摘要：利用安裝于廣州塔塔頂500m 的大氣電場儀（簡稱電場）數(shù)據(jù)、廣州雙偏振雷達(dá)資料、粵港澳閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)和 ERA5再分析資料等數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了2020年8月15日和9月23日廣州兩次雷暴天氣過程的地閃活動(dòng)特征以及地閃活動(dòng)與電場變化特征的關(guān)系。結(jié)果表明：由局地?zé)崃Σ环€(wěn)定引起的“局地性雷暴”地閃頻次低、伴隨弱降水，而由中尺度系統(tǒng)引發(fā)的“系統(tǒng)性雷暴”地閃頻次高、伴隨短時(shí)強(qiáng)降水。兩次過程的地閃頻次和電場變化呈雙峰分布，地閃爆發(fā)時(shí)電場變化顯著，頻域能量達(dá)到峰值?！跋到y(tǒng)性雷暴”的消亡階段電場在正負(fù)極之間大幅度緩慢波動(dòng)，呈現(xiàn)阻尼振蕩（End Of Storm-Oscillation，EOSO）特征，而“局地性雷暴”消亡時(shí)電場未出現(xiàn)此特征。時(shí)域下電場劇烈變化和頻域能量明顯提高時(shí)，意味著雷暴云團(tuán)正在靠近或附近有閃電發(fā)生；電場頻域能量迅速減小且集中于低頻段，表明雷暴正在消亡或遠(yuǎn)離測(cè)站。電場的時(shí)頻特征對(duì)雷暴的生消具有指示性作用，為電場數(shù)據(jù)與其他資料融合應(yīng)用于雷電風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警予以參考。

關(guān)鍵詞：地閃活動(dòng)；大氣電場；頻域能量；雷達(dá)回波

中圖法分類號(hào)：P427.3" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" DOI：10.12406/byzh.2021-115

Comparative analysis of characteristics of ground lightning and atmosphericelectric field of two thunderstorm processes in Guangzhou

FANG Qiaoxian1， YIN Qiyuan1，5， LI Xiang2， DU Sai3， FAN Xiangpeng4

（1. Guangdong Climate Center， Guangzhou 510640;2. Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province，Haikou 570206;3. Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225;4. Guangzhou Instituteof Tropical and Marine Meteorogy， CMA， Guangzhou 510080;5. State Key Laboratory of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081）

Abstract： Based on the data from an atmospheric electric field （AEF） meter at 500 m from the top of Canton Tower， dual-polarimetric radar in Guangzhou， Guangdong-Hong Kong-Macao lightning location system and ERA5 reanalysis data， this study comparatively investigates the characteristics of cloud-to-ground lightning （CG） activity and the relationship between CG activity and variation features of AEF in two thun- derstorms in Guangzhou on August 15 and September 23， 2020. The results show that the“l(fā)ocalThunderstorm”caused by local thermal in- stability possesses is associated with less lightning frequency and weaker precipitation， while the“systematicThunderstorm”caused by me- soscale system possesses is associated with higher lightning frequency and short-term heavy precipitation. The lightning frequency and varia- tion of AEF in the two thunderstorm processes display the distributions with two peaks， and the peak of AEF variability and time-frequency domain energy correspond well to the lightning outbreak stage. In the decay of“systematicThunderstorm”，AEF fluctuates greatly and slowly between the positive and negative poles for a relatively long time， showing the characteristic of End of Storm-Oscillation （EOSO）. However， such a characteristic of the oscillation of AEF does not occur in the decay of the“l(fā)ocalThunderstorm”.The lightning often comes soon， when the AEF variability and time-frequency domain energy increase significantly. The thunderstorm is often dying out or moving away from the station， when the time-frequency domain energy decreases significantly and concentrates in the low frequency band. The variation character- istics of AEF in time domain and frequency domain play an indicative role in the occurrence and dissipation of thunderstorm. This can beconsidered as a reference for converged application of the atmospheric electric field data with other data in lightning risk early warning. Key words： cloud-to-ground lightning activities; atmospheric electric field; time-frequency domain energy; radar reflectivity

引言

廣州地區(qū)雷暴天氣發(fā)生頻繁，且具有活動(dòng)期長、突發(fā)性強(qiáng)、強(qiáng)度大、致災(zāi)重等特點(diǎn)（殷啟元等，2019）。雷暴云的電荷分布一般呈現(xiàn)偶極性或三級(jí)性結(jié)構(gòu)特征，大氣電場的變化可以反映雷暴云中的電荷發(fā)生發(fā)展過程以及電荷的分布結(jié)構(gòu)（Wilson，1916；Simpson and ORbinson，1937；Stolzenburg et al.，1998）。雷暴云經(jīng)過測(cè)站時(shí)，大氣電場變化劇烈，雷暴的起始、發(fā)展、結(jié)束階段電場變化明顯（Goled，1977；陳謂民，2003；許小峰，2004；劉暢等，2016；楊美榮，2020），且在消亡階段出現(xiàn)阻尼振蕩（End Of Storm-Oscillation，EOSO）的現(xiàn)象（MacGorman and Rust，1998；Zeng et al.，2013）。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者建立基于大氣電場監(jiān)測(cè)的閃電定位和臨近預(yù)警模型。Arangurena等（2009）發(fā)現(xiàn)電場數(shù)據(jù)發(fā)生首次極性反轉(zhuǎn)能有效地預(yù)測(cè)閃電的發(fā)生。 Zeng等（2013）綜合利用地面大氣電場、閃電定位數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)開展首次地閃（Cloud-to-Ground lightning， CG）預(yù)報(bào)。行鴻彥等（2017）基于大氣電場的振蕩特征建立了雷暴臨近預(yù)警模型。余蓉等（2014）融合了大氣電場儀、閃電定位儀、雷達(dá)等多種探測(cè)數(shù)據(jù)，開發(fā)了武漢市油氣庫雷電預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。熊宇等（2015）利用雷達(dá)和閃電定位資料，建立了一種雷電臨近預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)輸電線路的雷擊臨近預(yù)警。章爾震等（2019）綜合利用電場強(qiáng)度閾值和電場極性跳變兩個(gè)參數(shù)開展雷電預(yù)警，該方法可小幅提高預(yù)警有效性。Jana和 Mai- tra （2019）的研究結(jié)果表明對(duì)流發(fā)生前的大氣電場的變化與即將發(fā)生的累積降水量呈線性相關(guān)，大氣電場的變化對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生具有很好的指示性作用。 Xing等（2019）基于三維大氣電場數(shù)據(jù)，提出了一種雷暴云定位算法，Yang等（2021）在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，不僅實(shí)現(xiàn)雷暴云定位，還能實(shí)現(xiàn)雷暴云的實(shí)時(shí)追蹤，有助于提高雷暴云的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警水平。

受到周圍環(huán)境的影響，大氣電場的時(shí)域特征多變和復(fù)雜，以往研究較少對(duì)大氣電場的變化規(guī)律進(jìn)行全面分析，尤其是頻域下大氣電場特征的分析。李穎等（2013）利用傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）方法對(duì)近地面大氣電場數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析，發(fā)現(xiàn)雷暴和非雷暴天氣的大氣電場數(shù)據(jù)的幅度譜分布具有明顯差異，但該方法未能體現(xiàn)大氣電場頻域特征隨時(shí)間的變化。張義軍等（1998）的研究發(fā)現(xiàn)青藏高原東部地區(qū)不同降水過程的雷暴，地面電場特性不同，但僅限于時(shí)域下地面電場極性的對(duì)比。耿雪瑩等（2012）發(fā)現(xiàn)地面建筑物（群）對(duì)周圍大氣電場的分布存在較大影響，地面建筑物（群）對(duì)地面電場的屏蔽作用會(huì)影響大氣電場的測(cè)量。因此，采用來源于安裝在高建筑物頂部的大氣電場儀的大氣電場數(shù)據(jù)，可以克服地面建筑物（群）對(duì)大氣電場的屏蔽作用。為了更好地分析不同類型雷暴天氣的大氣電場的特征，本文基于大氣電場數(shù)據(jù)，結(jié)合廣州雙偏振雷達(dá)資料、粵港澳閃電定位數(shù)據(jù)、ERA5再分析資料以及探空數(shù)據(jù)等，對(duì)比分析2020年8月15日和9月23日廣州兩次雷暴天氣過程，探討不同雷暴過程的地閃活動(dòng)特征，以及地閃活動(dòng)與時(shí)域和頻域下的大氣電場變化特征的關(guān)系，增強(qiáng)不同類型雷暴過程大氣電場變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為大氣電場資料與其他資料融合應(yīng)用于雷電預(yù)警預(yù)報(bào)提供參考。

1數(shù)據(jù)說明

1.1大氣電場數(shù)據(jù)

廣州塔（113°19'9″E，23°6'33″N）建造于2009年，塔身主體高度454 m，天線桅桿高146 m，總高度600 m，為中國第一高塔。一部基于微機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectro- Mechanical Systems，MEMS）的大氣電場儀安裝于廣州塔塔頂500 m 高度，其探測(cè)距離為20 km ，能夠滿足對(duì)雷暴天氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（楊鵬飛等，2016），利用該電場儀探測(cè)的時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)可有效監(jiān)測(cè)雷暴天氣過程的大氣電場特征。數(shù)據(jù)時(shí)間段為2020年8月15日08∶00—16∶00（北京時(shí)，下同）和9月23日13∶00—21∶00。為了便于分析，下文將大氣電場簡稱電場，大氣電場儀安裝所在地簡稱測(cè)站。

1.2雷達(dá)數(shù)據(jù)

雷達(dá)資料來源于廣州番禺CINRAD/SA，該雷達(dá)為新一代多普勒天氣雷達(dá)，所在地海拔高度為180.3 m，其最大探測(cè)距離半徑為460 km （黃駿和胡東明，2002），水平空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率6 min （張羽等，2018）。文中采用雷達(dá)組合反射率因子（Composite Re- flectivity，RC）資料，數(shù)據(jù)時(shí)間與電場數(shù)據(jù)時(shí)間一致。

1.3閃電定位數(shù)據(jù)

閃電定位資料來源于粵港澳閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2005年由廣東省、香港、澳門三地氣象部門共同組建。截止2018年，共有19個(gè)探測(cè)子站，均采用Vais- ala公司的 LS-700X系列探頭。粵港澳閃電定位系統(tǒng)采用時(shí)差-方向綜合定位方法，探測(cè)參量包括閃電放電事件的GPS時(shí)間、經(jīng)緯度、強(qiáng)度、云閃/地閃識(shí)別和極性等。陳綠文等（2020）評(píng)估了粵港澳閃電定位系統(tǒng)對(duì)高建筑物的探測(cè)性能，發(fā)現(xiàn)粵港澳閃電定位系統(tǒng)的閃電探測(cè)效率和回?fù)籼綔y(cè)效率均為93%，探測(cè)精度可達(dá)到300 m以內(nèi)。本文分別統(tǒng)計(jì)了全閃和地閃的分布特征，發(fā)現(xiàn)全閃回?fù)纛l次隨時(shí)間的變化特征、空間分布特征均與地閃的相似（圖略）。此外，由于粵港澳閃電定位系統(tǒng)主要針對(duì)地閃探測(cè)，云閃探測(cè)效率較低；且考慮到廣州塔建筑物較高，容易接閃，一般會(huì)探測(cè)為地閃。因此本研究只分析地閃的特征，采用地閃數(shù)據(jù)時(shí)間與電場數(shù)據(jù)時(shí)間一致。

1.4其它氣象數(shù)據(jù)

使用的其它氣象數(shù)據(jù)包括：2020年8月15日和2020年9月23日的ERA5再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°；2020年8月15日08∶00和2020年9月23日08∶00的香港站（45004）探空數(shù)據(jù)；廣州加密地面氣象自動(dòng)站監(jiān)測(cè)的2020年8月15日08∶00—20∶00和2020年9月23日08∶00—20∶00的降水資料。

2研究方法

不同雷暴天氣的電場波形不同，且受大氣電場儀安裝位置與雷電發(fā)生地點(diǎn)的距離大小的影響。在時(shí)域信號(hào)中，所能體現(xiàn)的原始信號(hào)的信息是有限的。短時(shí)傅里葉變換（Short-Time Fourier Transform，STFT），是一種有效的時(shí)頻分析方法，能同時(shí)得到信號(hào)的頻域信息和時(shí)域特征。

短時(shí)傅里葉變換的基本思想是，在傳統(tǒng)傅里葉變換的框架中，將非平穩(wěn)信號(hào)看作是一系列短時(shí)平穩(wěn)信號(hào)的疊加，而短時(shí)性是通過時(shí)域上的加窗來完成的。通過平移參數(shù)τ來覆蓋整個(gè)時(shí)域。定義非平穩(wěn)信號(hào)xtL2（R），信號(hào)xt的短時(shí)傅里葉變換（xSTFT）定義為

其中，t和ω分別表示時(shí)間和頻率，h（t）為窗函數(shù)，時(shí)間t 隨著窗函數(shù)在整個(gè)區(qū)間上的滑動(dòng)，可獲得信號(hào)xt在 t 附近區(qū)域上對(duì)應(yīng)的頻譜，可見窗函數(shù)的作用是為了獲取信號(hào)的時(shí)間屬性。傅里葉變換（xFFT）為

在實(shí)際處理離散信號(hào)中，式（1）中的積分退化為求和，即

式（3）中，x（m）表示 m 時(shí)刻的電場，m 控制了窗口的滑動(dòng)。本研究采用窗函數(shù)為矩形窗，時(shí)間窗 L 為6 min，采樣頻率為1 s。對(duì)于 STFT，其本質(zhì)是為了解決式（2）中對(duì)一段數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT后，僅能得到頻譜的問題。換句話說，經(jīng)過傅里葉變換，信號(hào)失去了時(shí)間維度。因此，本次研究采用 STFT 分析電場特征。首先采用矩形窗對(duì)電場進(jìn)行分割，并對(duì)窗內(nèi)的電場進(jìn)行傅里葉變換。經(jīng)過多次窗函數(shù)的平移，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電場的時(shí)頻局域性分析。時(shí)域上，通過電場波形特征進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)電場波動(dòng)的劇烈程度開展分析。由于時(shí)域下電場波形無法量化，為了彌補(bǔ)此缺點(diǎn)，本研究在頻域上引入小波能量譜分析方法，將電場從時(shí)域向頻域特征研究，調(diào)和了時(shí)域和頻域的矛盾。

3大氣環(huán)流背景

2020年8月15日廣州市出現(xiàn)局地雷暴天氣過程，伴有閃電和較弱降水，主要發(fā)生在8月15日09∶00—16∶00（以下簡稱“8·15”過程）。O’Brien等（2016）提出的一種核密度估計(jì)方法可以估算地閃的概率分布。從圖1a 可見，地閃的核密度估計(jì)較小，過程降水量也較小，除了距離測(cè)站較遠(yuǎn)的2個(gè)站點(diǎn)12 h 累積降水量達(dá)到50 mm 以外，其余站點(diǎn)均低于50 mm?！?·15”過程發(fā)生前，當(dāng)日08∶00廣州地區(qū)上空500 hPa受到較弱的偏東風(fēng)影響（圖略），700 hPa和850 hPa廣州地區(qū)盛行一致的偏南風(fēng)（圖略），中高層廣州地區(qū)存在較弱的風(fēng)速輻散（圖略）；從低層來看，廣州受到偏南風(fēng)控制，風(fēng)速較?。▓D1a），但存在弱的風(fēng)速輻合，相對(duì)渦度較?。▓D1b），動(dòng)力抬升較弱。在10∶00左右地閃發(fā)生時(shí)，雖然廣州地區(qū)比濕達(dá)到16 g·kg-1，但低層存在較弱的輻散（圖略），不利于水汽聚集和對(duì)流的維持與發(fā)展。從熱力條件來看，香港站探空資料（圖1c）顯示，當(dāng)日08∶00的濕層較薄，但對(duì)流有效位能（Convective Available Potential Energy， CAPE）高達(dá)2739.2 J·kg-1，對(duì)流抑制能量（Convective Inhibition， CIN）僅為-5.7 J·kg-1，K指數(shù)異常偏強(qiáng)（46.8℃），廣州地區(qū)處于顯著的不穩(wěn)定狀態(tài)。即使低層（0—1 km）的垂直風(fēng)切變較弱，但由于抬升凝結(jié)高度（Lifting Condensa-tion Level，LCL）較低（為953 m），較弱抬升即可觸發(fā)對(duì)流，有利于雷暴的發(fā)生發(fā)展（Brooks et al.， 2003）。俞小鼎等（2012）指出，雷暴的發(fā)生需要垂直層結(jié)不穩(wěn)定（靜力不穩(wěn)定）、水汽和抬升觸發(fā)3個(gè)條件。“8·15”過程雖然具有較大的不穩(wěn)定能量，但動(dòng)力抬升較弱，濕層較薄，屬于弱風(fēng)速輻合強(qiáng)迫下的局地?zé)崃Σ环€(wěn)定導(dǎo)致的“局地性雷暴”，對(duì)流較弱，地閃較少，伴隨較弱降水。

2020年9月23日廣州出現(xiàn)較大范圍的強(qiáng)雷暴和短時(shí)強(qiáng)降水天氣，主要發(fā)生在當(dāng)日14∶00—19∶00（以下簡稱“9·23”過程）。從圖2a可見，此次過程地閃的核密度估計(jì)較大，降水強(qiáng)度大，最大小時(shí)降水量為83.7 mm （溫泉鎮(zhèn)17∶00—18∶00），大部分站點(diǎn)12 h累積降水量達(dá)到暴雨到大暴雨級(jí)別，其中共38站次大于50 mm，3站次大于100 mm?！?·23”過程發(fā)生前至地閃爆發(fā)期間（08∶00—16∶00），500 hPa和700 hPa廣州受到副熱帶高壓西側(cè)的西南氣流控制（圖略）；850 hPa上位于湖南東部至廣西地區(qū)的西南風(fēng)與西北風(fēng)的切變線東移南壓（圖略），切變線南側(cè)的西南暖濕氣流源源不斷地向廣州輸送不穩(wěn)定能量和水汽。16∶00925 hPa切變線過境（圖2a），廣州位于偏南風(fēng)和偏北風(fēng)的輻合區(qū)，同時(shí)受到正相對(duì)渦度控制且存在明顯的濕舌，比濕高達(dá)17.6 g·kg-1（圖2b），有利于局地強(qiáng)降水的發(fā)生；同時(shí)500 hPa廣州上空為輻散區(qū)（圖略），有利于上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)和水汽輸送?？梢姡?·23”過程發(fā)生在中尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫環(huán)境下。從 T-logp圖（圖2c）來看，9月23日08∶00850 hPa以下為濕層，600 hPa以上溫度露點(diǎn)差較大，上干下濕的層結(jié)特征有利于強(qiáng)雷電的發(fā)生（丁一匯，2005；雷蕾等，2011；孫明生等，2012；孫繼松等，2014；鄭永光等，2017）。雷暴開始發(fā)生前，對(duì)流有效位能CAPE較大（為836 J·kg-1），CIN僅為-6.2 J·kg-1，且對(duì)流有效位能形態(tài)表現(xiàn)為“狹長型”，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生（李琴和鄧承之，2021）。K指數(shù)為46.5℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。此外，抬升凝結(jié)高度低（為940 m），且低層（0—1 km）具有明顯的垂直風(fēng)切變。動(dòng)力條件和熱力條件均有利于雷暴的發(fā)生發(fā)展。因此，“9·23”過程對(duì)流較強(qiáng)，地閃密集，伴隨短時(shí)強(qiáng)降水，是中尺度系統(tǒng)過境引起的“系統(tǒng)性雷暴”。

4閃電活動(dòng)特征

根據(jù)粵港澳閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，“8·15”過程共發(fā)生地閃339次，其中負(fù)地閃308次，正地閃31次，負(fù)地閃占總地閃的90.8%；“9·23”過程共發(fā)生地閃994次，其中負(fù)地閃754次，正地閃240次，負(fù)地閃占總地閃的75.8%。圖3是兩次雷暴過程的地閃回?fù)纛l次隨時(shí)間的演變，兩次雷暴過程地閃回?fù)纛l次均表現(xiàn)出明顯的雙峰分布，即存在兩個(gè)地閃活躍階段?！?·15”過程第一階段（T1-1）地閃集中發(fā)生于09∶54—11∶12，第二階段（T1-2）集中發(fā)生于12∶00—13∶30（圖3a）；“9·23”過程第一階段（T2-1）集中發(fā)生于14∶30—15∶00，第二階段（T2-2）集中發(fā)生于15∶30—18∶00（圖3b）。其中，“9·23”過程最大地閃峰值出現(xiàn)在16∶30，地閃頻次高達(dá)102 fl·（6 min）-1（圖3b），而“8·15”過程最大地閃頻次僅為32 fl·（6 min）-1，出現(xiàn)在13∶30（圖3a）。

從地閃的空間分布（圖4）來看，“8·15”過程的地閃分布范圍較小，第一階段有一部分地閃發(fā)生于測(cè)站北側(cè)的10 km范圍內(nèi)，地閃回?fù)粑恢门c測(cè)站較近，一部分地閃發(fā)生于測(cè)站西南部的10～20 km范圍內(nèi)（圖4a）；第二階段大部分地閃集中位于測(cè)站東南方向10～20 km區(qū)域（圖4b）?！?·23”過程第一階段地閃主要位于測(cè)站東南部10～20 km處，地閃頻次較少，少量地閃發(fā)生于測(cè)站東北部10 km處（圖4c）；第二階段地閃頻次明顯偏多，集中于測(cè)站西北部和南部，地閃非常密集（圖4d），意味著第二階段的對(duì)流發(fā)展旺盛。

兩次雷暴過程的閃電活動(dòng)均以負(fù)地閃為主，均呈雙峰分布，均存在兩個(gè)地閃活躍階段，但也存在一些不同。“8·15”過程地閃頻次較低，兩個(gè)階段的地閃頻次大致相當(dāng)，但第二階段的地閃發(fā)生位置距離測(cè)站較遠(yuǎn)?！?·23”過程地閃頻次明顯高于“8·15”過程，且正地閃的比例相對(duì)較高，地閃集中發(fā)生于第二階段。

5 電場時(shí)頻特征

電場的變化與雷暴云的發(fā)展演變緊密相關(guān)。閃電一般伴隨雷暴云的發(fā)生、發(fā)展及消亡，在雷暴的不同發(fā)展階段，電場具有不同的變化特征。本文所分析的“8·15”過程和“9·23”過程電場變化時(shí)域特征如圖5。分析可知，與圖3的地閃頻次分布相對(duì)應(yīng)，兩次過程的電場都有兩個(gè)變化顯著的階段，因此根據(jù)圖3中兩個(gè)地閃活躍階段：“8·15”過程分為T1-1和T1-2，“9·23”過程分為T2-1和T2-2，分析電場的時(shí)頻特征。總體上看，“9·23”過程的電場（圖5b）波動(dòng)程度比“8·15”過程（圖5a）顯著，正如圖5b的總體地閃回?fù)纛l次也要強(qiáng)于圖5a，這也符合前人對(duì)于電場表征雷暴活動(dòng)程度的認(rèn)識(shí)。但是，僅從圖5中無法提前預(yù)判雷暴的起始、間歇與消亡時(shí)刻。下面基于雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，結(jié)合地閃活動(dòng)，依托時(shí)頻域特征分析，開展兩次過程的雷暴演變和移動(dòng)對(duì)電場變化的影響。

5.1“8.15”過程

“8·15”過程的雷達(dá)回波演變圖（圖6）顯示了此次過程兩個(gè)地閃活躍階段雷暴的生成、成熟和消散特征。第一階段（T1-1）主要由雷暴云團(tuán)M和雷暴云團(tuán)N 共同影響（圖6a—e）。圖6a、b為第一階段的雷暴生成時(shí)期，雷暴云團(tuán)M1和M2生成并發(fā)展增強(qiáng)，09∶30合并形成雷暴云團(tuán)M，最大回波強(qiáng)度為55 dBz，且位于測(cè)站20 km范圍內(nèi)（圖6b），此時(shí)電場變化幅度不明顯（圖5a），能量較弱（圖7）。09∶36—10∶30雷暴云團(tuán) M 發(fā)展成熟，最強(qiáng)雷達(dá)回波維持在60 dBz以上（圖6c、d），期間在09∶36出現(xiàn)首次地閃回?fù)簦▓D3a），電場相應(yīng)出現(xiàn)波動(dòng)，電場值稍微有所增大（圖5a），電場頻域能量（圖7）也有所增大。在地閃頻繁發(fā)生期間（09∶54—10∶30），電場波動(dòng)顯著（圖5a），電場頻域能量迅速增大，最大值甚至超過30 dB （圖7）。10∶54—11∶30雷達(dá)回波減弱至30 dBz以下，雷暴云團(tuán) M解體消亡，雖然此時(shí)測(cè)站西南方向20 km外新生成雷暴云團(tuán)N （圖6e），但由于距離較遠(yuǎn)，對(duì)測(cè)站不產(chǎn)生影響，但是圖5a相應(yīng)時(shí)刻可見電場依然處于10 kV·m-1以上，無法精準(zhǔn)表征所關(guān)注雷暴的活躍情況。圖7頻域能量此刻基本接近0 dB，能夠反映雷暴正在消亡，無地閃活動(dòng)。因此，需要結(jié)合時(shí)域和頻域下的電場變化特征，分析雷暴的發(fā)生發(fā)展以及消亡的過程。第二階段（T2-1）主要由雷暴云團(tuán)F影響（圖6f—l）。在雷暴云團(tuán) F 發(fā)展初期（11：30—11：54），此時(shí)無地閃發(fā)生（圖3a、圖6f—h），為地閃活動(dòng)的間歇期，電場處于較長時(shí)間、小幅度的平穩(wěn)波動(dòng)（圖5a），電場頻域能量位于低頻段，能量很?。▓D7）。從雷暴云團(tuán) F首次發(fā)生地閃回?fù)?、發(fā)展成熟直至消亡期間，電場和電場頻域能量的變化特征與第一階段相同。但相對(duì)于第一階段，電場抖動(dòng)的劇烈程度和高頻段電場能量較小，最大僅為10 dB （圖7），主要原因是雷暴云團(tuán)F和其產(chǎn)生的地閃回?fù)粑恢镁嚯x測(cè)站較遠(yuǎn)（圖4b）。此外，在雷暴云團(tuán) F的消亡階段，電場未呈現(xiàn) EOSO振蕩特征，與以往的研究不同。所以，利用電場的EOSO振蕩現(xiàn)象來判斷雷暴預(yù)警解除是不準(zhǔn)確的。

“8·15”過程的兩個(gè)地閃活躍階段，電場表現(xiàn)出明顯的規(guī)律變化，即雷暴發(fā)展前期發(fā)生首次地閃回?fù)魰r(shí)，電場出現(xiàn)小幅波動(dòng)；到雷暴發(fā)展旺盛時(shí)期，地閃活躍，電場發(fā)生劇烈變化；雷暴消亡時(shí)，電場變化緩慢，逐漸恢復(fù)至雷暴發(fā)生前的狀態(tài)。另外，第一階段的地閃回?fù)纛l次小于第二階段，但第一階段的電場波動(dòng)較顯著，電場頻域能量較大，高頻段的電場能量也明顯大于第二階段，這與地閃回?fù)粑恢煤蜏y(cè)站距離大小有關(guān)。

5.2“9·23”過程

“9·23”過程的雷達(dá)回波演變圖（圖8）顯示了此次過程兩個(gè)地閃活躍階段雷暴的生成、成熟和消散特征。從圖8可見，“9·23”過程第一階段（T2-1）主要受雷暴云團(tuán) A 影響（圖8a—f），第二階段（T2-2）主要受雷暴云團(tuán) B影響（圖8g—l），兩個(gè)地閃活躍階段的過渡期間同樣存在短暫的地閃活動(dòng)間歇期。隨著雷暴云團(tuán)的生成、發(fā)展到消亡，電場值和頻域能量相應(yīng)發(fā)生變化，尤其是地閃爆發(fā)時(shí)期，電場大幅度高頻次正負(fù)兩極之間交替跳變（圖5b），頻域能量達(dá)到最大，最大值30 dB以上（圖9），與“8·15”過程的電場變化基本一致，但“9·23”過程電場變化的劇烈程度（圖5b、圖9）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“8·15”過程，與高頻次的地閃活動(dòng)（圖3b）及地閃回?fù)粑恢镁嚯x測(cè)站更近（圖4d）有關(guān)。在雷暴云團(tuán)A的消亡階段（15∶00—15∶30），同時(shí)也是“9·23”過程的地閃活動(dòng)間歇期，測(cè)站電場由強(qiáng)正值迅速轉(zhuǎn)換為強(qiáng)負(fù)值，持續(xù)幾分鐘后，電場極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為電場的振蕩（圖5b），呈現(xiàn)短暫的EOSO現(xiàn)象，電場頻域能量也相應(yīng)減小至0 dB 附近（圖9）。同樣地，在雷暴云團(tuán)B消亡時(shí)期（18∶00—21∶00），電場趨向于正負(fù)兩極之間長時(shí)間、大幅度的平穩(wěn)波動(dòng)，也表現(xiàn)出明顯的EOSO振蕩特征（圖5b），電場頻域能量恢復(fù)于0（圖9）?！?·23”過程的兩個(gè)雷暴消亡階段，電場均呈現(xiàn)EOSO現(xiàn)象，這可能與雷暴云發(fā)展旺盛，伴隨短時(shí)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水將云下負(fù)電荷帶至云外，改變了雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)有關(guān)。

“9·23”過程的兩個(gè)地閃活躍階段，由于第二階段具有更高的地閃回?fù)纛l次，且有相當(dāng)數(shù)量的地閃回?fù)粑恢镁o挨測(cè)站，使得第二階段的電場具有更高的頻域能量，時(shí)域上變化更劇烈。

綜上，兩次雷暴過程的地閃頻次和電場變化均呈雙峰型分布，電場波動(dòng)大值和電場頻域能量高值發(fā)生時(shí)間與地閃爆發(fā)時(shí)段一致，地閃的發(fā)生使得電場發(fā)生顯著變化，同時(shí)高頻段的電場能量顯著增大。地閃活動(dòng)越活躍，回?fù)粑恢门c測(cè)站的距離越近，電場波動(dòng)越顯著，電場頻域能量越高。電場的波動(dòng)和頻域能量特征可以反映雷暴的生成、發(fā)展、間歇和消亡的過程以及雷暴云的移動(dòng)趨勢(shì)。由此可見，電場的時(shí)頻特征與地閃活動(dòng)密切相關(guān)。根據(jù)雷暴不同發(fā)展階段的電場變化特征，可以發(fā)現(xiàn)，在無地閃發(fā)生時(shí)電場變化緩慢，且電場頻域能量主要位于低頻段，能量接近于0 dB；電場頻域能量的變化可以很好地體現(xiàn)雷暴的間歇期；而當(dāng)有雷暴云團(tuán)正在靠近或附近的雷暴云團(tuán)首次發(fā)生地閃回?fù)?，電場開始出現(xiàn)波動(dòng)，頻域能量稍微增大；地閃爆發(fā)時(shí)，電場發(fā)生劇烈變化，頻域能量顯著增大。在雷暴消亡時(shí)電場變化緩慢，逐漸恢復(fù)到雷暴發(fā)生前的狀態(tài)。

兩次雷暴過程電場變化也表現(xiàn)出不同的特征?！跋到y(tǒng)性雷暴”（“9·23”過程）對(duì)流發(fā)展旺盛，地閃回?fù)纛l次更高，地閃分布范圍更廣，電場變化更顯著；在雷暴消亡階段電場發(fā)生EOSO振蕩，可能是由于強(qiáng)降水將云底負(fù)電荷帶至云外，使得雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯調(diào)整導(dǎo)致。“局地性雷暴”（“8·15”過程）對(duì)流較弱，地閃頻次較低，地閃分布范圍較小，電場變化相對(duì)緩和；在消亡階段電場小幅緩慢波動(dòng)，逐漸恢復(fù)至雷暴發(fā)生前的狀態(tài)，電場沒有出現(xiàn)EOSO現(xiàn)象。

6結(jié)論

利用安裝于廣州塔塔頂500 m高度的大氣電場儀數(shù)據(jù)，結(jié)合廣州雙偏振雷達(dá)資料、粵港澳閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、ERA5再分析資料以及探空數(shù)據(jù)等，對(duì)2020年廣州“8·15”和“9·23”兩次雷暴過程的地閃活動(dòng)特征及地閃活動(dòng)與電場變化特征的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）“8·15”過程由于動(dòng)力抬升較弱，濕層較薄，屬于弱風(fēng)速輻合強(qiáng)迫下的局地?zé)崃Σ环€(wěn)定引起“局地性雷暴”，具有對(duì)流弱、地閃頻次低、伴隨弱降水的特點(diǎn)；“9·23”過程是中尺度天氣系統(tǒng)過境，低層存在偏南風(fēng)和偏北風(fēng)的輻合，動(dòng)力抬升較強(qiáng)，使得不穩(wěn)定能量和水汽聚集于廣州而引起的“系統(tǒng)性雷暴”，具有對(duì)流強(qiáng)、地閃頻次高、伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的特點(diǎn)。

（2）兩次過程的地閃頻次和電場變化呈雙峰分布，電場頻域能量峰值與地閃爆發(fā)時(shí)段具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，無地閃發(fā)生時(shí)電場變化緩慢，地閃頻繁發(fā)生時(shí)電場波動(dòng)顯著；地閃回?fù)纛l次越高，回?fù)粑恢门c測(cè)站距離越近，電場變化越劇烈，電場頻域能量越大。

（3）“系統(tǒng)性雷暴”消亡階段的電場在正負(fù)兩極之間較長時(shí)間大幅緩慢波動(dòng)，呈現(xiàn)EOSO特征，可能與短時(shí)強(qiáng)降水將云底負(fù)電荷帶走，雷暴云的電荷結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整有關(guān)；而“局地性雷暴”的消亡階段電場未出現(xiàn) EOSO現(xiàn)象。

（4）電場在時(shí)域下發(fā)生明顯波動(dòng)，同時(shí)頻域能量明顯增大時(shí)，表明雷暴云正靠近測(cè)站或附近有閃電發(fā)生；在雷暴間歇期及消亡階段，電場平緩波動(dòng)，頻域能量集中于低頻段且接近于0；電場在時(shí)域和頻域下的變化特征對(duì)雷暴的生消具有指示意義。

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（責(zé)任編輯唐永蘭）