北京强对流天气的闪电活动与雷达回波和降水的关系 李建华 1,2 郭学良2 肖稳安1 付丹红2 1.南京信息工程大学 电子工程系江苏 南京 2100442.中国科学院大气物理研究所北京 100029 摘 要: 本文用 MM5 中尺度模式模拟了 2000 年 7 月 8 月中几天强对流天气过程的演变过 程利用北京市气象局的提供的 XDD03A 地闪资料与雷达降水卫星云图及对流特性进 行了对比分析发现地闪与强对流性天气中的降水有着很好的对应关系分析还表明闪 电活动的位置频数和极性与对流系统的发展过程有密切的关系 经研究表明闪电活动相对于强对流性天气具有提前性在对流观测天气过程中发 展有效的探测手段并加以完善是必要的从而结合雷达回波及时捉住中小尺度天气系统 跟踪其活动规律提高中小尺度天气系统的认识及预报水平MacGorman 和 Nielsen(1991) 发现中气旋强度与地闪活动之间存在正相关Serafin R J 指出正负闪电转变时刻后会有严 重天气发生一般由负转正闪多为冰雹大风而由正转负闪常有强降水陈哲彰指出降水 量大小与负闪强度相关大风与正闪强度相关Scott 等研究美国中南部地区夏季云地闪也 降水的关系结果表明地闪与地面降水的相关性较高薛秋芳等经研究表明北京地区雷电 活动的日变化与北京地区降水的日变化有较好的对应关系而峰值出现时间比降水峰值时 间要早 比较所研究的几天资料发现发生闪电最多的天气是大风和冰雹天气通过闪电资料 正负闪的比较可以看出通常情况下北京地区正闪与总闪的比值在 90%以上但是某 些时刻负闪与总闪的比值会突然增大通常会带来系统的某些特性会突然加强 2000 年 7 月 4 日到 5 日是北京地区当年夏季降水强度最大的一次从天气图可以看 出北京地区西面 500hpa 上空河套地区有一个中心强度 5790 位势米的低压中心是典型 的西南低涡低涡内有较强的上升运动为降雨提供了有利条件而辽东半岛附近为稳 定的高压脊控制形成所谓的东高形势 从 850 hpa 风场来看此次暴雨过程的水汽 来源有两个一个是来自东南海面由高压外侧的东南风携带到北京另一支来自西南在 河套地区的低压的牵引下北上到达北京受高空低涡和偏南暖湿气流的影响北京普降暴 雨 7 月 4 日为强降水天气从其降水来分析属于不连续维持时间短的对流性强降水天 气降雨记录反映出 北京地区日降雨量大于 100mm的站有 3 站大于 150mm有一个站 一个小时最大降水量达到 70mm地面产生很强的大风最大风速为 24m/s从 7 月 4 日的 正 负地闪与最大雷达回波随时间的变化曲线图可以看出 在 8 时正闪已经达到全天最大峰 值回波只是处于一个比较小的峰值可见风暴仍出于新生阶段在 13 时风暴达到全天 次峰值风暴处于发展阶段而此时正闪却处于低谷时刻说明风暴正储蓄能量在 18 时 刻风暴达到成熟时刻而此后正闪逐渐减少 通过 7 月 4 日回波与降水随时间的变化曲线图分析结果为 1 这次暴雨的降雨和雷电活动个分为两个峰值 第一个峰值出现在早晨 5 时~7 时 在西斋 堂和霞云岭两个测站一个小时降水量达到 50 多 mm第二个峰值出现在 12 时~13 时 房山降水量达到 70 多 mm同时可以看出负地闪频数在 6 时和 13 时分别增大为两个最 大值 3 个负闪分别占总闪频数的 17.6%和 27.3%负闪与总地闪的比值大于通常状况 下的比值说明负闪比值的突然增加通常暗示了这个地区雨强的突然增大负闪图也验 证了在[1]中提到负闪频数的增加提供了风暴可能继续发展的依据 在回波的峰值负闪处 于增加的趋势时在往后就会出现一个更大的回波峰值 2 这次暴雨对于整个北京地区来说其降雨量最大的两个峰值出现在 13 时和 20 时中间 在 16 时处于低谷时段正好对应了地闪总频数的曲线变化在 8 时和 17 时分别达到最 多地闪数可以看出地闪频数的变化基本可以预报最大降雨的出现比雷达回波还要 提前 1~2 个小时 3 同时上升气流只有一个峰值出现时回波正处于次峰值而正闪正处于两个峰值之间的 低谷位置由此可以分析此时风暴正在积蓄能量说明上升气流是闪电的必须条件但 是不不具有很强的相关性 2000 年 8 月 8 日和 11 日北京地区是受同一天气系统的影响北京地区西北 500hpa 上空有一个中心强度 5780 位势米的低压中心上空盛行西风地面受东南和西北各一个低 压中心的控制东南风和西南风源源不断的吹向北京地区形成这几天的连续强对流天气 对 8 月 8 日的天气分析结果为 1 降水情况来看是降水强度一般持续时间长的层状云降水与总地闪频数的对应关系 不强在降水时间段内一直没有地闪出现但是在降水已经处于递减趋势时地闪频数突 然猛增说明闪电与一般性降水的对应性较差 2 但是雷达回波上升气流和地闪的对应关系基本一致同时降雨的末期地面产生 15m/s 的大风这也可能是产生大量闪电的主要原因 8 月 11 日北京局部地区产生降雹现象地面最大风速为 12 m/s但是最大上升气流达到 35 m/s一天北京地区总地闪数为 643 个而且集中发生在 13 时之前非常频繁 对 8 月 11 日的分析结果为 1 地面降水只产生在某个时刻集中在个别测站大多数地方降水量为 0比较产生较大降 水的几个时刻从图中可以看出负闪所占的比例较大这个时刻正是冰雹产生的时刻 正负闪电此起彼伏相互配置是云中电荷分离与空中电荷作用的结果可以分析出冰雹 的形成过程能带动云中电荷与空中电荷的相互作用 2 比较天气情况最强的几个位置根据回波图与闪电发生的位置相比较发现闪电往往 现在后来出现的最强回波的附近而最强回波的上空闪电并不频繁 8 月 27 日一天之内地闪总数为 531 个闪电发生很频繁然而其他现象并不十分剧烈 经过各站的时间短多数测站并没有降雨或降雨很少 分析结果为 1 正闪出现于 11 时而回波推迟了两个小时才出现正闪与回波的曲线变化基本一致 正闪达到最大值时雷达回波同时出现最大值但是负闪与回波的变化曲线却不同在 回波处于波谷时刻风暴正在储蓄能量阶段负闪正处于最大值说明负闪的峰值能在 一定程度上预示更大的不稳定能量变化在 19 时当风暴发展到成熟阶段负闪则逐渐 减少 2 风速随着高度的增加而增大地面最大风速为 12m/s上升气流与闪电的最大值基本是 同时出现的之后产生最大回波值这与 Jayaratne 等认为闪电的发生必须有非常强和 深厚的上升气流才能促使过冷水和冰粒混合态地区出现电荷分离现象的结论一致 。