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166Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.7赣州一次强降水过程的闪电特征与多尺度资料分析廖颖楠赣州市气象局，江西赣州 341000摘要 为探寻闪电活动与气象要素之间的关联性，结合三维闪电定位资料、雷达资料、风云四号卫星云顶温度资料，以及地面气象观测站资料，对2019年7月14日发生在赣州市的强降水天气过程进行多尺度分析。结果表明：强降水天气过程中以负地闪占优势，正地闪增多预示着过程的消散；降水分布跟闪电密度分布较为一致，闪电频次峰值领先于降水量峰值，负闪多出现在强回波移动方向的前方，对回波运动方向有指示作用；闪电活动结合云顶温度低值区的变化与地面降水强度的变化有较好的对应关系。关键词 强降水；闪电；雷达；CTT中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：20953305(2023)070166-05强对流天气是一种伴随着闪电、冰雹、强降水的灾害性天气，因它造成的灾害和次生灾害损失和人员伤亡情况仅次于热带气旋、地震、洪涝。赣州市地处江南南部华南北部，强对流天气频发，随着经济社会发展和气候变暖，强对流天气多发、频发，带来的损失日益严峻，因此，研究闪电活动与其他气象要素之间的关联性，为强对流天气的监测预报提供理论依据，提升强对流天气的预警及防灾减灾服务能力，减轻灾害性天气对人们生产生活的影响具有重要的意义1。国内外学者对闪电特性、地闪与强对流天气现象之间的关联性，及其在强对流天气短时临近预报中的应用等方面进行了研究发现，闪电的强弱可作为强对流天气对流强度的指示器，云顶高度、降水峰值等与闪电活动有较为密切关系。但不同地区地理环境、天气条件不同，强对流天气过程中闪电活动的特征也有较大差别。冯桂力等2对一次典型的中尺度强对流天气闪电特征进行分析，发现闪电极性在对流的初生、发展和消散过程中存在变化，初生阶段负闪为主，因此可较好识别对流区；旺盛时，负闪占主要优势且总闪电频次维持较高水平；消散时，则以正闪占多数。张腾飞3等研究了2007年发生在云南的强对流降水跟闪电之间的关系，发现强降水过程中以负闪为主，闪电提前于降水出现，但降水强度跟闪电频次没有显著相关关系；杨超等4利用雷达与闪电资料研究了一个强对流天气个例，发现正、负地闪频次在强对流系统发展的不同阶段呈现出不同的特点，基本上呈反相位关系。综合学者的研究及成果5-18，选取 2019年7月14日赣州市强降水天气过程，利用三维闪电定位资料、雷达资料、风云四号卫星云顶温度资料和地面气象观测站资料，从闪电活动与相关探测资料的时空演变分析入手，探寻闪电活动特征与气象要素之间的相关性，进一步加深对赣州市强降水天气发生与发展过程的认识，为强对流天气监测预警提供一定参考。1 过程概述与天气背景1.1 过程概述2019年7月14日01:0009:00，赣州市范围内普遍降雨，中部以北出现了大到暴雨降雨过程，特别是以崇义于都瑞金这一带降雨最为猛烈，全市范围24 h内2个测站出现了特大暴雨，10县（市、区）的135个测站出现了大暴雨，11县（市、区）的212个测站暴雨，Lightning Characteristics and Multiscale Data Analysis of A Heavy Rainfall Process in Ganzhou Liao Ying-nan(Ganzhou Meteorological Bureau,Ganzhou,Jiangxi 341000)Abstract In order to explore the correlation between lightning activity and meteorological elements,combined 3D lightning location data,radar data,cloud top temperature data of FY-4 satellite and ground meteorological observation station data to conduct a multi-scale analysis of the heavy rainfall weather process that occurred in Ganzhou City on July 14,2019.The results indicated that negative ground flashes dominate during heavy rainfall weather processes,while an increase in positive ground flashes indicated the dissipation stage of the process;The precipitation distribution was more consistent with the lightning density distribution.The lightning frequency peak was ahead of the precipitation peak,and the negative flash mostly appears in front of the strong echo moving direction,indicating the echo moving direction;There was a good corresponding relationship between lightning activity and changes in the intensity of ground precipitation,combined with changes in low cloud top temperature areas.Key words Heavy precipitation;Lightning;Radar;CTT作者简介 廖颖楠（1988），女，福建顺昌人，工程师，主要从事雷电防御相关工作。收稿日期 2023-04-22167农业灾害研究 2023,13(7)24 h雨量最大为于都县沙心261.5 mm；1 h雨量最大在瑞金市九堡镇，为80 mm。此外，过程中还伴随着强雷电现象，总闪次数5 100次。过程共造成赣州市9个县（市、区）87个乡镇516 661人受灾，转移89 064人，农作物受灾面积 28 826.2 hm2，倒塌房屋707间。共造成直接经济损失123 189.42万元。1.2 资料概述闪电监测资料来源于江西省雷电监测网，包含雷击发生的时间（精确到毫秒）、经纬度、雷电流强度、回击的波头陡度等参数。剔除雷电流幅值2 kA的和200 kA的数据，剔除高度为0 km 的云闪数据。雷达资料来自赣州市气象局设置于市郊马祖岩的SC波段多普勒天气雷达，可对强降水、冰雹、大风等强对流天气进行监测预报。此次使用雷达回波基数据，基数据是雷达1个体扫6 min内的信息。卫星云顶温度CTT数据资料来自中国的风云四号卫星（FY-4A），是扫描成像仪的一级产品，用程序截取赣州市范围内的数据，并生成为格点数据文件。地面气象观测站资料来自赣州市地面自动气象观测网，全市共17个国家基本气象站和260个自动气象站，能实时观测温度、气压、相对湿度以及地面风速等地面气象要素。1.3 天气背景1.3.1天气图分析由2019年7月13日 08:00、7 月 13 日 20:00、7 月 14 日08:00 3个时次高低空实况场可看出，200 hPa上可见喇叭口式的环流，赣州上空存在着强辐散气流，有利于上升运动的持续发展；500 hPa上南支槽位于广西崇左、南宁到贵州铜仁一带，赣州位于南支槽前的西南气流，有利于低层西南气流加强和槽前天气尺度抬升；700 hPa切变线南压至赣中北一带，叠加上低空西南急流，为大范围天气尺度强降雨的发展提供有利的水汽和热量输送，急流出口区较强的风速辐合为天气尺度强降雨的发展提供了天气尺度抬升；如此低层辐合、高层辐散的配置极其有利于对流的发展和持续。1.3.2探空资料分析从2019年7月13日20:00赣县站探空图资料来看（图1），低层水汽充足，抬升凝结高度低，云底以下蒸发层浅薄，实际对流有效凝结率高，存在弱垂直风切变、低的抬升凝结高度、一定强度的CAPE、低层较高水汽含量并且饱和，有利于低质心热带对流形成的环境特征，降水效率高。2 闪电与多尺度资料对比分析2.1 闪电资料分析此次强降水天气过程持续时间较长，2019年7月14日01:0009:00（图2），共监测到地闪3 619次、云闪1 481次。地闪中，正地闪356次，负地闪3 263次，平均闪电强度为31.8 kA。云闪的平均高度为4.15 km，与雷达回波 40 dBz反射率高度较一致。赣州01:00出现地闪，03:10达到第一波峰值，持续30 min左右，地闪频次减少，而后04:40再次达到峰值期间，07:00之后地闪频次逐步减少，至09:00赣州市范围内总体无闪电密集区，此次强降水过程基本结束。2.2 雷达资料分析此次强降水天气的雷达回波是不断发展并自西向东移动的多个单体。从雷达回波反射率的时间演变来看，最开始是在崇义境内出现对流单体。在初生阶段，40 dBz回波反射率高度达4.5 km左右，回波强度最强集中在天线仰角2.4，12 km范围内，说明对流层图1 2019071320:00赣县站探空图0204060801001201401:001:201:402:002:202:403:003:203:404:004:204:405:005:205:406:006:206:407:007:207:408:008:208:409:00地闪频次（次/5min）北京时地闪频次/（次/5 min）图2 2019年7月14日01:0009:00赣州市地闪频数变化168Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.7底部和质心较低，02:30左右，从崇义西侧开始向西南方向发生发展，02:55壮大到回波强度面积扩大，回波形态紧凑并开始缓慢移动。此时，40 dBz回波反射率高度为4.5 km，04:30崇义北侧又生长出1个对流单体，期间单体不断补充生长。瑞金、于都的对流单体从02:44开始发展壮大，都是明显的低质心的回波单体，40 dBz回波反射率高度约为4.0 km；03:01，瑞金和于都的2个单体合并，03:24于都站处达到鼎盛，最大回波反射率为55 dBz，40 dBz反射率高度达到4.0 km；04:16，崇义、于都、瑞金的对流单体汇聚一起，形成一条自西向东分布的带状回波，回波少动，一直持续至07:05 崇义站回波先开始变得松散，07:43瑞金、宁都一带形成1个片状回波，瑞金回波强度有所增强，40 dBz高度5.1 km，最强回波54 dBz，直至09:11回波变弱，结构松散。2.3 闪电与雷达资料对比分析将雷达观测时刻及其前后3 min闪电叠加在回波的组合反射率上，更好地探寻雷达和闪电与地面气象要素之间的演变关系。对比分析过程中前、后时次的雷达和闪电叠加图（图3）看出，负地闪密集区在回波组合反射率最高的地方或者是回波移动前进方向，正闪跟负闪分布位置一致，且主要分布在回波移动前进方向，弱回波区正闪聚集的地点下一时次的雷达回波移动或者是回波强度得到增强。2.4 闪电与气象要素的对比分析2.4.1地闪频数与降水时序变化对比 此次强对流天气以短时强降水为主要特征，已有研究对地闪频次变化与降水进行过分析，认为闪电活动可以作为对流强弱的指示器。对此次强降水最为显著的3个国家基本站崇义、于都、瑞金叠加其周围10 km范围内每5 min的闪电频次跟对应时间段降水量（5 min雨强）比对分析（图4），可见闪电频次的峰值领先降水量峰值，闪电的活动减弱预示着短时强降水的降水强度即将 减弱。2.4.2地闪分布与降水密集区对比分析此次强降水过程雨带自西南向东北移动，期间有西部崇义、瑞金2个强降水中心，从过程累积闪电分布和降水量分布来看（图5），闪电密集区跟降水图3 地闪与雷达回波组合反射率叠加图010203040506070803时10分4时25分5时40分6时55分8时10分5min闪电频次/降水量0.1mm崇义雨量崇义闪电010203040506070803时10分4时25分5时40分6时55分8时10分5min闪电频次/降水量0.1mm于都雨量于都闪电数0204060801001202时50分4时05分5时20分6时35分7时50分5min闪电频次/降水量0.1mm瑞金雨量瑞金闪电数3:104:255:406:558:103:104:255:406:558:102:504:055:206:357:50图4 崇义、于都、瑞金站每5min闪电频次和雨强演变图5 过程闪电和降水量分布169农业灾害研究 2023,13(7)量密集区有很好的对应关系，负闪个数越多、越密集的地方，降水强度越大，在降水量少的边缘侧分布着正闪电。通过小时降水量分布和地闪落区叠加分析（图6）可以看到，地闪的落区与强降水区域吻合度较好，二者的相关性较为明显。2.5 闪电与卫星云顶温度资料的对比分析基于FY-4A卫星观测的CTT资料与闪电对比分析，发现闪电主要分布在云顶温度最低区域的外侧，出现在云顶温度低于-50 左右的区域（图7），云顶温度最低值是对流发展最为旺盛的区域，发生短时强降水的区域与之有较好的对应性。03:23云顶温度较上一时刻来说，崇义上方云顶温度降低，瑞金上方的云顶温度是升高的，说明此阶段崇义对流在发展，云顶高度在上升，云内对流强度在加强，瑞金上方是减弱的，此刻地面降水情况来说，崇义降水强度显著增强，从1.2 mm/5 min逐渐增 加到2.8、5.4、3.4、4.5、6.6 mm/5 min，瑞金 的降水强度从峰值10.1 mm/5 min开始减 弱 为0.8、0.0 mm/5 min；04:17，崇 义的云顶温度已经升高了，云顶温度的低值区在于都上方，正往瑞金方向发展，此时地面降水情况是崇义保持着5分钟 1.2 mm的降水强度，于都站的降水量正在增强至峰值，瑞金无降水。05:34，崇义、于都、瑞金上方最低云顶温度的区域变小，但次低值区（60 ）区域面积变大，此时地面降水情况瑞金的降水从之前的减弱开始再次增强，崇义的降水强度保持在平均为1.2 mm/5 min，于都的降水从1.2 mm/5min减弱为0.2 mm/5 min；05:53，云顶温度低值区面积收窄，低值区值升高，预示此阶段降水区域减弱，而后地面3个站06:10开始降水减弱为平均0.8 mm/5 min。云顶温度低值区的面积和数值大小的变化能较好预示着地面降水的变化，结合闪电频次，能更好地指示强对流的发展与消亡。3 结论通过对此次强降水天气的闪电特征和多尺度资料对比分析，得出以下结论：（1）此次强降水过程从时空分布上来看非常集中，天气尺度环境场呈现图6 小时累计降水量与地闪数据组图（a）03:2303:27 CTT叠加前后5 min闪电；（b）04:1704:23 CTT叠加前后5 min闪电，（c）05:3405:38 CTT 叠加前后5 min闪电；（d）05:5305:57 CTT叠加前后5 min闪电。图7 闪电跟云顶温度CTT演变170Journal of Agricultural Catastrophology 2023,Vol.13 No.7低空较强风速辐合加上高空强辐散气流，各层配置非常利于天气尺度强降雨的发展；探空资料表明：低的抬升凝结高度加上云底以下蒸发层浅薄导致实际对流有效凝结率高。雷雨天气过程，地闪持续时间长，负地闪占绝对优势，闪电强度较大，云闪的平均高度与雷达回波40 dBz较好地对应。地闪分布与雷达回波组合反射率对比，负闪多出现在强回波移动方向的前方，能够较好指示回波运动方向。地闪的落区与强降水分布在空间上的对应较好，从时间上对比分析发现闪电频次峰值领先于降水量峰值。闪电主要分布在云顶温度最低区域的外侧，出现在云顶温度低于-50 左右的区域，云顶温度最低值是对流发展最为旺盛的区域，云顶温度低值区的面积大小和数值大小往往预示着地面降水的强度的变化。参考文献1 Qie X S,Zhang Y J,Yuan Tie,et al.A review of atmospheric electricity research in ChinaJ.Advances in Atmospheric Sciences,2015,32(2):169-191.2 冯桂力,郄秀书,周筠珺.一次中尺度对流系统的闪电演变特征J.高原气象,2006(2):220-228.3 张腾飞,段旭,张杰,等.云南强对流暴雨的闪电和雷达回波特征及相关性J.热带气象学报,2011,27(3):379-386.4 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