杜賽，劉顯通，孫皓霆，陳紹東，陳綠文，顏旭

（1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641；2.海珠區(qū)氣象局，廣東 廣州510220）

1 引言

閃電是常發(fā)生在雷暴云中的一種自然放電現(xiàn)象，具有隨機(jī)性、地點(diǎn)不確定性等特點(diǎn)，常常以大電流、高電壓和強(qiáng)電磁輻射危害人們的生命并造成經(jīng)濟(jì)損失。為減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，閃電預(yù)警預(yù)報從早期雷達(dá)工作開始就一直是研究的重點(diǎn)。大量的研究發(fā)現(xiàn)可通過普通多普勒雷達(dá)探測得到的雷達(dá)回波判斷首次閃電發(fā)生時間[1-9]。國內(nèi)外專家通過研究多次雷暴過程后提出40 dBZ雷達(dá)回波出現(xiàn)在-10℃溫度層結(jié)高度是判斷雷暴云內(nèi)能否發(fā)生閃電的重要指標(biāo)[10-13]。雷達(dá)由于其時空高分辨率和雷達(dá)反射率因子對雷電的發(fā)生有一定的指示作用，因此通過雷達(dá)資料結(jié)合閃電定位資料對閃電臨近預(yù)警是最有效的技術(shù)手段。但由于雷暴過程處于運(yùn)動狀態(tài)，雷暴未來的移動方向以及整個雷暴的生消一直處于變化中，給閃電臨近預(yù)警帶來了很大的困難，常常導(dǎo)致閃電預(yù)警出現(xiàn)較高的誤警率和虛警率。

雷暴產(chǎn)生的機(jī)理和微物理過程是在動態(tài)雷暴環(huán)境下發(fā)生的。一種廣泛接受的雷暴云內(nèi)電荷積聚導(dǎo)致閃電放電的方式是非感應(yīng)起電機(jī)制[14-17]。在雷暴云中，兩種不同尺度的冰相粒子，如霰和冰晶，發(fā)生碰撞并電荷分離，在重力和雷暴云內(nèi)上升氣流抬升作用下將帶電的水成物粒子分離到不同層結(jié)區(qū)域。一般來說，電荷分離在雷暴云中形成三極結(jié)構(gòu)[18]。三極結(jié)構(gòu)包括雷暴云上部的主正電荷區(qū)，中部的主負(fù)電荷區(qū)和下部較小的次正電荷區(qū)[19]。較低的正電荷區(qū)存在大約-10°C以下高度,主負(fù)電荷區(qū)從-10°C延伸到-20°C溫度層，上部主正電荷區(qū)大約從-20℃以上的高度延伸到-35℃左右。當(dāng)不同極性電荷區(qū)間電場達(dá)到一定閾值時，便會產(chǎn)生放電過程。在雷暴云起放電機(jī)制下，閃電活動的發(fā)生與云內(nèi)冰相粒子的存在息息相關(guān)，冰相粒子的濃度對雷暴云起放電有決定性的影響。Deierling[20]通過分析衛(wèi)星和地基觀測資料發(fā)現(xiàn)冰水含量與閃電活動在時間序列上具有較好的一致性。Carey等[21-22]通過分析雙偏振雷達(dá)與閃電活動關(guān)系發(fā)現(xiàn)雙偏振雷達(dá)反演得到的-40～-10℃溫度層內(nèi)霰的體積和質(zhì)量與閃電頻率的關(guān)系要優(yōu)于上升氣流體積和最大上升速度與閃電頻率的關(guān)系。因此，雷暴云中冰相粒子是閃電活動發(fā)生的重要條件，若探測得到雷暴云中-35～0℃范圍內(nèi)冰相粒子分布情況對于閃電活動的預(yù)警預(yù)報有很大的作用[23]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多地區(qū)已經(jīng)將普通多普勒雷達(dá)升級為雙偏振雷達(dá)。相比于普通多普勒雷達(dá)而言，雙偏振雷達(dá)不僅可獲得雷達(dá)反射率因子(ZH)、徑向速度、速度譜寬等信息，還可獲得差分相移率(KDP)、差分反射率(ZDR)、相關(guān)系數(shù)(CC)、水凝物粒子分類(HCA)以及反演得到冰水含量(IWC)等參數(shù)。閃電活動的發(fā)生主要與冰相粒子(霰、冰晶)間碰撞反彈過程中的非感應(yīng)起電機(jī)制有關(guān)，而雙偏振雷達(dá)探測得到的雷達(dá)參數(shù)剛好能反映粒子的相態(tài)、尺度、濃度和分布等特征。近年來使用雙偏振雷達(dá)預(yù)警閃電活動的研究有一些初步結(jié)果。Preston等[24]分析了80個夏季雷暴單體發(fā)現(xiàn)在-10℃溫度層出現(xiàn)霰并且雷達(dá)反射率因子達(dá)到35 dBZ時可作為閃電發(fā)生的判斷條件。Wang等[25]通過分析南京地區(qū)雙偏振雷達(dá)資料發(fā)現(xiàn)-10℃溫度層雷達(dá)反射率因子達(dá)到40 dBZ或者-10℃溫度層出現(xiàn)霰和冰晶是預(yù)警閃電發(fā)生的較好閾值。Mosier等[26]通過氣象雷達(dá)分析美國德克薩斯州十年夏季雷暴天氣發(fā)現(xiàn)，-15℃或-20℃溫度層雷達(dá)反射率因子達(dá)到30 dBZ以及垂直冰相粒子含量在0.42 kg/m2或0.58 kg/m2時，對閃電預(yù)警有較好的結(jié)果。Hayashi等[27]通過分析雙偏振雷達(dá)反演得到的冰相粒子體積(霰體積、霰雹體積、35 dBZ冰相體積、40 dB冰相體積)與閃電頻次關(guān)系，發(fā)現(xiàn)35 dBZ冰相體積和冰粒子含量是預(yù)警閃電活動發(fā)生最好的兩個閾值。

廣東省屬于熱帶和亞熱帶交界地區(qū)，每年4月開始颮線等深對流雷暴活動逐漸增多[28]，雷暴過程產(chǎn)生的閃電對廣東地區(qū)造成較嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，另外，前人通過雙偏振雷達(dá)分析廣東地區(qū)的雷暴活動的研究較少，雙偏振雷達(dá)參量與閃電活動的關(guān)系還不清晰，因此，基于雙偏振雷達(dá)對廣東地區(qū)的閃電預(yù)警預(yù)報開展研究是十分必要的[29-30]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上通過分析雙偏振雷達(dá)參量與閃電活動的關(guān)系，以期獲得可幫助確定與雷電產(chǎn)生有關(guān)的雙偏振雷達(dá)物理參量，從而有助于閃電預(yù)警預(yù)報能力的提升。

2 資料及方法介紹

2.1 資料介紹

本文采用常規(guī)氣象觀測資料、閃電資料和雷達(dá)探測資料。常規(guī)氣象觀測資料由廣東清遠(yuǎn)站探空分析資料獲得。閃電數(shù)據(jù)選用地球網(wǎng)絡(luò)公司(EN)閃電定位系統(tǒng)探測到的閃電資料。EN閃電定位系統(tǒng)全稱為地球網(wǎng)絡(luò)公司閃電定位系統(tǒng)(Earth Networks Total Lightning System，簡 稱EN)，探測數(shù)據(jù)為總閃，包括云閃和地閃。頻率探測范圍在1 Hz～12 MHz之間，探測方法為長基線時差法，可探測閃電的強(qiáng)度、經(jīng)度、緯度，探測效率約為77%，定位精度在300 m左右。將發(fā)生在10 km以及持續(xù)時間在700 ms范圍內(nèi)的脈沖信號定義為一次閃電過程，通過判斷是否有回?fù)暨^程區(qū)分云閃和地閃，若有1次或多次回?fù)暨^程，統(tǒng)計為地閃，若無回?fù)暨^程，統(tǒng)計為云閃[31-33]。2013年建設(shè)至今共有16個探測子站(饒平、東源、惠陽、花都、南沙、連州、云浮、信宜、雷州、上川島、徐聞、電白、曲江、懷集、蕉嶺、南澳)。圖1中給出了EN閃電定位系統(tǒng)的探測子站分布圖(藍(lán)色三角形)。雷達(dá)探測資料由架設(shè)在廣州站(Z9200)S波段雙偏振雷達(dá)探測數(shù)據(jù)獲得。廣州S波段天氣雷達(dá)位于廣州市番禺區(qū)大鎮(zhèn)崗山，雷達(dá)天線海拔高度179 m。為加強(qiáng)天氣雷達(dá)對雷暴天氣系統(tǒng)的監(jiān)測能力，獲取更多的雷暴有效探測信息，廣東地區(qū)近年來將傳統(tǒng)多普勒雷達(dá)升級為雙偏振雷達(dá)，雙偏振雷達(dá)在傳統(tǒng)雷達(dá)只發(fā)射水平電磁波基礎(chǔ)上增加了縱向電磁波，從而更好地探測云內(nèi)粒子的形態(tài)和相態(tài)。表1為雙偏振雷達(dá)的主要性能指標(biāo)。目前廣東省境內(nèi)有11部業(yè)務(wù)運(yùn)行的S波段雙偏振雷達(dá)，已基本實(shí)現(xiàn)全境覆蓋，運(yùn)行狀態(tài)良好，能很好監(jiān)測華南雷暴天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展演變過程?；陔p偏振雷達(dá)探測范圍以及EN閃電定位系統(tǒng)探測效率，本文研究區(qū)域選擇每年雷暴活動頻繁的廣東地區(qū)(110.9～114.9°E，21.7～25.7°N，圖1)，以2017年5月8日颮線過程為例分析雙偏振雷達(dá)參量與閃電活動的關(guān)系，時間范圍選擇00:00—18:00時(除標(biāo)明外都為世界時)。

圖1 研究范圍(圖中黑框部分)

表1 廣州S波段雙偏振天氣雷達(dá)主要性能指標(biāo)

2.2 方法介紹

通過總體分析整個雷暴過程閃電頻次(總閃頻次、云閃頻次、地閃頻次)和雙偏振雷達(dá)參量時間分布情況，將研究范圍內(nèi)與閃電活動息息相關(guān)的-35～0℃溫度層雙偏振雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行篩選并統(tǒng)計相應(yīng)雷達(dá)參數(shù)分段占比情況。后將研究區(qū)域中的閃電數(shù)據(jù)每隔6 min統(tǒng)計，與雙偏振雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)對應(yīng)。將每次雙偏振雷達(dá)體掃得到的參量數(shù)據(jù)篩選出-35～0℃溫度層范圍內(nèi)的最大值與對應(yīng)時間的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行總體上的相關(guān)分析，通過線性擬合和多項(xiàng)式擬合方法得到雙偏振雷達(dá)參量與閃電活動的關(guān)系。

3 資料分析

3.1 天氣背景及閃電過程分析

2017年5月8 日廣西、湖南和廣東一帶發(fā)生一次典型的中尺度強(qiáng)對流天氣過程。5月8日03時前后，由廣西和湖南境內(nèi)發(fā)展起來的降水回波移入廣東清遠(yuǎn)、韶關(guān)北部，進(jìn)入廣東境內(nèi)后逐漸加強(qiáng)并向東南方向移動，06時前后發(fā)展成熟，形成東北-西南向的颮線?？臻g尺度上，成熟時期颮線長約800 km，寬約40 km，前進(jìn)速度30～40 km/h，橫掃廣東大部分地區(qū)，直到17時左右才逐漸減弱為多單體雷暴。整個過程持續(xù)時間長，影響范圍廣，颮線經(jīng)過地區(qū)先后出現(xiàn)強(qiáng)降水和強(qiáng)雷暴并伴隨7～9級大風(fēng)。

圖2是2017年5月8日廣東清遠(yuǎn)探空站在00時的T-logp圖。CAPE為對流有效位能，表征氣塊在大氣中做垂直運(yùn)動時所需要的能量，在一定程度上可反映大氣不穩(wěn)定度，常常作為未來是否發(fā)生雷暴天氣的判斷條件，CAPE值越大，表征發(fā)生雷暴天氣的可能性越大。CIN為對流抑制能量，反映低層氣塊發(fā)生對流活動時所克服的能量，CIN值較小時有利于對流活動的發(fā)生。K指數(shù)是綜合垂直溫度梯度、低層水汽含量和濕層厚度的一個氣團(tuán)屬性量，K值越大表征可能發(fā)生雷暴活動的概率較大。沙氏指數(shù)SI和抬升指數(shù)LI都可表征大氣層結(jié)穩(wěn)定情況，SI和LI值越小，代表大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。由表2中00時探空數(shù)據(jù)可知CAPE=94 J/kg，CIN=-17.3 J/kg，K＝32.7℃，SI＝1.41℃，LI＝0.51，同時750 hPa以下層結(jié)曲線和露壓曲線距離較近，以上則較遠(yuǎn)，說明低層濕空氣很薄，中高層較干燥，這種濕度分布特征以及各個指數(shù)表征情況在很大程度上決定了此次天氣過程以雷暴大風(fēng)和強(qiáng)降水天氣為主。

表2 2017年5月8日清遠(yuǎn)探空資料分析

圖2 2017年5月8日00時清遠(yuǎn)探空站T-log p圖

圖3是2017年5月8日整個雷暴過程閃電頻數(shù)每隔6 min的時間演變圖，從整個系統(tǒng)生命史可發(fā)現(xiàn)總閃中云閃占主導(dǎo)地位，負(fù)地閃在地閃中占主導(dǎo)地位。為便于分析雷暴過程中閃電頻次情況，將整個雷暴過程分為三個階段。00:00—06:30為雷暴過程的第一階段，總閃平均頻次為338 fl/(6 min)，02:48—02:54達(dá)到第一階段高峰1118 fl/(6 min)，05:12—05:18達(dá)到第一階段最低值96 fl/(6 min)，該階段主要是多單體雷暴過程。06:30—12:30為雷暴過程的第二階段，隨著對流活動的增強(qiáng)，閃電頻次逐漸增多，在08:48—09:30閃電頻次迅猛躍增，09:12—09:18達(dá)到峰值：總閃3899 fl/(6 min)，其中云閃3655 fl/(6 min)，地閃244 fl/(6 min)，正地閃9 fl/(6 min)，負(fù)地閃235 fl/(6 min)。第二階段總閃平均頻次為1833 fl/(6 min)，08:48—10:00是閃電發(fā)生的最高頻時段，總閃平均頻次為2829 fl/(6 min)，該階段主要是颮線過程。12:30—18:00為雷暴過程的第三階段，總閃平均頻次為89次/(6 min)，該段時間整個雷暴過程由陸地逐漸過渡到海上，直至雷暴過程消亡，該階段主要是多單體雷暴過程。

圖3 2017年5月8日雷暴過程每6 min閃電頻次分布(00:00—18:00)

整個過程閃電頻數(shù)主要呈現(xiàn)單峰值分布，00—18時共發(fā)生總閃137185次，其中云閃123648次，地閃13537次，地閃比例9.87%，與郭鳳霞等[34]模擬廣東一次系統(tǒng)性強(qiáng)雷暴過程發(fā)現(xiàn)云閃數(shù)目遠(yuǎn)多于地閃數(shù)目相一致。整個雷暴過程地閃中：正地閃580次，負(fù)地閃12957次，正地閃占總地閃的比例4.28%，正地閃比例較低原因可能與南方地區(qū)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)偶極性有關(guān)[35-36]。

3.2 颮線過程的雙偏振雷達(dá)參量特征

將研究范圍-35～0℃溫度層內(nèi)雙偏振雷達(dá)參數(shù)篩選并對相應(yīng)雷達(dá)參數(shù)分段統(tǒng)計，得到圖4整個雷暴過程中雙偏振雷達(dá)各個參數(shù)在-35～0℃溫度層內(nèi)占比圖。為便于分析，篩選出每一時刻雷達(dá)參數(shù)對應(yīng)最大值，并繪制圖5所示的2017年5月8日雷暴過程中雙偏振雷達(dá)參量最大值在00:00—18:00時間段內(nèi)的分布圖。

圖4 雙偏振雷達(dá)各參數(shù)在-35～0℃溫度層占比

圖5 2017年5月8日雷暴過程雙偏振雷達(dá)各參量最大值時間分布

結(jié)合圖4和圖5可發(fā)現(xiàn)，整個雷暴過程中冰水含量(IWC)主要分布在0～0.2 g/m3區(qū)間，隨著冰水含量數(shù)值的增大，整體占比呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。最大冰水含量時間分布圖與閃電活動對應(yīng)較一致。閃電活動的發(fā)生主要與雷暴云中冰相粒子之間碰撞有關(guān)，雷暴云中不同冰相粒子(如霰和冰晶)碰撞后電荷轉(zhuǎn)移并在重力和雷暴云內(nèi)氣流作用下形成不同極性的電荷結(jié)構(gòu)，不同極性電荷結(jié)構(gòu)間電場強(qiáng)度達(dá)到一定閾值時發(fā)生放電。在本次颮線過程中，最大冰水含量平均值為4.02 g/m3，最大值發(fā)生在09:12—09:18時間段，為18.21 g/m3，對應(yīng)閃電頻數(shù)也是本次過程最大值：總閃3899 fl/(6 min)。雷達(dá)反射率因子(ZH)在整個雷暴過程中主要分布在16～32 dBZ區(qū)間，呈正態(tài)分布。最大雷達(dá)反射率因子在颮線的整個過程中，均具有較大值，特別是在閃電高峰頻繁的第二階段，一直維持在50 dBZ以上，主要分布在44～63 dBZ范圍內(nèi)，整個過程最大雷達(dá)反射率因子平均值為54.4 dBZ，最大值為66.1 dBZ。整個雷暴過程中差分反射率(ZDR)主要分布在-0.5～0.3 dB，呈正態(tài)分布。差分反射率的值為負(fù)值時一般對應(yīng)為小的冰晶，在本次颮線過程中最大差分反射率一直大于2 dB，表示雷暴云內(nèi)對流活動強(qiáng)，雷暴云上部以大冰晶和雹、雪為主，大的冰晶、雹等在下落過程中融化，使得雷暴云內(nèi)液態(tài)水含量增加，整個過程最大差分反射率平均值為3.84 dB，最大值為7.31 dB。差分相移率(KDP)主要分布在-0.10～0.25°/km區(qū)間，較大值反映雷暴云上部主要為雪、冰晶和雹等冰相態(tài)粒子，后期閃電活動減弱，差分相移率也逐漸減小，主要以降雨為主。最大差分相移率與閃電活動變化有一定的對應(yīng)性，雷暴過程第二階段及閃電高峰期間，差分相移率值保持在5°/km以上，整個過程最大差分相移率平均值為4.69°/km，最大值為18.2°/km。相關(guān)系數(shù)(CC)在雷暴活動整個過程中主要分布在0.94～0.99，呈現(xiàn)先增大在大于0.99后減小的趨勢，在0.98～0.99階段占比最大。相關(guān)系數(shù)值較大時雷暴云中主要以球形的雨滴為主，相關(guān)系數(shù)值降低時雷暴云中主要以非球形的霰、冰晶等冰相粒子為主。粒子相態(tài)(HCA)主要以干雪、小～中雨滴的形式存在，并且干雪占比較大，說明整個雷暴過程對流活動強(qiáng)、零度層以上范圍廣。雷達(dá)回波頂高(Echo top high)可反映雷暴過程發(fā)生發(fā)展情況，整個過程中回波頂高均大于10 km，平均為15.87 km，較高的回波頂高有利于水成物粒子的上升和碰撞、碰撞越頻繁起放電過程就越強(qiáng)[37]。結(jié)合00時探空資料可知，0℃溫度層對應(yīng)高度為5050 m，-10℃溫度層對應(yīng)高度為7000 m，-20℃溫度層對應(yīng)高度為8080 m，-30℃溫度層對應(yīng)高度為9700 m，-35℃溫度層對應(yīng)高度為10300 m。0℃溫度層高度大于5 km，說明回波頂高會遠(yuǎn)大于5 km，表示該區(qū)域?qū)α骰顒虞^強(qiáng)，該區(qū)域的水成物粒子主要為冰相粒子(霰粒子和冰晶)，是非常重要的起電粒子。

3.3 閃電活動與雷達(dá)參數(shù)相關(guān)性分析

根據(jù)當(dāng)日探空資料，選取-35～0℃溫度層內(nèi)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)，將00:00—18:00時間段內(nèi)每6 min雷達(dá)探測數(shù)據(jù)中各個參數(shù)最大值求出，并統(tǒng)計對應(yīng)6 min時間內(nèi)閃電頻次(總閃頻次、云閃頻次、地閃頻次)。圖5是雙偏振雷達(dá)參數(shù)與閃電頻次的散點(diǎn)分布圖，并分別進(jìn)行散點(diǎn)的線性和多項(xiàng)式擬合圖，雙偏振雷達(dá)各個參量最大值與閃電活動均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。最大冰水含量(IWCmax)和最大雷達(dá)反射率因子(ZHmax)與閃電頻次的對應(yīng)關(guān)系相對于最大差分反射率(ZDRmax)和差分相移率(KDPmax)較好，最大冰水含量與閃電活動(總閃頻次、云閃頻次和地閃頻次)線性擬合關(guān)系分別為0.83、0.82、0.73(相關(guān)系數(shù)，下同)，多項(xiàng)式擬合關(guān)系分別為0.72、0.70、0.59，最大雷達(dá)反射率因子與閃電活動(總閃頻次、云閃頻次和地閃頻次)線性擬合關(guān)系分別為0.73、0.73、0.64，多項(xiàng)式擬合關(guān)系分別為0.71、0.70、0.48。最大冰水含量與閃電頻次擬合關(guān)系要好于最大雷達(dá)反射率因子的原因在于，閃電的發(fā)生主要與雷暴云中的冰相粒子(霰、冰晶)密切相關(guān)。雷暴云中小的云滴在上升氣流作用下被帶到0℃以上高度，當(dāng)不同大小的冰相粒子碰撞后電荷分離，在重力和雷暴云內(nèi)氣流作用下到達(dá)不同的分層高度，形成不同極性的電荷區(qū)，隨著不同極性電荷區(qū)的積累，不同極性電荷區(qū)間的電場逐漸增強(qiáng)，當(dāng)雷暴云內(nèi)不同極性電荷區(qū)的電場達(dá)到一定閾值便會發(fā)生閃電。雷達(dá)反射率因子多反映的是云內(nèi)粒子的尺度、濃度等特征，不僅有冰相粒子，還包括液態(tài)粒子如云滴、雨滴，而冰水含量能比雷達(dá)反射率因子更好地對應(yīng)雷暴云中的冰相粒子的濃度、分布等情況。最大差分反射率因子與閃電活動(總閃頻次、云閃頻次和地閃頻次)線性擬合關(guān)系分別為0.41、0.41、0.33，多項(xiàng)式擬合關(guān)系分別為0.16、0.15、0.10；最大相移率與閃電活動(總閃頻次、云閃頻次和地閃頻次)線性擬合關(guān)系分別為0.51、0.51、0.43，多項(xiàng)式擬合關(guān)系分別為0.31、0.31、0.18。最大差分反射率、最大差分相移率相比于最大冰水含量和最大雷達(dá)反射率因子與閃電頻次關(guān)系較弱，可能原因是差分反射率和差分相移率均與云內(nèi)液態(tài)粒子的形成有關(guān)，而與閃電活動相關(guān)的冰相粒子關(guān)系較弱。雙偏振雷達(dá)各個參量與閃電頻次的關(guān)系均是線性擬合關(guān)系均高于多項(xiàng)式擬合。

由圖6可知，雙偏振雷達(dá)參數(shù)中最大反射率因子和最大冰水含量與閃電頻次關(guān)系最緊密，并且最大冰水含量與閃電活動的關(guān)系要高于最大反射率因子與閃電活動的關(guān)系。氣象業(yè)務(wù)上通常將35 dBZ作為判斷雷暴過程是否發(fā)生閃電的閾值。閃電活動的發(fā)生通常和雷暴云中冰相粒子息息相關(guān)，而雷達(dá)反射率因子反映的是云內(nèi)粒子的尺度、濃度等信息，不僅包含冰相粒子還包括液態(tài)粒子，如云滴、雨滴等，若僅將雷達(dá)反射率因子作為預(yù)警預(yù)報是否發(fā)生閃電的參量，常常會造成較高的誤警率和虛警率。通過圖7a、圖7b分別對比雙偏振雷達(dá)參量中組合反射率、冰水含量在-35～0℃范圍內(nèi)與總閃頻次疊加圖(“+”為閃電)發(fā)現(xiàn)，雙偏振雷達(dá)探測到冰水含量，其對應(yīng)就會有閃電的發(fā)生，而雙偏振雷達(dá)探測到雷達(dá)反射率因子時并不一定發(fā)生閃電，即使雷達(dá)反射率因子在35～40 dBZ甚至更大時，有些區(qū)域并不一定有閃電活動。閃電活動的對應(yīng)關(guān)系雙偏振雷達(dá)反演產(chǎn)品冰水含量要優(yōu)于雙偏振雷達(dá)探測參量雷達(dá)反射率因子(通過其它時次對比得到同樣的結(jié)論，此處未一一列出)。圖7c為沿圖7a黑色實(shí)線的垂直剖面圖。通過圖7c更能清晰發(fā)現(xiàn)，閃電活動發(fā)生區(qū)域雙偏振雷達(dá)反射率因子大于35 dBZ并且高度超過-10℃溫度層。較大雷達(dá)反射率因子值并不一定對應(yīng)有閃電活動，其原因可能是雙偏振雷達(dá)探測到較大尺度降水粒子。圖7c中左側(cè)強(qiáng)降水回波發(fā)展旺盛，超過35 dBZ雷達(dá)回波可延申到10 km以上，而圖7c中右側(cè)降水回波發(fā)展較弱，超過35 dBZ雷達(dá)回波區(qū)域在0℃溫度層附近及以下，無法形成與雷暴云起電息息相關(guān)的冰相粒子(霰、冰晶等)。雷暴云內(nèi)主要的起電機(jī)制為非感應(yīng)起電機(jī)制，非感應(yīng)起電是指在雷暴云內(nèi)-10℃溫度層附近存在豐富的冰水共存區(qū)，霰粒子可通過與過冷水滴碰撞增長，冰相粒子(霰、冰晶等)碰撞時，大小粒子之間產(chǎn)生碰撞分離后帶有不同極性的電荷，帶電粒子在雷暴云內(nèi)受重力和氣流的影響，分離到不同的區(qū)域，形成不同的電荷區(qū)，當(dāng)異種電荷區(qū)間的電場強(qiáng)度超過一定閾值時，便會發(fā)生放電。因此，僅通過雷達(dá)反射率因子對閃電的預(yù)警預(yù)報會產(chǎn)生較大的誤警率和虛警率。未來若將雙偏振雷達(dá)探測得到的冰水含量或雷達(dá)反射率因子大于35 dBZ并且對應(yīng)高度超過-10℃溫度層的判斷條件，加入到預(yù)警預(yù)報閃電活動中，預(yù)警率可能會有較大提高。

圖6 雙偏振雷達(dá)各參量最大值與閃電活動(總閃頻數(shù)、云閃頻數(shù)、地閃頻數(shù))散點(diǎn)圖

圖7 在10:00時刻雙偏振雷達(dá)組合反射率(a)、冰水含量(b)分別和閃電(總閃頻次)疊加圖及沿a中黑色實(shí)線剖面圖(c)

4 結(jié)論及討論

本文基于雙偏振雷達(dá)資料、閃電定位資料以及常規(guī)氣象觀測資料，分析了2017年5月8日廣東一次雷暴過程中閃電頻次和-35～0℃溫度層內(nèi)雙偏振雷達(dá)參量分布特征及雙偏振雷達(dá)參數(shù)與閃電活動間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)

在整個雷暴過程中，雙偏振雷達(dá)參量與閃電頻次的趨勢在時間變化上有較好的一致性，隨著閃電活動的發(fā)生以及雷暴過程的增強(qiáng)，雙偏振雷達(dá)參量中的冰水含量、雷達(dá)反射率因子、差分反射率、差分相移率等偏振參量都有不同程度的增加，閃電頻次高峰時間段對應(yīng)各個參量時間段最大值。冰水含量與閃電頻次對應(yīng)關(guān)系最一致，冰水含量主要分布在0～0.2 g/m3，最大值為18.21 g/m3。雷達(dá)反射率因子和差分反射率呈現(xiàn)正態(tài)分布，雷達(dá)反射率因子主要分布在16～32 dBZ，最大值為66.1 dBZ，差分反射率主要分布在-0.5～0.3 dB，最大值為7.31 dB。雷達(dá)回波頂高在整個過程中均高于10 km。相態(tài)粒子主要以干雪和小～中雨滴為主。差分相移率主要分布在-0.10～0.25°/km區(qū)間，最大值為18.2°/km。相關(guān)系數(shù)在雷暴活動整個過程中主要分布在0.94～0.99。雙偏振雷達(dá)參量中最大反射率因子、最大冰水含量、最大差分反射率和最大差分相移率與閃電活動均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且各偏振參量線性擬合關(guān)系均要高于多項(xiàng)式擬合關(guān)系。最大冰水含量、最大反射率因子、最大差分反射率和最大差分相移率與閃電活動(總閃頻次、云閃頻次、地閃頻次)線性相關(guān)系數(shù)分別為R=0.83、0.82、0.73，R=0.73、0.73、0.64，R=0.41、0.41、0.33，R=0.51、0.51、0.43。雙偏振雷達(dá)參量中最大雷達(dá)反射率因子和最大冰水含量與閃電活動擬合關(guān)系最優(yōu)，最大冰水含量與閃電活動的關(guān)系要比最大雷達(dá)反射率因子更緊密。

通過本文的研究可定性發(fā)現(xiàn)雙偏振雷達(dá)參量與閃電活動的關(guān)系，為將來將雙偏振雷達(dá)參量加入到閃電臨近預(yù)警預(yù)報提供新的參考。