石湘波　張其林　王煥邦　鄭玲

摘要通過(guò)對(duì)比分析閃電定位、多普勒雷達(dá)以及地面大氣電場(chǎng)資料，探討2013年9月14日重大雷災(zāi)事故的致災(zāi)過(guò)程中雷災(zāi)事發(fā)地的地閃活動(dòng)和雷達(dá)回波之間以及地閃活動(dòng)和地面大氣電場(chǎng)之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回波頂高從8 km達(dá)到13 km以及垂直積分液態(tài)含水量值由33 kg/m2躍升至48 kg/m2時(shí)，發(fā)生初閃；回波頂高的變化與地閃次數(shù)的變化呈正相關(guān)；回波強(qiáng)度在達(dá)53 dBz以上后，與地閃次數(shù)的變化無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系；除峰值到達(dá)時(shí)間不一致外，垂直積分液態(tài)含水量與地閃次數(shù)變化趨勢(shì)基本相同；地閃次數(shù)變化與地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值波動(dòng)頻率基本一致；同一時(shí)間不同地面大氣電場(chǎng)儀的地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值波動(dòng)幅度大小可以表征該時(shí)刻發(fā)生的地閃與這些地面大氣電場(chǎng)儀之間的距離遠(yuǎn)近。

關(guān)鍵詞重大雷災(zāi)事故；雷暴特征；雷達(dá)回波；地閃活動(dòng)；地面大氣電場(chǎng)

中圖分類號(hào)S429文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）04-01114-03

基金項(xiàng)目寧波市氣象局科技計(jì)劃項(xiàng)目（NBQX2012010B）。

作者簡(jiǎn)介石湘波（1980- ），男，浙江寧波人，工程師，在讀碩士，從事雷暴監(jiān)測(cè)工作。

寧波雷災(zāi)事故頻發(fā)，每年均有人員因遭受雷擊而導(dǎo)致受傷或死亡。2013年9月14日北侖九峰山雷災(zāi)事故就是一次雷擊致人傷亡的嚴(yán)重雷擊事故。13：20左右，北侖九峰山景區(qū)（圖1）的“九峰之巔”景點(diǎn)的涼亭不幸被雷擊中，造成1死16傷。雷災(zāi)發(fā)生前，市、區(qū)兩級(jí)氣象部門(mén)均發(fā)布雷暴預(yù)警信息。事實(shí)證明，現(xiàn)階段雷暴預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)已無(wú)法滿足日益重要的防雷需求。為了避免或減輕今后雷電災(zāi)害可能造成的損失，有必要分析了解當(dāng)?shù)乩纂姲l(fā)生發(fā)展規(guī)律，掌握其監(jiān)測(cè)預(yù)警的方法，建立必要的服務(wù)體系，提高防雷服務(wù)的能力和水平。寧波市近年來(lái)陸續(xù)建成新一代多普勒雷達(dá)、ADTD閃電定位系統(tǒng)以及覆蓋全市的地面大氣電場(chǎng)儀，這為雷暴監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供了硬件支撐，而針對(duì)寧波當(dāng)?shù)氐睦妆┚?xì)化、準(zhǔn)確化預(yù)報(bào)預(yù)警還處于探索階段。筆者通過(guò)分析此次致災(zāi)雷暴過(guò)程中的各類數(shù)據(jù)，了解其發(fā)展過(guò)程和特征，探討雷災(zāi)事發(fā)地的地閃活動(dòng)與雷達(dá)回波以及地面大氣電場(chǎng)之間的關(guān)系。

2013年9月13、14日受副高邊緣和低槽東移影響，午后到夜里寧波市大部分地區(qū)出現(xiàn)雷陣雨天氣。根據(jù)寧波閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)顯示，全市共發(fā)生地閃2 662次，其中負(fù)地閃2 453次，地閃發(fā)生時(shí)段主要集中在14日13：00～15：00，地閃主要分布在寧波的東部沿海地區(qū)和南部的寧?？h；北侖區(qū)全天發(fā)生地閃524次，其中13：00～14：00共發(fā)生地閃498次，占總數(shù)的95%。從強(qiáng)度分布來(lái)看，50 kA以上的地閃有34次，其中100 kA以上的1次；從空間分布來(lái)看，地閃集中在北侖中部、中東部地區(qū)，當(dāng)天地閃高密度區(qū)位于中部丘陵地區(qū)（圖2），雷災(zāi)事發(fā)地處于地閃高密度區(qū)，該處地閃密度在6次/km2以上。

圖22013年9月14日北侖單日地閃密度等值線9月14日10：42：10起，慈溪東南部及鄞州西部云層增厚、回波強(qiáng)度增強(qiáng)，至11：15：39最大回波強(qiáng)度達(dá)53 dBz，對(duì)流云團(tuán)不斷發(fā)展并向東移動(dòng)，12：00：22北侖東北區(qū)域開(kāi)始有對(duì)流云團(tuán)生成，于13：01：56與東移對(duì)流云團(tuán)合并，強(qiáng)回波區(qū)面積不斷增大，回波最大強(qiáng)度達(dá)58 dBz，覆蓋北侖中部及東部地區(qū)，雷災(zāi)事發(fā)地正處于該強(qiáng)回波區(qū)（圖3）。將14日12：56：20雷達(dá)組合反射率（圖3e）與圖1中地形對(duì)照可以清楚地看到，回波的加強(qiáng)區(qū)與地勢(shì)升高區(qū)相對(duì)應(yīng)。14日13：52：14對(duì)流云團(tuán)移出雷災(zāi)事發(fā)地并與其他東移的對(duì)流云團(tuán)融合，雷達(dá)回波呈東北—西南帶狀分布，向東移動(dòng)進(jìn)入東海后，強(qiáng)回波帶面積減小，回波強(qiáng)度減弱。

注：a～f分別為10：42：10、11：15：39、12：00：22、12：50：44、12：56：20、13：52：14。

2雷達(dá)數(shù)據(jù)與地閃資料的對(duì)比分析

雷電的發(fā)生與中小尺度對(duì)流系統(tǒng)有密切聯(lián)系。大量觀察資料表明，雷電的發(fā)生與對(duì)流云發(fā)展的強(qiáng)度、高度、發(fā)展階段、內(nèi)部粒子相態(tài)、溫度等密切相關(guān)[1]；回波強(qiáng)度、回波頂高、垂直積分液態(tài)含水量（VIL）與地閃活動(dòng)關(guān)系密切[2-4]。為了更清楚地分析此次致災(zāi)雷暴過(guò)程的雷達(dá)回波和地閃活動(dòng)的關(guān)系，選定雷災(zāi)事發(fā)地（121.858° E、29.843° N）為中心，半徑3 km范圍內(nèi)的區(qū)域作為分析區(qū)域（圖1中圓形區(qū)域）。使用14日12：50：44～13：41：06共10個(gè)雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)時(shí)間段的地閃數(shù)據(jù)，為保證地閃數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析更符合實(shí)際情況，選取雷達(dá)體掃時(shí)間前后各2分48秒共5分36秒內(nèi)的地閃數(shù)據(jù)與同一體掃時(shí)間的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對(duì)照地閃數(shù)據(jù)（圖4）發(fā)現(xiàn)，在12：50：44之前，寧波北部地區(qū)偶有地閃發(fā)生；13：01：56兩處對(duì)流云團(tuán)合并后，分析區(qū)域上空云層不斷增厚對(duì)流加強(qiáng)，回波強(qiáng)度增強(qiáng)，最大強(qiáng)度達(dá)58 dBz；回波頂高則從12：50：44的5 km增加至13：01：56的8 km，此時(shí)分析區(qū)域內(nèi)無(wú)地閃發(fā)生；13：04：59該區(qū)域發(fā)生初閃，距離雷災(zāi)事發(fā)地0.7 km左右；而13：07：32回波頂高已躍增至13 km，這也驗(yàn)證了雷暴初閃出現(xiàn)時(shí)回波頂高需要達(dá)9 km以上[5]，此時(shí)起地閃次數(shù)有明顯增多。13：13：08回波頂高為16 km，達(dá)到峰值，同時(shí)該區(qū)域的地閃次數(shù)也達(dá)到峰值；13：41：06回波頂高下降至8 km時(shí)，該區(qū)域已無(wú)地閃發(fā)生。這符合閃電的頻率與回波頂高正相關(guān)的結(jié)論[3]。

3大氣電場(chǎng)與地閃資料的對(duì)比分析

利用地面大氣電場(chǎng)儀又是一種有效探測(cè)雷暴發(fā)生發(fā)展的手段。地面大氣電場(chǎng)儀通過(guò)監(jiān)測(cè)云中電荷的變化對(duì)地面大氣電場(chǎng)的影響，以獲得雷暴發(fā)生發(fā)展的情況，其探測(cè)范圍在0～20 km。馬芳等根據(jù)雷暴發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的地面大氣電場(chǎng)變化特征，將地面大氣電場(chǎng)變化過(guò)程劃分為6個(gè)階段[7]。當(dāng)?shù)孛娲髿怆妶?chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值超過(guò)1.5 kv/m，即屬于地面大氣電場(chǎng)異常現(xiàn)象[8]，可成為發(fā)布雷電預(yù)警的一個(gè)重要參考指標(biāo)。單個(gè)地面大氣電場(chǎng)儀可以連續(xù)監(jiān)測(cè)有效探測(cè)范圍內(nèi)雷暴的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，但也有其局限性。因?yàn)樗且环N無(wú)定向探測(cè)設(shè)備，無(wú)法確定雷暴云的移動(dòng)方向。為了彌補(bǔ)這個(gè)不足可將地面大氣電場(chǎng)儀進(jìn)行組網(wǎng)布設(shè)，通過(guò)不同測(cè)站的地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)序變化來(lái)判斷雷暴云的移動(dòng)路徑。

雷災(zāi)事發(fā)地附近有北侖站和小港站2個(gè)地面大氣電場(chǎng)測(cè)站，兩站與雷災(zāi)事發(fā)地直線距離分別為5 km和17 km（圖2）。從北侖、小港兩站9月14日11：30～15：00地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)序變化（圖5）可以看出，11：45左右小港站地面大氣電場(chǎng)極性開(kāi)始反轉(zhuǎn)，這是由于雷暴云底電荷不斷積累，使地面感應(yīng)電場(chǎng)不斷增大，地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值負(fù)向劇增，這是地閃發(fā)生初期（雷暴云逐漸靠近）的電場(chǎng)變化，這對(duì)雷電預(yù)警具有重要指示意義。當(dāng)電荷累積到一定擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)就會(huì)發(fā)生閃電，在地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)序變化曲線上就表現(xiàn)為電場(chǎng)突變。 11：43～12：01小港站地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)序變化總體趨向負(fù)向增長(zhǎng)時(shí)多次微弱的正向突變，是由離小港站15～19 km處的多次負(fù)地閃所引起的；12：30～12：52地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)序變化曲線波動(dòng)幅度大且頻繁，這是因?yàn)榫嚯x小港站3～4 km處發(fā)生多次負(fù)地閃以及此時(shí)小港站附近多個(gè)雷暴云的融合發(fā)展引起的。北侖站地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)序變化曲線在12：30前在0～1.5 kv/m范圍內(nèi)波動(dòng)，12：30后開(kāi)始向相反極性增長(zhǎng)，13：00之前在曲線整體趨勢(shì)負(fù)向增長(zhǎng)時(shí)，亦有多次幅度較小的正向突變，這與小港站地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值變化曲線中13：00前時(shí)序變化規(guī)律相似，表明北侖、小港兩站大氣電場(chǎng)儀均探測(cè)到同一處地閃的發(fā)生。同一時(shí)間不同地面大氣電場(chǎng)儀的地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值波動(dòng)幅度大小可以表征該時(shí)刻發(fā)生的地閃與這些地面大氣電場(chǎng)儀之間的距離遠(yuǎn)近，因此小港站13：00前的地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)序變化曲線波動(dòng)幅度較北侖站大，表示雷暴云離小港站近，這從12：56雷達(dá)組合反射率的強(qiáng)回波區(qū)所處位置（圖3）也可以看出。13：01起北侖站地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值曲線發(fā)生幅度較大的正向突變，且頻繁波動(dòng)，地閃次數(shù)峰值是在13：01～13：40，以北侖站為中心，半徑20 km范圍內(nèi)共發(fā)生地閃549次，地閃主要集中在距北侖站3～10 km的區(qū)域內(nèi)，此時(shí)小港站為中心，半徑10 km范圍內(nèi)無(wú)地閃發(fā)生。由圖5可見(jiàn)，小港站的地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值變化曲線波動(dòng)幅度明顯小于北侖站；據(jù)統(tǒng)計(jì)，14日11：30～15：00分析區(qū)域共發(fā)生地閃84次，最大雷電流強(qiáng)度-74.3 kA。13：50小港站附近已無(wú)地閃發(fā)生，該站地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值不再發(fā)生脈沖變化。小港站地面大氣電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)值時(shí)序變化反映出大幅度長(zhǎng)時(shí)間的起伏，這是雷暴消亡階段的正弦波動(dòng)，被稱作雷暴消亡階段電場(chǎng)的振蕩（EOSO）[9]。