春季與夏季兩次雷暴大氣結(jié)構(gòu)及地閃特征對(duì)比

孫哲,魏鳴

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春季與夏季兩次雷暴大氣結(jié)構(gòu)及地閃特征對(duì)比

孫哲,魏鳴*

南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044

2013-08-23收稿，2015-12-22接受

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB430102);地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金資助項(xiàng)目(KLGIS2015A01);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306040);航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201320R2001)

利用NCEP再分析資料、探空資料、閃電定位資料和南京、常州多普勒雷達(dá)資料,通過(guò)對(duì)比分析南京2012年2月22日春季雷暴和2011年8月10日夏季雷暴兩次過(guò)程,研究不同季節(jié)影響雷暴發(fā)生的大氣結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)弱雷暴地閃特征的差異。結(jié)果表明:風(fēng)矢位溫(V-3θ)圖揭示的大氣動(dòng)力熱力水汽特征能夠?yàn)槔妆┑臐搫?shì)預(yù)報(bào)提供先兆信息。兩者相較而言,春季雷暴的動(dòng)力抬升作用明顯;夏季雷暴主要由熱對(duì)流引起,對(duì)流層上層的動(dòng)力抽吸作用不明顯。春季弱雷暴正地閃在總地閃中所占比例較高。無(wú)論春季弱雷暴還是夏季強(qiáng)雷暴,地閃落點(diǎn)與輻合區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯,且地閃的落點(diǎn)也與雷達(dá)反射率因子有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系:地閃主要分布在強(qiáng)回波區(qū)(大于40 dBz)及其外圍區(qū)域。但在較強(qiáng)雷暴云的發(fā)展階段,地閃多發(fā)生在風(fēng)暴體伸展方向的一側(cè),具有引導(dǎo)雷達(dá)回波移動(dòng)的作用,夏季強(qiáng)雷暴地閃簇集在垂直風(fēng)切變區(qū)域。

地閃雷達(dá)回波雷暴動(dòng)力熱力

雷暴云中存在大量的閃電活動(dòng),閃電特別是地閃的破壞性極強(qiáng),常常造成人員傷亡、電力系統(tǒng)的損壞等災(zāi)害。江淮流域是雷暴天氣的多發(fā)地區(qū),雷電災(zāi)害頻繁發(fā)生。研究雷暴天氣成因以及閃電與雷達(dá)回波之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,有助于更深入地了解雷暴天氣的形成機(jī)理,更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)雷暴過(guò)程。

隨著氣象部門(mén)觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)和普及,國(guó)內(nèi)外很多氣象工作者對(duì)于雷暴的研究取得了豐碩的成果。比如許多研究發(fā)現(xiàn)降雹的雷暴正地閃比例通常較高(MacGorman and Burgess,1994;Stolzenburg,1994;MSoula et al.,2004;)。Gremillion and Orville(1999)提出對(duì)于夏季雷暴的預(yù)警指標(biāo)。易笑園等(2009)研究了地閃頻數(shù)與雷達(dá)回波頂高的關(guān)系。沈永海等(2010)、張一平等(2010)和紀(jì)曉玲等(2010)對(duì)強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程中雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)及閃電時(shí)空特征進(jìn)行了細(xì)致分析。蔡敷川等(2010)、顧媛和魏鳴(2013)對(duì)雷暴過(guò)程的大氣能量結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,認(rèn)為V-3θ圖中明顯的非均勻結(jié)構(gòu)、超低溫現(xiàn)象和順滾流結(jié)構(gòu)能夠很好地指示強(qiáng)對(duì)流天氣。王婷婷等(2011)對(duì)北京地區(qū)干濕雷暴進(jìn)行了對(duì)比分析。陳濤等(2012)和農(nóng)孟松等(2013)分析了春季雷暴天氣的成因。于庚康等(2013)對(duì)兩次颮線過(guò)程進(jìn)行了分析,認(rèn)為夏季發(fā)生的颮線過(guò)程的熱力作用更強(qiáng)。

本文主要利用探空資料、NCEP再分析資料、閃電定位儀資料和多普勒天氣雷達(dá)資料,分別對(duì)春季和夏季兩次雷暴天氣的大氣能量結(jié)構(gòu)特征、各物理量診斷特征、地閃以及雷達(dá)回波的演變特征進(jìn)行對(duì)比分析,探索影響春季和夏季雷暴天氣的動(dòng)力、熱力、水汽等特征的差異,深化雷達(dá)和閃電資料在雷暴預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。這兩次南京地區(qū)雷暴過(guò)程的對(duì)流生命史較短,均發(fā)生在04—06時(shí)(世界時(shí),下同),發(fā)生時(shí)間相近,是春季和夏季的常見(jiàn)雷暴類(lèi)型,且此次春季雷暴閃電總數(shù)少,降水量小,夏季雷暴閃電總數(shù)多,并伴有冰雹,強(qiáng)弱對(duì)比明顯。對(duì)比這兩次雷暴的特征,有助于理解雷暴產(chǎn)生的關(guān)鍵因素及其共同性和差異性,揭示強(qiáng)弱雷暴的閃電特征。

1　資料

采用NECP一日四次的全球再分析資料(網(wǎng)格距為1°×1°)和南京站的探空資料。地閃資料取自江蘇省氣象局的ADTD型雷電探測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能有效探測(cè)地閃發(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度、電流強(qiáng)度和電流陡度等信息。

春季雷暴(2012年2月22日)過(guò)程的雷達(dá)資料取自南京(118.50°E,32.19°N)的多普勒雷達(dá);夏季雷暴(2011年8月10日)過(guò)程采用常州(117.26°E,31.87°N)的多普勒雷達(dá)資料。為方便起見(jiàn),本文所涉及時(shí)間均為世界時(shí)。

圖1　春季和夏季雷暴的V-3θ圖對(duì)比(南京站)　　a.2012年2月21日00時(shí);b.2012年2月22日00時(shí);c.2011年8月9日00時(shí);d.2011年8月10日00時(shí)Fig.1　Comparison of V-3θ plots for the spring and summer thunderstorm in Nanjing:(a)0000 UTC 21 February 2012;(b)0000 UTC 22 February 2012;(c)0000 UTC 9 August 2011;(d)0000 UTC 10 August 2011

2　大氣能量結(jié)構(gòu)對(duì)比

鑒于位溫可以反映不同高度上的大氣熱力結(jié)構(gòu)特征,因此采用風(fēng)矢位溫圖(V-3θ圖)分析大氣的能量結(jié)構(gòu)。V-3θ圖(V表示風(fēng)向、風(fēng)速;θ為干空氣的位溫,θsed是以露點(diǎn)溫度計(jì)算的假相當(dāng)位溫,θ*為飽和空氣的位溫)充分利用了從地面到對(duì)流層頂?shù)奶娇仗匦詫有畔?是分析大氣熱力、動(dòng)力和水汽三維結(jié)構(gòu)的有效手段(雷雨順,1986)。位溫θ反映了大氣的干空氣狀態(tài),θsed體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)大氣的實(shí)際水汽含量,θ*則反映了大氣的絕對(duì)含水能力(飽和水汽)(翟麗萍,2012)。

圖1為南京站的V-3θ圖,2012年2月21日00時(shí)(圖1a),南京站低層偏東風(fēng),中高層偏西風(fēng),200 hPa西風(fēng)風(fēng)速高達(dá)84 m/s,整層大氣風(fēng)向自上而下呈順時(shí)針垂直切變(即順滾流),上層的強(qiáng)風(fēng)有較強(qiáng)的抽吸作用,有利于大氣抬升;600 hPa以下空氣較濕,其上空氣偏干,形成了上干下濕的水汽梯度;900～1 000 hPa間為偏北風(fēng),冷空氣從底層擴(kuò)散,900 hPa以上強(qiáng)烈的西南暖濕氣流,形成南京區(qū)域900 hPa附近鋒面逆溫,暖濕氣流沿鋒面爬升,有利于此次高架雷暴的形成。此時(shí)對(duì)流層頂高度大約在350 hPa附近。22日00時(shí)(圖1b)高空風(fēng)仍很強(qiáng),整層大氣依然處于順滾流狀態(tài),風(fēng)切變明顯,有利于水汽的上升運(yùn)動(dòng),為雷暴天氣的產(chǎn)生提供良好的動(dòng)力抬升條件;850～600 hPa之間的空氣濕度較大,為雷暴天氣的發(fā)生發(fā)展提供有利的水汽供應(yīng);從500 hPa起θ和θsed曲線隨著氣壓(P)的增大準(zhǔn)垂直于氣溫(T)軸,θ*曲線隨P的增大向左呈現(xiàn)線性遞減,深厚降溫從500 hPa起,200 hPa附近3條θ曲線準(zhǔn)垂直于T軸,有超低溫存在,大氣不穩(wěn)定能量不斷積聚,為雷暴的發(fā)生提供熱力條件。但1、2線右傾,地面到500 hPa之間的熱力不穩(wěn)定較弱;對(duì)流層頂高度大約在200 hPa附近,比21日00時(shí)明顯抬升。探空資料顯示,22日00時(shí)850 hPa氣溫是當(dāng)時(shí)10 d左右探空資料所測(cè)得的氣溫最高值,為7.8 ℃。22日對(duì)流層頂突然抬高,分析認(rèn)為由于對(duì)流層溫度增高,整層氣柱膨脹,促使對(duì)流層頂抬升,為對(duì)流天氣的發(fā)生提供有利的發(fā)展空間,使對(duì)流系統(tǒng)得以充分發(fā)展。這個(gè)現(xiàn)象揭示了在預(yù)報(bào)過(guò)程中需要關(guān)注對(duì)流層頂?shù)母叨茸兓?因?yàn)閷?duì)流層頂高度突然抬升,預(yù)示著未來(lái)對(duì)流性天氣發(fā)生的可能性將增加。

由圖1c可知,2011年8月9日00時(shí),高空300～200 hPa之間3條θ曲線準(zhǔn)垂直于T軸,有超低溫結(jié)構(gòu),說(shuō)明大氣上空存在較厚的降溫層,且地面到500 hPa之間1、2線左傾斜率大,呈現(xiàn)較大的熱力不穩(wěn)定能量(雷雨順,1986),為雷暴天氣的發(fā)生發(fā)展提供充足的熱力條件;1、2線疏密相間,整層大氣濕度不斷變化,呈現(xiàn)水汽不穩(wěn)定狀態(tài);高空風(fēng)較強(qiáng),整層大氣存在垂直風(fēng)切變,為雷暴的發(fā)展提供動(dòng)力條件。與9日08時(shí)類(lèi)似,10日00時(shí)(圖1d),200 hPa附近1、2線垂直,超低溫結(jié)構(gòu)明顯,地面到500 hPa間1、2線左傾斜率增大,熱力不穩(wěn)定能量加大;1、2線疏密相間的“蜂腰”結(jié)構(gòu)仍然存在,水汽較前1日更加充沛,有利于雷暴天氣的發(fā)生;風(fēng)向有一定的垂直切變,但比前1日稍弱,動(dòng)力抽吸作用不明顯。

由兩次雷暴過(guò)程的V-3θ組圖對(duì)比可知,雷暴來(lái)臨前對(duì)流層頂高度較高,為雷暴云的發(fā)展提供充足的空間。對(duì)流層頂?shù)某蜏貫槔妆┌l(fā)生提供了熱力不穩(wěn)定的先兆信息,整層大氣深厚的順滾流為雷暴天氣提供了有利的動(dòng)力條件,低層偏東風(fēng)為雷暴天氣輸送充足的水汽。從V-3θ組圖上還可看出,春季雷暴整層大氣垂直風(fēng)切變較夏季雷暴明顯,其動(dòng)力抽吸作用更強(qiáng),但熱力作用并不顯著;而夏季雷暴1、2線左傾,熱力不穩(wěn)定能量較春季雷暴大,主要由熱對(duì)流引起,動(dòng)力抽吸作用不明顯。

3　物理量診斷對(duì)比

3.1動(dòng)力條件

圖2為利用NECP資料(網(wǎng)格距為1°×1°)繪制的垂直速度、水汽通量散度和假相當(dāng)位溫在118.8°E、32.1°N的時(shí)空剖面。垂直上升速度時(shí)空剖面(圖2a、b)顯示,春季雷暴發(fā)生時(shí),850～250 hPa大氣為上升運(yùn)動(dòng),而夏季雷暴只有上層大氣處于上升運(yùn)動(dòng)中。春季雷暴垂直上升速度最大值達(dá)到2 Pa·s-1,夏季雷暴的上升中心值只有0.5 Pa·s-1,且此次春季雷暴上升區(qū)的垂直速度等值線較夏季雷暴密集得多,說(shuō)明與夏季雷暴相比,春季雷暴上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),動(dòng)力作用更加明顯。

分析水汽通量散度圖(圖2c、d)發(fā)現(xiàn),雷暴發(fā)生前大氣中低層存在水汽輻合運(yùn)動(dòng)。但雷暴發(fā)生時(shí)春季雷暴從近地面到600 hPa高度均處于輻合上升運(yùn)動(dòng)中,而夏季雷暴只在700～500 hPa間為水汽輻合,且春季雷暴水汽通量負(fù)散度中心值更小,為-5×10-5g·cm-2·s-1·hPa-1,夏季雷暴中心值只有-2×10-5g·cm-2·s-1·hPa-1。

分析探空資料可知,春季過(guò)程發(fā)生前底層為東南風(fēng)、東北風(fēng),中高層為西南風(fēng),且高空風(fēng)速大,無(wú)論是風(fēng)速和風(fēng)向都形成明顯的垂直風(fēng)切變;夏季雷暴發(fā)生前,底層為東南風(fēng),中高層為西南風(fēng),存在垂直風(fēng)切變,但高空風(fēng)速較春季雷暴小,切變較春季雷暴弱,且到雷暴發(fā)生時(shí)切變減弱。

圖2　垂直速度(a,b;單位:Pa·s-1)、水汽通量散度(c,d;單位:10-5 g·cm-2·s-1·hPa-1)及假相當(dāng)位溫(e,f;單位:K)在32.1°N,118.8°E的時(shí)空剖面　　a,c,e.2012年2月21—23日;b,d,f.2011年8月9—11日Fig.2　Height—time section of the (a,b)pressure vertical velocity(units:Pa·s-1),(c,d)water vapor flux divergence(units:10-5 g·cm-2·s-1·hPa-1) and (e,f)pseudo-potential temperature(units:K) along(32.05°N,118.78°E)a,c,e.21—23 February 2012;b,d,f.9—11 August 2011

3.2熱力條件

對(duì)比分析兩次雷暴的熱力條件可知:夏季雷暴熱力影響較春季雷暴強(qiáng),熱力成因明顯。K指數(shù)定義為(孟妙志,2003):

K=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)。

(1)

其中：(T850-T500)表示850 hPa與500 hPa的溫度差;Td850為850 hPa的露點(diǎn)溫度;(T700-Td700)代表700 hPa的溫度露點(diǎn)差。K指數(shù)代表大氣中低層的熱力穩(wěn)定度以及700 hPa層的濕度條件。一般K值越大,越有利于降水發(fā)生。對(duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)正比于熱力學(xué)圖解上的正面積,表征大氣對(duì)流的不穩(wěn)定能量,CAPE的值越大,發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的可能性越大。從探空資料可知,2011年8月10日00時(shí)K指數(shù)為41 ℃,CAPE值為2 355.3 J/kg,而2012年2月22日00時(shí)K指數(shù)為29 ℃,CAPE值為0.4 J/kg,無(wú)論是K指數(shù)還是CAPE值,夏季雷暴的值都大于春季雷暴。

分析假相當(dāng)位溫時(shí)空剖面圖(圖2e、f)可以看出,夏季雷暴發(fā)生前大氣底層到700 hPa高度間均處于不穩(wěn)定層結(jié),雷暴發(fā)生時(shí)不穩(wěn)定層結(jié)上升到600 hPa,而春季雷暴發(fā)生前后整層大氣均為相對(duì)穩(wěn)定的層結(jié)狀態(tài);且同高度處的大氣假相當(dāng)位溫,夏季雷暴較春季雷暴大。

3.3水汽條件

圖3為利用NECP資料繪制的700 hPa水汽通量場(chǎng)空間分布圖。分析兩次雷暴的水汽成因可知:兩次雷暴發(fā)生前,江淮附近均有水汽通量大值區(qū),南京處在水汽輸送帶上,為雷暴的發(fā)生發(fā)展提供充足的水汽。相較而言,南京夏季雷暴的水汽通量比春季大。圖3a顯示,湖南到江蘇有一水汽輸送帶,西南急流將孟加拉灣的水汽輸送到江淮地區(qū)。但總體上各處水汽通量并不大,使得這次雷暴過(guò)程不強(qiáng);圖3b表明,沿廣東、福建、江蘇有一水汽輸送帶,偏南風(fēng)將南海水汽向北輸送,源源不斷地為江淮地區(qū)提供水汽。

圖3　700 hPa水汽通量場(chǎng)分布(單位:g·cm-1·s-1·hPa-1)　　a.2012年2月22日00時(shí);b.2011年8月10日00時(shí)Fig.3　Distribution of the water vapor flux field at 700 hPa(units:g·cm-1·s-1·hPa-1):(a)0000 UTC 22 February 2012;(b)0000 UTC 10 August 2011

圖4　地閃頻數(shù)變化　　a.2012年2月22日;b.2011年8月10日Fig.4　Temporal variation of the lightning rate:(a)22 February 2012;(b)10 August 2011

4　地閃與雷達(dá)資料分析

4.1地閃資料分析

春季雷暴(圖4a)地閃頻數(shù)較低,最大值僅為6次/(6 min),呈現(xiàn)雙峰值特點(diǎn)。整個(gè)時(shí)間段內(nèi)回波頂高較低,均在9 km以下。正地閃在總地閃中所占比例較高,有的甚至在6 min時(shí)間段內(nèi)能達(dá)到100%,這是因?yàn)榇舜卫妆╋L(fēng)切變較強(qiáng),使上正下負(fù)的偶極型電荷結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜,云上部的主正電荷區(qū)直接暴露在地面之上,從而產(chǎn)生比較多的正地閃。

夏季雷暴(圖4b)地閃頻數(shù)相對(duì)較高,最大值可達(dá)到198次/(6 min),整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)多峰值特點(diǎn),且負(fù)地閃占較大比例,正地閃所占比例較小,這是因?yàn)榇舜卫妆╋L(fēng)切變不明顯,高空風(fēng)不強(qiáng),不能使云體上部主正電荷區(qū)暴露在地面之上,并且雷暴云下部沒(méi)有明顯的次正電荷區(qū),難以產(chǎn)生正地閃;但夏季云體下部的主負(fù)電荷區(qū)距離地面較近,利于負(fù)地閃的發(fā)生。

在雷暴發(fā)展階段,地閃頻數(shù)與回波頂高呈正相關(guān);在雷暴成熟階段,由于抬升機(jī)制的原因,回波頂高與地閃頻數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)呈負(fù)相關(guān),并先于地閃頻數(shù)達(dá)到峰值。對(duì)比2011年8月10日的地閃頻數(shù)與回波頂高可知,04:30以后,強(qiáng)回波中心逐漸升高,地閃頻數(shù)也緩慢增多。05:16,強(qiáng)回波頂高達(dá)到17 km以上,地閃頻數(shù)達(dá)到一個(gè)小峰值。隨后回波頂高在17 km以上的區(qū)域逐漸增大,05:21達(dá)到峰值,但此時(shí)地閃頻數(shù)出現(xiàn)一谷值;而后回波頂高17 km以上區(qū)域逐漸減少,但地閃頻數(shù)在05:33達(dá)到峰值。這是由于在雷暴云發(fā)展趨成熟階段,降水粒子的下沉拖曳作用使雷暴云的重心下移,主電荷區(qū)距地面的高度減小,使得地閃頻數(shù)逐漸升高。

4.2多普勒雷達(dá)資料分析

4.2.1回波強(qiáng)度

圖5為春季雷暴過(guò)程的雷達(dá)(位于南京,下同)反射率因子圖,可以看出此次過(guò)程以積層混合云降水為主,有兩片回波區(qū)影響南京,回波A和B不斷發(fā)展,到06:45合并為回波C,而后向東移動(dòng),移出南京。

圖6為夏季雷暴過(guò)程雷達(dá)(位于常州,下同)反射率因子組圖,發(fā)現(xiàn)該降水過(guò)程為對(duì)流云降水,主要由強(qiáng)回波A、B、C、D影響南京。04:35,雷達(dá)反射率因子圖(圖6a)上顯示雷達(dá)站西北方向分別距雷達(dá)中心約110和95 km處有強(qiáng)回波A和B,中心強(qiáng)度達(dá)到55 dBz以上,它們不斷加強(qiáng),回波面積增大?；夭ˋ面積較大,邊界明顯,風(fēng)暴體東南側(cè)回波梯度較大,回波逐漸向東南方向發(fā)展,且回波A內(nèi)部存在多塊小面積的強(qiáng)回波中心,在回波A逐漸向東南方向發(fā)展的過(guò)程中不斷發(fā)展、合并、消散?；夭˙面積較小,風(fēng)暴體西北側(cè)回波梯度很大,逐漸向西北方向發(fā)展;04:47,回波A和B匯合形成強(qiáng)回波AB(圖6b);回波C和D強(qiáng)回波中心面積不斷變大,并向西北延伸;05:10,與回波AB交匯,形成回波ABCD(圖6c);05:33,強(qiáng)回波中心逐漸減弱,并向東移出南京。

圖5　2012年2月22日雷達(dá)反射率因子組圖(2.4°仰角;單位:dBz)　　a.04:19;b.06:45Fig.5　The radar reflectivity factor on 22 February 2012(elevation:2.4°;units:dBz):(a)0419 UTC;(b)0645 UTC

圖6　2011年8月10日雷達(dá)反射率因子組圖(1.5°仰角;單位:dBz)　　a.04:35;b.04:47;c.05:10Fig.6　The radar reflectivity factor on 10 August 2011(elevation:1.5°;units:dBz):(a)0435 UTC;(b)0447 UTC;(c)0510 UTC

對(duì)比兩次雷暴過(guò)程的雷達(dá)反射率因子回波可知,春季雷暴雷達(dá)回波強(qiáng)度不大,最大回波強(qiáng)度為45 dBz,而夏季雷暴的回波強(qiáng)度最大可達(dá)到55 dBz,其強(qiáng)度明顯大于春季雷暴。

4.2.2徑向速度

春季雷暴的雷達(dá)徑向速度圖(圖7a)顯示中高層有較深厚的西南暖濕氣流,低層是東北風(fēng)回流。雷達(dá)站西南方向存在明顯的輻合運(yùn)動(dòng),雷達(dá)中心東面和東南面輻散特征明顯。

夏季雷暴的雷達(dá)徑向速度圖(圖7b—e)表明:回波主要顯示為局地雷暴特征,存在明顯的渦管結(jié)構(gòu)、垂直風(fēng)切變區(qū)以及輻合區(qū)。徑向速度圖(圖7b)中橢圓A標(biāo)示的區(qū)域內(nèi)負(fù)速度大值區(qū)在左,正速度區(qū)域在右,零速度線沿雷達(dá)徑向方向,為中尺度氣旋特征;圖7c上的橢圓A區(qū)域(對(duì)應(yīng)圖7b上橢圓A區(qū)域)中間的負(fù)速度區(qū)相對(duì)于東側(cè)正速度區(qū)既在遠(yuǎn)離雷達(dá)方向一側(cè),又在正速度區(qū)域左側(cè),說(shuō)明氣流呈氣旋性輻合上升。并且中間負(fù)速度區(qū)在右,其西南側(cè)正速度區(qū)在左,中間零速度線沿雷達(dá)徑向方向,構(gòu)成反氣旋結(jié)構(gòu);圖7d中對(duì)應(yīng)圖7c上的反氣旋結(jié)構(gòu)仍然存在,氣旋性輻合上升運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩椇仙仙\(yùn)動(dòng);圖7e上相應(yīng)區(qū)域的反氣旋結(jié)構(gòu)和輻合運(yùn)動(dòng)也仍然存在。

圖7　雷達(dá)徑向速度(a—e;單位:m·s-1)和風(fēng)暴體內(nèi)部渦管結(jié)構(gòu)氣流示意圖(f)　　a.2012年2月22日04:38(0.5°仰角);b—e.2011年8月10日05:10(b.0.5°仰角;c.1.5°仰角;d.2.4°仰角;e.3.4°仰角)Fig.7　The (a—e)radar radial velocity(units:m·s-1) and (f)diagram of the airflow in the vortex tube of the storm:(a)0438 UTC 22 February 2012(elevation:0.5°);(b—e)0510 UTC 10 August 2011(elevation:b.0.5°;c.1.5°;d.2.4°;e.3.4°)

從夏季雷暴的雷達(dá)徑向速度組圖(圖7b—e)上可以看出,橢圓區(qū)域A的系統(tǒng)內(nèi)部氣流形成三維渦管結(jié)構(gòu)(圖7f),風(fēng)暴體前側(cè)氣流呈氣旋式旋轉(zhuǎn),不斷輻合上升,到達(dá)雷暴云頂部時(shí)由于云頂?shù)淖钃?在云體后方轉(zhuǎn)而向下呈反氣旋式下沉,從而形成了風(fēng)暴體內(nèi)的渦管結(jié)構(gòu)。圖7b中橢圓B所標(biāo)示出來(lái)的區(qū)域?yàn)槊黠@的輻合區(qū),為雷暴體的發(fā)展成熟提供有利的動(dòng)力條件。并且輻合運(yùn)動(dòng)有利于水汽和電荷的輸送,為雷暴體提供充足水汽的同時(shí),還易于產(chǎn)生閃電。圖7b中橢圓C所標(biāo)示出來(lái)的區(qū)域內(nèi)左側(cè)為負(fù)速度區(qū),右側(cè)為正速度區(qū),圖7c中其對(duì)應(yīng)區(qū)域原負(fù)速度區(qū)的速度值明顯變大,正速度區(qū)變?yōu)樨?fù)速度區(qū),形成明顯的垂直風(fēng)切變。

4.3地閃與雷達(dá)資料對(duì)比分析

4.3.1地閃資料與雷達(dá)反射率因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)不同時(shí)刻雷達(dá)反射率因子與地閃落點(diǎn)的對(duì)比分析可知,地閃的落點(diǎn)與雷達(dá)反射率因子有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系:對(duì)于春季雷暴,地閃主要分布在強(qiáng)回波區(qū)(大于40 dBz)外圍以及30 dBz左右區(qū)域;對(duì)于相對(duì)較強(qiáng)的夏季雷暴,在其發(fā)展階段,地閃多發(fā)生在雷暴云伸展方向的一側(cè),具有引導(dǎo)雷達(dá)回波的作用;在其成熟階段,地閃簇集在強(qiáng)回波區(qū)或臨近區(qū)域,主要發(fā)生在40 dBz及以上區(qū)域。

圖8為雷達(dá)反射率因子疊加雷達(dá)資料對(duì)應(yīng)時(shí)刻前6 min的地閃分布圖,其中“*”代表地閃的落點(diǎn)?？梢?jiàn),此次春季雷暴地閃落點(diǎn)與雷達(dá)反射率因子強(qiáng)回波區(qū)(大于40 dBz)外圍以及30 dBz左右區(qū)域有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖8a)。地閃有一部分落在遠(yuǎn)離強(qiáng)回波中心的區(qū)域,這是因?yàn)榇舜芜^(guò)程風(fēng)速大,風(fēng)切變明顯,電荷容易被強(qiáng)烈的氣流帶到距離強(qiáng)回波區(qū)很遠(yuǎn)的地方。

對(duì)于此次夏季雷暴的發(fā)展階段(圖8b),強(qiáng)回波A、B匯集之前,在兩強(qiáng)回波核的前部(圖8b中橢圓區(qū)域)有較密集的地閃發(fā)生,即地閃出現(xiàn)在A、B風(fēng)暴體伸展方向的一側(cè)。04:41之后,強(qiáng)回波A、B在長(zhǎng)方形區(qū)域,地閃同樣出現(xiàn)在了風(fēng)暴體伸展方向的一側(cè)。原因是風(fēng)暴體前部上升氣流強(qiáng)烈,與云內(nèi)強(qiáng)下沉氣流共同作用,使得云內(nèi)過(guò)冷水滴與雹粒劇烈碰撞,表面形成冰殼。在此過(guò)程中釋放潛熱,使冰殼內(nèi)部增溫,形成外冷內(nèi)熱的溫度差,從而使冰殼帶正電,內(nèi)部帶負(fù)電。隨后冰殼內(nèi)部也不斷凍結(jié),體積膨脹,最終冰殼破裂,冰屑飛濺出去。飛濺出去的冰屑帶正電,剩下的部分帶負(fù)電,更有利于閃電的發(fā)生。而大水滴或冰雹累積區(qū)在強(qiáng)烈降水區(qū)的下風(fēng)側(cè),所以地閃先于雷達(dá)回波產(chǎn)生,易出現(xiàn)在A、B風(fēng)暴體伸展方向的一側(cè),具有引導(dǎo)雷達(dá)回波的作用;在夏季雷暴成熟階段(圖8c),地閃分布與雷達(dá)反射率在40 dBz以上區(qū)域有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,原因可能是雷暴成熟階段下沉氣流劇烈,下沉氣流將雹塊等降水粒子帶到高度較低的地方,由于溫度較高使得粒子表面融化,形成外熱內(nèi)冷的溫度差,使得粒子表面帶負(fù)電,內(nèi)部帶正電。在融化的過(guò)程中,粒子表面會(huì)形成氣泡,氣泡破裂時(shí)使粒子表面的一部分負(fù)電荷飛濺出去,余下部分帶正電荷。因此雷暴云成熟階段在降水區(qū)(即強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)域)容易產(chǎn)生閃電。并且此次過(guò)程風(fēng)速不大,風(fēng)切變不強(qiáng)烈,分離的電荷不容易被帶到遠(yuǎn)離強(qiáng)回波區(qū)的位置,因此閃電聚集在了強(qiáng)回波區(qū)及其附近區(qū)域。

圖8　1.5°仰角的雷達(dá)反射率因子(疊加地閃分布)　　a.2012年2月22日 04:38;b.2011年8月10日04:41;c.2011年8月10日05:33Fig.8　Radar reflectivity factor displays of 1.5° elevation angle added to the CG flash distribution:(a)0438 UTC 22 February 2012;(b)0441 UTC 10 August 2011;(c)0533 UTC 10 August 2011

圖9　0.5°仰角的雷達(dá)徑向速度(疊加地閃分布)　　a.2012年2月22日04:38;b.2011年8月10日05:10Fig.9　Radar radial velocity displays of 0.5° elevation angle added to the CG flash distribution:(a)0438 UTC 22 February 2012;(b)0510 UTC 10 August 2011

4.3.2地閃資料與雷達(dá)徑向速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)對(duì)比分析不同時(shí)刻雷達(dá)徑向速度與地閃落點(diǎn)可知,地閃簇集在輻合區(qū)、速度大值區(qū)以及垂直風(fēng)切變區(qū)(圖9)。分析此次春季雷暴的雷達(dá)徑向速度與前6 m閃電疊加圖(圖9a),發(fā)現(xiàn)地閃發(fā)生在雷達(dá)中心西南方向氣流輻合區(qū),以及輻合區(qū)南側(cè)速度大值區(qū)。

從夏季雷暴的雷達(dá)徑向速度與前6 m地閃資料的疊加圖(圖9b)可知,地閃分布密集區(qū)主要有兩處:一處為橢圓A區(qū)域(圖7b中此區(qū)域內(nèi)左側(cè)為負(fù)速度區(qū),右側(cè)為正速度區(qū),圖7c中此區(qū)域內(nèi)原負(fù)速度區(qū)負(fù)速度值明顯變大,正速度區(qū)變?yōu)樨?fù)速度區(qū),形成明顯的垂直風(fēng)切變),正是因?yàn)轱L(fēng)切變區(qū)風(fēng)向和風(fēng)速突變,上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),云雨粒子翻滾、碰撞劇烈,易于產(chǎn)生閃電;另一處為輻合上升區(qū)(橢圓B),這是因?yàn)樵频纵椇蠀^(qū)上升氣流明顯,與云內(nèi)強(qiáng)烈的下沉氣流形成明顯對(duì)流,有利于云內(nèi)粒子之間的碰撞,為閃電的產(chǎn)生提供有利條件。

5　結(jié)論

1)V-3θ風(fēng)矢位溫圖能夠清楚地揭示雷暴發(fā)生前大氣能量結(jié)構(gòu)特征。對(duì)流層頂超低溫現(xiàn)象、整層大氣順滾流和低層偏東風(fēng)分別為雷暴的產(chǎn)生提供有利的動(dòng)力、熱力和水汽條件,對(duì)雷暴的形成有較好的潛勢(shì)預(yù)測(cè)作用。

2)低層切變的偏北氣流將冷空氣帶入江淮地區(qū),西南急流帶入大量暖濕氣流,形成鋒面逆溫,暖濕空氣沿鋒面被迫抬升,配合中低層強(qiáng)的輻合抬升運(yùn)動(dòng)、充足的水汽、適當(dāng)?shù)臒崃l件形成了此次春季雷暴;偏南氣流帶來(lái)大量的水汽供應(yīng),大氣中層的輻合上升運(yùn)動(dòng)配合低層風(fēng)切變觸發(fā)強(qiáng)烈的不穩(wěn)定能量的釋放造成了此次夏季雷暴。

3)相較而言,春季雷暴動(dòng)力抽吸作用明顯;夏季雷暴熱力作用較大,主要由局地?zé)崃μ饔盟稹?/p>

4)春季弱雷暴地閃頻數(shù)較低,正地閃在總地閃中所占比例高。夏季強(qiáng)雷暴地閃頻數(shù)相對(duì)較高,主要以負(fù)地閃為主,正地閃所占比例較小;夏季強(qiáng)雷暴發(fā)展階段,地閃頻數(shù)與回波頂高呈正相關(guān)。在雷暴成熟階段,由于抬升機(jī)制的原因,回波頂高與地閃頻數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)呈負(fù)相關(guān)。無(wú)論強(qiáng)弱雷暴,地閃的落點(diǎn)與輻合區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系都比較明顯,且地閃的落點(diǎn)與雷達(dá)反射率因子亦有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系:地閃主要分布在強(qiáng)回波區(qū)(大于40 dBz)及其外圍區(qū)域。在較強(qiáng)雷暴云發(fā)展階段,地閃多發(fā)生在雷暴體伸展方向的一側(cè),具有引導(dǎo)雷達(dá)回波移動(dòng)的作用。強(qiáng)雷暴與垂直風(fēng)切變區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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A comparative analysis of two thunderstorms that occurred in the Nanjing area was conducted by using NCEP,sounding,lightning location and Doppler radar data,in Nanjing and Changzhou,with the aim being to study the differences among the key factors causing thunderstorms in spring and summer.One of the thunderstorms took place on 22 February 2012,and the other was on 10 August 2011.

The results of the analysis of the atmospheric energy structure show that the wind-potential temperature plots can reveal the dynamic,thermodynamic and water vapor characteristics before the occurrence of thunderstorms.Specifically,the tropopause height increases,providing sufficient space for the development of the thunderstorm.The “ultra-low” temperature phenomenon of the tropopause is a sign of thermal instability,while the clockwise rotation of the wind direction along with an increase in the height provides favorable dynamic conditions for the thunderstorm.Meanwhile,large quantities of water vapor are transported by the moisture gradient in the vertical direction.

Comparison of the physical diagnosis reveals that the dynamical lifting effect of the spring thunderstorm is stronger than that in summer,with the latter mainly caused by heat convection;the dynamical suction effect in the upper troposphere is not predominant.Comparison of the characteristics of Cloud-to-Ground(CG) lightning evolution indicates that the CG lightning frequency of the spring thunderstorm is low,but the percentage of positive CG lightning is high.The situation for the summer storm is just the opposite,showing multiple peaks.The percentage of negative CG lightning is high.In the mature stage,the radar echo top height has a negative correlation with the CG flash rate,and it reaches its peak before the occurrence of CG flashes.Comparison of the radar data shows that the echo of the spring thunderstorm appears similar to a stratocumulus cloud precipitation echo.There is obvious wind shear,strong warm advection,and convergence activities in the storm.The echo of the summer thunderstorm shows it to be a convective precipitation process.There is wind shear and convergence activities in the summer thunderstorm,and a clear vortex tube can also be found.It shows the features of a local thunderstorm.

Analysis of the matching of relationships between the radar echo intensity and the CG distribution reveals that,tor both the weak spring thunderstorm and the strong summer strong thunderstorm,the locations of CG flashes correspond well to the convergence zone and radar reflectivity.Most of the CG lightning of the spring thunderstorm happens around the regions where the echo intensity is above 40 dBz,or in the regions where the echo intensity is approximately 30 dBz.The CG lightning of the summer thunderstorm mainly occurs in the regions where the echo intensity is above 40 dBz.In developing stage of the strong thunderstorm cloud,CG flashes are mainly distributed on the side of the stretching direction of the storm,and they can be the guidance of the radar echo.Most of the CG flashes happen in the vertical wind shear area.

cloud-to-ground lightning;radar echo;thunderstorm;dynamic characteristics;thermal characteristics

(責(zé)任編輯：孫寧)

Influence factors comparing of thunderstorm between spring and summer in Nanjing

SUN Zhe,WEI Ming

NanjingUniversityofInformationScience&Technology,KeyLaboratoryforAerosol-Cloud-PrecipitationofChinaMeteorologicalAdministration,Nanjing210044,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130823001

*聯(lián)系人，E-mail:mingwei@nuist.edu.cn

引用格式：孫哲,魏鳴.2016.春季與夏季兩次雷暴大氣結(jié)構(gòu)及地閃特征對(duì)比[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(2):260-269.

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