郭青 李源鋒 高國靖 郭春輝 郭志萍 曾惠娟

（1 梅州市氣象局，梅州 514021；2 肇慶市氣象局，肇慶 526000；3 河源市氣象局，河源 517000）

0 引言

颮線通常有若干排列成行的雷暴單體或雷暴群組成，是風(fēng)向、風(fēng)速發(fā)生突變的、狹窄的強(qiáng)對流天氣帶。颮線上的雷暴通常由若干個(gè)雷暴單體組成，少則四五個(gè)，多則十幾二十個(gè)，由于發(fā)展有先后，所以颮線比個(gè)別雷暴單體帶來的天氣變化更為劇烈，常伴隨著強(qiáng)風(fēng)、雷暴甚至冰雹等災(zāi)害性天氣。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對颮線的產(chǎn)生機(jī)理開展大量研究工作，取得了豐富的成果。賴悅等、尹麗云等分析了颮線過程的閃電特性；一些學(xué)者研究分析了颮線過程的雷達(dá)回波特性；劉娟等、李哲等、李娜等分析了不同地區(qū)颮線天氣診斷分析以及數(shù)值模擬。Cetrone等通過分析西非地區(qū)的幾次颮線過程，分析表明閃電活動(dòng)和雷達(dá)回波強(qiáng)度有明顯的相關(guān)性；Newton發(fā)現(xiàn)颮線出現(xiàn)環(huán)境條件通常表征為：強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，并且對流層中下層水汽旺盛。本文運(yùn)用相關(guān)氣象資料對廣東一次颮線過程的地閃活動(dòng)進(jìn)行分析，通過分析地閃頻數(shù)和相關(guān)氣象資料的關(guān)系，以期探尋地閃活動(dòng)對強(qiáng)對流天氣的指示作用，旨在為本地區(qū)強(qiáng)對流天氣的雷電預(yù)警預(yù)報(bào)工作提供技術(shù)參考。

1 資料來源及分析方法

本文采用2014年3月30—31日的地閃定位數(shù)據(jù)來源于廣東電力系統(tǒng)閃電定位系統(tǒng)；天氣雷達(dá)資料來源于肇慶市天氣雷達(dá)站，觀測時(shí)間間隔為6 min；探空資料來源于河源市氣象局東源探空站（站號(hào)：59293）；氣象衛(wèi)星資料中FY-2E衛(wèi)星的云頂亮溫資料（TBB）來源于國家衛(wèi)星氣象中心的風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)；其他氣象觀測資料來源于廣東省氣象局業(yè)務(wù)網(wǎng)。

本文主要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的分析方法，對2014年3月31日03—11時(shí)廣東的一次颮線過程地閃數(shù)據(jù)與同期的氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了颮線過程的地閃變化特征并分析。本文統(tǒng)計(jì)雷達(dá)、衛(wèi)星觀測時(shí)刻同時(shí)發(fā)生的閃電頻數(shù)時(shí)，將雷達(dá)觀測時(shí)間后6 min、衛(wèi)星觀測后1 h發(fā)生的閃電定義為該定位時(shí)間颮線過程同時(shí)發(fā)生的閃電。

2 颮線過程的地閃特征

受高空槽東移和低渦切變線南壓影響，廣東地區(qū)受西南暖濕氣流控制，加之高空急流一直在本地區(qū)維持。良好的熱力和動(dòng)力條件，不斷誘發(fā)小尺度擾動(dòng)的產(chǎn)生，進(jìn)而促使颮線系統(tǒng)的產(chǎn)生以及發(fā)展。2014年3月31日03—11時(shí)廣東地區(qū)出現(xiàn)了颮線天氣過程，期間出現(xiàn)氣壓涌升、氣溫驟降、濕度增大以及風(fēng)速急增等天氣現(xiàn)象，發(fā)生了大范圍的強(qiáng)對流天氣過程。此次過程對流活動(dòng)持續(xù)時(shí)間長，將近8 h；影響范圍廣，幾乎橫掃整個(gè)廣東。颮線過程共監(jiān)測到地閃頻數(shù)為209575 fl（fl為flashes的簡寫，表示閃電頻數(shù)），其中負(fù)地閃為161170 fl，正地閃為48405 fl，正地閃比為23.1%，遠(yuǎn)高于賴悅等研究得到的正地閃僅占總地閃頻數(shù)6.8%，遠(yuǎn)低于Feng等研究得到正地閃頻數(shù)占總地閃頻數(shù)一半以上的結(jié)論。由此可見，不同地區(qū)不同系統(tǒng)的地閃活動(dòng)差異很大。

圖1為颮線過程地閃頻數(shù)隨時(shí)間的變化，可以看出：在颮線初始發(fā)展階段（03—04時(shí)）：總的地閃頻數(shù)快速增長，平均地閃頻數(shù)為1954 fl·6 min，其中負(fù)地閃頻數(shù)的增長速率遠(yuǎn)大于正地閃頻數(shù)，正地閃比變化相對平緩，整個(gè)階段負(fù)地閃占比超過90%。04：00—07：30為颮線的旺盛發(fā)展階段，地閃頻數(shù)一直維持較高水平，呈“窄幅震蕩增長”趨勢，平均地閃頻數(shù)達(dá)到3147 fl·6 min，期間總的地閃頻數(shù)以及負(fù)地閃頻數(shù)均于07：12達(dá)到最大值，依次為4178 fl·6 min、2969 fl·6 min，平均正地閃占比為22.95%。07：30以后為颮線的減弱消亡階段，地閃頻數(shù)雖偶爾有震蕩增加現(xiàn)象，但總體趨勢呈明顯減少，平均地閃頻數(shù)為2219 fl·6 min，負(fù)地閃頻數(shù)減少速率遠(yuǎn)快于正地閃頻數(shù)；平均正地閃比達(dá)到24.14%，正地閃比峰值于08：18達(dá)到最大值36.68%，落后地閃頻數(shù)峰值約1 h。

圖1 2014年3月31日颮線過程地閃頻數(shù)隨時(shí)間的變化 Fig. 1 Variation of ground flash frequency with time in squall line process on 31 March 2014

3 地閃特征與相關(guān)氣象資料關(guān)系

3.1 地閃特征與天氣雷達(dá)資料關(guān)系

雷達(dá)組合反射率通常用來表征云內(nèi)大粒子（如冰晶、大的過冷水滴等）分布特性，通常組合反射率越大，說明云內(nèi)大粒子的密度越大，進(jìn)而越容易發(fā)生碰并產(chǎn)生閃電活動(dòng)。

本文將颮線過程雷達(dá)觀測范圍300 km內(nèi)，每6 min地閃與雷達(dá)組合反射率格點(diǎn)對應(yīng)疊加，統(tǒng)計(jì)出單位面積在不同組合反射率區(qū)間對應(yīng)的地閃頻數(shù)百分比（圖2）。從圖2可以看出：92.8%的地閃活動(dòng)發(fā)生在組合反射率大于40 dBz的回波區(qū)（即組合反射率大于40 dBz范圍內(nèi)對應(yīng)的地閃頻數(shù)占92.8%），其中組合反射率大于60 dBz的回波區(qū)地閃活動(dòng)最為活躍，出現(xiàn)了58.8%的地閃活動(dòng)。組合反射率小于40 dBz的弱回波區(qū)地閃活動(dòng)較少。結(jié)合圖3a可知，組合反射率小于40 dBz的弱回波區(qū)面積最大，但由于其對流不夠旺盛、回波頂高度不高，因而地閃活動(dòng)相對較少；而大于40 dBz區(qū)間回波頂高度較高，閃電活躍，因此閃電活動(dòng)百分比高；特別是60 dBz以上的回波區(qū)面積很小，加之對流極為旺盛，因此其單位面積的閃電頻數(shù)百分比最高。地閃活動(dòng)分布特征與雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)域有較好的對應(yīng)關(guān)系，且地閃活動(dòng)密集區(qū)域與回波頂?shù)淖畲蟾叨认鄬?yīng)。

圖2 地閃頻數(shù)與組合反射率統(tǒng)計(jì) Fig. 2 Statistics of ground flash frequency and combined reflectivity

在颮線旺盛階段，在雷達(dá)組合反射率圖上有明顯的“弓形”回波（圖3a），水平尺度達(dá)到300 km以上，強(qiáng)回波中心強(qiáng)度大于60 dBz；沿幾個(gè)強(qiáng)回波中心得到垂直剖面圖（圖3b）可知，對流發(fā)展高度較高，最大回波頂高度大于15 km，強(qiáng)回波中心在7～8 km位置，有懸垂結(jié)構(gòu)；由圖3c可知，在強(qiáng)回波頂點(diǎn)位置的偏北風(fēng)與偏南風(fēng)形成明顯的強(qiáng)輻合，速度達(dá)到43 m/s，在速度圖上有速度模糊現(xiàn)象；由圖3d可知，颮線系統(tǒng)的垂直液態(tài)含水量為45～50 kg/m。由此可見，颮線旺盛階段，雷達(dá)圖上表現(xiàn)出明顯“弓形回波”、速度模糊以及明顯的速度輻合等強(qiáng)對流天氣特征，這一階段剛好與著密集的閃電活動(dòng)相對應(yīng)。

圖3 2014年3月31日06：24颮線旺盛階段雷達(dá)圖（北京時(shí)，下同） （a）組合反射率；（b）沿圖3a黑色線垂直剖面；（c）1.5°仰角速度；（d）垂直液態(tài)含水量 Fig. 3 Radar chart of squall line in vigorous stage at 06:24 BT 31 March 2014 (a) combined reflectivity, (b) vertical section along black line in Fig. 3a, (c) 1.5 ° elevation velocity, (d) vertical liquid water content

3.2 地閃特征與衛(wèi)星資料的關(guān)系

許多學(xué)者研究表明微波亮溫的高低與云內(nèi)粒子散射能力強(qiáng)弱密切相關(guān)，云內(nèi)粒子的散射能力強(qiáng)弱與地閃活動(dòng)活躍程度相對應(yīng)。一般而言，云內(nèi)粒子散射能力越強(qiáng)，微波亮溫就越低。本文FY-2E衛(wèi)星微波亮溫以及同期廣東地區(qū)地閃活動(dòng)空間分布對比分析發(fā)現(xiàn)，31日03：00 TBB亮溫≤220 K區(qū)域主要出現(xiàn)在廣西境內(nèi)，在廣東境內(nèi)則出現(xiàn)在韶關(guān)與河源交界區(qū)域（圖4a），而同期這兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了密集的地閃活動(dòng)（圖5a），特別是在廣西境內(nèi)地閃活動(dòng)異?；钴S；31日05：00 TBB亮溫≤220 K區(qū)域向東移動(dòng)到了廣西與廣東的交界區(qū)域（圖4b）；07：00 TBB亮溫≤220 K區(qū)域整體移入廣東境內(nèi)，幾乎覆蓋了整個(gè)廣東中部以及北部（圖4c）；由圖4d可知，11：00 TBB亮溫≤220 K區(qū)域隨著颮線減弱向東移動(dòng)到了珠江口區(qū)域。結(jié)合同期廣東地區(qū)地閃活動(dòng)空間分布特性不難發(fā)現(xiàn)，TBB亮溫≤220 K區(qū)域與閃電活動(dòng)的密集區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 2014年3月31日FY-2E衛(wèi)星微波亮溫度 Fig. 4 Cloud top brightness temperature of FY-2E satellite on 31 March 2014

圖5 2014年3月31日廣東地區(qū)地閃活動(dòng)空間分布 Fig. 5 Spatial distribution of lightning activity in Guangdong on 31 March 2014

3.3 地閃特征與探空資料的關(guān)系

圖6為東源站30日19時(shí)—31日19時(shí)（

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）垂直分布曲線以及濕度垂直廓線，由圖6a可知，30日19時(shí)、31日07時(shí)的東源站溫度廓線（

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＜5 ℃）貫穿整個(gè)對流層，呈明顯的不穩(wěn)定層結(jié)特征；由圖6b可知，30日19時(shí)初步呈現(xiàn)“上干下濕”特征，中低層濕度趨于飽和，平均相對濕度大于90%，高層比較干冷，平均相對濕度70%左右，有利于對流活動(dòng)的發(fā)展；31日07時(shí)整個(gè)對流層“濕層深厚”特征特別明顯，整個(gè)對流層濕度近于飽和，平均相對濕度均大于90%，對流活動(dòng)異常旺盛，極易造成閃電活動(dòng)活躍；同日19時(shí)對流層中上層濕度趨于干燥，對流層不穩(wěn)定層結(jié)特征不明顯，對流活動(dòng)減弱，閃電活動(dòng)隨著減少。

由此得到30日19時(shí)、31日07時(shí)及19時(shí)環(huán)境風(fēng)的垂直風(fēng)切變曲線（圖6c），由圖可知，在700 hPa以下：颮線初期發(fā)展階段，中低空垂直風(fēng)切變不斷加強(qiáng)，30日19時(shí)850 hPa相對地面垂直風(fēng)切變?yōu)?2.6 m/s；颮線的旺盛發(fā)展階段（31日07時(shí)）垂直風(fēng)切變最強(qiáng)，850 hPa相對地面垂直風(fēng)切變?yōu)?6.1 m/s；颮線減弱消亡階段，垂直風(fēng)切變明顯減弱，31日19時(shí)850 hPa垂直風(fēng)切變僅為9.9 m/s。

圖6 2014年3月30—31日東源站探空站溫度露點(diǎn)差（a）、濕度（b）、垂直風(fēng)切變（c）垂直分布 Fig. 6 Vertical distribution of temperature and dew point difference (a), humidity (b), vertical wind shear (c) of Dongyuan station from 30 to 31March 2014

綜上所述，颮線過程對流層層結(jié)不穩(wěn)定加之中低層強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，有利于水汽上升，形成旺盛的對流活動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生劇烈的閃電活動(dòng)。

4 結(jié)論

本文利用廣東的地閃定位資料、天氣雷達(dá)資料、衛(wèi)星資料以及探空資料，對2014年3月31日廣東的一次颮線過程的地閃活動(dòng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）颮線發(fā)展初期，地閃活動(dòng)快速增加；在旺盛階段，地閃頻數(shù)維持較高水平；減弱階段，地閃活動(dòng)明顯減少，在整個(gè)颮線發(fā)展過程中，負(fù)地閃活動(dòng)占主導(dǎo)地位，正地閃比峰值落后于地閃頻數(shù)峰值約1 h出現(xiàn)；

2）颮線過程單位面積內(nèi)92.8%的地閃活動(dòng)發(fā)生在組合反射率大于40 dBz的回波區(qū)，其中組合反射率大于60 dBz的回波區(qū)地閃活動(dòng)最為活躍；颮線旺盛階段，在雷達(dá)圖上表現(xiàn)出明顯“弓形回波”、速度模糊以及明顯的速度輻合等強(qiáng)對流天氣特征。

3）TBB亮溫≤220 K區(qū)域與閃電活動(dòng)的密集區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系；地閃活動(dòng)活躍期通常伴有明顯的不穩(wěn)定層結(jié)特性，濕度垂直分布呈現(xiàn)出“上干下濕”型和“濕層深厚”型兩個(gè)階段；颮線的旺盛發(fā)展階段中低空有強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。

本文對颮線過程地閃活動(dòng)與不同尺度氣象資料的相關(guān)分析，基于有限的資料分析得出，具有一定的局限性，有待于今后采集更多的個(gè)例做深入的分析研究。