_2007_08_13_汕头强雷暴天气雷达回波特征分析

收稿日期 :2007 - 11 - 29 ;修订日期 :2008 - 01 - 08。 作者简介 :许薇 ,女 ,1979 年生 ,助理师 ,主要从事短期天气预报工作 ,E2mail :gqh120 @tom. com。 “2007108113”汕头强雷暴天气雷达回波特征 许薇　甘庆辉　汤强 (汕头市气象局 ,广东 汕头 515041) 　　摘 　要 :根据 2007 年 8 月 13 日汕头强雷暴天气的雷达资料和闪电定位资料 ,利用统计和对比分析的方法 ,分析闪电活动 与雷达回波之间存在的关系。结果明 :强回波面积与闪电次数具有显著相关关系 ,闪电活动相对于强回波面积的变化有 10 min 的提前量 ;闪电发生的位置变化与强回波的移动密切相关 ,而速度回波更清晰地反映和预示雷达回波的移动趋势。基 本速度图中的辐合区也是闪电活动频繁的区域 ,雷暴发生前 40 min ,风廓线图中出现断裂的双干区 ,随后该双干区自上而下迅 速遭到破坏。双干区的出现和破坏是雷暴天气产生的先兆特征。 关键词 :强雷暴天气 ;闪电定位 ;雷达回波 ;汕头 　　中图分类号 : P446 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :1673 - 503X(2008) 02 - 0046 - 04 1 　引言 雷电是由积雨云中“温差起电”以及其他起电作 用产生的。雷电灾害是严重的气象灾害之一 ,所造 成的灾害是多方面的。2002 年 5 月辽宁受强雷暴天 气影响造成市区内低洼地区严重积水 ,交通阻塞 ,航 班取消或延误 ;同年 7 月沈阳地区连续强雷暴天气 造成河水暴涨、雹灾、风灾及 8 人死亡的严重后果 ; 2005 年 6 月一次强对流性天气造成桃仙机场多架航 班备降其他机场或推迟起飞时间[1 - 3 ] 。国内许多科 学工作者对雷暴天气进行了研究 ,刘玉凤等[4 ]发现 抚顺地区雷暴天气的影响系统为副热带高压后部、 高空槽和冷涡 ;易燕明等[5 ]对广东省雷暴、闪电时空 变化特征进行研究发现 ,雷暴、闪电的减少是气候变 化的反映 ,它们与广东省雨日的气候变化比较一致 ; 李建华等[6 ]发现闪电特性与降水类型有密切关系 , 负闪比例越高 ,降水越强 ,正闪数与冰雹、大风等激 烈性天气有明显的关系。汕头地处低纬地区 ,是我 国雷暴多发区之一。本文利用统计和对比分析方法 对 2007 年 8 月 13 日汕头市一次强雷暴天气进行分 析 ,揭示了闪电活动与雷达回波强度、速度场和垂直 风廓线场特征之间的关系。 2 　资料来源 雷达回波资料由汕头市气象局雷达站 ( CIN2 RAD/ SA) 提供 ,每 6 min 获得 1 幅雷达回波产品。 闪电定位资料从广东省气象局雷电探测分析系统获 得。选取 2007 年 8 月 13 日 14 :00 —17 :00 发生在汕 头地区的闪电数据作为参考资料 (按每 10 min 发生 的闪电进行统计) 。 3 　强雷暴天气概况及其背景分析 311 　天气概况 2007 年 8 月 13 日汕头潮阳区出现了强雷暴天 气过程 ,14 :00 —17 :00 潮阳区 4 个自动站出现了强 降水 ,15 :00 峡山自动站降水峰值达到 4314 mm/ h , 这个时段分别在潮阳区关埠镇、西胪镇和谷饶镇发 生重大雷灾事故 ,造成了 5 人死亡 ,9 人不同程度受 伤 ,伤亡者均为冒雨田间作业的村民。 312 　天气背景分析 2007 年 8 月 13 日 08 时 ,500 hPa 南支小槽东 移 , 700 —850 hPa 切变线随之南压。至 20 : 00 , 500 hPa南支槽、700 —850 hPa 的切变线均移至广东 西北部 ,汕头处于高空槽前、低层切变线南侧的不稳 定区域。 从水汽通量场上看 ,13 日 08 : 00 —20 : 00 ,中印 半岛 —北部湾 —广东沿海为一支强盛的水汽输送 带 ,在垂直方向上伸展到 500 hPa ,水汽输送中心辐 合于广东中东部地区。汕头地区湿层深厚 ,地面至 250 hPa 温度露点差均小于 4 ℃,表明雷暴发生时 , 汕头具有丰富的水汽含量和水汽来源。至 20 : 00 , t - ln P 图 (对数压力图) 上 K 指数达到了41 ℃, S I 指数为 - 216 ℃,500 hPa 与 850 hPa 的θse 之差为 - 613 ℃,由此可见 ,汕头地区大气层结十分不稳定。 资料表明 ,当 S I < - 3 ℃、K > 35 ℃,Δθse < 0 ℃时 , 此时层结呈下湿上干状态 ,将有成片强雷暴发生的 可能。 4 　闪电活动演变特征 从闪电定位系统统计数据可知 (图 1) ,8 月 13 日 第 24 卷 第 2 期 2008 年 4 月 　　　　　 气 象 与 环 境 学 报 J OURNAL OF METEOROLO GY AND ENV IRONMEN T 　　　　 Vol124 No12April 2008 14 :00 —17 :00 ,汕头潮阳区共发生闪电 540 次 (均为 图 1 　闪电次数随时间变化曲线 负闪) 。14 :00 开始出现闪电 ,其后至 14 :50 ,共探测 到 14 次闪电 ,时间间隔较长 ,位置分散。14 : 50 以 后 ,闪电次数逐渐增加 ,闪电时间间隔逐渐缩短。 15 :20 —15 :40 , 闪 电 次 数 陡 增 , 共 发 生 226 次 (15 :10 —15 :20闪电次数为 21 次) ,位置相对集中。 据雷灾事故当事人称 ,雷击造成人员伤亡发生在 15 :30左右 ,而该时段闪电最为频繁 (最大雷电流强 度约为 213 kA) 。16 :30 以后闪电次数明显减少 (仅 为 5 次) 。 　　文献[ 7 ]指出 :大地被雷击时 ,多数是负电荷从 雷云向大地放电。这是因为雷雨云内部的不停运动 和相互摩擦而使雷雨云产生大量的正、负电荷的小 微粒 ,即所谓的摩擦生电。若云块是自西向东移动 , 而地磁场磁力线则是由地球的南极指向地球的北 极 ,因此大量的正电荷向云块上方移动 ,负电荷向云 块下方移动 ,当电场强度达到足够大时将引起强烈 放电。这次雷暴过程发生的闪电均为负地闪 ,主要 是因为这个雷暴云自西向东移动 ,正电荷在雷暴云 上部 ,负电荷在雷暴云下部。地面受雷暴云下部负 电荷的静电感应而出现正电荷 ,形成负闪。资料分 析表明 ,闪电强度与闪电频数在时间上没有明显的 对应关系 ,闪电频数大的时段 ,有的闪电强度较强 , 有的闪电强度较弱 ,甚至比闪电频数小的时间段内 发生的闪电强度还要弱。但是 ,不同时段内闪电强 度极大值却与闪电频数有较好的一致性 ,在闪电频 数大的时段 ,闪电强度的极大值也随之增大 ,强度极 大值出现后紧跟着出现较多的弱强度闪电。 5 　雷达回波与闪电活动的关系 511 　回波强度面积与闪电活动 2007 年 8 月 13 日 14 : 40 ,汕头雷达站 270°— 360°方位角上 50 km 范围内存在 5 个分散雷暴单体 , 强度均在 50 dBz 以上。分散单体在东南移动过程中 不断合并加强 ,15 :00 合并为 2 个强回波块 ,分别为 汕头雷达站 350°和 290°方位角上 40 km 处 ,强度增 强为 55 dBz 以上 ,此时 290°方位角上的回波块开始 影响汕头市潮阳区。15 :30 雷达站西北侧 30 km 处 , 2 个强回波块再度合并为一东北西南走向的强回波 带 ,强度也进一步增强至 60 dBz ,此时汕头强雷暴天 气持续 ,随后该回波带缓慢的向东南移动 ,直至 16 : 30 减弱消失。 根据 14 :34 —16 :30 每隔 6 min 的雷达回波强度 资料 ,计算出汕头地区雷达回波面积 (回波强度大于 等于30 dBz) (图2) ,结合雷达观测时刻前10 min该 图 2 　2007 年 8 月 13 日 14 :34 —16 :30 雷达回波面积演变 图 3 　2007 年 8 月 13 日 14 :34 —16 :30 雷达回波面积与 闪电次数的二项式拟合 区的闪电次数 ,进行回归拟合 (图 3) 发现 :强回波面 积与闪电次数用二项式回归模型拟合效果较好 ,回 归方程为 y = 111734 74 + 31960 22 x - 01021 17 x 2 , 相关系数为 017289 ,经检验 ,在α= 0105 的显著水平 上 ,其相关关系显著。说明闪电活动相对于强回波 面积的变化有 10 min 的提前量 ,其变化趋势也较回 波面积的变化趋势稳定。以上表明 :闪电活动对强 回波面积变化有较好的指示预报作用。 512 　基本速度场与闪电活动 基本径向速度场代表了环境风场的径向分量分 布 ,可以分析某高度平面上的均匀风场 ,又能分析不 同高度平面上的变化情况[8 ] 。夏文梅等[9 ]将相应的 多普勒速度特征分成 4 种类型 : (1) 暖平流与辐合的 结合 ; (2)冷平流与辐合的结合 ; (3) 暖平流与辐散的 结合 ; (4)冷平流与辐散的结合。相应的多普勒速度 特征类型表现出零速度出现在雷达两侧的顺转或逆 74第 2 期 许薇等 :“2007108113”汕头强雷暴天气雷达回波特征分析 转的弯曲程度均存在明显的差异。 8 月 13 日 15 :00 —16 :00 速度场上 ,在雷达站南 北两侧 20 km 范围内 ,零速度线开始随距离顺转 ,且 零速度线向正速度区的弯曲程度远大于向负速度区 弯曲程度 ,负速度区的面积明显大于正速度区的面 积。这表明 :此时低层大气有暖平流输送 ,且环境风 场是辐合的。这种辐合与暖平流结合的形势持续了 近 1 h。就是在这种十分有利于对流发展的形势下 , 回波得以不断合并加强 ,形成了最强强度达 60 dBz 的强回波 ,产生了强雷暴天气。 从闪电资料发现 ,闪电发生的位置变化与强回 波的移动密切相关 ,而速度回波更清晰地反映和预 示雷达回波的发展趋势。基本速度图中的辐合区也 是闪电活动频繁的区域。这表明基本速度场特征可 能对闪电活动预报有一定意义。 513 　雷暴天气在风廓线产品上的前兆特征 雷暴天气形成过程一般与一定厚度内湿层结状 况有关。而多普勒天气雷达通过云和液态水粒子的 运动反演的风的垂直时间剖面图 VWP 产品可以反 映雷达所在地的湿层结状况。 文献[10 ]指出 ,在雷暴天气发生前 ,无论其表现 形式多么的不同 ,在 VWP 产品图上 ,都可以归结为 12 km 以下一定厚度双层连续无资料区在很短时间 内的破坏和基本消失。根据 CINRAD/ SA 多普勒天 气雷达 VWP 产品的形成机理 :除了在雷达 (降水模 式) 探测不到的非常高的薄云内 ,因液态水粒子非常 细小而出现无资料区外 ,降水模式探测中 ,12 km 高 度以下无资料区域形成的原因有 2 个 ,一是干区 ;二 是因为被探测区内的液态水粒子运动杂乱 ,无法反 演风向和风速。由于第 2 种原因造成的无资料区通 常是短时的和局部的 ,不可能形成一定厚度连续无 资料区。因此 ,可以确定 12 km 以下的连续无资料 区是干区。 2007 年 8 月 13 日 14 :34 ,在 VWP 图 (图 4) 中 413 —515 km 和 713 —815 km 存在断裂的双干区。 随后 ,双层干区自上而下迅速破坏 ,14 :40 以后 ,双干 区结构基本消失。15 :18 汕头地区观测到雷暴 ,这种 双干区的出现和破坏提前于雷暴天气 40 min 左右 , 因此有可能是汕头雷暴天气产生的先兆特征。 图 4 　2007 年 8 月 13 日 13 :58 —14 :58 风廓线 6 　结论 (1)此次雷暴天气发生的天气背景 :汕头地区处 于高空槽前、低层切变线南侧的不稳定区域 ,有丰富 的水汽含量和水汽来源 ,层结十分不稳定 ,有利于成 片强雷暴天气发生。 (2)闪电活动的特征表现为不同时段内闪电强 度极大值与闪电频数有较好的一致性。在闪电频数 大的时段 ,闪电的极大值也随之增大 ,极大值出现 后 ,随即会出现较多次的弱闪电。 (3)强回波面积与闪电次数具有显著的相关关 系 ,闪电活动相对于强回波面积的变化有 10 min 的 提前量 ,对强回波面积变化有较好的指示预报作用。 (4)基本速度场表明低层大气有暖平流输送 ,且 环境风场是辐合的 ,十分有利于对流发展。闪电发 生的位置变化与强回波的移动基本一致 ,而速度回 波更清晰地反映和预示雷达回波的发展趋势。基本 速度场中的辐合区是闪电活动频繁的区域。 84 气 象 与 环 境 学 报 第 24 卷 (5)雷暴发生前 ,雷达 VWP 产品中存在断裂的 双干区 ,随后双干区自上而下迅速破坏 ,40 min 后出 现雷暴。由于这种双干区的出现和破坏提前于雷暴 天气 ,因此有可能是雷暴天气产生的前兆特征。 参考文献 [1 ] 　李雅南 ,张大旭 ,郎彬. 2002 年 5 月 11 日辽宁强雷暴 冰雹天气分析[J ] .辽宁气象 ,2003 (2) :10 - 11. 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Radar echo characteristics of severe thunderstorm weather on August 13 ,2007 in Shantou , Guangdong province XU Wei 　GAN Qing2hui 　TAN G Qiang (Shantou Meteorological Bureau ,Shantou 515041 ,China) Abstract :Based on Doppler radar data and lightning location system data of severe thunderstorm weather on Au2 gust 13 ,2007 in Shantou , Guangdong province ,the relationships between lightning and radar echo were analyzed by statistical method and comparative analysis method. The results indicate that there is a distinct correlation be2 tween strong echo areas and lightning times. Compared with the changes of the strong echo areas ,the lightning ac2 tivities are ahead of 10 min. The changes of lightning positions are relative to the strong echo shifts ,and velocity e2 cho can predict the trend of radar echo shift . Lightning activities often occur in convergence areas. Double2dry re2 gions appear ahead of 40 min in the wind2profile figure before thunderstorm happens ,and then double2dry regions are destroyed rapidly from up to down. The appearance and breakage of double2dry regions are the premonition of thunderstorm weather. Key words :Severe thunderstorm ;Lightning location ;Radar echo ;Shantou 94第 2 期 许薇等 :“2007108113”汕头强雷暴天气雷达回波特征分析