā)閃電的重要因素，為此選取具有指示意義的0、-5、-10、-15℃高度層分別對應的反射率因子的最大值指標，研究其與地閃頻數(shù)隨時間的演變過程。

圖4(a—d)分別表示0、-5、-10、-15℃高度層對應的反射率因子的最大值與地閃頻數(shù)隨時間的演變結果。雷暴單體從開始生成到完全消散，共持續(xù)約2 h，13∶48雷暴單體開始形成并不斷發(fā)展，13∶56首次出現(xiàn)地閃，隨著雷暴單體繼續(xù)發(fā)展至成熟階段，地閃頻數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢，并于14∶04達到小峰值，其后隨著雷暴單體的減弱，地閃頻數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，直到14∶26—14∶34，有新的單體介入，致使雷暴的強度在14∶34達到頂峰，地閃頻數(shù)達到最高，之后再沒有新的單體的介入，雷暴單體隨時間減弱，直至消亡，地閃頻數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，15∶05地閃頻數(shù)降至為0次。

圖3 雷暴單體反射率因子中心垂直剖面隨時間演變的結果:(a)13∶48; (b)13∶56; (c)14∶04; (d)14∶12; (e)14∶20; (f)14∶26; (g)14∶34Fig.3 The results of the time evolution of the central vertical profile of the thunderstorm reflectance factor:(a)13∶48 BST; (b)13∶56 BST; (c)14∶04 BST; (d)14∶12 BST; (e)14∶20 BST; (f)14∶26 BST; (g)14∶34 BST

圖4 各溫度層對應的反射率因子最大值(單位：dBZ)與地閃頻數(shù)隨時間的演變：(a)0℃；(b)-5℃；(c)-10℃；(d)-15℃Fig.4 Evolution of reflectivity factor maximum(unit:dBZ) and ground flash frequency number with time in each temperature layer：(a)0℃；(b)-5℃；(c)-10℃；(d)-15℃

由圖4可見，0、-5、-10、-15℃高度層對應的反射率因子最大值隨時間演變趨勢與地閃頻數(shù)的變化基本一致。13∶48—14∶04，雷暴單體處于生成與發(fā)展階段，0、-5℃高度層對應的反射率因子值增加較慢，而-10、-15℃高度層對應的反射率因子最大值增加非常迅速，分別增加了15 dB和20 dB；13∶56首次出現(xiàn)地閃，0℃高度層對應的反射率因子最大值為55 dBZ，-5℃高度層對應的反射率因子最大值為50 dBZ，-10℃高度層對應的反射率因子最大值為40 dBZ，-15℃高度層對應的反射率因子最大值為35 dBZ；在14∶12—14∶20時段，雷暴單體繼續(xù)發(fā)展至成熟階段，由于反射率因子核心區(qū)域的升高，導致0℃高度層對應的反射率因子最大值下降到50 dBZ，而-5、-10、-15℃高度層對應的反射率因子值則繼續(xù)增大，其中-5℃高度層對應的反射率因子增長幅度有所減緩，基本保持在50～55 dBZ之間，但-10、-15℃高度層對應的反射率因子增長迅速，從40 dBZ、35 dBZ增加到55 dBZ，此時地閃頻數(shù)從2次/(8 min)增加到85次/(8 min)，達到小峰值；14∶12—14∶34時段，0℃高度層對應的反射率因子值基本保持在50～55 dBZ之間，而-5、-10、-15℃高度層對應的反射率因子值則逐漸減小，從55 dBZ減小至40 dBZ，與此對應，地閃頻數(shù)也從85次/(8 min)減小到31次/(8 min)；在14∶34—14∶42各溫度層的反射率因子都增加，其中0℃和-5℃高度層對應的反射率因子值增加幅度較小，而-10、-15℃高度層對應的反射率因子值增長幅度很大，分別從45 dBZ和40 dBZ增加到55 dBZ，與此同時，閃電頻數(shù)激增至94次/(8 min)，達到該雷暴整個發(fā)展階段閃電頻數(shù)的最高值；14∶42之后，整體溫度層上的反射率因子值逐漸下降，閃電頻數(shù)也是迅速減少，到15∶05閃電頻數(shù)減少到0次，0℃高度層對應的反射率 因子值降幅并不是很明顯，23 min內(nèi)反射率因子值降至45 dBZ，-15℃高度層對應的反射率因子值下降幅度最大，23 min內(nèi)反射率因子降至35 dBZ，此時雷暴單體已進入消亡階段，對流減弱直至消失，地閃頻數(shù)迅速減小，15∶05閃電活動結束，0、-5、-10、-15℃高度層對應的最大反射率因子值分別降至45、45、40、35 dBZ。

經(jīng)過對篩選出的33個雷暴單體進行如上分析，統(tǒng)計各雷暴從首次閃電發(fā)生到閃電消失各溫度層的最大回波強度的比例，結果如表1—3所示。

表1 33個雷暴閃電初生時刻各溫度層不同回波強度的比例Table 1 Proportion of different echo intensities in different temperature layers at the initial time of 33 thunderstorms and lightning flashes 單位：%

表2 236個雷暴發(fā)展階段各溫度層不同回波強度的比例Table 2 Ratio of different echo intensities in different temperature layers in 236 thunderstorms development stages 單位：%

表3 25個雷暴閃電消失時刻各溫度層不同回波強度的比例Table 3 Proportion of different echo intensities in different temperature layers at the disappearance time of 25 thunderstorm 單位：%

由于雷暴的篩選工作都是通過雷達回波資料結合閃電定位資料來完成的，因此篩選出來的雷暴單體都是在有閃電活動的條件下分析的，且由于在雷暴發(fā)展階段個別雷暴超出雷達探測范圍，所以雷暴閃電消失時刻的雷暴數(shù)量有所降低。

由表1可見，在雷暴閃電初生時刻，0℃高度層的反射率因子強度大于40 dBZ，且回波大部分為40～50 dBZ，50～55 dBZ的比例很小；相比較而言，-5℃高度層出現(xiàn)反射率因子為40～50 dBZ的比例大幅度減小，而0～40 dBZ強度的回波由零增加到總數(shù)的一半以上；-10℃高度層的反射率因子變得更低，大部分變?yōu)?～35 dBZ，40～45 dBZ的回波僅占十分之一，沒有45～55 dBZ的回波；-15℃高度層的反射率因子完全是40 dBZ以下，0～30 dBZ的回波幾乎占一半。

由表2可見，在雷暴閃電活動頻繁的時段，0℃高度層的反射率因子強度都大于40 dBZ，回波大部分為45～55 dBZ，且出現(xiàn)了小部分的55～60 dBZ；-5℃高度層的反射率因子有所降低，回波大部分降為40～50 dBZ，55～60 dBZ的強回波幾乎沒有，而且出現(xiàn)低于40 dBZ的回波；強度以35～50 dBZ為主，強回波比例減小，弱回波比例增加；-15℃高度層的反射率因子大部分為35～45 dBZ，強回波比例繼續(xù)減小，弱回波比例繼續(xù)增加。

由表3可見，在雷暴閃電消失時刻，0℃高度層的反射率因子強度都大于40 dBZ，回波大部分為40～50 dBZ，該特征與雷暴閃電初生時刻相似，但在-5℃高度層35～45 dBZ回波所占的比例相對較高；-10℃高度層未出現(xiàn)45 dBZ以上的回波，40～45 dBZ的回波僅占20%；-15℃高度層強回波完全消失。

根據(jù)以上分析，結合閃電定位數(shù)據(jù)，認為0℃高度層上出現(xiàn)40 dBZ及以上強度回波是雷暴能夠發(fā)生閃電的主要特征；在雷暴初生或消散時，反射率因子強度隨高度不斷降低；而在雷暴成熟階段，反射率因子強度隨高度先增加后減小。

4 雷暴發(fā)展過程云內(nèi)粒子的演變特征研究

單偏振天氣雷達的探測數(shù)據(jù)通常只有強度、速度、譜寬，盡管在研究雷暴的過程起到了重要作用，但由于其能夠提供的參數(shù)有限，雷暴預報的準確率僅能達到約80%，新體制的雙偏振多普勒天氣雷達除了提供雷達基本參數(shù)之外，還能提供差分反射率因子ZDR、雙程差分傳播相位變量ФDP、差分傳播相位常數(shù)KDP、相關系數(shù)ρhv等雙偏振參量。在實際的應用中，可以結合多個雙偏振參量，通過模糊邏輯算法來識別回波中氣象目標的粒子類型，這對研究雷暴內(nèi)粒子類型、相態(tài)的空間分布以及雷暴隨時間的發(fā)展演變有著重要作用。

利用LLX10B型S波段雙偏振多普勒天氣雷達回波資料結合模糊邏輯算法[19]對2014年7—8月江蘇地區(qū)夏季雷暴過程中的云內(nèi)水成物粒子進行了識別，研究了雷暴發(fā)展過程云內(nèi)粒子的演變特征。以2014年8月6日一次強雷暴天氣過程中的雷暴單體為例進行分析說明。

為了更加準確地觀測雷暴單體的垂直結構，在14∶26，對某一雷暴單體所在區(qū)域進行VCS跟蹤掃描，并對掃描區(qū)域進行了粒子識別，如圖5所示。

根據(jù)江蘇省閃電定位數(shù)據(jù)，統(tǒng)計該區(qū)域雷暴在演變過程的地閃頻數(shù)隨時間的變化，結果如圖6所示。

從圖中可以看出，14∶26—14∶34還未有閃電產(chǎn)生，從14∶34時刻開始，該雷暴單體影響區(qū)域內(nèi)首次有閃電記錄，并且地閃頻數(shù)不斷增加，14∶42—14∶50地閃頻數(shù)短時間內(nèi)大幅度增加，由5次/(8 min)增加到42次/(8 min)，14∶50—14∶57地閃頻數(shù)繼續(xù)增加，達到整個雷暴過程的峰值79次/(8 min)，14∶57—15∶05地閃頻數(shù)開始減小，但減小幅度較小，減小到58次/(8 min)，15∶05—15∶13地閃頻數(shù)下降幅度明顯增大，由58次/(8 min)降至24次/(8 min)，直至15∶13地閃頻數(shù)降至為0。其中14∶42—15∶05為閃電頻發(fā)階段，其每隔8 min的地閃頻數(shù)平均在50次以上，整體來看，該雷暴的地閃頻數(shù)隨時間先增加后減少，最后減少到0，并在14∶50經(jīng)歷了一次峰值。

圖5 2014年8月6日某雷暴單體反射率因子和水成物粒子識別結果隨時間演變的VCS垂直剖面示意圖：(a、g)14∶26; (b、h)14∶34; (c、i)14∶42; (d、j)14∶50; (e、k)14∶58; (f、l)15∶06Fig.5 The VCS vertical profile of a thunderstorm reflectivity factor and particle recognition results over time on August 6， 2014:(a,g)14∶26 BST; (b,h)14∶34 BST; (c,i)14∶42 BST; (d,j)14∶50 BST; (e,k)14∶58 BST; (f、l)15∶06 BST

通過分析圖4結合圖5可以發(fā)現(xiàn)，在14∶26—14∶34時段，此時雷暴處于初生階段，云頂高度為9 km，沒有大于40 dBZ的強回波區(qū)域，絕大部分區(qū)域小于35 dBZ，與之對應的粒子類型識別結果，0℃高度層以上為干雪，0℃高度層以下為濕雪，此時無閃電活動；14∶34—14∶42出現(xiàn)較大面積的強度大于40 dBZ的強回波區(qū)域，云頂高度為9 km，強度核心為45～50 dBZ，與之對應的粒子類型識別結果，在強度大于40 dBZ的強回波區(qū)域內(nèi)的大部分粒子為濕霰，云底有小到中雨，這時段閃電首次出現(xiàn)記錄，閃電定位數(shù)據(jù)顯示在此時間段內(nèi)該區(qū)域共發(fā)生了5次負地閃；14∶42—14∶50云頂高度達到12 km，強度大于40 dBZ的強回波區(qū)域繼續(xù)增大，高度達到10 km，分析強回波區(qū)域的粒子類型，最高處的粒子是干霰，下面為濕霰，此時的濕霰大多在0℃高度層以上，0℃高度層以下為大雨，此時段的地閃頻數(shù)增加到42次/(8 min)；14∶50—14∶57云頂高度為16 km，反射率因子強度中心增加到50～55 dBZ，強回波高度達到13 km，分析強回波區(qū)域的粒子類型，其中干霰在最高處，面積占強回波面積二分之一左右，濕霰大多在0℃高度層以上，0℃高度層以下為大雨，值得一提的是，在回波強度為50～55 dBZ的區(qū)域，絕大部分粒子為雨夾雹，此時段的地閃頻數(shù)達到最大為79次/(8 min)；14∶57—15∶05云頂高度為16 km，強回波區(qū)域的高度降低至9 km，而強度為50～55 dBZ的區(qū)域面積增大，分析強回波區(qū)域的粒子類型，雨夾雹仍在回波強度為50～55 dBZ的區(qū)域，干霰面積減少，濕霰在雨夾雹周圍，下層依然為大雨，此時段的地閃頻數(shù)開始降低，降為58次/(8 min)；15∶05—15∶13云頂高度為14 km，強度為50～55 dBZ的區(qū)域消失，強回波區(qū)域的面積減小，高度降低至7 km，分析強回波區(qū)域的粒子類型，干霰和雨夾雹基本消失，濕霰和大雨各占強回波面積的二分之一，濕霰在上方，大雨在下方，此時段的地閃頻數(shù)降低到24次/(8 min)；15∶13—15∶21，云頂高度為9 km，強回波區(qū)域大幅度縮小，其中的主要粒子是濕霰粒子，此時段的0℃高度層以上為干雪，0℃高度層以下為小到中雨，地閃頻數(shù)也降為0次。

為便于觀察和分析，對以上雷暴發(fā)展過程的各項關鍵數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，如表4所示。

表4 單體雷暴發(fā)展過程分析(以2014年8月6日典型雷暴為例)Table 4 Analysis of development process of monomer thunderstorms (a case study of typical thunderstorms on August 6, 2014)

圖6 2014年8月6日南京地區(qū)某雷暴地閃頻數(shù)隨時間的演變統(tǒng)計Fig.6 Evolution statistics of the flash number of a thunderstorm over time in Nanjing area on August 6， 2014

對2014年7—8月江蘇地區(qū)夏季雷暴過程中的云內(nèi)水成物粒子進行了統(tǒng)計分析，得出不同強度反射率因子回波中的粒子類型，如表5所示。由雷暴的非感應起電機制可知，0℃高度層以上水成物粒子之間的相互作用，是雷暴產(chǎn)生閃電的主要原因。將以上兩個研究結果進行結合分析，發(fā)現(xiàn)雷暴首次出現(xiàn)閃電活動時或者閃電活動消失之前，最強的反射率因子強度都是40 dBZ以上，而其中的主要粒子包括干霰、濕霰和雨夾雹。從出現(xiàn)閃電到閃電消失，濕霰粒子自始至終都存在，干霰通常出現(xiàn)在雷暴發(fā)展和成熟階段，而雨夾雹僅出現(xiàn)在雷暴成熟階段。由此可見，雷暴中閃電的產(chǎn)生和霰粒子有著密切的聯(lián)系，尤其是濕霰粒子。當雷暴成熟階段空氣對流最強烈的時候，干霰粒子通常含量很大，而當雷暴開始衰退時，干霰粒子又會減少，干霰粒子總是出現(xiàn)在濕霰粒子上空，由此可以猜想，干霰粒子是由濕霰粒子隨對流空氣上升到達高空形成，干、濕霰粒子能夠相互轉(zhuǎn)化。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，干、濕霰粒子都存在的區(qū)域和只有濕霰粒子的區(qū)域相比，前者的閃電頻數(shù)更高。

表5 不同強度反射率因子回波中的粒子類型Table 5 Particle types in different intensity reflectivity factor echoes

5 結論

本文利用S波段雙偏振多普勒天氣雷達回波數(shù)據(jù)結合閃電定位資料對雷暴特征進行了研究，選取了2014年7—8月江蘇地區(qū)的33個夏季雷暴過程作為研究對象，統(tǒng)計分析了江蘇省地區(qū)夏季雷暴生消過程中反射率因子的時空演變特征，研究了不同溫度層反射率因子與地閃頻數(shù)隨時間的相關性，并分析了雷暴發(fā)展過程中的水成物粒子的演變特征，主要結論如下：(1) 在雷暴成熟之前，雷暴的反射率因子核心區(qū)域的強度、高度和云頂高度不斷增加，以及對流發(fā)展不斷旺盛，當雷暴成熟之后，雷暴的強反射率因子核心的強度和對應高度就會不斷降低，雷暴將趨于消散。(2) 結合LLX10B雷達回波資料和閃電定位資料，對雷暴3個階段的特征高度層(0、-5、-10、-15℃)對應的反射率因子最大值的變化特征進行了統(tǒng)計，得出0℃高度層上出現(xiàn)40 dBZ及以上強度回波是雷暴能夠發(fā)生閃電的主要特征。(3) 雷暴中閃電的產(chǎn)生和霰粒子有著密切的聯(lián)系，尤其是濕霰粒子，干、濕霰粒子都存在的區(qū)域和只有濕霰粒子的區(qū)域相比，前者的閃電頻數(shù)更高。

致謝：感謝江蘇省防雷中心為本文研究提供閃電定位數(shù)據(jù)。