2024, Vol. 44
2. 山东省气象科学研究所，山东 济南 250031;
3. 长岛国家气候观象台，山东 长岛 265800;
4. 日照市气象局，山东 日照 276800
2. Shandong Institute of Meteorological Sciences, Jinan 250031, China;
3. Changdao National Climate Observatory, Changdao 265800, China;
4. Rizhao Meteorological Bureau, Rizhao 276800, China
雷电是发生在强对流天气中的一种天气现象，强对流天气主要发生在夏半年。然而，在冬季下雪的时候，偶尔也会伴随闪电发生，这种一边下雪、一边打雷的天气现象，称为雷雪(thundersnow)，俗称“雷打雪”。“雷打雪”现象并不多见，但通常会带来较大灾害。冬季云内起电会导致飞行空难事故，因为云内荷电区域较大极易引发飞机触发闪电[1-2]。滑雪场也多次发生过雷击伤亡事件[3]。冬季打雷常是出现暴雪的先兆，暴风雪不仅严重影响交通运输、通信、电力输送和能源保供，还给经济社会发展和人民生活造成巨大影响。2010年2月28日，山东出现“雷打雪”天气过程，最大积雪深度为21 cm，导致潍坊、淄博、滨州、烟台等多地出现灾害，直接经济损失约12亿元。2021年11月6—8日，山东出现大范围的“雷打雪”天气，鲁西北和鲁中北部地区出现大到暴雪，德州多地积雪深度突破历史极值，最大达20 cm。此次暴雪造成列车停运、树枝断裂、设施大棚损毁、果蔬冻害严重。
有关冬季雷暴天气过程的研究越来越受到重视。20世纪70年代美国开始研究冬季雷暴的天气气候特征，研究发现“雷打雪”过程主要出现在美国中西部地区和北美五大湖区域[4]。对美国中西部的研究表明，伴有闪电的降雪过程往往与15 cm以上的积雪密切相关，闪电更易出现在能够产生强降雪的中西部温带气旋系统中[5]。随着探测技术的发展，除了能够获取常规的天气观测资料之外，可以通过闪电定位网获取闪电活动的分布及演变信息，还可以通过双偏振多普勒天气雷达获取云内动力和微物理结构，而云内动力和微物理结构直接影响云内的起电过程以及云内电荷结构，云内的电荷结构又直接影响了“雷打雪”的闪电频次和极性等放电特征。日本海岸线附近的暖湿空气受极地西伯利亚干冷空气的抬升作用导致日本冬季雷暴经常发生，针对其闪电活动和云内电荷结构特征也做过很多研究工作。研究[6-8]发现日本冬季雷暴云顶高度相对较低，其对流强度弱于夏季雷暴，在初始阶段冬季雷暴云呈正偶极性的电荷结构，上部为正电荷区，中部负电荷区位于-20~-10 ℃温度层，而在成熟阶段呈三极性结构，即在-10 ℃层以下还存在一个正电荷区。为进一步了解降雪天气过程云内的电场强度情况，美国航空航天局从2020年开始实施“危及大西洋海岸暴风雪的微物理和降水研究项目”(Investigation of Microphysics and Precipitation for Atlantic Coast-Threatening Snowstorms，IMPACTS)，除了地面的探测设备外，还利用飞机开展现场观测来深入研究云内电场强度与微观物理量之间的关系，试图填补冬季风暴起电放电方面的一些空白。已开展的飞机穿云观测表明，在强电场附近区域含有过冷却水和凇附的冰相水成物，液态水含量和冰相降水粒子含量分别高达0.15 g·m-3和1 g·m-3，云内过饱和度高达3.5%，这些观测结果支持了混合相微物理在云内起电的作用。在3次降雪过程中S波段双偏振雷达观测到强起电区域存在差分反射率的去极化条纹，有助于在闪电发生之前利用去极化条纹来识别出强起电区域[9]。
最新研究表明，中国大部分地区都会出现“雷打雪”天气现象，发生频次最高的区域是青藏高原、东北地区和山东半岛[10]。2023年11月和12月中国北方多次出现“雷打雪”天气现象，其中2023年12月14日在山西、河北、河南、山东4省相互接壤地带出现一次明显的“雷打雪”过程。本文将利用常规的地面和高空气象观测资料以及闪电、大气电场仪、双偏振多普勒天气雷达等观测资料对此次“雷打雪”过程进行详细分析，探讨“雷打雪”天气过程的闪电和雷达回波演变特征，以加深对冬季雷暴过程闪电活动特征以及产生机制的认识，为“雷打雪”天气的预报预警提供科学技术支撑。
1 资料和方法所用闪电资料由中国科学院电工研究所布设的全国短基线甚低频/低频(very low frequency/low frequency，VLF/LF)三维闪电探测网获取，该探测网由分布在全国的四百多个VLF/LF三维闪电探测仪组成，采用三维时差定位算法，获取闪电发生的时间、类型、经纬度、高度及峰值电流强度等物理参量。该闪电定位系统的时钟同步精度可达到0.1 μs，10 kA以上地闪的探测效率大于90%；云闪的探测效率较低；水平和垂直定位误差分别小于0.3 km和0.5 km[11]。另外，为研究冬季降雪云系的带电情况，还在山东省气象局院内(116.974 3°E，36.689 6°N)布设1部大气电场仪。该仪器由美国坎贝尔科学公司生产，探测范围约为15 km，大气电场强度的探测范围为±300 kV·m-1，观测的时间频率为60次·s-1。
使用的欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5，ERA5)资料来自全国气象部门的常规业务观测资料。雷达资料来自聊城双偏振多普勒天气雷达，这部S波段(波长为10 cm)雷达按照中国气象局统一行业标准进行业务观测，不仅能够提供水平极化反射率因子(Zh)、平均径向速度(V)和谱宽信息(W)，还能提供差分反射率(ZDR)、差分传播相移(ΦDP)、差分传播相移率(KDP)、相关系数(Cc)等信息。
2 “雷打雪”过程的天气形势及环境场分析12月14日08:00—15日06:00，山西、河北、河南、山东等多地出现了一次寒潮雨雪天气过程，部分地区出现“雷打雪”，其中山西和河北南部、河南北部、山东西部等地出现大到暴雪。降水相态经历了雨、雨夹雪和雪的转变，并在降雪阶段出现冰粒。此次降雪过程共有15站出现大暴雪，最大降雪量为26.3 mm，出现在德州夏津，积雪深度达23 cm。
12月14日08:00，500 hPa(图 1a)，新疆北部有较深的高空槽，温度场略超前于高度场，未来高空槽在东移的过程中减弱并加速东移，槽前的冷空气扩散南下与位于河套地区的中支槽后部的冷空气叠加，使河套地区的中支槽经向跨度加大，中支槽前的正涡度平流使槽前低层减压和上升运动加强，同时中支槽加深使槽前侧的西南暖湿气流进一步加强，加大向降雪区输送水汽和不稳定能量，另外华北到东北地区存在弱高压脊，其后部的暖平流使高压脊加强，使中支槽东移减慢。700 hPa(图 1b)，位于河套地区的中支槽后有较强冷平流，槽前西南气流强盛，最大风速达30 m·s-1，强风辐合中心位于山西、河北南部、河南北部和山东中南部，未来随着中支槽的加深，西南暖湿气流进一步加强北抬，使风速辐合加强且辐合区略有北抬。850 hPa(图 1c)，出现“人”字形切变，河套地区和四川盆地均有低涡存在，冷式切变线(以下简称“冷切”)位于两低涡之间，暖式切变线(以下简称“暖切”)位于西南涡到鲁东南一线，冷切东部和暖切南部存在20 m·s-1以上的西南急流，暖切一方面阻挡西南暖湿气流北上，使水汽和不稳定能量在暴雪区上空积聚，另一方面产生上升运动，为“雷打雪”天气过程提供水汽、不稳定能量和上升运动条件。冷切携带的冷空气触发冷切东侧暖区的不稳定能量释放，产生对流。925 hPa(图略)，山东东部沿海出现低值系统，冷切自山东东部经江苏北部、安徽中部、江西西北部伸至湖南中部，山东、河南、河北受东北气流控制，形成“冷垫”[12]。地面天气形势场(图 1d)分析发现，河套附近和西南地区存在低压，河套地区低压阻挡冷空气进一步西进，西南地区低压阻挡冷空气南压，使东北路扩散南下的冷空气在山东、山西、河南、河北一带堆积。
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图 1 2023年12月14日08:00天气形势场 Fig.1 Synoptic chart at 08:00 BJT 14 December 2023 |
综合以上分析发现，降雪区处于高空中支槽前的正涡度平流区，有利于低层减压和上升运动加强。925 hPa以下近地面东北风形成的“冷垫”楔入到850 hPa以上暖湿空气下方，从而抬升暖空气，触发对流天气，具有明显冷季高架对流特征[13-15]，是一次典型的“雷打雪”产生的天气形势，这与以前研究给出的高架对流形势[16-19]非常一致。另外，华北到东北地区的高压脊阻挡中支槽移动，使中支槽移动缓慢、降水持续时间较长。
此次过程中济南的主要降水时段为14日11:00—17:00，降水于14日夜间结束。结合济南章丘探空资料(图 2)可以看出，14日08：00，925 hPa以下为偏东风且风随高度呈弱的逆时针旋转，为弱冷平流，850 hPa转为东南风且风向随高度顺时针旋转，为暖平流，890~740 hPa的逆温区有两层明显的逆温，逆温层内最大逆温差接近6.0 ℃，其中在1 486~1 749 m和2 300~2 880 m范围出现了两个温度高于0 ℃的暖层，最高气温为2.2 ℃，表明上下两个暖层有利于冰相粒子的融化和液相粒子的生成，逆温层以下是一个一直延伸到地面的“冷垫”，最低气温为-3.5 ℃，表明逆温层以下至地面会发生液相粒子向冰相粒子的转换。600 hPa以下为饱和湿区，600 hPa以上为相对干区，对流层中层(850~600 hPa)有显著的暖湿平流，有利于出现条件性对称不稳定层结[13]。850 hPa和500 hPa温差达到16.0 ℃，订正后的对流有效位能(convective available potential energy, CAPE)值达到55.4 J·kg-1(根据章丘站当天的最高气温、露点和气压进行订正)，具有一定的热力不稳定。700 hPa以上西南风超过22 m·s-1，随着低层冷空气侵入，925 hPa以下到地面逐渐转为东北风，最大风速超过13 m·s-1，0~6 km深层垂直风切变超过30 m·s-1，达到强垂直风切变标准，说明热成风和斜压性都很强，易产生对流天气[13]。进一步分析探空图发现，章丘站上空的条件性对称不稳定主要存在于700~400 hPa，且主要集中在-20~-10 ℃的混合相云区。20:00，逆温层和低层“冷垫”仍然存在，但是整层温度均在0 ℃以下，降水粒子全部为固态。
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图 2 2023年12月14日章丘探空站t-lnp图 Fig.2 The t-lnp diagram of Zhangqiu radiosonde station on 14 December 2023 |
此次降雪过程从02:20开始出现闪电，至16:00结束，闪电活动持续时间较长，共观测到闪电2 515次，其中云闪为1 589次，地闪为926次(图 3)，云闪和地闪比例为1.7 ∶1，表明此次“雷打雪”天气过程云内放电比云地放电活跃。正地闪和负地闪分别为180次和746次，正地闪比例为19.4%，高于夏季普通雷暴的正地闪比例，却明显小于冰雹等强对流灾害性天气的正地闪比例[20-22]。表 1给出了此次过程地闪参量的统计结果，总地闪的平均电流强度为34.8 kA，正地闪的最大电流强度为+234.0 kA，其平均强度和中值分别为+43.4 kA和+29.0 kA；负地闪的最大电流强度为-232.6 kA，其平均强度和中值分别为-32.7 kA和-25.8 kA。Schultz等[23]对美国4次“雷打雪”过程的闪电探测结果进行统计，发现正、负地闪的平均强度分别为+89.0 kA和-39.0 kA，此次“雷打雪”过程的负地闪强度与美国的观测结果基本相当，但正地闪强度偏少约1倍。此次“雷打雪”过程的负地闪回击次数平均值为2.78次，最大值为25次；正地闪的回击次数平均值为1.34次，最大值为6次。
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图 3 2023年12月14日闪电频数时间演变 Fig.3 Evolution of lightning frequency on 14 December 2023 |
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表 1 2023年12月14日“雷打雪”过程地闪特征参量 Table 1 Characteristic parameters of cloud-to-ground lightning in the thundersnow process on 14 December 2023 |
由时间演变来看，闪电活跃阶段为12月14日07:00—13:00，该时段总闪电频数绝大多数超过40次·(10 min)-1，最大值为99次·(10 min)-1(出现在09:50—10:00)，表明这次强降雪过程的闪电活动比较强烈，接近暖季较弱雷暴的放电活动[24-26]。
4 闪电和降雪的关系结合地面观测，分析表明此次降雪过程主要发生在山西、河北、河南、山东4省，强降雪阶段主要在14日07:00—14:00，与闪电活跃阶段基本重合，这与先前研究[27-29]发现闪电活动通常对应着最大降雪强度的结果相一致。根据4省(33°~40°N，110°~ 123°E)12月14日24 h的降雪量统计表明，小雪、中雪、大雪、暴雪和大暴雪的站数分别为50、78、160、140和15站。由闪电的空间分布(图 4)可以看出，闪电大致沿黄河走向分布，一直延伸到黄河入海口，且绝大多数发生在黄河以北区域。16:00，系统前端到达黄河入海口，随后系统不断减弱，探测系统没有观测到闪电发生。通过对比降雪量和闪电的空间分布可以看出，两者分布形式和走向表现出较好的一致性。暴雪及以上量级的强降雪落区集中在山西和河南的交界处以及河北和山东的交界处，也基本是沿黄河走向分布。统计表明：140个暴雪站周围30 km范围内出现闪电的比例为74%，15个大暴雪站周围30 km内出现闪电的占比为100%，相比之下大雪及以下的站周围30 km范围内出现闪电的比例为26%。上述结果进一步支持总降雪量与闪电的发生具有良好的空间相关性[30]。
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图 4 2023年12月14日降雪和闪电的空间分布 Fig.4 Spatial distribution of snowfall and lightning flashes on 14 December 2023 |
雷达观测表明，整个降水回波北部呈大范围的东北—西南向带状分布，表明大气存在对称不稳定[31-32]，南部以块状为主，对流特征较为明显，由此可见整个降水带存在对称不稳定和对流不稳定两种不稳定形式。整个降雪云系向东北方向移动，移速高达90 km·h-1，与天气系统对应较好。此次过程的回波强度为20~50 dBZ，对流区域为35~50 dBZ，最大值为56.5 dBZ，出现的高度约为2.6 km。雷达回波顶高为4~8 km，个别区域超过9 km。对应卫星云图可以发现云顶最低温度约为-45 ℃。
由图 5可以清楚看出云内存在零度层亮带，亮带的中心高度约为2.7 km，正好对应第一个暖层(上暖层)。尽管零度层亮带在KDP上表现不明显，却在Cc和ZDR上表现非常突出。Cc出现小于0.97的低值环(图 5b)，说明融化层内固态和液态降水粒子并存，ZDR出现1.0~3.5 dB的高值环(图 5c)，表明融化层内存在尺度较大的液态粒子或者包有水膜的冰相粒子。融化层高度以上至5 km高度和融化层高度以下至地面的范围内ZDR绝大多数在0 dB左右，考虑到冰相粒子尤其是随机趋向的干冰相粒子的ZDR值几乎很小，可以推测零度层亮带以上和以下的区域主要由冰相粒子组成，因为降水粒子在下落的过程中再次出现冻结，与地面观测到的冰粒和雪花基本相符。由此可见偏振雷达参量能够给出空中降水粒子相态的演变信息，可以很好地指导地面降水相态的短临预报。
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图 5 09:59聊城双偏振多普勒天气雷达6.0°仰角产品 Fig.5 Products of 6.0° elevation at 09:59 BJT from Liaocheng dual-polarization radar |
此次降雪过程的最大特点为3 km高度以上存在连续的或者零星成片的KDP正值区，尤其是地面强降雪区域，其上空对应的KDP正值普遍较强。以12:26聊城双偏振多普勒天气雷达观测(图 6)为例，德州南部多站出现大暴雪，可以发现在距离雷达东北90~110 km区域(德州南部区域)出现0.5~1.6 (°)·km-1的KDP高值区，温度为-20 ℃左右。该区域的ZDR值出现1.0~3.8 dB的高值区，Cc出现0.90~0.97的低值区，Zh分布在20~35 dBZ。Kennedy等[33]分析美国科罗拉多东北部4次明显的冬季风暴的双偏振雷达参量，也发现在环境温度为-15 ℃附近的高空，通常出现KDP介于0.15~0.48 (°)·km-1的局部高值区，并指出这些高空正KDP区域过境与地面降水率的增大密切相关。
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图 6 12:26聊城双偏振多普勒天气雷达3.3°仰角产品 Fig.6 Products of 3.3° elevation at 12:26 BJT from Liaocheng dual-polarization radar |
通过双偏振多普勒天气雷达产品剖面(图 7)可看出，德州附近回波顶高达8.5 km，大于30 dBZ的回波分布在5 km以下。在4~8 km的高度范围内出现明显大于1.0 dB的ZDR柱，最大值为3.8 dB，4 km以下为0 dB左右。ZDR柱的存在表明该处存在对流活动，且存在一定强度的上升气流[34]。同样在2.5~8.0 km的高度范围出现正KDP柱，配合ZDR柱和偏低的Cc值表明该区域存在过冷却液态水。由垂直分布来看，ZDR正值区的高度略高于KDP的正值区。通过第2节中动力和热力条件的分析表明，云内存在明显的垂直上升运动，能够将低层的水汽输送到-20 ℃附近，不仅能够达到冰面过饱和，还有可能达到水面饱和，这为云内板状或者枝星状冰晶的快速凝华增长提供了良好的条件，因为实验已经证明，在水面饱和环境中冰晶的表面生长速率在-25~-10 ℃范围达到最大[35]。由于云内存在过冷却云水，有利于冰雪晶通过凇附增长形成霰或者攀附的雪团(雪晶聚合体)。由ZDR和KDP的定义可知，当冷云中存在大量准水平取向的冰相粒子，会导致局部ZDR和KDP出现增强。微波散射模型计算表明[33]，中等体积密度和直径在0.8~1.2 mm范围内高度扁平的冰粒子群可以产生与雷达观测值一致的正KDP(0.15~0.40 (°)·km-1)和ZDR值。在正KDP层以下，双偏振特征趋于减弱，反射率因子有所增强。这主要是由于这些冰相粒子在下落过程中通过凇附或者攀附形成尺度更大、形状不规则的准球形水成物，导致KDP和ZDR量级在较低高度降低，甚至产生接近零的ZDR和KDP水平。
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图 7 12:26聊城双偏振多普勒天气雷达方位角为29.2°的剖面 Fig.7 Cross section at azimuth of 29.2° at 12:26 BJT from Liaocheng dual-polarization radar |
图 8是在6 km高度层反射率因子图上叠加雷达观测时刻前后共6 min的总闪电(云闪和地闪)，图中清楚表明6 km等高层的雷达回波与闪电分布的空间一致性很好，基本分布在大于20 dBZ的云区内或者紧邻的周边区域。该高度层环境温度约为-18 ℃，粒子识别产品主要为干雪。根据前面的分析可知，这次降雪过程的天气形势有利于大范围上升运动，探空揭示低层水汽条件很好，雷达探测表明存在局地对流活动，云内含有大量的冰相粒子，并存在一定量的过冷却水。目前非感应起电机制被公认为在闪电产生中起主导作用，在过冷液态水存在的环境中霰和冰晶等水成物之间的碰撞是云内起电的关键因素[36-40]。由雷暴非感应起电机制的条件可知，此次降雪过程混合相云区内存在良好的起电条件，在适量的过冷云水条件下，冰相粒子相互碰撞会导致较大的冰相粒子(霰)带负电，而小的冰相粒子带正电，在上升气流和重力的筛选作用下导致电荷区分离，从而使得云体整体呈现偶极性电荷结构(负电荷低于上部正电荷区域)。
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图 8 聊城双偏振多普勒天气雷达观测的6 km等高层反射率因子和闪电资料叠加 Fig.8 Superposition diagram of lightning flashes and reflectivity at 6-km CAPPI from Liaocheng dual-polarization radar |
图 9给出了布设在山东省气象局院内的大气电场仪的观测结果，通常定义电场强度方向向上为正电场，向下为负电场。12:30之前，由于降雪云系离大气电场仪较远，大气平均电场值基本表现为大气背景电场的形式，变化幅度比较小，且基本在±150 V·m-1之内波动。12:30负电场开始增强，12:34达-892 V·m-1，3 min之后(12:37)转为正电场，并急剧跃升到13:38的2 500 V·m-1。随后电场基本在-3 000~4 000 V·m-1范围内波动，16:30以后，电场值回落至±150 V·m-1范围内。电场演变表明此次降雪云系从12:00开始影响此站，16:30结束，影响此站的时间至少为4.5 h。离大气电场仪最近的国家级地面气象观测站(济南站)观测到降水从11:00开始，到19:00结束，时间跨度为8 h，降水量为13 mm，主要降水时段为12:00—15:00。
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图 9 2023年12月14日大气电场强度随时间的演变 Fig.9 Evolution of intensity of atmospheric electric field with time on 14 December 2023 |
由电场强度的时间演变来看，存在3个明显的正电场阶段(12:37—13:08、13:48—14:13、15:12—15:36)和3个明显的负电场阶段(13:10—13:20、14:15—15:09、15:36—16:01)。下面对12:37—13:08正电场阶段和13:10—13:20负电场阶段进行简要分析。
12:37—13:08，电场强度值基本为正电场，大多数在1 000 V·m-1以上，仅在12:51:00—12:51:35时段出现短暂负值，电场强度最低值为-10 209 V·m-1，由电场强度的突变可以看出这是由闪电造成的[41]，且这次闪电强度比较强，中和的电荷量比较大。对照闪电探测资料可以发现在12:51:12正好发生1次负地闪，距离电场仪的距离约为6 km，电流强度达到-88 kA，该地闪共出现6次回击。
通过分析雷达回波顶高和组合反射率因子资料(图 10)可以发现，12:37—13:08，电场仪上空的云层较厚，云顶高度接近7 km，回波强度为25~30 dBZ；而在13:10—13:20负电场阶段，过境的云很薄，云顶高度低于3 km，回波强度约为20 dBZ。假定雷暴的电荷结构为上正下负的偶极性分布，当雷暴靠近电场仪时，电场仪受上部正电荷区的影响较大，大气垂直电场强度表现为负值，当雷暴当顶时，电场仪受下部负电荷区的影响较大，地面大气垂直电场强度变为正值。此次电场强度的演变特征正好与上述相符，且发生的地闪也为负极性，可以推测这次降雪云系的电荷结构很可能为上正下负的电荷结构，该分布与Schultz等[23]通过4次“雷打雪”过程闪电辐射源分析得出的电荷结构(正电荷区在上、负电荷区在下)相一致。
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图 10 12:48和13:15聊城双偏振多普勒天气雷达观测的组合反射率因子和云顶高度分布 Fig.10 Composite reflectivity and cloud top height at 12:48 BJT and 13:15 BJT from Liaocheng dual-polarization radar |
雷达观测显示掠过电场仪上空的对流单体强度较弱，大约在12:32达到强盛阶段，回波强度最大值为30 dBZ，回波顶高约为7 km，水平范围为25~30 km。该雷暴系统共产生3次闪电(2次云闪、1次地闪)，出现在12:50—12:52时段(雷暴减弱阶段)，云顶高度下降为5 km，闪电活动滞后云顶高度峰值约25 min。
7 结论与讨论基于闪电定位系统、大气电场仪、双偏振多普勒天气雷达和ERA5资料，对2023年12月14日“雷打雪”天气过程的闪电活动特征及其成因进行了分析，初步得到以下研究结果：
(1) 此次“雷打雪”天气过程发生的天气背景是低层存在明显逆温层，850~600 hPa为显著暖湿平流，中低层存在强垂直风切变，925 hPa以下近地面存在“冷垫”，属于冷季高架对流形势。925 hPa以下近地面来自东北的冷空气楔入到条件性对称不稳定层结下方，抬升暖湿空气并释放不稳定能量，产生较强的上升运动，是此次“雷打雪”事件的主要动力和热力原因。
(2) 降雪过程的雷电活动比较活跃，观测到总闪电2 515次，闪电频数高达99次·(10 min)-1，云闪和地闪比例为1.7 ∶1，表明此次“雷打雪”过程以云闪为主。正地闪比例为19.4%，略高于夏季的普通雷暴。平均电流强度略高于夏季雷暴的平均值。
(3) 此次“雷打雪”天气过程的闪电空间分布和走向与强降雪的落区表现出良好的一致性。闪电密集区域对应强降雪区域，74%的暴雪站周围30 km范围内出现闪电，100%的大暴雪站周围30 km内发生了闪电，相比之下大雪及以下站周围30 km范围内出现闪电的比例为26%。雷达观测发现高空KDP正值区与地面强降雪区域关系密切。
(4) 此次“雷打雪”过程存在一定的对流活动，回波顶高为8~9 km。总闪电与6 km等高层雷达回波的空间一致性很好，基本分布在大于20 dBZ的云区内，闪电落区的云顶高度在5 km以上。由回波强度和闪电的空间分布来看，此次“雷打雪”过程表现出夏季强雷暴伴随的层状云区特征。
(5) 雷达观测揭示云内存在较强的上升气流，在5~8 km的高度范围出现ZDR和KDP的正值区，且Zh值为20~35 dBZ，表明-35~-10 ℃存在大量的原生冰晶和过冷却液水，根据非感应起电机制可以判定此次降雪过程存在较好的云内起电条件。结合地面电场观测资料和闪电资料，推测此次降雪云系的电荷结构可能为上正下负的电荷结构。
以上仅是个例分析结果，下一步将结合更多的“雷打雪”天气过程，利用双偏振多普勒雷达资料和闪电探测资料分析总结“雷打雪”天气过程的闪电和双偏振参量的演变特征，尤其是深入分析冬季风暴中-25~-10 ℃范围内正KDP值与强降雪和闪电之间的关系，为“雷打雪”天气过程的识别和预警预报提供技术支撑。
致谢: 感谢迪锐天成信息技术(北京)有限公司提供的闪电资料。
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MÄKELÄ A, SALTIKOFF E, JULKUNEN J, et al. Cold-season thunderstorms in Finland and their effect on aviation safety[J]. Bull Amer Meteor Soc, 2013, 94(6): 847-858. DOI:10.1175/BAMS-D-12-00039.1 |
| [2] |
WILKINSON J M, WELLS H, FIELD P R, et al. Investigation and prediction of helicopter-triggered lightning over the North Sea[J]. Meteor Appl, 2013, 20(1): 94-106. DOI:10.1002/met.1314 |
| [3] |
ZOOK D. When lightning strikes[N/OL]. Ski Area Manage, 2014-07[2024-03-30]. http://www.saminfo.com/article/when-lightning-strikes.
|
| [4] |
MARKET P S, HALCOMB C E, EBERT R L. A climatology of thundersnow events over the contiguous United States[J]. Wea Forecasting, 2002, 17(6): 1290-1295. DOI:10.1175/1520-0434(2002)017<1290:ACOTEO>2.0.CO;2 |
| [5] |
CROWE C, MARKET P, PETTEGREW B, et al. An investigation of thundersnow and deep snow accumulations[J]. Geophys Res Lett, 2006, 33(24): L24812. |
| [6] |
TAKEUTI T, NAKANO M, BROOK M, et al. The anomalous winter thunderstorms of the Hokuriku Coast[J]. J Geophys Res, 1978, 83(C5): 2385-2394. DOI:10.1029/JC083iC05p02385 |
| [7] |
MICHIMOTO K. Meteorological aspects of winter thunderstorms along the Hokuriku Coast of Japan[J]. IEEJ Trans PE, 2007, 127(12): 1242-1246. DOI:10.1541/ieejpes.127.1242 |
| [8] |
TAKAHASHI T, TAJIRI T, SONOI Y. Charges on graupel and snow crystals and the electrical structure of winter thunderstorms[J]. J Atmos Sci, 1999, 56(11): 1561-1578. DOI:10.1175/1520-0469(1999)056<1561:COGASC>2.0.CO;2 |
| [9] |
SCHULTZ C J, HARKEMA S S, MACH D M, et al. Remote sensing of electric fields observed within winter precipitation during the 2020 investigation of microphysics and precipitation for Atlantic coast-threatening snowstorms (IMPACTS) field campaign[J]. J Geophys Res: Atmos, 2021, 126(16): e2021JD034704. DOI:10.1029/2021JD034704 |
| [10] |
XU L T, ZHANG W J, CAO X, et al. A 10-year thundersnow climatology over China[J]. Geophys Res Lett, 2022, 49(19): e2022GL100734. DOI:10.1029/2022GL100734 |
| [11] |
孟晓阳, 王佳权, 马启明, 等. 2020年基于VLF/LF三维闪电定位系统的全国闪电数据集[J]. 中国科学数据, 2022, 7(1): 25-38. |
| [12] |
李燕, 赛瀚, 刘晓初, 等. 辽宁东南部一次强降雪天气的成因分析[J]. 海洋气象学报, 2021, 41(3): 84-93. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2021.03.009 |
| [13] |
俞小鼎, 周小刚, 王秀明. 中国冷季高架对流个例初步分析[J]. 气象学报, 2016, 74(6): 902-918. |
| [14] |
俞小鼎. 雷暴与强对流临近预报[M]. 北京: 气象出版社, 2020.
|
| [15] |
王宁, 杨学斌, 杨成芳. 2021年山东一次罕见区域性"雷打雪"天气成因分析[J]. 气象科技, 2023, 51(4): 562-572. |
| [16] |
CURRAN J T, PEARSON A D. Proximity soundings for thunderstorms with snow[C]//American Meteorological Society. Preprints, Seventh Conference on Severe Local Storms. Kansas City, Missouri: American Meteorological Society, 1971: 118-119.
|
| [17] |
MARKET P S, ORAVETZ A M, GAEDE D, et al. Proximity soundings of thundersnow in the central United States[J]. J Geophys Res: Atmos, 2006, 111(D19): e2006jd007061. DOI:10.1029/2006JD007061 |
| [18] |
MARKET P S, EBERT-CRIPE R L, BODNER M. Case study of a longlived thundersnow event[J]. Natl Wea Dig, 2007, 31(2): 103-120. |
| [19] |
KUMJIAN M R, DEIERLING W. Analysis of thundersnow storms over northern Colorado[J]. Wea Forecasting, 2015, 30(6): 1469-1490. DOI:10.1175/WAF-D-15-0007.1 |
| [20] |
冯桂力, 陈文选, 刘诗军, 等. 山东地区闪电的特征分析[J]. 应用气象学报, 2002, 13(3): 347-355. |
| [21] |
冯桂力, 郄秀书, 吴书君. 山东地区冰雹云的闪电活动特征[J]. 大气科学, 2008, 32(2): 289-299. |
| [22] |
冯桂力, 侯淑梅, 张骞, 等. 山东一次典型持续冰雹过程的闪电活动和雷达特征分析[J]. 海洋气象学报, 2024, 44(1): 24-38. DOI:10.19513/j.cnki.hyqxxb.20230728002 |
| [23] |
SCHULTZ C J, LANG T J, BRUNING E C, et al. Characteristics of lightning within electrified snowfall events using lightning mapping arrays[J]. J Geophys Res: Atmos, 2018, 123(4): 2347-2367. DOI:10.1002/2017JD027821 |
| [24] |
WILLIAMS E, MUSHTAK V, ROSENFELD D, et al. Thermodynamic conditions favorable to superlative thunderstorm updraft, mixed phase microphysics and lightning flash rate[J]. Atmos Res, 2005, 76(1/2/3/4): 288-306. |
| [25] |
DEIERLING W, PETERSEN W A, LATHAM J, et al. The relationship between lightning activity and ice fluxes in thunderstorms[J]. J Geophys Res: Atmos, 2008, 113(D15): e2007JD009700. DOI:10.1029/2007JD009700 |
| [26] |
FUCHS B R, RUTLEDGE S A, BRUNING E C, et al. Environmental controls on storm intensity and charge structure in multiple regions of the continental United States[J]. J Geophys Res: Atmos, 2015, 120(13): 6575-6596. DOI:10.1002/2015JD023271 |
| [27] |
PETTEGREW B P, MARKET P S, WOLF R A, et al. A case study of severe winter convection in the Midwest[J]. Wea Forecasting, 2009, 24(1): 121-139. DOI:10.1175/2008WAF2007103.1 |
| [28] |
MARKET P S, BECKERA E. A study of lightning flashes attending periods of banded snowfall[J]. Geophys Res Lett, 2009, 36(1): L01809. |
| [29] |
WARNER T A, LANG T J, LYONS W A. Synoptic scale outbreak of self-initiated upward lightning (SIUL) from tall structures during the central U.S. blizzard of 1-2 February 2011[J]. J Geophys Res: Atmos, 2014, 119(15): 9530-9548. DOI:10.1002/2014JD021691 |
| [30] |
HARKEMA S S, BERNDT E B, SCHULTZ C J. Characterization of snowfall rates, totals, and snow-to-liquid ratios in electrified snowfall events identified by the geostationary lightning mapper[J]. Wea Forecasting, 2020, 35(2): 673-689. DOI:10.1175/WAF-D-19-0126.1 |
| [31] |
朱乾根. 天气学原理与方法[M]. 4版. 北京: 气象出版社, 2007: 393-398.
|
| [32] |
MARKOWSKI P, RICHARDSON Y. Mesoscale meteorology in midlatitudes[M]. West Sussex: Wiley, 2010: 53-57.
|
| [33] |
KENNEDY P C, RUTLEDGE S A. S-band dual-polarization radar observations of winter storms[J]. J Appl Meteor Climatol, 2011, 50(4): 844-858. DOI:10.1175/2010JAMC2558.1 |
| [34] |
刁秀广. 2020年5月17日和6月1日山东强冰雹风暴双极化特征分析[J]. 海洋气象学报, 2021, 41(1): 68-81. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2021.01.007 |
| [35] |
EMERSIC C, SAUNDERS C P R. Further laboratory investigations into the Relative Diffusional Growth Rate theory of thunderstorm electrification[J]. Atmos Res, 2010, 98(2/3/4): 327-340. |
| [36] |
TAKAHASHI T. Riming electrification as a charge generation mechanism in thunderstorms[J]. J Atmos Sci, 1978, 35(8): 1536-1548. DOI:10.1175/1520-0469(1978)035<1536:REAACG>2.0.CO;2 |
| [37] |
SAUNDERS C P R. A review of thunderstorm electrification processes[J]. J Appl Meteor, 1993, 32(4): 642-655. DOI:10.1175/1520-0450(1993)032<0642:AROTEP>2.0.CO;2 |
| [38] |
SAUNDERS C P R, PECK S L. Laboratory studies of the influence of the rime accretion rate on charge transfer during crystal/graupel collisions[J]. J Geophys Res, 1998, 103(D12): 13949-13956. DOI:10.1029/97JD02644 |
| [39] |
MacGORMAN D R, RUST W D. The electrical nature of storms[M]. 1st ed. New York: Oxford University Press, 1998.
|
| [40] |
TAKAHASHI T, MIYAWAKI K. Reexamination of riming electrification in a wind tunnel[J]. J Atmos Sci, 2002, 59(5): 1018-1025. DOI:10.1175/1520-0469(2002)059<1018:ROREIA>2.0.CO;2 |
| [41] |
吴蓓, 闫景东, 任兆鹏, 等. 青岛地区电场仪资料在一次雷暴天气过程中的应用分析[J]. 海洋气象学报, 2017, 37(1): 92-97. DOI:10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.010 |