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1、2022年深圳地区不同天气流型夏季短时强降水和闪电的时空特征 孙京 蔡然 柴健 周悦 摘要 利用高时间辨别率的分钟级雨量资料及LS8000闪电定位仪地闪数据，对比分析20222022年台风型、低压型、西南季风型和切变线型天气系统引发的深圳地区夏季短时强降水和闪电活动，并通过分析降水和闪电的日改变、降水频次、闪电峰值、持续时间、雷达回波顶高等，探讨不同天气流型引发的降水和闪电的时空分布特征。结果表明，四种天气流型引发的深圳地区短时强降水伴随闪电的对流活动主要集中发生在凌晨至08时和12-14时。台风型产生的短时强降水对应的闪电活动主要集中发生在降水强度为2030 mmh-1时，且该类型产生的闪电
2、主要以负地闪为主。低压型、西南季风型和切变线型中有80%以上的闪电活动主要发生在降水强度超过50 mmh-1。对于降水量小于40 mmh-1的闪电活动，切变线型是产生该量级降水的主要天气系统，也是该地区产生年平均地闪频次最多的天气系统。其中，该系统引发的此类对流活动的雷达回波顶高以24 km为主，并有72%的对流过程对应的零度层高度小于5 km。 关键词强降水;闪电;时空分布;天气流型 “雷暴”通常是指伴随剧烈雷电天气现象的积雨云，或指伴有剧烈雷电活动和阵性降水的“局地风暴”或“对流性风暴”系统，而强对流天气是指剧烈的雷暴系统所伴随的短时强降水、冰雹、强风、龙卷等猛烈天气（郑媛媛等，2022）
3、。近年来在全球变暖的气候背景条件下，强对流天气明显增多，特殊是突发性和局地性雷暴大风、短时强降水、冰雹和强雷电等气象灾难频繁发生。伴有短时强降水的雷暴系统很简单导致城市内涝、地质滑坡等次生灾难（俞小鼎等，2022;陈传雷等，2022），是珠江三角洲地区主要灾难性天气之一。2022年5月7日广州大暴雨，降水持续了6 h，降水量达213 mm，最大小时雨量99.1 mm，导致严峻的城市内涝，干脆经济损失约5.4亿元（伍志方等，2022）。2022年6月13日深圳大暴雨，全市平均雨量214 mm，24 h累积最大雨量498 mm，最大小时雨量96.8 mm，出现大范围积水，干脆经济损失超5亿元。 短
4、时强降水是指在短时间内出现很强的降水事务，我国天气预报业务中一般指1 h雨量在20 mm或3 h雨量在50 mm以上的降水事务（孙继松，2022）。我国短时强降水主要发生在夏季，与东亚夏季风北进南撤、副高北跳南退较为一样，大部分地区短时强降水都是夜间多发，但区域差异显著（陈炯等，2022;沈伟等，2022;王婧羽等，2022）。袁铁和郄秀书（2004）利用卫星携带的闪电探测仪8 a的数据对我国闪电活动的空间分布等特征进行了分析，表明我国的闪电活动主要集中在夏季（占68%），且大部分闪电活动发生在午后至傍晚时分。虽然闪电和短时降水属于同一个雷暴的两种不同现象，但二者的时空分布关系特别困难，具有明
5、显的区域性特征。一些探讨表明大部分闪电频次峰值的出现时间好像超前于降水的峰值（Williams et al.，1989），还有学者认为地闪峰值和降水峰值之间并没有固定超前和落后的关系（Gungle and Krier，2022）。Takahashi et al.（2022）对日本地区20222022年5次强降水中伴随强闪电和弱闪电的天气过程进行了分析，发觉只有1个过程闪电峰值超前于降水峰值，3个闪电峰值落后于降水峰值，另一个个例中闪电峰值与降水峰值同时出现。对于闪电和降水的空间关系，探讨发觉产生强闪电活动的区域与强降水区域空间分布较一样（Rivas et al.，2001;Makowski e
6、t al.，2022）。袁铁和郄秀书（2022a，2022b）探讨发觉中国大陆东部与东海地区的大部分降水系统中没有闪电活动发生，对于伴随闪电活动的降水系统，冰相粒子与闪电活动关系亲密。张诚忠等（2022）利用加密地面观测、多普勒雷达以及地闪资料，得出华南珠江三角洲地区的两次中尺度强降水系统中负地闪占据主导地位。郑栋等（2022）通过对北京地区18次雷暴过程分析发觉，闪电活动与对流活动区降水量的线性相关关系显著，与对流活动区面积也具有显著的线性关系。张舒婷等（2022）基于雨滴谱和地闪资料对雷州半岛的雷暴云降水过程进行了分析，发觉雨强增大时发生正地闪的概率明显增加，地闪频率越高对应降水强度越大。
7、 近年来，随着我国地面气象观测网的快速发展，利用高密度地面降水观测资料有助于提高地区短时强降水时空分布特征及演化规律的相识。闪电观测资料的应用也有助于探讨不同天气过程中闪电与降水的相互关系。目前对闪电和降水的统计探讨工作较多，大多是基于长时间序列的小时雨量进行统计分析（Yang et al.，2022;Yuan et al.，2022），只有少数探讨涉及运用分钟雨量（盛杰等，2022;Wu et al.，2022）。但对于不同天气流型的闪电和短时强降水的时空分布特征及日改变鲜有报道。陈元昭等（2022）发觉珠江三角洲地區重大短时强降水天气流型主要有台风型、西南季风型、北部湾低压型、冷（式）切变
8、线型和热带云团型等5种。其中，台风型、西南季风型和北部湾低压型大多数过程对应的环境特征类似，水汽足够，抬升凝聚高度较低，CAPE区域呈“瘦弱”的狭长形分布。冷（式）切变线型对应的温湿廓线大致呈上干下湿的“漏斗”状，热带云团型对应的温湿廓线紧靠，整层水汽大，对流有效位能CAPE值较大。由于天气尺度系统的演化在很大程度上变更了局地的热力层结不稳定、垂直切变不稳定、抬升运动的强弱以及水汽输送，这些特征对雷暴的形成与传播有很大影响。 为了进一步了解不同天气过程引发的闪电和降水活动的分布特征，基于前期对20222022年深圳地区发生强降水伴随闪电活动的天气过程的分类结果，发觉主要是台风型（TPT）、低压
9、型（LPT）、西南季风型（SWMT）和切变线型（SLT）这四类天气流型引发该地区夏季短时强降水及闪电活动。因此，本文将重点对比分析这四种天气流型下短时强降水和闪电活动的时空分布特征以及二者的相关性，这将有助于进一步相识深圳地区各类短时降水和闪电活动的气候背景，为深圳地区短时强对流预警及防灾减灾供应重要参考。 1 资料和方法 1.1 资料与方法 本文运用的资料包括：1）深圳市气象服务中心供应的115个深圳地区地面加密自动站1 min降水资料，针对各站资料时间连续性检查发觉，由于建站时间不一样等因素，20222022年49月分钟降水资料缺测的站点有3个，占全部站点的2.6%，表明利用该资料得到的短
10、时强降水统计结果是可信的。2）维萨拉LS8000闪电定位仪的地闪观测资料，该传感器的配置集成了效果最佳的两种闪电探测技术（甚高频干涉技术和磁向法和时差法），可以给出具体的雷暴活动，且地闪探测精度达到250500 m，降水测站和闪电定位仪的分布如图1。通常影响数据精确性的因素主要有观测误差、仪器本身的误差以及随机误差，所以在数据统计前需进行质量限制。本文将1 min雨量大于10 mm的降水和5 min累积降水量超过30 mm视为异样值进行人工剔除，对剔除异样值后的降水样本进行时间连续性检验（盛杰等，2022;Wu et al.，2022）。3）广东省深圳市竹子林一部S波段天气雷达0.5到20 k
11、m高度共20层的反射率因子资料。 1.2 短时强降水的定义 由于强对流天气预警业务中运用小时雨量来监测短时强降水，本文以业务短时强降水的标准（20 mmh-1），将强降水时段定义为：自降水起先时刻（连续5 min累积降水量大于等于0.1 mm），连续60 min滑动累积雨量大于等于20 mm，且其前后连续3 h的降水量至少超过30 mm，则认为找到一次短时强降水过程，并将1 h累积降水量小于等于5 mm对应的时刻作为强降水结束时间，即可得到伴随短时强降水过程的持续时间（王国荣和王令，2022），且同一站点新的一次强降水时段必需在前一个强降水过程结束后起先。本文将以此为标准，选取降水测站半径10
12、 km范围内的闪电数据，结合深圳地区20222022年发生的夏季短时强降水伴随闪电活动过程的环境特征，选取了台风型、低压型、西南季风型和切变线型这四种天气流型产生的降水和闪电特征，其中各天气流型产生的短时强降水事务个数及比例见表1。 2 短时强降水和闪电的日改变 图2为深圳地区20222022年四种天气流型产生的夏季短时强降水频次和地闪总数的日改变，可以看到TPT型产生的短时强降水日改变呈明显的双峰结构，分钟雨量大于等于1 mm的短时强降水频次峰值出现在凌晨，次峰值出现在06时（北京时，下同），之后其发生的频次很少，仅约为凌晨峰值的1/6和上午峰值的1/5。该天气流型引发的短时强降水过程中闪电
13、活动呈明显的单峰结构，闪电峰值出现的时间与降水频次峰值相同（凌晨），且在12时闪电活动略微增加，之后降水和闪电活动发展趋势均一样。对于LPT型引发的短时强降水，降水日改变趋势整体与TPT型相像。不同的是，LPT引发的降水频次峰值小于TPT，出现降水的总频次大于TPT型，且LPT引发的短时强降水主要发生在凌晨至10时（图2b）。 相比前两种天气流型，SWMT和SLT型产生的强降水和闪电活动主要发生在下午。其中，SWMT型产生的降水活动主要集中在凌晨到16时，日改变呈明显双峰结构，且凌晨至06时降水峰值幅度明显高于午后，谷值位于08时。结合闪电活动的日改变曲线（图2c），SWMT引发的短时强降水伴
14、随的闪电活动最活跃，且闪电数的峰值与降水量峰值同步，在峰值之后（04时）两者日改变趋势相近。图2d是SLT天气流型引发的短时强降水和闪电活动日改变特征，发觉SLT产生的短时强降水日改变曲线呈准正态分布，降水峰值出现13时，且该类型产生的降水频次大于其他三种类型。除此之外，从凌晨至23时该类型均有降水产生，且降水的活跃阶段主要集中在1015时。虽然SLT产生的闪电数量不是最多的，但出现闪电活动发生的时间是最长的，且地闪数的日改变曲线呈三峰结构，主峰值出现在12时，比该类型产生的降水主峰值提前1 h;其次峰值出现在16时，该时刻对应的降水活动在减弱;第三峰值则出现在05时，对应的降水活动处于增加阶
15、段。 综合上述分析，可以看到四种天气流型引发的闪电和短时强降水的日改变特征有肯定的相像性，但也存在明显差别。共同特征是：在凌晨到02时四种天气系统都有比较活跃的强降水活动，这可能与该地的海陆风作用有关，会在夜间激发较强的上升运动，易形成降水峰值。不同之处是，TPT、LPT和SWMT产生的降水峰值分别出现在凌晨，而SLT型产生的降水峰值和闪电峰值均出现在午后，而TPT、LPT和SWMT型的闪电峰值则出现在凌晨。对于出现在凌晨的峰值可能与热力平流、水汽辐合以及夜间相对湿度的增大有关，而午后峰值可能是受日改变波的影响，白天大气稳定度的降低和对流有效位能的增加有利于午后热对流的形成。另外，SLT型产生
16、的高降水频次的持续时间小于SWMT型，这主要是因为该地区这种天气过程系统移动较快，云中高层具有明显的气流辐散特征，云水汽含量一般没有SWMT型足够。 3 短时强降水和闪电活动的时空分布 3.1 降水和闪电过程持续时间的特征 图3是四种天气流型产生的短时强降水最大值以及闪电数最大值随时间的分布。从降水分布来看，四种类型产生的强降水随时间的改变整体呈阶梯状分布，但强降水最大值出现的时间、降水峰值以及各类型降水持续时间都不同。对于TPT型，短时强降水持续时间为70 min，在这个时间内强降水的最大值为120 mm。其中，10 min内出现的最大降水量达20 mm，在第35分钟时累积降水量已超过90
17、mm。特殊是在第3035分钟，TPT型产生的降水增量最大。相比TPT型降水，LPT产生的降水最短持续时间是15 min，最长短时强降水持续时间为120 min，最大降水量出现在第65分钟，且其降水强度与TPT相同。LPT型产生的短时强降水最大增量出现在持续降水时间为第5055分钟。SWMT型产生的首次大于等于20 mm的降水对应的持续时间为10 min。产生的累积降水最大值出现在降水持续时长60 min，与SLT型相同，但滞后TPT型5 min，超前LPT型5 min。SLT型产生的短时强降水在持续时间120 min内最大值达180 mm，大于其他三种天气流型。其中，该类型在降水持续时长10
18、min内产生的降水最大值也大于TPT和SWMT。对比这四种流型产生的短时强降水，发觉SLT和SWMT型的短时强降水具有持续时间长，降水强度大的特点，且SLT产生的降水强度大于SWMT型;LPT型产生的降水以间歇式短时强降水为主;TPT型引发的降水强度与上述三个类型相当，但持续时间明显小于SLT、SWMT和LPT。图3b是四种天气流型在短时强降水过程中产生的最大闪电数。可以看出，虽然在短时强降水发生过程中不是始终都有闪电发生，且闪电活动具有明显的不匀称性，但各天气流型产生的闪电活动峰值与短时强降水峰值有肯定的关系。在SLT型中，闪电活动主要集中发生在降水持续时间第6090分钟，闪电峰值发生在降水
19、持续时间第70分钟时，对应的最大降水量为120 mm。SWMT型产生的闪电活动主要集中发生在降水持续时间第6070分钟，其峰值发生在持续降水第70分钟时，对应的最大降水量为115 mm。LPT型产生的闪电活动主要发生在短时强降水持续时间的第45、65和120分鐘，且最大闪电数（751个）大于其他三个类型，对应的最大降水量分别为90、120和110 mm。TPT型产生的闪电活动则主要集中发生在短时强降水持续时间的前40 min内，对应的最大降水量为60 mm。 为了进一步探讨闪电和降水的关系，图4给出了四种流型产生的每分钟平均降水率及其持续时间、正地闪和负地闪的分布。可以看出，四种类型产生的降水
20、和闪电活动有显著的不同。TPT型产生的64%的闪电活动主要发生在平均每分钟降水为0.5 mm时，且该类型产生的闪电主要以负地闪为主，占比总地闪数的78%。LPT型产生的平均降水率以0.51.0、1.01.5以及1.53.0 mmmin-1为主，其中平均每分钟降水率1.5 mmmin-1持续时间最长约115 min，当平均每分钟降水率为2.0 mmmin-1时对应的闪电活动以正地闪为主。相比TPT和LPT，SWMT和SLT型产生的降水和闪电活动更加活跃。SWMT型产生的平均每分钟降水率为0.54.5 mmmin-1，该范围降水均伴随肯定的闪电活动，且1.02.0 mmmin-1的降水对应的闪电活
21、动最多。另外，该类型各级平均降水持续时长大于其他三种类型，这与SWMT的天气流型配置有关，珠江三角洲地区西南季风型短时强降水一般出现在850 hPa急流轴核区旁边或气流辐合区（陈元昭等，2022）。SLT型产生的闪电活动是这四种天气流型中最多的，因为此类天气系统一般是由于冷暖空气对峙，高空槽、切变线和冷空气共同引起的强对流天气，由于系统移速快，吸纳水汽不够充分，导致强降水的持续时间小于SWMT和LPT型。 3.2 不同强度的短时强降水和闪电活动 图5是各天气流型下同强度降水百分比的分布。对于510 mm的累积降水，TPT型在降水持续时间为70 min时该级降水占比达到100%，而LTP产生的该
22、级降水则在持续时间为35 min时已达到100%，SWMT和SLT均在40 min以后产生的该级降水占比100%，说明LPT型更易在短时间内形成短时强降水。这主要是由于珠江口旁边东南气流的汇合，常会诱发中尺度低压系统的形成，能在较短时间产生中尺度短时强降水。在这四种天气类型中，只有TPT型产生了1020 mmh-1的累积降水，持续时长大于60 min，且其他三种类型均没有产生该范围的降水。这可能与台风造成的降水分布比较困难有关，该系统除了具备强对流发生的动力、热力等条件外，还与其他天气系统的配置有关。对于2030 mmh-1的累积降水，LPT、SWMT和SLT三种类型的降水比例曲线分布趋势比较
23、一样，都是在持续时长达到25 min以后这个范围的累积降水占比达到100%。区分在于该范围持续降水首次出现的时间不同，LPT、SWMT和SLT产生的该量级降水首次出现的时长分别为15 min、10 min和20 min，这也再次说明SWMT型引发的降水具有短时降水量大的特点。虽然TPT型产生的2030 mmh-1的累积降水最短持续时间也为15 min，但与LPT的差别在于TPT型产生的该范围降水在持续时长25 min时占比为90%，直到45 min时达到100%。 当累积降水达到3040 mm时，TPT和SWMT型产生的该等级降水最短持续时间是15 min，SLT型产生的此类降水最短持续时间为
24、10 min，而LPT型产生的此范围降水最短持续时间最长（25 min）。由此可以看出，不同天气流型引发的不同强度降水其持续时间有显著差异。特殊是对于50 mm以上的强降水，各类型产生的此量级降水的最短持续时间以及达到100%占比对应的降水持续时间均不同。TPT、LPT、SWMT和SLT型产生的大于等于50 mm降水的最短持续时间分别为35 min、40 min、25 min和45 min，说明SWMT系统更易在短时间内触发大暴雨。與此同时，这四种天气流型产生的不同强度降水伴随的闪电活动也存在显著差异。从图6中可以看出，闪电活动主要发生在20 mmh-1以上的降水中，且不同天气流型产生的不同强
25、度降水对应的闪电活动也不同。 TPT型产生的短时强降水对应的闪电活动主要集中发生在降水强度2030 mmh-1，且50%以上的闪电活动发生在该范围降水，持续时间达20 min。其次是约35%的闪电对应降水量超过50 mm，且降水持续时间达到80 min。相比TPT型产生的闪电，LPT、SWMT和SLT这三种类型中80%以上的闪电活动主要发生在降水强度超过50 mmh-1，4050 mmh-1的降水次之。对于小于40 mmh-1的降水伴随的闪电活动，SLT型产生的该量级对应的闪电活动占比最多，且正地闪也多于其他三种天气流型，SWMT型产生的正地闪最少。 3.3 短时强降水和闪电活动的空间关系 图
26、7是四种天气流型产生的分钟降水强度和闪电数目的空间分布。可以看出，TPT型产生的降水和闪电主要位于深圳地区西部，其中大于4 mm的强降水区位于其西北部，负地闪主要集中分钟降水量小于3 mm的降水区域，强降水区域四周有大量的正地闪生成。LPT型产生的降水中心位于深圳中部，闪电活动则主要集中在深圳西部，且对应的分钟降水以小于3 mm为主。SWMT型产生的降水中心主要有三个，分别位于深圳西北部、西南部和中东部，且三个降水区域内均伴随大量闪电活动，特殊是中东部的强降水区域。SLT型产生的闪电几乎覆盖整个深圳地区，其闪电数也是多于其他三种类型。该天气流型产生的降水活动中心主要有3个，分别位于深圳西部和中
27、部，其中中部地区的北边和南边分别有一个分钟雨量大于5 mm的强降水中心，虽然四周产生的闪电小于西部的降水中心，但两个强降水中心四周伴随大量的正地闪。对比这四类天气流型产生的降水和闪电活动，发觉各个类型产生的闪电和降水的落区有显著差异，其相像之处是负地闪主要集中在分钟雨量小于3 mm的地区，对于分钟雨量超过4 mm的强降水中心，正地闪的累积数量要多于负地闪。 上述探讨降水和闪电的空间关系，其重要性主要表现在三个方面：一是有助于了解闪电和降水的演化规律;二是探讨闪电和降水的局地空间相关性;三是有利于闪电资料在短时强降水预警预报的应用。 3.4 雷达回波高度与地闪活动之间的关系 图8是四种天气系统产
28、生的平均地闪频次和回波强度超过18 dBZ的回波顶高随空间的改变。通过对回波顶高进行Kriging插值，并将探讨区域格点化处理成0.050.05的网格（包含整个深圳）。从图中可以看出，四种天气流型产生的平均地闪频次以及回波顶高的改变有明显的差异性，也有肯定的相像性。其中，相像性体现在TPT和SWMT型产生的回波顶高高度随经纬度的改变基本一样，TPT、LPT和SWMT型天气系统在深圳中部地区对应的回波顶高基本上都超过6 km，SLT型在该地区中部对应的顶高高度以24 km为主，且四种天气系统产生回波顶高的高度在深圳西南部基本上介于36 km。对于深圳东部地区，TPT和SWMT型对应的回波顶高高度
29、以超过6 km为主，LPT和SLT型对应的回波顶高则以24 km为主。 除此之外，这四种天气系统引发的地闪活动平均频次的空间分布差异主要表现在TPT和SWMT型产生的平均地闪频次主要为小于2次/a，LPT型产生的平均地闪频次为25次/a，SLT型产生的最大平均地闪频次超过5次/a，且主要位于深圳西部，且此类天气系统产生的这种高频次地闪活动对应的雷达回波顶高主要位于5 km以下。结合图9发觉，四种天气系统产生的回波顶高的平均高度均在8 km左右，其中SLT型产生的回波高度最小值小于其他三种类型，且SLT型天气系统在深圳地区产生的强降水伴随闪电过程的對流活动，其零度层高度小于5 km的占72%左右
30、。 4 探讨和结论 依据高时空辨别率的地面分钟降水观测资料和LS8000闪电定位仪地闪探测资料，统计分析台风型TPT、低压型LPT、西南季风型SWMT和切变线型SLT引发的深圳地区20222022年夏季短时强降水和闪电活动的时空分布、雷达回波顶高及零度层高度等特征。主要结论如下： 1）这四种天气流型引发的深圳地区短时强降水伴随闪电的对流活动均主要集中发生在凌晨至08时和1214时。其中，TPT、LPT和SWMT引发的短时强降水和强闪电活动主要发生在06时之前，夜间活动幅值大于白天，而SLT型产生的强降水和强闪电则主要发生在午后，且白天降水和闪电活动幅值明显大于夜间。 2）TPT型产生的64%的
31、闪电活动主要发生在平均每分钟降水为0.5 mm时，且该类型产生的闪电主要以负地闪为主，占总闪数的78%。LPT型产生闪电活动主要集中在平均每分钟降水1.0 mm时，且当平均每分钟降水率为2.0 mm时对应的闪电活动以正地闪为主。SWMT型产生的平均每分钟降水率为0.54.5 mm，其中1.02.0 mm的降水对应的闪电活动最多。SLT型产生的闪电活动最多，但降水持续时长明显小于SWMT和LPT型。 3）TPT型产生的短时强降水对应的闪电活动主要集中发生在降水强度2030 mmh-1，且50%以上的闪电活动发生在该范围降水持续时间达20 min。LPT、SWMT和SLT这三种类型中80%以上的闪
32、电活动主要发生在降水强度超过50 mmh-1，4050 mmh-1的降水次之。对于小于40 mm的降水伴随的闪电活动，SLT型产生的地闪数最多，且正地闪也多于其他三种天气流型，SWMT型产生的正地闪最少。 4）四种天气流型产生的平均地闪频次以及回波顶高的改变有明显的差异性，TPT、LPT和SWMT型天气系统在深圳中部地区产生对流活动对应的雷达回波顶高基本上都超过6 km，而SLT型引发的对流活动其雷达回波顶高以24 km为主，且SLT型天气系统在深圳地区产生的此类强降水伴随闪电过程的对流活动，其零度层高度小于5 km的占72%左右。 本文利用深圳地区高密度分钟地面降水观测资料对近4 a的不同天
33、气流型引发的夏季短时强降水和闪电的时空特征进行了分类统计分析，从肯定程度上得到了较为细致的深圳地区夏季短时强降水伴随闪电活动的日改变、降水频次和持续性等特征，但对不同天气流型引发的降水和闪电的差异缘由、不同天气流型产生的不同强度降水伴随的闪电活动其时间序列的演化规律、以及造成不同强度短时强降水伴随闪电活动的高发区日改变特征等问题还有待于进一步分析。因此，下一步结合雷达等多源观测资料针对上述为解决的问题开展深化探讨。 参考文献（References） 陈传雷，管兆勇，王赛頔，等，2022.辽宁长历时强降水的环境特征分析J.大气科学学报，40（3）：321-332. Chen C L，Guan Z
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