廖穎楠

摘要 為探尋閃電活動與氣象要素之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合三維閃電定位資料、雷達(dá)資料、風(fēng)云四號衛(wèi)星云頂溫度資料，以及地面氣象觀測站資料，對2019年7月14日發(fā)生在贛州市的強(qiáng)降水天氣過程進(jìn)行多尺度分析。結(jié)果表明：強(qiáng)降水天氣過程中以負(fù)地閃占優(yōu)勢，正地閃增多預(yù)示著過程的消散；降水分布跟閃電密度分布較為一致，閃電頻次峰值領(lǐng)先于降水量峰值，負(fù)閃多出現(xiàn)在強(qiáng)回波移動方向的前方，對回波運(yùn)動方向有指示作用；閃電活動結(jié)合云頂溫度低值區(qū)的變化與地面降水強(qiáng)度的變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)降水；閃電；雷達(dá)；CTT

中圖分類號：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）07–0166-05

強(qiáng)對流天氣是一種伴隨著閃電、冰雹、強(qiáng)降水的災(zāi)害性天氣，因它造成的災(zāi)害和次生災(zāi)害損失和人員傷亡情況僅次于熱帶氣旋、地震、洪澇。贛州市地處江南南部華南北部，強(qiáng)對流天氣頻發(fā)，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和氣候變暖，強(qiáng)對流天氣多發(fā)、頻發(fā)，帶來的損失日益嚴(yán)峻，因此，研究閃電活動與其他氣象要素之間的關(guān)聯(lián)性，為強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測預(yù)報提供理論依據(jù)，提升強(qiáng)對流天氣的預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)能力，減輕災(zāi)害性天氣對人們生產(chǎn)生活的影響具有重要的意義[1]。

國內(nèi)外學(xué)者對閃電特性、地閃與強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)性，及其在強(qiáng)對流天氣短時臨近預(yù)報中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，閃電的強(qiáng)弱可作為強(qiáng)對流天氣對流強(qiáng)度的指示器，云頂高度、降水峰值等與閃電活動有較為密切關(guān)系。但不同地區(qū)地理環(huán)境、天氣條件不同，強(qiáng)對流天氣過程中閃電活動的特征也有較大差別。馮桂力等[2]對一次典型的中尺度強(qiáng)對流天氣閃電特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)閃電極性在對流的初生、發(fā)展和消散過程中存在變化，初生階段負(fù)閃為主，因此可較好識別對流區(qū)；旺盛時，負(fù)閃占主要優(yōu)勢且總閃電頻次維持較高水平；消散時，則以正閃占多數(shù)。張騰飛[3]等研究了2007年發(fā)生在云南的強(qiáng)對流降水跟閃電之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水過程中以負(fù)閃為主，閃電提前于降水出現(xiàn)，但降水強(qiáng)度跟閃電頻次沒有顯著相關(guān)關(guān)系；楊超等[4]利用雷達(dá)與閃電資料研究了一個強(qiáng)對流天氣個例，發(fā)現(xiàn)正、負(fù)地閃頻次在強(qiáng)對流系統(tǒng)發(fā)展的不同階段呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，基本上呈反相位關(guān)系。

綜合學(xué)者的研究及成果[5-18]，選取2019年7月14日贛州市強(qiáng)降水天氣過程，利用三維閃電定位資料、雷達(dá)資料、風(fēng)云四號衛(wèi)星云頂溫度資料和地面氣象觀測站資料，從閃電活動與相關(guān)探測資料的時空演變分析入手，探尋閃電活動特征與氣象要素之間的相關(guān)性，進(jìn)一步加深對贛州市強(qiáng)降水天氣發(fā)生與發(fā)展過程的認(rèn)識，為強(qiáng)對流天氣監(jiān)測預(yù)警提供一定參考。

1 過程概述與天氣背景

1.1 過程概述

2019年7月14日01：00～09：00，贛州市范圍內(nèi)普遍降雨，中部以北出現(xiàn)了大到暴雨降雨過程，特別是以崇義—于都—瑞金這一帶降雨最為猛烈，全市范圍24 h內(nèi)2個測站出現(xiàn)了特大暴雨，10縣（市、區(qū)）的135個測站出現(xiàn)了大暴雨，11縣（市、區(qū)）的212個測站暴雨，24 h雨量最大為于都縣沙心261.5 mm；1 h雨量最大在瑞金市九堡鎮(zhèn)，為80 mm。

此外，過程中還伴隨著強(qiáng)雷電現(xiàn)象，總閃次數(shù)5 100次。過程共造成贛州市9個縣（市、區(qū)）87個鄉(xiāng)鎮(zhèn)516 661人受災(zāi)，轉(zhuǎn)移89 064人，農(nóng)作物受災(zāi)面積28 826.2 hm2，倒塌房屋707間。共造成直接經(jīng)濟(jì)損失123 189.42萬元。

1.2 資料概述

閃電監(jiān)測資料來源于江西省雷電監(jiān)測網(wǎng)，包含雷擊發(fā)生的時間（精確到毫秒）、經(jīng)緯度、雷電流強(qiáng)度、回?fù)舻牟^陡度等參數(shù)。剔除雷電流幅值＜2 kA的和＞200 kA的數(shù)據(jù)，剔除高度為0 km的云閃數(shù)據(jù)。

雷達(dá)資料來自贛州市氣象局設(shè)置于市郊馬祖巖的SC波段多普勒天氣雷達(dá)，可對強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報。此次使用雷達(dá)回波基數(shù)據(jù)，基數(shù)據(jù)是雷達(dá)1個體掃6 min內(nèi)的信息。

衛(wèi)星云頂溫度CTT數(shù)據(jù)資料來自中國的風(fēng)云四號衛(wèi)星（FY-4A），是掃描成像儀的一級產(chǎn)品，用程序截取贛州市范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并生成為格點(diǎn)數(shù)據(jù)文件。

地面氣象觀測站資料來自贛州市地面自動氣象觀測網(wǎng)，全市共17個國家基本氣象站和260個自動氣象站，能實(shí)時觀測溫度、氣壓、相對濕度以及地面風(fēng)速等地面氣象要素。

1.3 天氣背景

1.3.1 天氣圖分析 由2019年7月13日08：00、7月13日20：00、7月14日08：00 3個時次高低空實(shí)況場可看出，200 hPa上可見喇叭口式的環(huán)流，贛州上空存在著強(qiáng)輻散氣流，有利于上升運(yùn)動的持續(xù)發(fā)展；500 hPa上南支槽位于廣西崇左、南寧到貴州銅仁一帶，贛州位于南支槽前的西南氣流，有利于低層西南氣流加強(qiáng)和槽前天氣尺度抬升；700 hPa切變線南壓至贛中北一帶，疊加上低空西南急流，為大范圍天氣尺度強(qiáng)降雨的發(fā)展提供有利的水汽和熱量輸送，急流出口區(qū)較強(qiáng)的風(fēng)速輻合為天氣尺度強(qiáng)降雨的發(fā)展提供了天氣尺度抬升；如此低層輻合、高層輻散的配置極其有利于對流的發(fā)展和持續(xù)。

1.3.2 探空資料分析 從2019年7月13日20：00贛縣站探空圖資料來看（圖1），低層水汽充足，抬升凝結(jié)高度低，云底以下蒸發(fā)層淺薄，實(shí)際對流有效凝結(jié)率高，存在弱垂直風(fēng)切變、低的抬升凝結(jié)高度、一定強(qiáng)度的CAPE、低層較高水汽含量并且飽和，有利于低質(zhì)心熱帶對流形成的環(huán)境特征，降水效率高。

2 閃電與多尺度資料對比分析

2.1 閃電資料分析

此次強(qiáng)降水天氣過程持續(xù)時間較長，2019年7月14日01：00～09：00（圖2），共監(jiān)測到地閃3 619次、云閃1 481次。地閃中，正地閃356次，負(fù)地閃3 263次，平均閃電強(qiáng)度為31.8 kA。云閃的平均高度為4.15 km，與雷達(dá)回波40 dBz反射率高度較一致。

贛州01：00出現(xiàn)地閃，03：10達(dá)到第一波峰值，持續(xù)30 min左右，地閃頻次減少，而后04：40再次達(dá)到峰值期間，07：00之后地閃頻次逐步減少，至09：00贛州市范圍內(nèi)總體無閃電密集區(qū)，此次強(qiáng)降水過程基本結(jié)束。

2.2 雷達(dá)資料分析

此次強(qiáng)降水天氣的雷達(dá)回波是不斷發(fā)展并自西向東移動的多個單體。從雷達(dá)回波反射率的時間演變來看，最開始是在崇義境內(nèi)出現(xiàn)對流單體。在初生階段，40 dBz回波反射率高度達(dá)4.5 km左右，回波強(qiáng)度最強(qiáng)集中在天線仰角2.4°，1～2 km范圍內(nèi)，說明對流層底部和質(zhì)心較低，02：30左右，從崇義西側(cè)開始向西南方向發(fā)生發(fā)展，02：55壯大到回波強(qiáng)度面積擴(kuò)大，回波形態(tài)緊湊并開始緩慢移動。此時，40 dBz回波反射率高度為4.5 km，04：30崇義北側(cè)又生長出1個對流單體，期間單體不斷補(bǔ)充生長。瑞金、于都的對流單體從02：44開始發(fā)展壯大，都是明顯的低質(zhì)心的回波單體，40 dBz回波反射率高度約為4.0 km；03：01，瑞金和于都的2個單體合并，03：24于都站處達(dá)到鼎盛，最大回波反射率為55 dBz，40 dBz反射率高度達(dá)到4.0 km；04：16，崇義、于都、瑞金的對流單體匯聚一起，形成一條自西向東分布的帶狀回波，回波少動，一直持續(xù)至07：05 崇義站回波先開始變得松散，07：43瑞金、寧都一帶形成1個片狀回波，瑞金回波強(qiáng)度有所增強(qiáng)，40 dBz高度5.1 km，最強(qiáng)回波54 dBz，直至09：11回波變?nèi)酰Y(jié)構(gòu)松散。

2.3 閃電與雷達(dá)資料對比分析

將雷達(dá)觀測時刻及其前后3 min閃電疊加在回波的組合反射率上，更好地探尋雷達(dá)和閃電與地面氣象要素之間的演變關(guān)系。對比分析過程中前、后時次的雷達(dá)和閃電疊加圖（圖3）看出，負(fù)地閃密集區(qū)在回波組合反射率最高的地方或者是回波移動前進(jìn)方向，正閃跟負(fù)閃分布位置一致，且主要分布在回波移動前進(jìn)方向，弱回波區(qū)正閃聚集的地點(diǎn)下一時次的雷達(dá)回波移動或者是回波強(qiáng)度得到增強(qiáng)。

2.4 閃電與氣象要素的對比分析

2.4.1 地閃頻數(shù)與降水時序變化對比

此次強(qiáng)對流天氣以短時強(qiáng)降水為主要特征，已有研究對地閃頻次變化與降水進(jìn)行過分析，認(rèn)為閃電活動可以作為對流強(qiáng)弱的指示器。對此次強(qiáng)降水最為顯著的3個國家基本站崇義、于都、瑞金疊加其周圍10 km范圍內(nèi)每5 min的閃電頻次跟對應(yīng)時間段降水量（5 min雨強(qiáng)）比對分析（圖4），可見閃電頻次的峰值領(lǐng)先降水量峰值，閃電的活動減弱預(yù)示著短時強(qiáng)降水的降水強(qiáng)度即將減弱。

2.4.2 地閃分布與降水密集區(qū)對比分析 此次強(qiáng)降水過程雨帶自西南向東北移動，期間有西部崇義、瑞金2個強(qiáng)降水中心，從過程累積閃電分布和降水量分布來看（圖5），閃電密集區(qū)跟降水量密集區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系，負(fù)閃個數(shù)越多、越密集的地方，降水強(qiáng)度越大，在降水量少的邊緣側(cè)分布著正閃電。

通過小時降水量分布和地閃落區(qū)疊加分析（圖6）可以看到，地閃的落區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)域吻合度較好，二者的相關(guān)性較為明顯。

2.5 閃電與衛(wèi)星云頂溫度資料的對比分析

基于FY-4A衛(wèi)星觀測的CTT資料與閃電對比分析，發(fā)現(xiàn)閃電主要分布在云頂溫度最低區(qū)域的外側(cè)，出現(xiàn)在云頂溫度低于-50 ℃左右的區(qū)域（圖7），云頂溫度最低值是對流發(fā)展最為旺盛的區(qū)域，發(fā)生短時強(qiáng)降水的區(qū)域與之有較好的對應(yīng)性。03：23云頂溫度較上一時刻來說，崇義上方云頂溫度降低，瑞金上方的云頂溫度是升高的，說明此階段崇義對流在發(fā)展，云頂高度在上升，云內(nèi)對流強(qiáng)度在加強(qiáng)，瑞金上方是減弱的，此刻地面降水情況來說，崇義降水強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，從1.2 mm/5 min逐漸增加到2.8、5.4、3.4、4.5、6.6 mm/5 min，瑞金的降水強(qiáng)度從峰值10.1 mm/5 min開始減弱為0.8、0.0 mm/5 min；04：17，崇義的云頂溫度已經(jīng)升高了，云頂溫度的低值區(qū)在于都上方，正往瑞金方向發(fā)展，此時地面降水情況是崇義保持著5分鐘1.2 mm的降水強(qiáng)度，于都站的降水量正在增強(qiáng)至峰值，瑞金無降水。05：34，崇義、于都、瑞金上方最低云頂溫度的區(qū)域變小，但次低值區(qū)（～60 ℃）區(qū)域面積變大，此時地面降水情況瑞金的降水從之前的減弱開始再次增強(qiáng)，崇義的降水強(qiáng)度保持在平均為1.2 mm/5 min，于都的降水從1.2 mm/ 5min減弱為0.2 mm/5 min；05：53，云頂溫度低值區(qū)面積收窄，低值區(qū)值升高，預(yù)示此階段降水區(qū)域減弱，而后地面3個站06：10開始降水減弱為平均0.8 mm/5 min。云頂溫度低值區(qū)的面積和數(shù)值大小的變化能較好預(yù)示著地面降水的變化，結(jié)合閃電頻次，能更好地指示強(qiáng)對流的發(fā)展與消亡。

3 結(jié)論

通過對此次強(qiáng)降水天氣的閃電特征和多尺度資料對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）此次強(qiáng)降水過程從時空分布上來看非常集中，天氣尺度環(huán)境場呈現(xiàn)低空較強(qiáng)風(fēng)速輻合加上高空強(qiáng)輻散氣流，各層配置非常利于天氣尺度強(qiáng)降雨的發(fā)展；探空資料表明：低的抬升凝結(jié)高度加上云底以下蒸發(fā)層淺薄導(dǎo)致實(shí)際對流有效凝結(jié)率高。

雷雨天氣過程，地閃持續(xù)時間長，負(fù)地閃占絕對優(yōu)勢，閃電強(qiáng)度較大，云閃的平均高度與雷達(dá)回波40 dBz較好地對應(yīng)。

地閃分布與雷達(dá)回波組合反射率對比，負(fù)閃多出現(xiàn)在強(qiáng)回波移動方向的前方，能夠較好指示回波運(yùn)動方向。

地閃的落區(qū)與強(qiáng)降水分布在空間上的對應(yīng)較好，從時間上對比分析發(fā)現(xiàn)閃電頻次峰值領(lǐng)先于降水量峰值。

閃電主要分布在云頂溫度最低區(qū)域的外側(cè)，出現(xiàn)在云頂溫度低于-50 ℃左右的區(qū)域，云頂溫度最低值是對流發(fā)展最為旺盛的區(qū)域，云頂溫度低值區(qū)的面積大小和數(shù)值大小往往預(yù)示著地面降水的強(qiáng)度的變化。

參考文獻(xiàn)

[1] Qie X S， Zhang Y J， Yuan Tie， et al. A review of atmospheric electricity research in China[J]. Advances in Atmospheric Sciences， 2015， 32（2）： 169-191.

[2] 馮桂力，郄秀書，周筠珺.一次中尺度對流系統(tǒng)的閃電演變特征[J].高原氣象， 2006（2）：220-228.

[3] 張騰飛，段旭，張杰，等.云南強(qiáng)對流暴雨的閃電和雷達(dá)回波特征及相關(guān)性[J].熱帶氣象學(xué)報，2011，27（3）：379-386.

[4] 楊超，肖穩(wěn)安，馮民學(xué)，等.強(qiáng)對流天氣雷達(dá)回波與閃電特征的個例分析[J].氣象科學(xué)，2009，29（3）：403-407.

[5] 李嘉，馬中元，鄭媛媛，等.一次強(qiáng)颮線過程多尺度回波系統(tǒng)特征分析[J].氣象科學(xué)，2022，42（5）：622-630.

[6] 陳雙，孫繼松，何立富.四川盆地不同落區(qū)的三次強(qiáng)降水過程多尺度特征分析[J].高原氣象，2022，41（5）：1190-1208.

[7] 王思懿.祁連山地區(qū)降水特征的觀測分析及兩類降水過程個例的數(shù)值模擬研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2022.

[8] 王芬，王文勇，李陽.黔西南短時強(qiáng)降水時空特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2018，12（4）：45-51.

[9] 張煒，宗振濤.吉林地區(qū)“7·1-2”暴雨過程的多尺度特征及演變分析[J].氣象災(zāi)害防御，2018，25（2）：18-22，43.

[10] 丁和悅，韓英杰，郭志強(qiáng)，等.基于氣塊法的冀中回流東風(fēng)溫濕特征個例分析[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2022，12（5）：85-88.

[11] 楊若歐，張永莉，楊康權(quán).2020年8月中旬成都強(qiáng)降水過程的天氣學(xué)分析[J].成都信息工程大學(xué)學(xué)報，2022，37（3）： 325-332.

[12] 徐文嘉，胡文東，丁禹欽，等.成都地區(qū)一次極值大暴雨天氣過程成因初步分析[J].成都信息工程大學(xué)學(xué)報，2022，37 （3）：344-350.

[13] 陳文佳，張春桂，徐佳奧.閩東北暖區(qū)暴雨過程相當(dāng)黑體亮度溫度時空特征分析[J].海峽科學(xué)，2022（5）：8-13，33.

[14] 何錦屏，李雙雙，段克勤，等.面向事件過程的長江流域極端降水時空變化特征[J].長江流域資源與環(huán)境，2022，31（6）：1381-1392.

[15] 李典南，劉春艷，陳婷.冷平流強(qiáng)迫背景下攀枝花市一次雷暴過程綜合分析[J].高原山地氣象研究，2022，42（2）：113-119.

[16] 楊金紅，郭建俠，王佳，等.雷達(dá)氣候?qū)W分析方法在2020年汛期強(qiáng)降水中的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器，2022，39（2）：86-89.

[17] 張鎮(zhèn)來，陳鮑發(fā)，余俊杰.江西暴雨的氣候特點(diǎn)及典型強(qiáng)降水特征分析[J].江西科學(xué)，2022，40（3）：528-532，550.

[18] 馬素艷，高晶，李一平，等.2020年內(nèi)蒙古東南部一次特大暴雪伴凍雨災(zāi)害天氣特征分析[J].氣象科技，2022，50（3）： 380-389.

Lightning Characteristics and Multiscale Data Analysis of A Heavy Rainfall Process in Ganzhou

Liao Ying-nan （Ganzhou Meteorological Bureau， Ganzhou， Jiangxi 341000）

Abstract In order to explore the correlation between lightning activity and meteorological elements，? combined 3D lightning location data， radar data， cloud top temperature data of FY-4 satellite and ground meteorological observation station data to conduct a multi-scale analysis of the heavy rainfall weather process that occurred in Ganzhou City on July 14， 2019. The results indicated that negative ground flashes dominate during heavy rainfall weather processes， while an increase in positive ground flashes indicated the dissipation stage of the process; The precipitation distribution was more consistent with the lightning density distribution. The lightning frequency peak was ahead of the precipitation peak， and the negative flash mostly appears in front of the strong echo moving direction， indicating the echo moving direction; There was a good corresponding relationship between lightning activity and changes in the intensity of ground precipitation， combined with changes in low cloud top temperature areas.

Key words Heavy precipitation; Lightning; Radar; CTT