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，是風向、風速發(fā)生突變的、狹窄的強對流天氣帶。颮線上的雷暴通常由若干個雷暴單體組成，少則四五個，多則十幾二十個，由于發(fā)展有先后，所以颮線比個別雷暴單體帶來的天氣變化更為劇烈，常伴隨著強風、雷暴甚至冰雹等災害性天氣。

近年來，國內外學者對颮線的產(chǎn)生機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；一些學者研究分析了颮線過程的雷達回波特性；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，分析表明閃電活動和雷達回波強度有明顯的相關性；Newton發(fā)現(xiàn)颮線出現(xiàn)環(huán)境條件通常表征為：強的垂直風切變，并且對流層中下層水汽旺盛。本文運用相關氣象資料對廣東一次颮線過程的地閃活動進行分析，通過分析地閃頻數(shù)和相關氣象資料的關系，以期探尋地閃活動對強對流天氣的指示作用，旨在為本地區(qū)強對流天氣的雷電預警預報工作提供技術參考。

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)；天氣雷達資料來源于肇慶市天氣雷達站，觀測時間間隔為6 min；探空資料來源于河源市氣象局東源探空站（站號：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)星氣象中心的風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務網(wǎng)；其他氣象觀測資料來源于廣東省氣象局業(yè)務網(wǎng)。

本文主要采用數(shù)理統(tǒng)計的分析方法，對2014年3月31日03—11時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)進行統(tǒng)計分析，得到了颮線過程的地閃變化特征并分析。本文統(tǒng)計雷達、衛(wèi)星觀測時刻同時發(fā)生的閃電頻數(shù)時，將雷達觀測時間后6 min、衛(wèi)星觀測后1 h發(fā)生的閃電定義為該定位時間颮線過程同時發(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。良好的熱力和動力條件，不斷誘發(fā)小尺度擾動的產(chǎn)生，進而促使颮線系統(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、濕度增大以及風速急增等天氣現(xiàn)象，發(fā)生了大范圍的強對流天氣過程。此次過程對流活動持續(xù)時間長，將近8 h；影響范圍廣，幾乎橫掃整個廣東。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)），其中負地閃為161170 fl，正地閃為48405 fl，正地閃比為23.1%，遠高于賴悅等研究得到的正地閃僅占總地閃頻數(shù)6.8%，遠低于Feng等研究得到正地閃頻數(shù)占總地閃頻數(shù)一半以上的結論。由此可見，不同地區(qū)不同系統(tǒng)的地閃活動差異很大。

圖1為颮線過程地閃頻數(shù)隨時間的變化，可以看出：在颮線初始發(fā)展階段（03—04時）：總的地閃頻數(shù)快速增長，平均地閃頻數(shù)為1954 fl·6 min，其中負地閃頻數(shù)的增長速率遠大于正地閃頻數(shù)，正地閃比變化相對平緩，整個階段負地閃占比超過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)達到3147 fl·6 min，期間總的地閃頻數(shù)以及負地閃頻數(shù)均于07：12達到最大值，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，負地閃頻數(shù)減少速率遠快于正地閃頻數(shù)；平均正地閃比達到24.14%，正地閃比峰值于08：18達到最大值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 地閃特征與相關氣象資料關系

3.1 地閃特征與天氣雷達資料關系

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

本文將颮線過程雷達觀測范圍300 km內，每6 min地閃與雷達組合反射率格點對應疊加，統(tǒng)計出單位面積在不同組合反射率區(qū)間對應的地閃頻數(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范圍內對應的地閃頻數(shù)占92.8%），其中組合反射率大于60 dBz的回波區(qū)地閃活動最為活躍，出現(xiàn)了58.8%的地閃活動。組合反射率小于40 dBz的弱回波區(qū)地閃活動較少。結合圖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。地閃活動分布特征與雷達強回波區(qū)域有較好的對應關系，且地閃活動密集區(qū)域與回波頂?shù)淖畲蟾叨认鄬?/p>

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

在颮線旺盛階段，在雷達組合反射率圖上有明顯的“弓形”回波（圖3a），水平尺度達到300 km以上，強回波中心強度大于60 dBz；沿幾個強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，強回波中心在7～8 km位置，有懸垂結構；由圖3c可知，在強回波頂點位置的偏北風與偏南風形成明顯的強輻合，速度達到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對流天氣特征，這一階段剛好與著密集的閃電活動相對應。

圖3 2014年3月31日06：24颮線旺盛階段雷達圖（北京時，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)星資料的關系

許多學者研究表明微波亮溫的高低與云內粒子散射能力強弱密切相關，云內粒子的散射能力強弱與地閃活動活躍程度相對應。一般而言，云內粒子散射能力越強，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，在廣東境內則出現(xiàn)在韶關與河源交界區(qū)域（圖4a），而同期這兩個區(qū)域出現(xiàn)了密集的地閃活動（圖5a），特別是在廣西境內地閃活動異?；钴S；31日05：00 TBB亮溫≤220 K區(qū)域向東移動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，幾乎覆蓋了整個廣東中部以及北部（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到了珠江口區(qū)域。結合同期廣東地區(qū)地閃活動空間分布特性不難發(fā)現(xiàn)，TBB亮溫≤220 K區(qū)域與閃電活動的密集區(qū)域有很好的對應關系。

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系

圖6為東源站30日19時—31日19時（

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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、31日07時的東源站溫度廓線（

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＜5 ℃）貫穿整個對流層，呈明顯的不穩(wěn)定層結特征；由圖6b可知，30日19時初步呈現(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，有利于對流活動的發(fā)展；31日07時整個對流層“濕層深厚”特征特別明顯，整個對流層濕度近于飽和，平均相對濕度均大于90%，對流活動異常旺盛，極易造成閃電活動活躍；同日19時對流層中上層濕度趨于干燥，對流層不穩(wěn)定層結特征不明顯，對流活動減弱，閃電活動隨著減少。

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

圖6 2014年3月30—31日東源站探空站溫度露點差（a）、濕度（b）、垂直風切變（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不穩(wěn)定加之中低層強的垂直風切變，有利于水汽上升，形成旺盛的對流活動，進而發(fā)生劇烈的閃電活動。

4 結論

本文利用廣東的地閃定位資料、天氣雷達資料、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進行了分析，結果表明：

1）颮線發(fā)展初期，地閃活動快速增加；在旺盛階段，地閃頻數(shù)維持較高水平；減弱階段，地閃活動明顯減少，在整個颮線發(fā)展過程中，負地閃活動占主導地位，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92.8%的地閃活動發(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)地閃活動最為活躍；颮線旺盛階段，在雷達圖上表現(xiàn)出明顯“弓形回波”、速度模糊以及明顯的速度輻合等強對流天氣特征。

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

本文對颮線過程地閃活動與不同尺度氣象資料的相關分析，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例做深入的分析研究。