李 丹，林 文，應(yīng) 達(dá)，寧雪斌，楊 超，朱 彪，全虹源

(1.福建省氣象科學(xué)研究所，福州 350001；2.海峽氣象開放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361012；3.福建省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，福州 350001;4.河南省氣象學(xué)會(huì)，鄭州 450003)

引 言

福建地區(qū)春季強(qiáng)對(duì)流天氣高發(fā)，尤其冰雹，其來勢(shì)兇猛,強(qiáng)度大，常伴隨雷電、狂風(fēng)、暴雨，極易給局部地區(qū)農(nóng)作物生長、建筑設(shè)備帶來嚴(yán)重災(zāi)害，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，亟須進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)降雹與非降雹等不同強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)特征的了解，為冰雹云識(shí)別及人工防雹作業(yè)條件預(yù)警等防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。

閃電活動(dòng)是強(qiáng)對(duì)流云系生消過程中重要的物理現(xiàn)象，與云內(nèi)的動(dòng)力和微物理過程緊密相關(guān)。國內(nèi)外大量研究表明，在不同地區(qū)、不同類型和不同強(qiáng)度的天氣過程中，動(dòng)力和熱力條件存在較大的差異性，其云內(nèi)起電、放電的物理過程也有所不同，因此伴隨產(chǎn)生的閃電活動(dòng)也各有特點(diǎn)[1-6]。張義軍等[7]對(duì)不同降水云系個(gè)例對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，閃電頻數(shù)與云頂伸展高度具有較好的正相關(guān)性，層狀云中閃電活動(dòng)與降水關(guān)系并不密切。有研究表明，閃電多出現(xiàn)在30 dBZ回波頂高超過-10 ℃層的時(shí)間段內(nèi)[8]，-10 ℃層至-40 ℃層間上升氣流體積和冰晶質(zhì)量的增加會(huì)導(dǎo)致云中起電增強(qiáng)[9]。對(duì)于雹暴，其中的地閃在空間位置上多對(duì)應(yīng)弱的垂直速度區(qū)域，這些區(qū)域的0 ℃層垂直速度為-2-2 m/s，-20 ℃層垂直速度為-10-10 m/s[10]。鄭棟等[11]對(duì)一次雹暴的閃電特征和電荷結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雹暴過程中閃電活動(dòng)的峰值超前降雹5 min左右，整體正地閃比例較正常值偏高，且降雹前的正地閃比例高于降雹后的比例。對(duì)流過程中，上升速度影響著雷暴的水汽輸送，云內(nèi)液態(tài)含水量決定了翻轉(zhuǎn)溫度(一般為-10--15 ℃)對(duì)應(yīng)高度以上區(qū)域的霰的帶電極性，從而影響雷暴電荷結(jié)構(gòu)。冰雹云或龍卷快速發(fā)展階段，地閃頻次會(huì)出現(xiàn)突增現(xiàn)象，明顯高于初始階段的頻次，云系減弱消散階段，地閃頻數(shù)隨之顯著減少[12-14]。通過對(duì)110個(gè)災(zāi)害性天氣個(gè)例進(jìn)行研究，Gatlin等[15]發(fā)現(xiàn)90%的災(zāi)害性天氣過程中提前約27 min出現(xiàn)閃電躍增信號(hào)。根據(jù)Schultz等[16]對(duì)不同閃電躍增信號(hào)算法的對(duì)比分析結(jié)果，Yao等[17]選用2σ方法，進(jìn)一步分析了北京-天津-河北地區(qū)雹暴的閃電躍增特征，指出閃電活動(dòng)的躍增現(xiàn)象可以作為冰雹災(zāi)害發(fā)生的有效預(yù)警指標(biāo)。其中，總閃和地閃活動(dòng)的躍增信號(hào)相對(duì)冰雹事件平均提前量分別為32.2 min和25.4 min;當(dāng)正地閃比例較高時(shí)，冰雹直徑較大且降雹過程持續(xù)較長，反之，當(dāng)負(fù)地閃比例相對(duì)較高時(shí)，冰雹過程較弱?？梢?，閃電活動(dòng)特征對(duì)冰雹等災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生具有一定的指示意義。目前雷電信息已作為對(duì)流性天氣研究及臨近預(yù)報(bào)的新手段受到重視，與雷達(dá)、探空和自動(dòng)站等觀測(cè)資料相比，閃電資料在探測(cè)范圍和時(shí)效性上有突出優(yōu)勢(shì)，時(shí)間分辨率高，數(shù)據(jù)傳輸延遲短，受地形影響小(不存在觀測(cè)盲區(qū))。

雖然目前已存在大量關(guān)于強(qiáng)對(duì)流天氣過程中閃電活動(dòng)特征的研究，考慮到福建沿海地區(qū)的地域特點(diǎn)和氣候差異，且本地主要災(zāi)害性天氣，比如冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等過程中的閃電活動(dòng)特征研究仍相對(duì)缺乏，本文基于福建省VLF/LF三維閃電定位資料，結(jié)合新一代天氣雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)、自動(dòng)站等資料，對(duì)3次不同強(qiáng)對(duì)流天氣過程的閃電活動(dòng)特征進(jìn)行對(duì)比研究，為福建地區(qū)災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)、人工防雹作業(yè)條件識(shí)別及數(shù)值模擬云內(nèi)起電、放電參數(shù)化方案提供參考。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

1.1 雷達(dá)資料

福建省新一代天氣雷達(dá)(CINRAD/SA)已實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)觀測(cè)(圖1)。新一代天氣雷達(dá)探測(cè)能力強(qiáng)，接收機(jī)靈敏度高，覆蓋范圍廣，可以對(duì)全省降水過程進(jìn)行有效探測(cè)。在VCP21的模式下，每6 min完成一次體掃，徑向空間分辨率為1 km。文中利用Marching Cubes改進(jìn)算法[18]，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間格點(diǎn)化處理，結(jié)合探空資料進(jìn)行溫度層結(jié)高度分析，進(jìn)而計(jì)算得到各雷達(dá)回波在不同高度層間的體積，單位為km3。

圖1 福建省VLF/LF三維閃電定位監(jiān)測(cè)站、新一代天氣雷達(dá)和廈門站雙偏振雷達(dá)分布

廈門海滄S波段雙偏振多普勒雷達(dá)位于海滄區(qū)蔡尖尾山(118°0′16″、24°30′25″)，海拔高度為393 m，有效探測(cè)范圍為230 km，距離分辨率為250 m。通過新一代天氣雷達(dá)雙偏振試驗(yàn)，將其與美國NEXRAD雷達(dá)降水過程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示，二者系統(tǒng)穩(wěn)定，觀測(cè)結(jié)果較為一致[19]。

1.2 閃電探測(cè)資料與躍增信號(hào)算法

福建省氣象部門2004年布設(shè)了1套ADTD閃電定位系統(tǒng)(9站)，并于2014年底進(jìn)行閃電定位系統(tǒng)升級(jí)建設(shè)，布設(shè)了VLF/LF三維閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(16站，圖1)。三維閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由中國科學(xué)院電工研究所研發(fā)，多個(gè)站點(diǎn)組網(wǎng)觀測(cè)，利用閃電放電產(chǎn)生的VLF/LF信號(hào)到達(dá)時(shí)間，基于寬帶網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和時(shí)間到達(dá)差定位算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)云閃和云地閃的三維定位。站網(wǎng)的理論性能為：平面位置誤差≤500 m，高度誤差≤500 m，云地探測(cè)效率≥90%，時(shí)間分辨率≤2 ms；系統(tǒng)通過數(shù)字波形判斷和云閃鑒別算法區(qū)分云閃和地閃。朱彪等[20]對(duì)比分析了三維閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和原有ADTD閃電定位系統(tǒng)對(duì)地閃的探測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)它們給出的全省地閃密度空間分布形態(tài)比較一致。

分析閃電活動(dòng)特征時(shí)，選用2σ躍增信號(hào)來表征閃電頻次的迅速增加。具體計(jì)算方法如下[15-17]：

(1)首先對(duì)分析時(shí)段內(nèi)的閃電資料進(jìn)行2 min滑動(dòng)平均，消除閃電數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)：

(1)

式中，F(xiàn)Ravg(ti)代表滑動(dòng)平均處理后ti時(shí)刻的閃電頻數(shù)，F(xiàn)R(ti)和FR(ti-1)分別代表ti時(shí)刻及其前一時(shí)刻的閃電頻數(shù)(單位：次/min)。

(2)求閃電頻數(shù)時(shí)間變化率DFRDT(單位:次/min):

(2)

(3)求解得到DFRDT的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，取其2倍值。

對(duì)冰雹個(gè)例發(fā)生發(fā)展時(shí)間段內(nèi)，分析比較各個(gè)時(shí)次對(duì)應(yīng)的DFRDT值和2σ，若某一時(shí)次的DFRDT大于閾值2次/min，且DFRDT>2σ時(shí)，認(rèn)為此處為一次閃電躍增信號(hào)。

1.3 個(gè)例挑選

本研究選取2017年4月19日超級(jí)單體、2018年8月1日普通降雹和2019年8月12日短時(shí)強(qiáng)降水共3次強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例進(jìn)行對(duì)比分析(圖2)。對(duì)雷暴云內(nèi)雷電活動(dòng)時(shí)空特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，根據(jù)雷達(dá)回波參量宏觀特征分析，確定強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的范圍，確保統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不受附近其他云系影響。

圖2 2017年4月19日12:59廈門站雙偏振雷達(dá)9.9°仰角反射率因子(a)和6.0°仰角多普勒徑向速度(b)、2018年8月1日13:59廈門站雙偏振雷達(dá)9.9°仰角反射率因子(c)和6.0°仰角多普勒徑向速度(d)及2019年8月12日13:49福州站新一代天氣雷達(dá)組合反射率因子(e)和11-17時(shí)1 h降水極值分布(f)

2 不同強(qiáng)對(duì)流天氣閃電活動(dòng)特征分析

2.1 超級(jí)單體過程的雷達(dá)回波與閃電活動(dòng)特征

2017年4月19日中午，漳州龍海地區(qū)發(fā)生一次雹暴過程，回波中心強(qiáng)度達(dá)60-65 dBZ(圖2a)，其不斷向偏東方向移動(dòng)并發(fā)展，過程中存在明顯的中尺度氣旋結(jié)構(gòu)特征(圖2b)，具備超級(jí)單體特征，此處簡稱“超級(jí)單體”(下同)。受其影響，約13:00龍海地區(qū)出現(xiàn)小冰雹(由于冰雹發(fā)生區(qū)域較為偏僻，無尺寸信息記錄)。

圖3(a)給出了此次超級(jí)單體整個(gè)生命史期間閃電活動(dòng)及不同強(qiáng)度反射率因子回波體積隨時(shí)間的演變。由圖3(a)可見,此次超級(jí)單體過程中不同強(qiáng)度反射率因子體積成雙峰特征，第一次回波體積峰值大于第二次的。閃電活動(dòng)頻次整體呈單峰趨勢(shì)，85%的閃電活動(dòng)集中發(fā)生在對(duì)流云系第一次發(fā)展旺盛期，持續(xù)時(shí)間約35 min(12:45-13:20)。在云系初生階段，閃電活動(dòng)并不活躍，于12:24出現(xiàn)一次云閃，此后20 min內(nèi)無閃電活動(dòng)。12:19超級(jí)單體的雙偏振雷達(dá)參量出現(xiàn)了明顯的ZDR柱、KDP柱特征[20]。ZDR大值對(duì)應(yīng)著大雨滴，表明此時(shí)有強(qiáng)上升氣流將暖區(qū)的雨滴帶入過冷區(qū);KDP柱除了雨滴外還包含了大量融化的冰粒子。非感應(yīng)起電機(jī)制認(rèn)為，當(dāng)液態(tài)水含量適中時(shí)，在反轉(zhuǎn)溫度(模式中通常設(shè)定為-10或-15 ℃)所處高度以上的霰將攜帶負(fù)電荷，冰晶攜帶正電荷，受冰晶粒子自身重力和上升氣流的作用，兩者產(chǎn)生分離，冰晶被帶到更高的高度，而霰和雹等較大的粒子高度較低，從而形成不同的電荷聚集區(qū)，進(jìn)而引起首次云內(nèi)放電活動(dòng)[21]。

隨著對(duì)流單體不斷發(fā)展旺盛，12:43強(qiáng)回波中心局部回波強(qiáng)度達(dá)45-55 dBZ，云系0 ℃層以上反射率因子大于45 dBZ的回波體積逐漸高達(dá)650 km3，閃電活動(dòng)頻次開始迅速增加，于12:45、12:54產(chǎn)生了2次閃電2σ躍增信號(hào)(圖3b)，分別提前于降雹時(shí)刻約15 min和6 min。13:04總閃電頻數(shù)達(dá)到峰值10次/min，地閃頻數(shù)隨之迅速增加至6次/min。隨后，不同反射率因子的回波體積開始持續(xù)增長。13:01超級(jí)單位0 ℃層以上回波強(qiáng)度大于45 dBZ的回波體積達(dá)到峰值1218 km3，與閃電活動(dòng)頻次峰值和產(chǎn)生冰雹時(shí)間相一致，回波強(qiáng)度為30-35 dBZ的回波體積峰值則相對(duì)落后約6 min。降雹后總閃頻數(shù)顯著減少，且-10--15 ℃區(qū)域強(qiáng)回波(>50 dBZ)體積有所減小，可見閃電活動(dòng)減弱與云內(nèi)冰相粒子的快速減少有一定關(guān)系。13:20超級(jí)單體逐漸進(jìn)入減弱階段，其間云內(nèi)冰相粒子特別是大粒子相對(duì)較少，閃電活動(dòng)較弱，僅為幾次零星的負(fù)地閃活動(dòng)。雹云整個(gè)生消過程中，正地閃占地閃的平均比例為18.1%。

結(jié)合超級(jí)單體過程中總閃電頻數(shù)及DFRDT值隨時(shí)間變化(圖3b)和-10--20 ℃溫度層內(nèi)不同強(qiáng)度反射率因子回波體積隨時(shí)間變化(圖3c)可以看出，12:45第一次2σ躍增信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，反射率因子大于50 dBZ的強(qiáng)回波頂高突破-10 ℃，此時(shí)閃電頻次迅速增加。這是由于對(duì)流云系發(fā)展過程中云中液態(tài)水含量不斷增大，豐富的水滴、冰晶等在雷暴中強(qiáng)上升氣流的作用下碰撞導(dǎo)致云中帶電粒子的增多，閃電頻次隨之增大。孫凌等[22]在對(duì)2015年北京一次強(qiáng)颮線過程的閃電輻射源演變特征分析中，也發(fā)現(xiàn)強(qiáng)回波頂高延伸到-20 ℃溫度層高度，閃電輻射源高度也逐步增加，閃電明顯增多。隨后超級(jí)單體不斷發(fā)展成熟，13:00云系回波頂高達(dá)10 km，強(qiáng)回波中心(>45 dBZ)高達(dá)8 km，此時(shí)閃電活動(dòng)頻次也達(dá)到峰值。20 min后云系開始不斷減弱，隨后再次增強(qiáng)。超級(jí)單體二次增強(qiáng)過程中(13:30-14:20)，云系0 ℃層以上反射率因子大于45 dBZ的回波體積峰值高達(dá)660 km3，但上升氣流明顯較弱，云系回波頂高約為6 km，云系強(qiáng)回波中心發(fā)展高度較低，其間閃電活動(dòng)較弱?？梢娨簯B(tài)水含量及上升氣流強(qiáng)度都是影響雷暴起電、放電的關(guān)鍵因素。

圖3 2017年4月19日漳州超級(jí)單體過程中廈門站新一代天氣雷達(dá)0 ℃層以上各反射率因子回波體積與閃電活動(dòng)(a)、DFRDT值(b)和-10--20 ℃溫度層內(nèi)不同強(qiáng)度反射率因子回波體積(c)隨時(shí)間的變化

2.2 普通降雹單體的雷達(dá)回波與閃電活動(dòng)特征

2018年8月1日午后，受中層偏北氣流和925 hPa低層風(fēng)向輻合影響，漳州境內(nèi)出現(xiàn)一次普通降雹過程，回波中心強(qiáng)度達(dá)60-65 dBZ(圖2c)，14:00左右在廈門集美地區(qū)開始出現(xiàn)直徑2-3 cm的冰雹，隨后不斷向東南方向移動(dòng)并發(fā)展。此次降雹過程中無中氣旋產(chǎn)生(圖2d)，不具備超級(jí)單體特征，故簡稱“普通降雹單體”(下同)。

根據(jù)廈門地區(qū)探空資料，午后漳州地區(qū)上空0 ℃、-10 ℃和-20 ℃的高度分別為5.1 km、6.8 km和8.5 km。此次雹暴過程中雹云0 ℃層以上各反射率回波體積與不同類型閃電活動(dòng)頻次隨時(shí)間變化整體均呈單峰趨勢(shì)，反射率因子分別為45-50 dBZ、40-45 dBZ、35-40 dBZ和30-35 dBZ的回波體積峰值逐步落后于總閃電頻數(shù)峰值，且落后時(shí)間依次增加(見圖4a)。

雹暴發(fā)展初期，閃電活動(dòng)較弱。13:10首先出現(xiàn)一次云閃，隨后閃電活動(dòng)開始增加。13:39雹云迅速發(fā)展，回波頂高高達(dá)16 km，且局部回波強(qiáng)度高達(dá)65 dBZ，0 ℃層以上反射率因子大于45 dBZ的回波體積約856 km3，此時(shí)閃電頻次為4次/min。隨后閃電活動(dòng)迅速增強(qiáng)。13:56總閃電頻數(shù)達(dá)到一個(gè)小峰值,為18次/min，地閃頻數(shù)增加至12次/min。14:00左右產(chǎn)生降雹后，0 ℃以上區(qū)域強(qiáng)回波(>45 dBZ)體積不斷減小，總閃電頻數(shù)隨之迅速減少至10次/min。經(jīng)過短暫的減弱后，雹云0 ℃以上區(qū)域強(qiáng)回波(>45 dBZ)體積再次不斷增大，說明云內(nèi)仍有強(qiáng)上升氣流在不斷輸送降水粒子，同時(shí)閃電活動(dòng)再次增強(qiáng)。14:22總閃電頻數(shù)達(dá)到峰值約40次/min，地閃頻數(shù)隨之增長至約20次/min。此次雹暴過程中閃電活動(dòng)活躍期維持了約90 min。15:00后云系不斷減弱消散，閃電活動(dòng)隨之迅速減弱。雹云整個(gè)生消過程中正地閃占地閃的平均比例相對(duì)較高，為62%。

根據(jù)此次普通降雹過程中總閃電頻數(shù)及DFRDT值隨時(shí)間變化和-10--20 ℃溫度層內(nèi)不同強(qiáng)度反射率因子回波體積隨時(shí)間變化(圖4b、c)可見，13:20對(duì)流單體50 dBZ回波發(fā)展到-10 ℃溫度層高度以上時(shí)，產(chǎn)生了第一次閃電2σ躍增信號(hào)。隨后13:44、13:56依次出現(xiàn)2次閃電2σ躍增信號(hào)。3次躍增信號(hào)相對(duì)于降雹時(shí)刻分別提前40 min、16 min和4 min。其間60-65 dBZ的強(qiáng)回波中心迅速抬升至-10--15 ℃區(qū)域，閃電活動(dòng)隨之開始活躍。降雹時(shí)，云系強(qiáng)回波中心不斷下降，出現(xiàn)短暫的減弱。降雹結(jié)束后，云系不斷發(fā)展旺盛，14:21強(qiáng)回波(>45 dBZ)高度再次抬升至11 km，此時(shí)閃電活動(dòng)達(dá)到峰值。這是由于低層水汽不斷往高層輸送并釋放潛熱，在高層形成大量的過冷水和冰相粒子，有利于非感應(yīng)起電機(jī)制聚集大量電荷。

圖4 2018年8月1日廈門普通降雹過程中廈門站新一代天氣雷達(dá)0 ℃層以上各反射率因子回波體積與閃電活動(dòng)(a)、DFRDT值(b)和-10--20 ℃溫度層內(nèi)不同強(qiáng)度反射率因子回波體積(c)隨時(shí)間的變化

2.3 短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波與閃電活動(dòng)特征

受高空槽和低層弱切變影響，2019年8月12日午后，福州連江(11:00-14:00)、福清、莆田(14:00-17:00)先后各出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水過程(未發(fā)生降雹)。過程中云系最大回波強(qiáng)度達(dá)60～65 dBZ(圖2e)。按照其生消過程可以簡單劃分為2個(gè)階段。其中福州連江地區(qū)江南鄉(xiāng)區(qū)域站13:00-14:00小時(shí)雨量達(dá)37.1 mm，莆田仙游郊尾鎮(zhèn)沙溪村區(qū)域站15:00-16:00小時(shí)雨量達(dá)38.8 mm(圖2f)。

短時(shí)強(qiáng)降水過程中不同反射率因子體積和閃電頻數(shù)隨時(shí)間的變化均呈現(xiàn)明顯的雙峰特征(圖5a、b)。這是由于分析區(qū)域內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)2次對(duì)流性降水過程。該對(duì)流云系的主體位于0 ℃層以下的暖區(qū)區(qū)域，其冷區(qū)強(qiáng)回波(>45 dBZ)體積峰值分布與總閃及地閃頻數(shù)峰值較為一致。連江地區(qū)產(chǎn)生降水前，云系發(fā)展較低，僅在暖區(qū)依次出現(xiàn)3次云閃和1次負(fù)地閃，降水過程中閃電活動(dòng)較弱，總閃頻數(shù)峰值為5次/min，且超前于強(qiáng)回波(>55 dBZ)體積峰值約20 min。14:00后，隨著連江地區(qū)對(duì)流性天氣過程的減弱，福清和莆田地區(qū)逐漸產(chǎn)生局地對(duì)流并不斷增強(qiáng)。由回波強(qiáng)度及其體積變化可以看出，第二個(gè)子過程要強(qiáng)于第一個(gè)子過程。兩個(gè)子過程之間的時(shí)段閃電活動(dòng)較弱。閃電活動(dòng)的第二次活躍期，峰值達(dá)11次/min，以地閃活動(dòng)為主。相較于超級(jí)單體和普通降雹過程，此次短時(shí)強(qiáng)降水過程中平均正地閃比例最低，為11.45%，但地閃比例高于超級(jí)單體和普通降雹過程的比例，達(dá)55.5%。這與MacGorman等[23]的研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)橹袑訋щ姳Ｗ釉趶?qiáng)勁的上升氣流作用下抬升到更高的位置，云內(nèi)正負(fù)不同極性電荷區(qū)的距離縮短，導(dǎo)致云內(nèi)放電頻數(shù)增加，同時(shí)使云內(nèi)電荷區(qū)與地面的距離增加，從而解釋了超級(jí)單體和普通降雹過程中地閃比例較低的現(xiàn)象。

根據(jù)此次短時(shí)強(qiáng)降水過程中總閃電頻數(shù)及DFRDT值隨時(shí)間變化和-10--20 ℃溫度層內(nèi)不同強(qiáng)度反射率因子回波體積隨時(shí)間變化可見，整個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣生消過程中未產(chǎn)生閃電2σ躍增信號(hào)(圖5c)，且未見大于50 dBZ的強(qiáng)回波發(fā)展到-10 ℃溫度層高度以上(圖5d)。

圖5 2019年8月12日福州短時(shí)強(qiáng)降水過程中福州站新一代天氣雷達(dá)0 ℃層以上(a)、0 ℃層以下(b)各反射率因子回波體積與閃電活動(dòng)及DFRDT值(c)和-10--20 ℃溫度層內(nèi)不同強(qiáng)度反射率因子回波體積(d)隨時(shí)間的變化(c)中未出現(xiàn)2σ預(yù)警信號(hào)

3 閃電活動(dòng)與雷達(dá)回波體積的關(guān)系

3.1 相關(guān)性分析

對(duì)3次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中不同類型的閃電活動(dòng)頻次隨時(shí)間變化與云系各反射率因子體積的相關(guān)性進(jìn)行分析(云系整體反射率因子超過50、45、40和35 dBZ的體積分別表示為V>50 dBZ、V>45 dBZ、V>35 dBZ、V>30 dBZ，云系0 ℃層以上反射率因子超過50、45、40和35 dBZ的體積分別表示V>50 dBZ 0 ℃層以上、V>45 dBZ 0 ℃層以上、V>35 dBZ 0 ℃層以上、V>30 dBZ 0 ℃層以上，下同)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，兩次降雹過程中云系各反射率回波體積與閃電活動(dòng)頻次的相關(guān)系數(shù)R普遍大于0.7，相關(guān)性較好。其中，超級(jí)單體過程中閃電活動(dòng)與V>50 dBZ 0 ℃層以上相關(guān)性最好，一般性降雹過程中閃電活動(dòng)與V>45 dBZ相關(guān)性最好；由兩次降雹過程綜合分析結(jié)果表明，云系發(fā)展過程中總閃頻次與強(qiáng)回波體積V>45 dBZ的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.89。短時(shí)強(qiáng)降水過程中各反射率因子體積與閃電活動(dòng)頻次相關(guān)性相對(duì)較差，平均相關(guān)系數(shù)僅為0.64。

圖6 3次不同強(qiáng)對(duì)流天氣過程各反射率因子體積與各閃電活動(dòng)頻次相關(guān)系數(shù)0419為2017年4月19日漳州超級(jí)單體，0801為2018年8月1日廈門普通降雹，0812為2019年8月12日福州短時(shí)強(qiáng)降水；R為相關(guān)系數(shù)，N為閃電活動(dòng)頻次；V為回波體積，T為總閃，P為正閃，CG為地閃，PCG為正地閃

3.2 閃電回波體積(VPF)分析

為進(jìn)一步了解雷暴過程中的微物理?xiàng)l件，石玉恒等[24]提出了單個(gè)閃電表征的回波體積VPF(echo volume per flash)的定義，即回波體積除以閃電頻次，一定程度上反映了云內(nèi)起電、放電的難易程度。此處取與總閃頻次相關(guān)性最好的V>45 dBZ來進(jìn)行分析。根據(jù)3次不同強(qiáng)對(duì)流天氣過程中VPF時(shí)序變化圖(圖7)，結(jié)合上文分析可知，在超級(jí)單體過程中，對(duì)流發(fā)展的第一個(gè)活躍期(12:19-13:07)上升氣流旺盛，強(qiáng)回波(>45 dBZ)高達(dá)8 km，其間VPF值均小于320 km3/次;降雹后強(qiáng)對(duì)流經(jīng)過短暫的減弱期并進(jìn)行二次發(fā)展，其間盡管強(qiáng)對(duì)流單體V>45 dBZ值仍較大，但隨著云系強(qiáng)對(duì)流中心發(fā)展高度降低，VPF值增大，高達(dá)2311 km3/次。普通降雹個(gè)例生消過程中VPF隨時(shí)間變化均低于250 km3/次，初始發(fā)展和消亡階段VPF值相對(duì)較高。短時(shí)強(qiáng)降水過程中，其2個(gè)子過程發(fā)展到成熟階段，VPF均相對(duì)較小，且其較強(qiáng)的第二個(gè)子過程發(fā)展過程中(14:24-15:47)，VPF均小于500 km3/次。經(jīng)計(jì)算得到的3次過程中的VPF平均值分別約為411、96和341 km3/次。結(jié)合當(dāng)天探空資料可知，3次過程中云系強(qiáng)回波(>45 dBZ)發(fā)展高度分別超過0 ℃層高度3.4、9.1和1.9 km。由此可看出，在強(qiáng)回波中心發(fā)展較高時(shí)，VPF值較小，這是由于云中起電過程依賴于冰相作用，在較強(qiáng)的上升氣流作用下，更容易發(fā)生起電并進(jìn)行電荷分離，從而更易于產(chǎn)生閃電活動(dòng)。

圖7 2017年4月19日漳州超級(jí)單體(a)、2018年8月1日廈門普通降雹(b)和2019年8月12日福州短時(shí)強(qiáng)降水(c)過程中單次閃電回波體積(VPF)隨時(shí)間的變化VPF=0表示無閃電活動(dòng)或V>45 dBZ值為0

4 結(jié)論與討論

本文利用VLF/LF三維閃電定位、新一代天氣雷達(dá)和廈門雙偏振雷達(dá)等資料，對(duì)福建中南部沿海地區(qū)3次不同強(qiáng)對(duì)流天氣過程中的閃電活動(dòng)特征進(jìn)行了對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

(1)兩次雹暴單體生消發(fā)展過程中，閃電活動(dòng)頻次達(dá)到峰值時(shí)，強(qiáng)對(duì)流單體均處于成熟期，對(duì)降雹時(shí)刻并無明顯的超前預(yù)警效果，但降雹前均出現(xiàn)了閃電頻次躍增現(xiàn)象。相對(duì)于降雹時(shí)刻，閃電2σ躍增信號(hào)在超級(jí)單體和冰雹過程中分別提前15 min和40 min發(fā)生，且與反射率因子大于50 dBZ的強(qiáng)回波體積抬升高度突破-10 ℃溫度層的時(shí)刻相一致，短時(shí)強(qiáng)降水過程中未出現(xiàn)該躍增信號(hào)。

(2)文中所選普通降雹過程中正地閃占地閃的平均比例相對(duì)最高，達(dá)62%;超級(jí)單體過程中正地閃占地閃的比例次之；短時(shí)強(qiáng)降水中正地閃占比最小，僅為11.45%。超級(jí)單體過程中云閃為主，地閃比例較??；短時(shí)強(qiáng)降水過程中地閃所占比例要高于一般普通降雹和超級(jí)單體過程的地閃占比。

(3)不同的強(qiáng)對(duì)流天氣過程中閃電活動(dòng)頻數(shù)與各反射率因子體積隨時(shí)間變化趨勢(shì)相對(duì)一致，雷達(dá)強(qiáng)回波(>45 dBZ)體積與閃電活動(dòng)頻數(shù)隨時(shí)間變化呈明顯的正相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)在兩次降雹過程中綜合高達(dá)0.89，而在短時(shí)強(qiáng)降水過程中的最低，僅為0.64。3次強(qiáng)對(duì)流天氣生消演變過程中，成熟期VPF值均相對(duì)較小，且強(qiáng)回波中心發(fā)展較高時(shí)，相對(duì)更易發(fā)生閃電活動(dòng)。

本文所選的超級(jí)單體中雷電活動(dòng)頻數(shù)低于普通降雹過程中的頻數(shù)，與傳統(tǒng)認(rèn)知略有偏差。雖然文中普通降雹過程中沒有伴隨中氣旋，但其回波中心強(qiáng)度和回波伸展高度均大于所選超級(jí)單體回波的中心強(qiáng)度和伸展高度，可見閃電活動(dòng)與雷暴自身的發(fā)展強(qiáng)度、強(qiáng)回波體積V>45 dBZ及發(fā)展階段等密切相關(guān)，中氣旋結(jié)構(gòu)的存在并非必要條件。

不同強(qiáng)對(duì)流天氣過程中復(fù)雜的動(dòng)力、熱力條件及起電、放電等微物理過程導(dǎo)致了其閃電時(shí)空變化特征的差異性，進(jìn)一步分類細(xì)化研究不同天氣情況下的閃電活動(dòng)特征，有助于了解其對(duì)不同強(qiáng)對(duì)流天氣的指示意義。