一次强对流天气过程的雷达产品和雷电信息分析

罗树如1 , 支树林2 , 俞 炳2
(1.江西省气象局,江西 南昌 330046;2.江西省环境预报中心,江西 南昌 330046)
 
  
摘 要: 通过对比分析南昌多普勒天气雷达的探测资料和雷电监测定位系统监测到的同时期的雷电参数,得出2003年4月12日发生在我省中北部的1次灾害性强对流天气过程的中小尺度系统的雷电参数演变特征,从而为强对流天气的短时预报提供了新的监测预警依据和手段。
  
关键词: 强对流 雷电参数 雷达回波 特征分析
  
中图分类号:P412.25;P458.1+1  文献标识码:B  文章编号:1007-9033(2004)03-0044-04 
    雷电监测资料在强对流天气预报警报中的应用问题,国外在20世纪80年代就开始了研究,目前在美国、法国、德国等发达国家得到一定的应用。国内由于雷电探测设备建设较晚,有关这方面的研究才刚刚起步。江西省雷电监测网自2003年建成以来,积累了不少雷电资料。文中从江西省“4.12”强对流天气过程中雷电监测资料和雷达回波资料的分析中,试图找到雷电监测资料应用的着眼点,结合国内外有关应用情况,发现具有预报意义的雷电参数。
1 强对流天气的雷达回波演变过程
    造成江西中北部2003年4月12日强对流天气的系统主要是3个中小尺度系统。05:00左右,南昌地区西南部有对流单体不断发展,并向东部移动,影响了南昌地区东南部、抚州地区北部、鹰潭地区和上饶地区西部。同时,08:00左右宜春地区北部也有较大范围回波区处发展之中,在东移时逐渐加强成飑线,主要影响了南昌和上饶地区的万年一带。2次对流过程以雷雨大风和局地短时强降水为主。而造成我省东部大范围冰雹和雷雨大风天气的超级单体风暴于09:56左右在九江地区西部生成,随后在东移过程中迅速发展;到达上饶地区西部时已呈现典型的弓形回波特征。风暴所经之处,我省南昌、鹰潭、上饶和抚州地区出现了剧烈的雷雨大风、强降水和冰雹等严重的灾害性天气。
2 雷电演变过程
    4月12日,江西境内共探测到20 214次雷电。其中正闪1 127次,负闪19 087次,正负闪比例为5.9:100。从全天雷电密度分布图可以看出,雷电高密度区域主要集中在上饶地区。另外,雷电密集时间主要在12:00~16:00(图1)。对比发现,雷电密集区和雷达强回波区吻合,雷电的移动趋势和雷达回波的演变也基本一致。

3 阶段性过程的对比分析
3.1 局部对流性降水阶段
    南昌多普勒天气雷达获得的回波显示,0~5时九江地区和上饶地区的回波稳定维持,强度为35~40 dBz,以局部阵性降水为主。
    比较00:00~5:25 雷达回波和雷电资料可以看出,这段时间内雷电活动主要集中在北部的九江地区和东部的上饶地区。其中北部雷电基本稳定,东部雷电向东缓慢移动;北部雷电频度呈下降趋势,东部雷电频度呈增强趋势(图2)。
 3.2 第一次风暴发展和演变过程
    由于从低层到高层均为一致强盛的西南暖湿气流,因此北方冷空气南下时,气团急速变性而极易产生强对流。4月12日5时左右,我省中北部地区就出现了零散的对流性降水。南昌多普勒雷达观测到:5:25南昌地区西南部有对流单体发展;7:53该对流单体已发展成风暴,并与周围的对流单体合并形成1条东北西南向的回波短带;8:25该回波带更加明显,南昌地区东南部、抚州地区北部、鹰潭地区和上饶地区西部都受其影响,产生了雷雨大风天气;9:56后,回波带东移至上饶地区南部,并逐渐减弱。
    从雷电集中区的移动趋势可以看出,九江地区的雷电随时间的推移基本消失,上饶地区的雷电向东移动。另外,西边从湖南移入1个新的雷电集中区(在宜春地区北部)。图3是5~8时上饶、宜春地区和湘、鄂、赣边界处的雷电频度分布图。由图3可以发现,上饶地区的雷电继续呈增长、加强态,到7:00后转为下降趋势;宜春地区北部至南昌地区的雷电也呈增长、加强态。另外,在湖南、湖北及江西交界处,又有1片新的云产生,并向东移动,且已发生雷电。根据频度变化曲线可以发现,雷电呈增长、加强态,正闪比例较高,表明处于初始发展期。
 3.3 第二次风暴发展和演变过程
    清晨形成的较强回波带在影响南昌、抚州地区北部、鹰潭和上饶地区西部的同时,08:00宜春地区北部也有较大范围回波区处发展之中(图4a)。09:38左右,回波移到南昌地区西部时,回波核心强度已达55~60 dBz,且表现出西北东南向的线状,呈典型的飑线特征,但其持续时间不长(图4b)。在强回波不断东移的过程中,对流单体相互碰并增长,促成了超级单体风暴的形成。11:15该风暴已移至上饶地区的万年一带(图4c),随后逐渐减弱,至12:34左右变成一般性降水(图4d)。受该风暴的影响,09时50分奉新出现了30 mm/h的强降水,11时34分万年出现极大瞬间风(19 m/s)、14时38分出现32 mm/h的强降水。

图4  宜春北部的对流回波的演变过程     8:00~11:00,湘、鄂边界处、宜春地区北部和上饶地区的3处雷电密集区域的频度变化曲线如图5所示。由图5可以发现,雷电从湖南、湖北交界处的区域继续向东移动,前锋11:00已经移到九江武宁县,移动过程中呈增长、加强态,正闪比例依然很高;原宜春北部雷电区域快速东移穿过南昌地区,11:00到达余干县,移动过程中呈增长、加强态;上饶地区的雷电缓慢东移,移动过程中呈衰退、消亡,由此可以预测该对流云团已进入消亡期。
注:a为湘、鄂边界处东移的雷电区域,b为从宜春北部东移的雷电区域,c为上饶地区东移的雷电区域
图5  8:00~11:00雷电频数变化曲线
 3.4 第三次风暴发展和演变过程
    南昌多普勒天气雷达观测发现,造成我省东部大范围雷雨大风和冰雹天气的超级单体风暴自09:56左右在九江地区西部生成(图6a)。它在东移的过程中迅速发展,至10:51回波核心强度已达60 dBz,地面开始出现雷雨大风(图6b)。移至南昌地区西部时,强回波区域明显扩大,但此时回波还呈多单体风暴状态(图6c)。13:42左右,该风暴移至南昌地区东部,并逐渐影响到上饶地区西部,风暴也加强成超级单体风暴,强中心呈明显的前倾,为典型的弓形回波特征(图6d)。随后超级单体风暴继续东移加强,逐渐影响了上饶地区中东部的弋阳、横峰、铅山和抚州北部的金溪,回波核心强度甚至超过了70 dBz,14:25左右回波最强时反射率甚至达到了79 dBz(图6e)。剧烈的对流性天气给我省上饶和抚州2个市造成了很大的损失。南昌、鹰潭、抚州和上饶地区出现了雷雨大风,弋阳、横峰、铅山还遭受了冰雹袭击。15:36后,强回波逐渐移至上饶地区东部,此时强度依然很强(图6f),随后逐渐减弱。

图6  10:00~15:36雷达回波图(1.5度基本反射率)     从雷电信息可以看到,湖南、湖北交界处的雷电集中区域继续向东移动,前锋13:00已移到南昌市区。根据频度变化曲线(图7),其呈增长、加强态,正闪比例依然很高;从宜春北东移的雷电区域穿过南昌后继续东移,频度由160次/10 min降为30次/10 min,呈衰退、消亡期,可以预测该对流云团已进入消亡期。13:00开始,从江西西北部来的雷电区域面积进一步增大,往东南方向移动。17:00前峰移到江西与福建交界处。雷电频度变化曲线显示,此段时间雷电为高频度发展期,平均为:300次/10 min,4次达到顶峰(13:53为560次/10 min、14:30为400次/10 min、15:10为310次/10 min、16:30为350次/10 min)。雷达回波图和雷电活动图的对比分析可以发现,选择雷达图前6 min的雷电数据和对应时段的雷达回波资料叠加,结果是:雷电密集区和雷达强回波区基本一致。17:00以后,雷电活动没有特别明显的移动趋势,也没有特别密集区域,整体趋于发散状态。根据频度变化曲线,可以发现它已明显趋于消亡阶段,频度值平均为:50次/10 min,21:40以后降为:20次/10 min。由此这预示着该对流云团已进入消亡期。
图7  11~17时影响东部地区的雷电频数变化曲线 4 雷电极性和风暴发展阶段的关系
    比较风暴影响过程的不同阶段与所对应的雷电极性分布后发现,对流单体初生和风暴处发展阶段时的正闪数,明显多于风暴处成熟和消亡阶段时的正闪数,而风暴处成熟阶段时正闪数最少;与此相应,风暴处成熟阶段时负闪数较其他阶段多出很多。这表明正闪集中预示着能量的不断积累,而负闪的集中则表明风暴已渐趋成熟,风暴对地面的影响形式也由局地雷雨大风为主转为以降水为主。
5 雷电极性和风暴灾害产生的关系
    表1是3次对流天气发生时段的正闪数目对比。由表1可以发现,对流单体初生和处发展时,地面天气不甚剧烈,正闪数目也较少,只产生一般降水;而随着正闪数目明显增多,产生了雷雨大风,并出现短时强降
水;到14~16时,正闪数目达到最大值,同时出现了冰雹。
 表1 雷电极性和风暴产生灾害性天气性质的关系
 6 雷电的频度和风暴发展阶段的关系
    从与风暴不同发展阶段所对应的雷电频度分布图可以看出:
    (1) 风暴形成之初,正闪和负闪数目均会增多,但负闪数目的增加明显快于正闪。
    (2) 风暴处发展至成熟阶段时,雷电频度也会增大,且雷电频度的变化和雷达回波的变化基本一致,有时雷电频度的变化超前于风暴在雷达回波上的反映。如将13:27~13:30的雷电信息叠加到13:30的仰角1.5°的雷达基本反射率产品上时,可以看出雷电信息明显超前于回波10多min(图8)。这就为强对流预警和灾害性天气的落区预报提供了依据,也赢得了更多的提前预警时间。

图8  6 min内雷电信息和雷达回波叠加图 7 结语
    (1) 这次过程雷电密集区的位置和雷达回波位置基本吻合,雷电位置稍有超前。雷电密集区的移动可以准确地反映出对流单体和风暴系统的移动趋势,因此可以将雷电监测资料引入对流性天气的跟踪监测。
    (2) 雷电的频度变化很好地预示着风暴的不同发展阶段,这与美国Williams在佛罗里达的研究结论类似。它对预报风暴的形成、发展、消亡有指示作用。
    (3) 在这次天气过程中,从雷电极性分布可以判断出强对流天气的性质,为这次对流风暴可能造成的灾种的判断增加了新的依据。
    (4) 随着强对流天气分析个例的增多,人们对雷电参数在强对流天气短时预报中的运用将有更深的认识。从这次过程的分析可以看出,制作强对流天气短时预报,需结合雷达回波、卫星云图等资料综合应用,雷电监测资料是新增的一种预报依据。
 参考文献 1 许小峰,郭虎,廖晓农,等.国外雷电监测和预报研究[M].北京:气象出版社,2003.843. _______________________________
收稿日期:2004年04月02日

作者简介:罗树如(1946—),男,高级工程师,主要从事天气预报管理。
*本文受江西省气象局“雷电监测在信息服务中的应用”项目资助。

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