徐迎港 陳新甫 楊波 韋一

(1 國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101;2 解放軍95877部隊(duì),甘肅 酒泉 735108; 3 解放軍93117部隊(duì)，南京 210018;4 成都錦江電子系統(tǒng)工程有限公司，成都 610000)

引 言

提高監(jiān)測和預(yù)報(bào)雷暴天氣的準(zhǔn)確率和時(shí)效性一直是雷暴研究重難點(diǎn)問題。通過研究雷暴事發(fā)地的雷達(dá)回波和閃電活動(dòng)之間的關(guān)系，從中提取雷暴回波關(guān)鍵特征，可為雷暴預(yù)報(bào)預(yù)警提供理論依據(jù)，進(jìn)而滿足雷暴預(yù)警預(yù)報(bào)氣象服務(wù)日益增加的需求。為此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的相關(guān)研究。李南等[1]對在安徽發(fā)生的3次雷暴進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)合雷達(dá)RHI(Range Height Indication)掃描，發(fā)現(xiàn)地閃頻數(shù)與反射率因子回波頂高有較好的相關(guān)性；王飛等[2]認(rèn)為反射率因子強(qiáng)度為40 dBZ的回波高度達(dá)到-10℃高度層是閃電發(fā)生的一個(gè)重要雷達(dá)回波特征。楊超等[3]認(rèn)為在某一時(shí)段的平均地閃強(qiáng)度越大，其地閃頻數(shù)越小。張一平等[4]認(rèn)為，雷暴中暴雨對應(yīng)的負(fù)閃密集區(qū)和冰雹對應(yīng)的正閃密集區(qū)都與反射率因子強(qiáng)度大于40 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系；何文等[5]認(rèn)為，雷達(dá)回波和雷電強(qiáng)度關(guān)系密切，回波類型以帶狀和塊狀為主，雷電強(qiáng)度和雷達(dá)回波強(qiáng)度有很好的對應(yīng)關(guān)系，但產(chǎn)生強(qiáng)雷電的回波強(qiáng)度要大于50 dBZ；王洪生等[6]認(rèn)為，冰雹、閃電、強(qiáng)降水分別發(fā)生在雷暴發(fā)展的不同時(shí)間和不同部位，其回波高度及回波強(qiáng)度也各不相同；Laksen, et al[7]在對加拿大蒙特利爾地區(qū)夏季雷暴進(jìn)行預(yù)報(bào)研究時(shí)，提出將-17℃高度層上的雷達(dá)反射率因子值達(dá)到38 dBZ作為最佳預(yù)報(bào)因子，其探測概率(Probability of Detection，POD)達(dá)到了100%。Dye, et al[8]提出將-10℃高度層的反射率因子值達(dá)到40 dBZ作為美國新墨西哥中部地區(qū)夏季雷暴的最佳臨近預(yù)報(bào)因子，其預(yù)報(bào)效果滿足預(yù)期要求。Buechler, et al[9]在對美國佛羅里達(dá)地區(qū)、亞拉巴馬地區(qū)以及新墨西哥地區(qū)的夏季雷暴進(jìn)行臨近預(yù)報(bào)研究時(shí)，提出將-10℃高度層的反射率因子值達(dá)到40 dBZ，并且回波頂高超過9 km作為首次出現(xiàn)閃電的最佳預(yù)報(bào)因子，其POD達(dá)到100%，虛報(bào)率(False Alarm Rate，F(xiàn)AR)為7%，臨界成功指數(shù)(Critical Success Index，CSI)為93%，預(yù)報(bào)時(shí)間為4～33 min。Michimoto, et al[10-11]在對日本北陸地區(qū)的雷暴進(jìn)行預(yù)報(bào)研究時(shí)，提出將-20℃高度層的反射率因子值達(dá)到30 dBZ作為預(yù)報(bào)的特征，其預(yù)報(bào)時(shí)間為5 min，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況相差不大。Hondl, et al[12]利用多普勒雷達(dá)資料以及雷電監(jiān)測資料，分析了美國佛羅里達(dá)地區(qū)的雷暴過程中的雷達(dá)回波演變特征，提出將0℃高度層上的反射率因子值達(dá)到40 dBZ作為預(yù)報(bào)因子，其預(yù)報(bào)時(shí)間為5～45 min，預(yù)報(bào)時(shí)間中值為15 min，POD達(dá)到100%。Gremillion,et al[13]結(jié)合WSR-88D雷達(dá)資料以及閃電定位數(shù)據(jù)，研究了經(jīng)過美國肯尼迪航天中心上空的39個(gè)夏季雷暴過程，提出將-10℃高度層上的連續(xù)兩個(gè)體掃反射率因子值都能達(dá)到大于40 dBZ，同時(shí)回波頂高超過9.5 km作為最佳預(yù)報(bào)因子，其POD為84%，F(xiàn)AR為7%，CSI為79%，平均預(yù)報(bào)時(shí)間為7.5 min。Martinez[14]在美國氣象局(NWS)和海洋與大氣管理局(NOAA)聯(lián)合開展的強(qiáng)雷暴起電和降水研究(STEPS)項(xiàng)目的研究過程中，對12個(gè)雷暴過程和2個(gè)非雷暴過程的反射率因子值與地閃頻數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)反射率因子值超過40 dBZ的回波對應(yīng)的高度大于7 km才會(huì)發(fā)生閃電。Vincent，et al[15]結(jié)合WSR-88D雷達(dá)資料以及閃電定位資料對美國北卡羅來納州中部地區(qū)的50個(gè)雷暴過程進(jìn)行了研究，提出將-10℃高度層對應(yīng)的反射率因子值達(dá)到40 dBZ作為最佳預(yù)報(bào)因子，其POD為100%，F(xiàn)AR為37%，CSI為63%，平均預(yù)報(bào)時(shí)間為14.7 min。

綜上，雷暴特征大都是反射率因子與某溫度層高度的關(guān)系，但該特征的地域性較強(qiáng)，不同地區(qū)的特征各不相同，且雷暴其他特征的研究較少，針對上述問題，本文利用雷達(dá)回波資料，結(jié)合閃電定位資料，進(jìn)一步研究江蘇省雷暴回波特征。

1 資料與方法

利用S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)結(jié)合閃電定位數(shù)據(jù)研究分析江蘇省2014年7—8月的33次雷暴過程，包括單體雷暴、多單體雷暴和混合型雷暴。

觀測使用的S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)為成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司研制的國內(nèi)第一部雙發(fā)雙收S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，其監(jiān)測半徑為500 km，定量測量距離250 km，能夠提供反射率因子ZH、多普勒速度V、速度譜寬W、差分反射率因子ZDR、雙程差分傳播相位變量ΦDP、差分傳播相位常數(shù)KDP、相關(guān)系數(shù)ρhv等參量。

為保證數(shù)據(jù)的有效性，利用雷達(dá)回波資料和閃電定位數(shù)據(jù)，對江蘇省2014年7—8月的雷暴進(jìn)行了篩選，完成了雷暴和非雷暴降水回波的區(qū)分；為研究雷暴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用了雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行VCS垂直剖面處理；為分析雷暴過程中降水粒子的演變，利用基于雙偏振參數(shù)的模糊邏輯算法對雷暴內(nèi)部粒子進(jìn)行識(shí)別，將粒子分為毛毛雨、大雨、冰晶、干霰、濕霰等11類。

2 雷暴發(fā)展過程反射率因子核心的演變特征研究

回波強(qiáng)度不小于20 dBZ的回波被稱為基本降水回波，回波強(qiáng)度不小于40 dBZ的回波被稱為強(qiáng)回波[16]，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)PPI中雷暴反射率因子強(qiáng)回波中心的方位與閃電的定位坐標(biāo)有著很好的一致性[17]，而雷暴產(chǎn)生在對流強(qiáng)烈的積雨云中[18]，與層狀云降水相比，對流云降水的垂直尺度要大得多，因此本文主要對雷達(dá)PPI中的強(qiáng)回波中心做垂直剖面分析，得到雷暴發(fā)展過程反射率因子核心的演變特征。

以2014年8月6日江蘇地區(qū)一次雷暴過程為例，根據(jù)江蘇省閃電定位數(shù)據(jù)，對該區(qū)域雷暴在演變過程的地閃頻數(shù)隨時(shí)間的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2014年8月6日江蘇省地區(qū)某雷暴地閃頻數(shù)Fig.1 Evolution statistics of lightning strokes over time in a thunderstorm area of Jiangsu on August 6， 2014

從圖1中可以看出，在13∶48—13∶56(北京時(shí)，下同)時(shí)段，還未有閃電產(chǎn)生，從13∶56時(shí)刻開始，該雷暴單體影響區(qū)域內(nèi)首次有閃電記錄，并且地閃頻數(shù)不斷增加，在14∶04，地閃頻數(shù)突然大幅度增加，達(dá)到小峰值，14∶12—14∶34地閃頻數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，在14∶34，地閃頻數(shù)迅速增加，達(dá)到整個(gè)階段的峰值，14∶42后地閃頻數(shù)下降幅度明顯增大，直至15∶05地閃頻數(shù)降至為0次。其中14∶04—14∶50閃電頻發(fā)階段，其每隔8 min的地閃頻數(shù)平均在40次以上，整體來看，該雷暴的地閃頻數(shù)隨時(shí)間先增加后減少，再增加最后減少到0次，中間經(jīng)歷了兩次峰值，分別在14∶04和14∶34。

圖2表示雷暴單體對應(yīng)的反射率因子隨時(shí)間(13∶48、 13∶56、14∶04、14∶12、14∶20、14∶26和14∶34)演變的0.5°仰角PPI結(jié)果，同時(shí)分別對以上時(shí)刻的雷暴單體的反射率因子最強(qiáng)核心區(qū)域進(jìn)行VCS垂直剖面，如圖3所示。

圖2 雷暴單體反射率因子隨時(shí)間演變的PPI結(jié)果:(a)13∶48; (b)13∶56; (c)14∶04; (d)14∶12; (e)14∶20; (f)14∶26; (g)14∶34Fig.2 The PPI results of time evolution of reflectance factor of thunderstorm monomer:(a)13∶48 BST; (b)13∶56 BST; (c)14∶04 BST; (d)14∶12 BST; (e)14∶20 BST; (f)14∶26 BST; (g)14∶34 BST

通過分析圖1、圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，在13∶48—13∶56，雷達(dá)0.5°仰角PPI上，出現(xiàn)了一個(gè)長13 km、寬3 km的帶狀強(qiáng)回波，將其稱為1號(hào)單體，其最大中心強(qiáng)度在40～45 dBZ之間，經(jīng)VCS垂直剖面分析，該單體的強(qiáng)反射率因子中心高度為4 km、大小為45～50 dBZ，云頂高度為9 km，此時(shí)還沒有閃電產(chǎn)生；13∶56—14∶04，雷達(dá)0.5°仰角PPI上該單體的回波變成團(tuán)塊狀，最大反射率因子強(qiáng)度仍是40～45 dBZ之間，該單體的橫向縱向的尺度都有明顯增大，云頂高度達(dá)到12 km，強(qiáng)反射率因子中心高度增加到5 km，強(qiáng)度核心增加為50～55 dBZ，對應(yīng)時(shí)刻出現(xiàn)閃電首次記錄，閃電定位數(shù)據(jù)顯示在此時(shí)間段共發(fā)生了2次負(fù)地閃；14∶04—14∶12雷達(dá)0.5°仰角PPI上該雷暴的回波面積增大，但強(qiáng)反射率因子回波面積變小，通過分析其VCS垂直剖面，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閺?qiáng)反射率因子中心高度增加，才使得雷達(dá)0.5°仰角PPI上該雷暴的強(qiáng)反射率因子回波面積變小，云頂高度增加到了16 km以上，強(qiáng)反射率因子中心高度增加到了最大值7 km，強(qiáng)度核心為50～55 dBZ，且剖面面積達(dá)到最大值，對流發(fā)展極為旺盛，此時(shí)的閃電頻數(shù)也達(dá)到了最大值，總共發(fā)生了85次閃電，其中84次為負(fù)地閃，1次正地閃；14∶12—14∶20雷達(dá)0.5°仰角PPI上該雷暴的回波面積增大，強(qiáng)反射率因子回波面積增大，呈團(tuán)塊狀，經(jīng)VCS垂直剖面分析，云頂高度仍大于16 km，強(qiáng)度核心為50～55 dBZ，但強(qiáng)反射率因子中心高度降低到5 km，強(qiáng)度核心剖面面積大幅度減小，在此時(shí)間段的閃電頻數(shù)減少到43次，其中42次負(fù)地閃，1次正地閃，說明該雷暴正在減弱；在14∶20—14∶26時(shí)段，雷達(dá)0.5°仰角PPI上該雷暴的回波面積和強(qiáng)反射率因子回波面積都增大，分析它的VCS垂直剖面發(fā)現(xiàn)，云頂高度大于16 km，強(qiáng)度核心為50～55 dBZ，強(qiáng)反射率因子中心高度繼續(xù)降低到4 km，對流強(qiáng)度大幅度減小，強(qiáng)度重心幾乎轉(zhuǎn)移到了雷暴底部，在此時(shí)間段的閃電頻數(shù)減少到35次，其中32次負(fù)地閃，3次正地閃；14∶26—14∶34雷達(dá)0.5°仰角PPI上該雷暴的回波面積和強(qiáng)反射率因子回波面積都增大，且在其西北方向約7 km處出現(xiàn)小型強(qiáng)回波區(qū)域，將該強(qiáng)回波區(qū)域稱為2號(hào)單體，通過分析1號(hào)雷暴和2號(hào)單體的VCS垂直剖面，發(fā)現(xiàn)2號(hào)單體已經(jīng)和雷暴在4～9 km高度處結(jié)合，雷暴的云頂高度降到了14 km，單體的云頂高度為10 km，雷暴的強(qiáng)反射率因子中心高度為4 km，強(qiáng)度為50～55 dBZ，單體的強(qiáng)反射率因子中心高度為7 km，強(qiáng)度為45～50 dBZ，在此時(shí)間段內(nèi)，共發(fā)生了閃電73次，其中由1號(hào)雷暴產(chǎn)生的閃電數(shù)為31次，由2號(hào)單體產(chǎn)生的閃電數(shù)為42次；14∶34—14∶42雷達(dá)0.5°仰角PPI上顯示1號(hào)雷暴與2號(hào)雷暴已經(jīng)結(jié)合到一起，使得回波面積和強(qiáng)反射率因子回波面積較大幅度增加，分析其VCS垂直剖面可得，此時(shí)雷暴的對流重新變得旺盛起來，云頂高度增加到了16 km以上，強(qiáng)反射率因子中心高度為6 km，強(qiáng)度核心為50～55 dBZ，強(qiáng)度核心剖面積大幅度增加，閃電發(fā)生次數(shù)激增至94次，其中負(fù)地閃93次，正地閃1次。

可以看出，在雷暴成熟之前，隨著對流單體不斷發(fā)展，雷暴的反射率因子核心的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)、強(qiáng)反射率因子核心對應(yīng)高度不斷增加、云頂高度不斷增加以及對流發(fā)展不斷旺盛，云內(nèi)大粒子在較強(qiáng)上升氣流推動(dòng)下伸展高度不斷增大，雷暴云內(nèi)可能已有一定量的冰晶、霰以及過冷水滴等混合粒子存在并有增長趨勢，同時(shí)回波區(qū)域可能已有一定強(qiáng)度降雨產(chǎn)生，且以純雨滴為主，并且強(qiáng)度越來越大，當(dāng)雷暴成熟之后，雷暴的強(qiáng)反射率因子核心的強(qiáng)度和對應(yīng)高度就會(huì)不斷降低，強(qiáng)烈的降水過程帶走了云內(nèi)大量的水汽，因此當(dāng)沒有外來單體干擾的情況下，雷暴將趨于消散，而本次分析的雷暴過程中由于受到外來單體的介入，又生成了新的雷暴。

3 不同溫度層反射率因子與地閃頻數(shù)隨時(shí)間的相關(guān)性研究

為進(jìn)一步定量分析雷暴單體演變過程中的反射率因子與地閃頻數(shù)隨時(shí)間的相關(guān)性，根據(jù)雷暴云非感應(yīng)起電機(jī)制，雷暴云中的電荷產(chǎn)生與分離主要集中于-10～-20℃高度層之間，過冷水滴、霰(軟雹)以及冰晶等不同相態(tài)的水成物粒子主要存在于0～-20℃高度層區(qū)域，而這些粒子是促發(fā)閃電的重要因素，為此選取具有指示意義的0、-5、-10、-15℃高度層分別對應(yīng)的反射率因子的最大值指標(biāo)，研究其與地閃頻數(shù)隨時(shí)間的演變過程。

圖4(a—d)分別表示0、-5、-10、-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子的最大值與地閃頻數(shù)隨時(shí)間的演變結(jié)果。雷暴單體從開始生成到完全消散，共持續(xù)約2 h，13∶48雷暴單體開始形成并不斷發(fā)展，13∶56首次出現(xiàn)地閃，隨著雷暴單體繼續(xù)發(fā)展至成熟階段，地閃頻數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢，并于14∶04達(dá)到小峰值，其后隨著雷暴單體的減弱，地閃頻數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，直到14∶26—14∶34，有新的單體介入，致使雷暴的強(qiáng)度在14∶34達(dá)到頂峰，地閃頻數(shù)達(dá)到最高，之后再?zèng)]有新的單體的介入，雷暴單體隨時(shí)間減弱，直至消亡，地閃頻數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，15∶05地閃頻數(shù)降至為0次。

圖3 雷暴單體反射率因子中心垂直剖面隨時(shí)間演變的結(jié)果:(a)13∶48; (b)13∶56; (c)14∶04; (d)14∶12; (e)14∶20; (f)14∶26; (g)14∶34Fig.3 The results of the time evolution of the central vertical profile of the thunderstorm reflectance factor:(a)13∶48 BST; (b)13∶56 BST; (c)14∶04 BST; (d)14∶12 BST; (e)14∶20 BST; (f)14∶26 BST; (g)14∶34 BST

圖4 各溫度層對應(yīng)的反射率因子最大值(單位：dBZ)與地閃頻數(shù)隨時(shí)間的演變：(a)0℃；(b)-5℃；(c)-10℃；(d)-15℃Fig.4 Evolution of reflectivity factor maximum(unit:dBZ) and ground flash frequency number with time in each temperature layer：(a)0℃；(b)-5℃；(c)-10℃；(d)-15℃

由圖4可見，0、-5、-10、-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子最大值隨時(shí)間演變趨勢與地閃頻數(shù)的變化基本一致。13∶48—14∶04，雷暴單體處于生成與發(fā)展階段，0、-5℃高度層對應(yīng)的反射率因子值增加較慢，而-10、-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子最大值增加非常迅速，分別增加了15 dB和20 dB；13∶56首次出現(xiàn)地閃，0℃高度層對應(yīng)的反射率因子最大值為55 dBZ，-5℃高度層對應(yīng)的反射率因子最大值為50 dBZ，-10℃高度層對應(yīng)的反射率因子最大值為40 dBZ，-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子最大值為35 dBZ；在14∶12—14∶20時(shí)段，雷暴單體繼續(xù)發(fā)展至成熟階段，由于反射率因子核心區(qū)域的升高，導(dǎo)致0℃高度層對應(yīng)的反射率因子最大值下降到50 dBZ，而-5、-10、-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子值則繼續(xù)增大，其中-5℃高度層對應(yīng)的反射率因子增長幅度有所減緩，基本保持在50～55 dBZ之間，但-10、-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子增長迅速，從40 dBZ、35 dBZ增加到55 dBZ，此時(shí)地閃頻數(shù)從2次/(8 min)增加到85次/(8 min)，達(dá)到小峰值；14∶12—14∶34時(shí)段，0℃高度層對應(yīng)的反射率因子值基本保持在50～55 dBZ之間，而-5、-10、-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子值則逐漸減小，從55 dBZ減小至40 dBZ，與此對應(yīng)，地閃頻數(shù)也從85次/(8 min)減小到31次/(8 min)；在14∶34—14∶42各溫度層的反射率因子都增加，其中0℃和-5℃高度層對應(yīng)的反射率因子值增加幅度較小，而-10、-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子值增長幅度很大，分別從45 dBZ和40 dBZ增加到55 dBZ，與此同時(shí)，閃電頻數(shù)激增至94次/(8 min)，達(dá)到該雷暴整個(gè)發(fā)展階段閃電頻數(shù)的最高值；14∶42之后，整體溫度層上的反射率因子值逐漸下降，閃電頻數(shù)也是迅速減少，到15∶05閃電頻數(shù)減少到0次，0℃高度層對應(yīng)的反射率 因子值降幅并不是很明顯，23 min內(nèi)反射率因子值降至45 dBZ，-15℃高度層對應(yīng)的反射率因子值下降幅度最大，23 min內(nèi)反射率因子降至35 dBZ，此時(shí)雷暴單體已進(jìn)入消亡階段，對流減弱直至消失，地閃頻數(shù)迅速減小，15∶05閃電活動(dòng)結(jié)束，0、-5、-10、-15℃高度層對應(yīng)的最大反射率因子值分別降至45、45、40、35 dBZ。

經(jīng)過對篩選出的33個(gè)雷暴單體進(jìn)行如上分析，統(tǒng)計(jì)各雷暴從首次閃電發(fā)生到閃電消失各溫度層的最大回波強(qiáng)度的比例，結(jié)果如表1—3所示。

表1 33個(gè)雷暴閃電初生時(shí)刻各溫度層不同回波強(qiáng)度的比例Table 1 Proportion of different echo intensities in different temperature layers at the initial time of 33 thunderstorms and lightning flashes 單位：%

表2 236個(gè)雷暴發(fā)展階段各溫度層不同回波強(qiáng)度的比例Table 2 Ratio of different echo intensities in different temperature layers in 236 thunderstorms development stages 單位：%

表3 25個(gè)雷暴閃電消失時(shí)刻各溫度層不同回波強(qiáng)度的比例Table 3 Proportion of different echo intensities in different temperature layers at the disappearance time of 25 thunderstorm 單位：%

由于雷暴的篩選工作都是通過雷達(dá)回波資料結(jié)合閃電定位資料來完成的，因此篩選出來的雷暴單體都是在有閃電活動(dòng)的條件下分析的，且由于在雷暴發(fā)展階段個(gè)別雷暴超出雷達(dá)探測范圍，所以雷暴閃電消失時(shí)刻的雷暴數(shù)量有所降低。

由表1可見，在雷暴閃電初生時(shí)刻，0℃高度層的反射率因子強(qiáng)度大于40 dBZ，且回波大部分為40～50 dBZ，50～55 dBZ的比例很小；相比較而言，-5℃高度層出現(xiàn)反射率因子為40～50 dBZ的比例大幅度減小，而0～40 dBZ強(qiáng)度的回波由零增加到總數(shù)的一半以上；-10℃高度層的反射率因子變得更低，大部分變?yōu)?～35 dBZ，40～45 dBZ的回波僅占十分之一，沒有45～55 dBZ的回波；-15℃高度層的反射率因子完全是40 dBZ以下，0～30 dBZ的回波幾乎占一半。

由表2可見，在雷暴閃電活動(dòng)頻繁的時(shí)段，0℃高度層的反射率因子強(qiáng)度都大于40 dBZ，回波大部分為45～55 dBZ，且出現(xiàn)了小部分的55～60 dBZ；-5℃高度層的反射率因子有所降低，回波大部分降為40～50 dBZ，55～60 dBZ的強(qiáng)回波幾乎沒有，而且出現(xiàn)低于40 dBZ的回波；強(qiáng)度以35～50 dBZ為主，強(qiáng)回波比例減小，弱回波比例增加；-15℃高度層的反射率因子大部分為35～45 dBZ，強(qiáng)回波比例繼續(xù)減小，弱回波比例繼續(xù)增加。

由表3可見，在雷暴閃電消失時(shí)刻，0℃高度層的反射率因子強(qiáng)度都大于40 dBZ，回波大部分為40～50 dBZ，該特征與雷暴閃電初生時(shí)刻相似，但在-5℃高度層35～45 dBZ回波所占的比例相對較高；-10℃高度層未出現(xiàn)45 dBZ以上的回波，40～45 dBZ的回波僅占20%；-15℃高度層強(qiáng)回波完全消失。

根據(jù)以上分析，結(jié)合閃電定位數(shù)據(jù)，認(rèn)為0℃高度層上出現(xiàn)40 dBZ及以上強(qiáng)度回波是雷暴能夠發(fā)生閃電的主要特征；在雷暴初生或消散時(shí)，反射率因子強(qiáng)度隨高度不斷降低；而在雷暴成熟階段，反射率因子強(qiáng)度隨高度先增加后減小。

4 雷暴發(fā)展過程云內(nèi)粒子的演變特征研究

單偏振天氣雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)通常只有強(qiáng)度、速度、譜寬，盡管在研究雷暴的過程起到了重要作用，但由于其能夠提供的參數(shù)有限，雷暴預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率僅能達(dá)到約80%，新體制的雙偏振多普勒天氣雷達(dá)除了提供雷達(dá)基本參數(shù)之外，還能提供差分反射率因子ZDR、雙程差分傳播相位變量ФDP、差分傳播相位常數(shù)KDP、相關(guān)系數(shù)ρhv等雙偏振參量。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以結(jié)合多個(gè)雙偏振參量，通過模糊邏輯算法來識(shí)別回波中氣象目標(biāo)的粒子類型，這對研究雷暴內(nèi)粒子類型、相態(tài)的空間分布以及雷暴隨時(shí)間的發(fā)展演變有著重要作用。

利用LLX10B型S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波資料結(jié)合模糊邏輯算法[19]對2014年7—8月江蘇地區(qū)夏季雷暴過程中的云內(nèi)水成物粒子進(jìn)行了識(shí)別，研究了雷暴發(fā)展過程云內(nèi)粒子的演變特征。以2014年8月6日一次強(qiáng)雷暴天氣過程中的雷暴單體為例進(jìn)行分析說明。

為了更加準(zhǔn)確地觀測雷暴單體的垂直結(jié)構(gòu)，在14∶26，對某一雷暴單體所在區(qū)域進(jìn)行VCS跟蹤掃描，并對掃描區(qū)域進(jìn)行了粒子識(shí)別，如圖5所示。

根據(jù)江蘇省閃電定位數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域雷暴在演變過程的地閃頻數(shù)隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖6所示。

從圖中可以看出，14∶26—14∶34還未有閃電產(chǎn)生，從14∶34時(shí)刻開始，該雷暴單體影響區(qū)域內(nèi)首次有閃電記錄，并且地閃頻數(shù)不斷增加，14∶42—14∶50地閃頻數(shù)短時(shí)間內(nèi)大幅度增加，由5次/(8 min)增加到42次/(8 min)，14∶50—14∶57地閃頻數(shù)繼續(xù)增加，達(dá)到整個(gè)雷暴過程的峰值79次/(8 min)，14∶57—15∶05地閃頻數(shù)開始減小，但減小幅度較小，減小到58次/(8 min)，15∶05—15∶13地閃頻數(shù)下降幅度明顯增大，由58次/(8 min)降至24次/(8 min)，直至15∶13地閃頻數(shù)降至為0。其中14∶42—15∶05為閃電頻發(fā)階段，其每隔8 min的地閃頻數(shù)平均在50次以上，整體來看，該雷暴的地閃頻數(shù)隨時(shí)間先增加后減少，最后減少到0，并在14∶50經(jīng)歷了一次峰值。

圖5 2014年8月6日某雷暴單體反射率因子和水成物粒子識(shí)別結(jié)果隨時(shí)間演變的VCS垂直剖面示意圖：(a、g)14∶26; (b、h)14∶34; (c、i)14∶42; (d、j)14∶50; (e、k)14∶58; (f、l)15∶06Fig.5 The VCS vertical profile of a thunderstorm reflectivity factor and particle recognition results over time on August 6， 2014:(a,g)14∶26 BST; (b,h)14∶34 BST; (c,i)14∶42 BST; (d,j)14∶50 BST; (e,k)14∶58 BST; (f、l)15∶06 BST

通過分析圖4結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn)，在14∶26—14∶34時(shí)段，此時(shí)雷暴處于初生階段，云頂高度為9 km，沒有大于40 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域，絕大部分區(qū)域小于35 dBZ，與之對應(yīng)的粒子類型識(shí)別結(jié)果，0℃高度層以上為干雪，0℃高度層以下為濕雪，此時(shí)無閃電活動(dòng)；14∶34—14∶42出現(xiàn)較大面積的強(qiáng)度大于40 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域，云頂高度為9 km，強(qiáng)度核心為45～50 dBZ，與之對應(yīng)的粒子類型識(shí)別結(jié)果，在強(qiáng)度大于40 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域內(nèi)的大部分粒子為濕霰，云底有小到中雨，這時(shí)段閃電首次出現(xiàn)記錄，閃電定位數(shù)據(jù)顯示在此時(shí)間段內(nèi)該區(qū)域共發(fā)生了5次負(fù)地閃；14∶42—14∶50云頂高度達(dá)到12 km，強(qiáng)度大于40 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域繼續(xù)增大，高度達(dá)到10 km，分析強(qiáng)回波區(qū)域的粒子類型，最高處的粒子是干霰，下面為濕霰，此時(shí)的濕霰大多在0℃高度層以上，0℃高度層以下為大雨，此時(shí)段的地閃頻數(shù)增加到42次/(8 min)；14∶50—14∶57云頂高度為16 km，反射率因子強(qiáng)度中心增加到50～55 dBZ，強(qiáng)回波高度達(dá)到13 km，分析強(qiáng)回波區(qū)域的粒子類型，其中干霰在最高處，面積占強(qiáng)回波面積二分之一左右，濕霰大多在0℃高度層以上，0℃高度層以下為大雨，值得一提的是，在回波強(qiáng)度為50～55 dBZ的區(qū)域，絕大部分粒子為雨夾雹，此時(shí)段的地閃頻數(shù)達(dá)到最大為79次/(8 min)；14∶57—15∶05云頂高度為16 km，強(qiáng)回波區(qū)域的高度降低至9 km，而強(qiáng)度為50～55 dBZ的區(qū)域面積增大，分析強(qiáng)回波區(qū)域的粒子類型，雨夾雹仍在回波強(qiáng)度為50～55 dBZ的區(qū)域，干霰面積減少，濕霰在雨夾雹周圍，下層依然為大雨，此時(shí)段的地閃頻數(shù)開始降低，降為58次/(8 min)；15∶05—15∶13云頂高度為14 km，強(qiáng)度為50～55 dBZ的區(qū)域消失，強(qiáng)回波區(qū)域的面積減小，高度降低至7 km，分析強(qiáng)回波區(qū)域的粒子類型，干霰和雨夾雹基本消失，濕霰和大雨各占強(qiáng)回波面積的二分之一，濕霰在上方，大雨在下方，此時(shí)段的地閃頻數(shù)降低到24次/(8 min)；15∶13—15∶21，云頂高度為9 km，強(qiáng)回波區(qū)域大幅度縮小，其中的主要粒子是濕霰粒子，此時(shí)段的0℃高度層以上為干雪，0℃高度層以下為小到中雨，地閃頻數(shù)也降為0次。

為便于觀察和分析，對以上雷暴發(fā)展過程的各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表4所示。

表4 單體雷暴發(fā)展過程分析(以2014年8月6日典型雷暴為例)Table 4 Analysis of development process of monomer thunderstorms (a case study of typical thunderstorms on August 6, 2014)

圖6 2014年8月6日南京地區(qū)某雷暴地閃頻數(shù)隨時(shí)間的演變統(tǒng)計(jì)Fig.6 Evolution statistics of the flash number of a thunderstorm over time in Nanjing area on August 6， 2014

對2014年7—8月江蘇地區(qū)夏季雷暴過程中的云內(nèi)水成物粒子進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出不同強(qiáng)度反射率因子回波中的粒子類型，如表5所示。由雷暴的非感應(yīng)起電機(jī)制可知，0℃高度層以上水成物粒子之間的相互作用，是雷暴產(chǎn)生閃電的主要原因。將以上兩個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行結(jié)合分析，發(fā)現(xiàn)雷暴首次出現(xiàn)閃電活動(dòng)時(shí)或者閃電活動(dòng)消失之前，最強(qiáng)的反射率因子強(qiáng)度都是40 dBZ以上，而其中的主要粒子包括干霰、濕霰和雨夾雹。從出現(xiàn)閃電到閃電消失，濕霰粒子自始至終都存在，干霰通常出現(xiàn)在雷暴發(fā)展和成熟階段，而雨夾雹僅出現(xiàn)在雷暴成熟階段。由此可見，雷暴中閃電的產(chǎn)生和霰粒子有著密切的聯(lián)系，尤其是濕霰粒子。當(dāng)雷暴成熟階段空氣對流最強(qiáng)烈的時(shí)候，干霰粒子通常含量很大，而當(dāng)雷暴開始衰退時(shí)，干霰粒子又會(huì)減少，干霰粒子總是出現(xiàn)在濕霰粒子上空，由此可以猜想，干霰粒子是由濕霰粒子隨對流空氣上升到達(dá)高空形成，干、濕霰粒子能夠相互轉(zhuǎn)化。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，干、濕霰粒子都存在的區(qū)域和只有濕霰粒子的區(qū)域相比，前者的閃電頻數(shù)更高。

表5 不同強(qiáng)度反射率因子回波中的粒子類型Table 5 Particle types in different intensity reflectivity factor echoes

5 結(jié)論

本文利用S波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)結(jié)合閃電定位資料對雷暴特征進(jìn)行了研究，選取了2014年7—8月江蘇地區(qū)的33個(gè)夏季雷暴過程作為研究對象，統(tǒng)計(jì)分析了江蘇省地區(qū)夏季雷暴生消過程中反射率因子的時(shí)空演變特征，研究了不同溫度層反射率因子與地閃頻數(shù)隨時(shí)間的相關(guān)性，并分析了雷暴發(fā)展過程中的水成物粒子的演變特征，主要結(jié)論如下：(1) 在雷暴成熟之前，雷暴的反射率因子核心區(qū)域的強(qiáng)度、高度和云頂高度不斷增加，以及對流發(fā)展不斷旺盛，當(dāng)雷暴成熟之后，雷暴的強(qiáng)反射率因子核心的強(qiáng)度和對應(yīng)高度就會(huì)不斷降低，雷暴將趨于消散。(2) 結(jié)合LLX10B雷達(dá)回波資料和閃電定位資料，對雷暴3個(gè)階段的特征高度層(0、-5、-10、-15℃)對應(yīng)的反射率因子最大值的變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出0℃高度層上出現(xiàn)40 dBZ及以上強(qiáng)度回波是雷暴能夠發(fā)生閃電的主要特征。(3) 雷暴中閃電的產(chǎn)生和霰粒子有著密切的聯(lián)系，尤其是濕霰粒子，干、濕霰粒子都存在的區(qū)域和只有濕霰粒子的區(qū)域相比，前者的閃電頻數(shù)更高。

致謝：感謝江蘇省防雷中心為本文研究提供閃電定位數(shù)據(jù)。