在广州产生的、能够引发大峰值电流云对地闪电的孤立小尺度风暴的反射特性

《Atmospheric Research》：Reflectivity characteristics of isolated small-scale storms producing large-peak-current cloud-to-ground lightning in Guangzhou

本研究基于2015年夏季53场雷暴的雷达与闪电定位数据，发现40 dBZ反射层高度（Top40）和5公里高度40 dBZ反射面积（Area40_5）可有效区分产生强雷击（LCG）与普通云地闪电（SCG）的雷暴。结果表明，强烈上升气流（Top40≥12 km）显著提升LCG频率和总量，其持续时间与LCG活动相位相关，证实强上升气流为LCG提供必要条件，但结论仅适用于局地中小尺度雷暴。

　　

王飞|陈路文|姚文|郑东|张戈

中国气象科学研究院强烈天气气象科学技术国家重点实验室与闪电重点实验室，北京，中国

摘要

本研究分析了2015年夏季发生的53场风暴，使用了粤港澳大湾区闪电定位系统（GLLS）和S波段多普勒雷达观测数据。在这些风暴中，34场产生了大峰值电流的云对地（LCG）闪电，10场仅产生了小峰值电流的云对地（SCG）闪电，9场没有检测到云对地闪电。结果表明，40 dBZ回波顶部高度（Top40）和5公里高度处的40 dBZ回波面积（Area40_5）的组合能够有效区分以LCG为主的风暴和非LCG风暴。

分析显示，上升气流强度从根本上控制着LCG的产生。Top40最大值≥12公里的风暴显示出明显更高的LCG频率和更多的LCG总数，相比之下，上升气流较弱的风暴则较少。值得注意的是，即使Top40最大值<12公里的风暴，如果这些中等强度的上升气流持续时间较长，也能产生大量的LCG。

在LCG发生前30分钟记录的最大Top40值与初始活跃阶段的后续LCG数量之间存在显著的相关性。在整个风暴生命周期中，Top40的变化反映了LCG频率的趋势，在LCG活跃期间的Top40和Area40_5值始终高于仅出现SCG的时期。主要的LCG活动主要发生在Area40_5增长阶段，随后在峰值过后迅速减弱或减少。

这些发现证实了LCG是由活跃的上升气流引起的，这可能为强烈的电离和高密度电荷结构的形成提供了有利条件。因此，频繁的LCG活动可以作为风暴中活跃上升气流时期的指标。

需要指出的是，本研究中分析的雷暴案例均来自一个夏季。尽管所识别的基本趋势和关系预计是稳定的，但某些具体的定量值可能会逐年变化。此外，分析主要关注的是局部的小尺度雷暴，这是当地夏季最常见的类型。因此，这里的结论可能不完全适用于更大规模的对流系统，在这种情况下应谨慎解释。

引言

风暴中的强烈对流运动不仅促进了各种水成物的增长，还为过冷水滴的形成创造了有利条件。在适当的过冷水和温度条件下，这些水成物参与电离过程，最终导致闪电放电（Takahashi, 1978; Saunders, 2008; Stolzenburg and Marshall, 2008）。这种物理联系建立了水成物分布/演变与闪电活动之间的直接关系。在现代气象观测中，雷达已成为探测云内水成物空间分布的最有效工具。因此，许多研究利用雷达观测到的反射特性来研究闪电的起源和分布模式。

先前的研究确定了与闪电活动相关的几个关键反射阈值。具体来说，达到30 dBZ（Mosier et al., 2011）或40 dBZ（Vincent and Carey, 2003; Wang et al., 2008; Wolf, 2006; Yang and King, 2010）的反射值在某些等温层（例如-10°C、-15°C或-20°C）被认定为风暴中即将发生闪电的可靠指标。其他雷达衍生参数，包括垂直积分冰含量（Mosier et al., 2011）和回波体积（Wang et al., 2008），也被证明是有价值的补充闪电预警指标。

观测表明，大多数闪电放电发生在反射值超过35 dBZ的区域，主要集中在3-6公里和7-10公里的两个高度范围内（Lund et al., 2009）。比较研究表明，超级单体风暴通常在更高的高度和更大的反射值下产生闪电，而多单体风暴和中尺度对流系统则不然（Mecikalski and Carey, 2018b）。虽然不同类型的风暴中云内闪电的起始高度变化较大，但云对地（CG）闪电的起始和传播高度相对一致。值得注意的是，CG闪电的起始和传播位置的反射值系统性地高于云内闪电（Mecikalski and Carey, 2018a）。

大峰值电流的CG（LCG）闪电通常由首次回击电流超过绝对阈值（最常见的是75 kA）定义（Lyons et al., 1998; Pinto Jr. et al., 2009; Wang et al., 2023; Zheng et al., 2016），代表了特别危险的闪电放电类型。尽管一些研究采用了50 kA（Zheng et al., 2016）和100 kA（Kochtubajda et al., 2008）作为替代阈值，但75 kA的标准仍被广泛采用。尽管LCG闪电的发生频率相对较低，但由于其强烈的破坏潜力（表现为强烈的冲击波、热效应和电磁脉冲），它们吸引了大量研究关注。然而，目前对这些事件的理解主要限于气候学特征（例如，Lyons et al., 1998; Kochtubajda et al., 2008; Pinto Jr. et al., 2009; Wang et al., 2023），关于它们在风暴尺度上的时间演变和母风暴的独特特征仍存在大量知识空白。

为了开始填补这些空白，本研究对产生LCG闪电的特定风暴集进行了详细的基于案例的雷达反射特性分析。通过系统地将这一组风暴与未产生此类闪电的风暴进行比较，我们旨在识别分析案例之间的动态和微观物理演变中的独特模式。这些发现为了解与该数据集中的LCG活动相关的雷暴环境提供了初步见解，并可能为未来关于产生LCG的风暴的动力学、微观物理和电离过程的研究提供信息。这些模式的普遍性需要通过更大、更多样化的风暴样本进行进一步研究。

数据和方法

CG闪电位置数据来自2005年建立的粤港澳大湾区闪电定位系统（GLLS），该系统由17个传感器站组成，配备了Vaisala公司制造的6个IMPACT和11个LS-700探测器（Chen et al., 2020; Zhang et al., 2016）。相邻传感器之间的距离从4公里到163公里不等，平均约为70公里。传感器的检测带宽为1 kHz–350 kHz。

结果

对53场风暴的雷达和CG闪电观测数据进行分析后发现，在LCG风暴中，最大Top40的最小值为7.5公里，而最大Area40_5的最小值为14.69平方公里，这两个参数的中位数分别为18.1公里和118.14平方公里。对于SCG风暴，最大Top40和Area40_5的值范围分别为8.0至12.9公里和15.91–94.50平方公里，中位数分别为8.6公里和36.80平方公里。在非CG风暴中，

讨论

本研究表明，强烈的上升气流与LCG闪电密切相关。上升气流的强度影响LCG闪电的频率，最终决定了它们在雷暴生命周期中的主导发生阶段及其总数。

理论分析表明，回击电流的峰值强度与周围电场强度之间存在正相关（Cooray and Rakov, 2012）。强电场的形成从根本上

总结

本研究分析了53场孤立风暴（34场产生LCG闪电，10场仅产生SCG闪电，9场不产生CG闪电）的雷达和闪电位置数据，揭示了产生LCG闪电的风暴与不产生LCG闪电的风暴之间在上升气流强度上的显著差异。40 dBZ回波顶部高度（Top40）和5公里高度处的40 dBZ回波面积（Area40_5）是表征与LCG活动相关的上升气流演变的有效参数。

我们的结果表明，超过某些

CRediT作者贡献声明

王飞：撰写——原始草稿，方法论，资金获取，正式分析，概念化。陈路文：验证，资源，数据管理。姚文：软件，调查。郑东：项目管理，资金获取。张戈：可视化，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢匿名审稿人的宝贵建议。本研究得到了国家自然科学基金（U2342215）、中国气象科学研究院强烈天气重点实验室开放项目（2024LASW-B10）和中国气象科学研究院科学技术发展基金项目（2022KJ016）的支持。