2. 中国科学院研究生院, 北京 100049;
3. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081;
4. 中国气象局监测网络司, 北京 100081
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
3. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081;
4. Department of Observation and Telecommunication, CMA, Beijing 100081
闪电资料应用主要集中在研究其与某些气象要素的联系, 进而对一些灾害性天气进行预测。Serge等[1]研究发现对于任何类型的闪电, 与降水在空间上都具有高度的一致性, 并且正地闪对应的降水量较负地闪高。Battan[2]则发现, 降水的增加对应地闪 (CG) 频率的增加。Sheridan等[3]在研究了美国中南部6个区域内云地闪活动后得到高正地闪百分比是每次地闪对应降水量的一个敏感参数的结论; 同时他们也发现中尺度层状云系统对应的正地闪比例和密度都很小, 每次地闪对应的降水却很高。而在时间关系上, Piepgrass等[4]发现闪电频率峰值较降水强度峰值有一个正的时间提前量。陈哲漳[5]在研究了京津冀地区的雷暴后发现, 冰雹、大风天气过程中正闪占绝对优势, 负闪与强降水相关; 地闪开始时间与雷雨同步, 比冰雹提前25 min左右; 正闪发生在冰雹云后部时是冰雹发生和加强阶段, 闪电密集区与云体重叠时是冰雹过程强盛阶段; 地闪活动在正负极性转换后20 min左右有灾害性天气发生。
随着科技进步, 电力和电子设备被广泛应用, 由雷电本身造成的人员和财产损失越来越引起人们的关注, 因而对雷电进行有效的预警预报也成为社会发展的迫切需要。近年来随着雷电定位技术的不断完善和推广, 以及更先进技术设备在雷电观测方面的利用, 关于雷电的研究获得了大量有意义的结果[6]。人们在此基础之上开展了对雷电发生机理及预警预报方法的探索。
Blyth等[7]依据通量假设计算后得到的预测结果显示:闪电频率与那些存在于起电区域顶部附近的固态降水 (霰) 的下行通量及冰晶的上行通量之间大致存在一个比例关系。这个结果得到了Baker等[8-9]闪电模式计算的支持。同时, Petersen等[10]和Buechler等[11]依据观测事实对相似空间尺度系统进行的探讨也支持了这个结果。Wiebke等[12]指出云中的起电主要发生-15 ℃至-30 ℃的温度层之间, 在超过了这个区域之后不同相态的水成物粒子将无法在上升气流的支持下继续共同存在; 在电荷分离时, 每次碰撞转移的电荷量随着冰晶尺度的增大而增加。由以上研究结论可知:雷暴云中要发生强起电过程, 使电荷发生分离必须存在足够数量和大小的冰相粒子, 以及足以使这些粒子上升到一定高度的上升气流。这在实际的雷达观测中必然反映为较强的回波上升到一定高度之上。
Maribel等[13]研究了14个对流单体在形成初期雷达反射率因子和闪电活动关系后发现, 要想单体中能够发生闪电, 单体回波中40 dBz以上回波的顶高必须高于7 km; 只发生云闪和将要发生地闪的单体在闪电初始激发高度, 以及激发位置的雷达反射率都是不同的; 而发生正地闪的雷暴和发生负地闪的雷暴在各自最初云闪发生的时间里表现出来的反射率, 及各自从出现25 dBz回波到发生最早云闪之间的时间也截然不同。Brandon等[14]认为在-10 ℃层结高度处40 dBz回波强度是预测初次地闪发生的最佳预测因子。这些研究结果表明雷达回波对雷暴单体中闪电的发生具有一定的指示作用, 但不同地区也存在一定差异。本文利用多普勒雷达资料和闪电观测资料对北京地区孤立单体进行分析, 以研究雷达资料在雷电预警中的应用。
1 资料本文中提取的单体个例为2005年7—8月间发生在北京地区的14个雷暴单体和6个非雷暴单体。采用的资料包括雷达资料、地闪定位资料、SAFIR3000闪电监测资料和传统的地面探空数据。
其中, 雷达资料取自架设于北京市气象局的多普勒雷达, 探测半径150 km, 每次体扫时间间隔为5~6 min。雷达数据在使用前经过了处理, 将极坐标数据转化为直角坐标数据。地闪定位资料来自于北京地区架设的ADTD雷电监测定位网。它是利用地闪发生时产生的低频电磁场信号, 采用多站定位的方法测量地闪发生位置的系统。SAFIR3000闪电监测系统则是通过对闪电甚高频 (VHF) 电磁场信号的测量, 再利用多站定位的方法对闪电辐射源发生位置进行定位的系统, 同时兼有地闪定位功能, 定位精度可达500 m。由于VHF频段包含的闪电信息更为丰富, 覆盖了整个闪电的放电过程, 因而具备了探测云闪的能力[15]。探空数据利用了北京地区08:00(北京时, 下同) 的高空探空资料, 由MICAPS系统提供。
2 资料分析本文选取了北京地区2005年7—8月间的20个孤立单体作为研究对象。其中14个单体发生了闪电, 6个未发生闪电。而在14个发生了闪电的单体中, 有13个单体同时发生了云闪和地闪, 另外一个只发生了云闪而没有发生地闪。在同时发生了云闪和地闪的雷暴单体中, 约77%的雷暴中云闪要早于地闪发生。表 1为20个单体在雷达回波及闪电资料方面的情况汇总。
2.1 雷达回波和雷电特征 2.1.1 特征回波
本文特征回波是指在利用雷达对雷电进行预警时主要关注并追踪的某种强度的雷达回波。
Maribel[13]通过对美国STEPS (the Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study) 期间的14个单体的雷达资料进行分析后提出40 dBz回波顶高可以作为预测单体中是否发生闪电的一个特征回波强度。而通过对北京地区的这20个单体中30 dBz, 35 dBz, 40 dBz雷达回波强度顶高在单体发展过程中演变的研究, 并结合从各单体发生当日探空资料中得到的08:00 0 ℃, -10 ℃和-15 ℃ 3个温度层结的高度进行综合对比分析也得到了相同结论。图 1和图 2为雷暴单体和非雷暴单体在3种不同回波强度的顶高变化中分别突破0 ℃和-10 ℃层结高度数量百分比对照图。
由图 1可以看出, 所有雷暴单体中30, 35, 40 dBz回波顶高都突破0 ℃层结高度, 而非雷暴单体在30 dBz和35 dBz回波强度上也几乎都突破这样一个高度。只有在40 dBz回波强度处雷暴单体和非雷暴单体之间的差异才最为明显。从图 2中突破-10 ℃层结高度情况对比来看, 差异最明显的也是在40 dBz处:有近60%的雷暴单体都突破了这个高度, 而非雷暴单体均未能到达这个高度。
由于40 dBz回波强度是绝大多数发展较旺盛的单体都能够达到的强度, 从以上研究发现, 雷暴单体中这个强度的回波无论从出现时间、持续时间还是达到的高度都和非雷暴单体有着较明显的差异, 因而是区分雷暴和非雷暴单体的一个较好雷达特征参量。这与Brandon等[14]的结果也是一致的, 他们通过对资料的对比分析也认为40 dBz回波强度是最适合闪电预警的雷达回波强度。
2.1.2 特征高度本文中特征高度是指某个用于参照的基准高度, 在特征回波顶高高于这个高度后单体发生闪电的几率将有较大幅度提升。
Wiebke等[12]认为雷暴的起电主要发生在起电区域的顶部附近, 一般位于-15~-30 ℃温度层之间。根据实验室试验发现, -10 ℃温度层是非感应起电机制中冰晶和霰碰撞后携带不同极性电荷的翻转温度, 因此这个温度层高度一直都在雷暴起电研究中被作为一个特征高度。Maribel[13]的研究结果就将特征判别高度定为-10 ℃层结高度。Brandon等[14]也提出在-10 ℃层结高度处40 dBz回波的出现是预测单体即将发生地闪的最佳预报因子。
本文通过对14个雷暴单体的雷达资料进行分析后发现, 雷暴单体中40 dBz回波顶高有5个在初次闪电发生前并没有达到-10 ℃层结高度, 占了雷暴单体个数的1/3还要多。可见仅仅利用-10 ℃层结高度作为特征高度进行雷电预警具有一定局限性。但从统计中可以看出这些雷暴单体的40 dBz回波顶高在初次闪电发生前都超过了0 ℃层结高度。而6个非雷暴单体中却有4个40 dBz回波顶高从未达到过0 ℃层结高度, 其他两个单体也只是在短时间内暂时达到过这个高度。
分析结果表明:对于单体的雷电预警可以将40 dBz回波作为特征回波强度, 将0 ℃层结高度作为特征高度, 并结合40 dBz回波顶高是否突破-10 ℃层结高度, 以及其他雷达统计参量才能做出进一步的判断。
2.1.3 强回波比例40 dBz回波突破0 ℃层结高度后, 单体在这个高度上40 dBz以上回波占25 dBz以上回波的体积百分比 (P) 在雷暴单体发展过程中的演变特征可以为初次闪电发生时间预报提供更为丰富的参考依据。大粒子, 特别是冰相粒子在电荷分离过程中的作用显著, 这一点已经为许多研究所证实。Takahashi[16]研究发现, 当液态水含量 (LWC) 较大时, 软雹粒子不易起电。而谢屹然等[17]认为液态水含量的增加将导致首次放电时间延迟, 同时将引起放电位置的下降和闪电频数的减少。因此, 有理由认为在0 ℃层结高度以上的强回波所占百分比可以作为雷电预警的一个有效辅助因子。
3 利用雷达进行闪电预报的初步方法根据以上找到的预报因子, 对雷暴单体实例进行分析后, 将雷暴单体的判别和单体中初次闪电发生时间的预警方法归纳如下。
3.1 非雷暴单体和雷暴单体的区分根据对20个单体雷达资料的分析, 40 dBz回波顶高能否突破0 ℃层结高度, 并维持在这个高度之上是区分单体能否发生闪电的关键。14个雷暴单体中40 dBz回波顶高均在闪电发生前就突破了0 ℃层结高度并维持了一定的时间; 而6个非雷暴单体中有4个的40 dBz回波顶高没有突破0 ℃层结高度, 另外两个单体虽然突破了这个高度, 但仅仅维持了大约一次体扫时间, 随后又回落到该高度层以下并且再也没能达到这个高度。由此可见, 40 dBz回波顶高能否突破0 ℃层结高度并维持一段时间可以作为判断单体是否为雷暴单体的第一条依据。
3.2 对雷暴单体中闪电发生时间的预测在满足了上述第一条依据后可以认为单体将会有很大的发生闪电概率, 但对何时将发生初次闪电则还需要参考其他特征参量来做进一步判断。在对14个雷暴单体的雷达资料进行多种参量的分析后发现, 在结合了单体40 dBz顶高是否突破-10 ℃层结高度和其P值是否突破5%的比例这两个方面后, 可以将初次闪电发生时间段的预报方法分为3步:
①观察单体中40 dBz回波顶高是否突破-10 ℃层结高度。如果在某次体扫得到的资料中满足了这个条件, 则可以认为在该次体扫时间后15 min内将会发生初次闪电。图 3为一个单体的40 dBz回波顶高的演变曲线, 其中纵轴为40 dBz回波顶高; 横轴为从单体回波中出现25 dBz回波后雷达体扫的时序, 即时间轴; 下指箭头为单体中发生初次闪电的时间。由图 3可以看出, 雷达在第5次体扫时已经同时满足突破0 ℃和-10 ℃层结高度的要求, 甚至突破-15 ℃, 实测初次闪电就发生在下一次体扫开始前, 即5~6 min之内。符合这个判断条件的个例有8个。
②看P值是否达到5%以上。如果40 dBz回波顶高在突破0 ℃层结高度后却始终没有突破-10 ℃层结高度, 而且在这期间P值超过了5%并维持在这之上一段时间, 则在满足该条件的体扫出现后15 min内也将发生初次闪电。图 4a为单体P值变化曲线, 图 4b为单体40 dBz回波顶高变化曲线。其中竖直向下长划线所指为单体中P值超过5%的时间。由图 4可以看出, 单体在40 dBz顶高突破0 ℃层结高度后没有能够很快再次突破-10 ℃层结高度, 但也在P值超过5%后的一次体扫间隔后, 即5~10 min内发生了初次闪电。单独满足这个判断条件的个例只有2个, 但满足上述第一个判断依据的个例同时也都满足了这个判断条件。而考虑同时满足这两个判断条件的个例后满足第二条判据的个例则达到了10个。
③如果单体既40 dBz回波顶高没有突破-10 ℃, P值也没有超过5%, 则看40 dBz回波顶高维持在0 ℃层结高度以上的时间, 如果这个时间足够长也可能发生闪电, 但发生时间则在15 min以上甚至更长时间之后了。由于这样的个例较少, 本文只收集到一个, 因而这个条件可能并非是一个充分条件。从图 5中可以看出, 单体40 dBz回波顶高很早就突破了0 ℃层结高度, 并基本都维持在这个高度之上却没有突破-10 ℃层结高度; 而其P值也只是在开始超过5%, 但之后很快下降并掉落到这个值之下。但单体仍然发生了闪电, 只是闪电的发生时间远远滞后, 在突破0 ℃层结的那次体扫后6次体扫之后, 即大约半个小时后才出现。
4 独立检验
为检验上述预报方法效果, 本文从2005年6月、7月和8月天气过程中另挑选22个单体作为独立检验个例, 其中非雷暴单体3个, 雷暴单体19个。根据本文提出的预报方法对22个检验单体是否发生闪电以及初次闪电发生的时间段做出预报。
检验过程中, 根据预报方法判断出非雷暴单体2个, 雷暴单体20个, 并给出了雷暴单体中初次闪电将要发生的时间段。而通过实测闪电资料检验后发现:预报方法判断出的两个非雷暴单体的确未发生闪电, 但预报出的雷暴单体中却有1个也未发生闪电; 剩余的19个雷暴单体中初次闪电发生时间落于预报时间段中的有15个, 未落在时间段中的有4个。
实测与预报结果不符合的个例很可能源于Brandon等[14]所指出的运用雷达和探空进行雷电预警所存在的局限性, 即由于探空资料与当时实际云内温度曲线差异较大, 或是由于雷达体扫本身固有的一个局限性而导致了在一定距离外雷达资料无法完整反映单体内的回波情况造成的。
从总体上说用于检验的个例数还是偏少, 这是由于研究过程中为了便于处理数据而导致挑选单体的条件较为苛刻所造成的, 还需要在今后的工作中继续收集合适的个例加以补充和完善, 以实现对该预报方法效果更精确评估, 但从已有的检验结果中仍可以看出该预报方法在单体中能否发生闪电, 以及初次闪电将要发生的时间段方面都具有较好的预报效果。
5 云闪与地闪时间间隔与雷达参数的关系上升速度是影响地闪发生时间的重要因素。言穆弘等[18]研究表明, 云中起电明显依赖于上升气流, 强起电通常发生在云体达到最大上升速度并开始下降阶段。
14个发生了闪电的单体中有13个发生了地闪。根据13个发生了地闪的雷暴单体闪电资料统计得到:云闪平均早于云地闪 (CG)3.08 min; 云闪与云地闪时间间隔小于平均数3 min (含3 min) 的有10个, 约占总单体个数的77%;其中云地闪早于云闪出现的有3个, 最早的云地闪提前云闪约6 min; 其余3个单体中云闪与云地闪时间间隔最长的达到了21 min。
在前面对30, 35 dBz和40 dBz回波强度的分别统计中得到40 dBz回波强度适合于利用雷达预报闪电发生, 但从研究单体完整变化过程角度并不是最佳选择。原因在于它出现的范围较小, 通常时间也较晚, 在整个单体发展过程中所占比例不大。
将13个雷暴单体中35 dBz以上雷达回波的顶高与底高之间的厚度随时间的变化率 (V) 进行了统计, 这可以看作是单体垂直方向发展强弱的一个参考量。另外再将各雷暴单体中初次云闪与初次地闪的时间间隔进行了统计。结果发现:从单体中出现25 dBz以上回波到V值达到一个极大值的时间差 (T) 和单体中初次云闪与初次地闪之间的时间差 (T′) 存在一个正的线性相关 (图 6)。这就为预测单体中初次地闪的发生时间提供了一个参考依据。
6 小结
通过对北京地区2005年夏季的20个单体雷达资料与探空和闪电资料结合进行的综合分析得出了40 dBz回波顶高是作为本地区雷电预警比较合适的雷达特征回波参量的结论。而回波顶高所需要达到的特征高度稍有别于国外的研究结论, 需要在达到0 ℃层结高度以上再结合-10 ℃层结高度、P值的变化等判据进行进一步的判断。
利用雷达资料对单体是否发生闪电, 以及初次闪电发生时间段的预报方法可以归纳为以下几个步骤:
①观察单体40 dBz回波顶高随时间变化。如果40 dBz回波顶高突破并维持在0 ℃层结高度之上, 则单体有很大概率将要发生闪电。
②在满足上述条件后继续观察单体40 dBz回波顶高的变化。如果40 dBz回波顶高突破-10 ℃层结高度, 则判断在满足该条件的雷达体扫时间后约15 min之内将发生初次闪电。
③若40 dBz回波顶高未能突破-10 ℃层结高度, 则观察单体的P值变化。如果P值突破并能够维持在5%以上一段时间, 则在满足该条件的雷达体扫时间后约15 min内也将会发生单体的初次闪电。
④若②, ③条件均不能满足, 而单体40 dBz回波顶高又始终能够维持在0 ℃层结高度以上, 则可以认为在短时间内单体不会发生闪电。但如果单体生命史足够长, 在更长时间后发生闪电的概率依然较大。
此外, 单体中从25 dBz回波出现到35 dBz最大厚度变化率达到极大值的时间差, 与单体中初次云闪和初次地闪之间的时间间隔也存在一个线性相关, 可以为预报单体可能发生地闪的时间提供一个参考依据。
从总体上看, 用于研究和检验的个例数偏少是本研究的缺憾, 在将来的工作中会不断加以补充和完善。
[1] | Serge Soula, Serge Chauzy, Some aspects of the correlation between lightning and rain activities in thunderstorms. Atmospheric Research, 2001, 56: 355–373. DOI:10.1016/S0169-8095(00)00086-7 |
[2] | Battan L J, Some factors governing precipitation and lightning from convective clouds. J Atmos Sci, 1965, 22: 79–84. DOI:10.1175/1520-0469(1965)022<0079:SFGPAL>2.0.CO;2 |
[3] | Sheridan S C, Griffiths J H, Orville R E, Warm season cloudto-ground lightning precipitation relationships in the South-Central United States. Wea Forecasting, 1997, 12: 449–458. DOI:10.1175/1520-0434(1997)012<0449:WSCTGL>2.0.CO;2 |
[4] | Piepgrass M V, Krider E P, Moore C B, Lightning and surface rainfall during Florida thunderstorms. J Geophys Res, 1982, 87, (13): 11193–11201. |
[5] | 陈哲漳. 冰雹与雷暴大风的云对地闪电特征. 气象学报, 1995, 53, (3): 367–374. |
[6] | 张义军, 孟青, 马明, 等. 闪电探测技术发展和资料应用. 应用气象学报, 2006, 17, (5): 611–620. |
[7] | Blyth A M, Christian H J, Driscoll K, et al. Determination of ice precipitation rates and thunderstorm anvil ice contents from satellite observations of lightning. Atmos Res, 2001, 59-60: 217–229. DOI:10.1016/S0169-8095(01)00117-X |
[8] | Baker M B, Christian H J, Latham J, A computational study of the relationships linking lightning frequency and other thundercloud parameters. Q J R Meteorol Soc, 1995, 121: 1525–1548. DOI:10.1002/(ISSN)1477-870X |
[9] | Baker M B, Blyth A M, Chiristian H J, et al. Relationships between lightning activity and various thundercloud parameters: Satellite studies. Atmos Res, 1999, 51: 221–236. DOI:10.1016/S0169-8095(99)00009-5 |
[10] | Petersen W A, Rutledge S A, Regional variability in tropical convection:Observations from TRMM. J Climate, 2001, 14: 3566–3586. DOI:10.1175/1520-0442(2001)014<3566:RVITCO>2.0.CO;2 |
[11] | Buechler D E, Wright P D, Goodman S J. Lightning-rainfall Relationships during COHMEX. Proc Conf on Atmospheric Electricity, Alta, Canada, AMS, 1990. |
[12] | Wiebke Deierling, John Latham, Walter A Petersen, et al. On the relationship of the thunderstorm ice hydrometeor characteristics and total lightning measurements. Atmos Res, 2005, 76: 114–126. DOI:10.1016/j.atmosres.2004.11.023 |
[13] | Maribel Martinez. The Relationship Between Radar Reflectivity and Lightning Activity at Initial Stages of Convective Storms. American Meteorological Society, 82nd Annual Meeting, First Annual Student Conference, Orlando, Florida, 2002. |
[14] | Brandon R Vincent, Lawrence D Carey, Douglas Schneider, et al. Using WSR-88D reflectivity for the prediction of cloud-toground lightning:A central north carolina study. National Weather Digest, 2003, 27: 35–44. |
[15] | 孟青, 葛润生, 朱小燕. SAFIR闪电检测和预警系统. 气象科技, 2002, 30, (3): 135–138. |
[16] | Takahashi T, Riming electrification as a charge generation mechanism in thunderstorms. J Atmos Sci, 1978, 35: 1536–1548. |
[17] | 谢屹然, 郄秀书, 郭凤霞, 等. 液态水含量和冰晶浓度对闪电频数影响的数值研究. 高原气象, 2005, 24, (4): 598–603. |
[18] | 言穆弘, 刘欣生, 安学敏, 等. 雷暴非感应起电机制的模拟研究:Ⅰ.云内因子影响. 高原气象, 1996, 15, (4): 425–437. |