貴州中部一次強(qiáng)對(duì)流冰雹云閃電特征分析＊

曾勇許弋楊哲周麗娜文繼芬

貴州中部一次強(qiáng)對(duì)流冰雹云閃電特征分析＊

曾勇1，2，許弋1，楊哲1，周麗娜1，文繼芬1

（1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550081）

利用VLF/LF三維閃電探測(cè)資料、新一代天氣雷達(dá)資料和地面降雹觀測(cè)資料，對(duì)發(fā)生在貴州中部一次冰雹過(guò)程閃電特征進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，此次強(qiáng)對(duì)流冰雹過(guò)程是由高空槽和低層切變影響而觸發(fā)，降雹前最大回波強(qiáng)度達(dá)65 dBz，45 dBz強(qiáng)回波頂高超過(guò)8 km。冰雹過(guò)程以地閃發(fā)生為主，三個(gè)降雹區(qū)域地閃平均值為92%，而正地閃和云閃比例較低，平均值分別為5%和8%。總閃在三個(gè)降雹區(qū)域均出現(xiàn)“躍增”現(xiàn)象，兩個(gè)降雹區(qū)域總閃峰值頻次時(shí)間超前于降雹，而三個(gè)降雹區(qū)域LFCR閃電跳躍信號(hào)時(shí)間均超前與降雹，對(duì)降雹具有較好的檢測(cè)作用。以上特征可以為利用VLF/LF閃電監(jiān)測(cè)資料開(kāi)展貴州冰雹監(jiān)測(cè)預(yù)警、降雹識(shí)別和人工消雹提供參考。

強(qiáng)對(duì)流；冰雹云；地閃；閃電頻次

閃電是強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)展到一定程度的產(chǎn)物，在冰雹云發(fā)展演變過(guò)程中尤為突出。因此，可以通過(guò)對(duì)冰雹過(guò)程閃電進(jìn)行監(jiān)測(cè)并開(kāi)展相關(guān)分析，挖掘?qū)Ρ⒃谱R(shí)別和對(duì)降雹具有指示作用的閃電特征參量具有重要意義。早期關(guān)于閃電與降水的研究是分開(kāi)的，閃電研究工作者主要關(guān)注閃電的聲、光和電學(xué)特征以及產(chǎn)生閃電的雷暴電結(jié)構(gòu)特征及物理機(jī)制。而降水研究人員主要關(guān)注云霧降水過(guò)程的宏微觀物理過(guò)程，沒(méi)有將閃電發(fā)生與降水過(guò)程結(jié)合起來(lái)研究。隨著雷暴云非感應(yīng)起電機(jī)制的建立[1]，認(rèn)為云體內(nèi)雹粒子、霰粒子和冰晶粒子對(duì)雷暴云起電和放電有著一定聯(lián)系，進(jìn)而關(guān)于冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣閃電活動(dòng)特征得到了廣泛的研究。

MACGORMAN等人[2]對(duì)15次雷暴過(guò)程閃電特征觀測(cè)分析，結(jié)果表明產(chǎn)生較大冰雹的雷暴產(chǎn)生較高的正地閃，即強(qiáng)冰雹天氣過(guò)程正極性地閃占據(jù)主要地位。REAP等人[3]、BRANICK等人[4]對(duì)冰雹、暴雨和龍卷天氣過(guò)程閃電特征進(jìn)行觀測(cè)研究，結(jié)果表明閃電發(fā)生對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣具有一定指示作用，可以將閃電變化特征作為強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的指示因子。在國(guó)內(nèi)，馮桂力等人[5]、陳哲彰[6]對(duì)不同地區(qū)冰雹過(guò)程閃電特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)雹暴發(fā)展演變過(guò)程中具有較高的正地閃比例，與國(guó)外相關(guān)研究具有一致性結(jié)果。周筠君等 人[7]、李國(guó)昌等人[8]對(duì)不同地區(qū)冰雹云發(fā)展演變過(guò)程中閃電特征開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)在降雹前每5 min閃電頻次出現(xiàn)“躍增”現(xiàn)象并伴隨一定的閃電頻次峰值出現(xiàn)，可以作為識(shí)別降雹的參考指標(biāo)。

中國(guó)幅員遼闊，不同地理位置氣候特征差異大。貴州處于云貴高原東側(cè)，地形西高東低，由云貴高原臺(tái)地向中部斜坡過(guò)渡帶延伸，特殊的地形地貌使得氣象災(zāi)害多發(fā)，冰雹災(zāi)害也是主要的氣象災(zāi)害，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大威脅。基于最新研發(fā)使用的VLF/LF三維閃電監(jiān)測(cè)資料，對(duì)貴州中部一次強(qiáng)對(duì)流冰雹云發(fā)展過(guò)程閃電特征進(jìn)行分析，挖掘此次冰雹過(guò)程對(duì)降雹具有指示意義的閃電信息，為冰雹監(jiān)測(cè)識(shí)別和人工消雹作業(yè)提供科學(xué)參考。

1 資料來(lái)源與分析方法

1.1 資料來(lái)源

閃電數(shù)據(jù)采用貴州省VLF/LF三維閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)到2019-04-21發(fā)生在貴州安順市冰雹過(guò)程閃電資料。降雹信息來(lái)自地面天氣報(bào)文和人工防雹作業(yè)點(diǎn)觀測(cè)記錄。研究中根據(jù)閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，保證分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量與可靠性。首先對(duì)冰雹過(guò)程閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩選原則為：基于降雹信息、冰雹云雷達(dá)回波信息與閃電發(fā)生位置信息對(duì)閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除不屬于冰雹云團(tuán)的閃電數(shù)據(jù)。在篩選出閃電數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，消除個(gè)別噪點(diǎn)數(shù)據(jù)的干擾。

1.2 分析方法

主要采用統(tǒng)計(jì)分析、2σ閃電躍增法兩種分析方法。利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)冰雹云系發(fā)展演變過(guò)程總閃、地閃和云閃比例進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)每5 min總閃頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。利用2σ閃電躍增法對(duì)閃電跳躍信號(hào)進(jìn)行提取分析。

2σ閃電躍增法計(jì)算如下：

對(duì)相鄰觀測(cè)時(shí)次內(nèi)總閃（云閃和地閃）數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理，可得：

式（1）中：avg（Lightning Frequency）為閃電頻次滑動(dòng)平均值，單位為次/分鐘；t1和t2分別為1和2時(shí)次內(nèi)對(duì)應(yīng)的閃電總頻次。

對(duì)avg進(jìn)行微分處理，求解獲得各時(shí)次的閃電頻次變化率（Lightning Frequency Change Rate），單位為 次·分鐘－2。

將計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行方差求解，獲得σLFCR，再利用各個(gè)時(shí)次與2σLFCR進(jìn)行依次檢測(cè)分析，最終提取出信號(hào)。

2 降雹實(shí)況與雷達(dá)回波演變

2.1 降雹實(shí)況

2019-04-21T20：00—22：00（北京時(shí)），受高空槽、低層切變影響，貴州省安順市北部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹大風(fēng)天氣，根據(jù)地面觀測(cè)資料，安順市觀測(cè)到降雹的地點(diǎn)有：西秀區(qū)（蔡官、轎子山、七眼橋、大西橋、茶場(chǎng)、劉官）；普定（雞場(chǎng)坡、定南辦沙灣和梭篩、貓洞鄉(xiāng)）；平壩區(qū)（白云鎮(zhèn)、天龍鎮(zhèn)）。其中西秀區(qū)在21：30—21：57降雹，最大冰雹直徑20 mm，受災(zāi)嚴(yán)重；平壩區(qū)白云鎮(zhèn)21：55降雹，直徑6 mm，天龍鎮(zhèn)21：50降雹，冰雹直徑8～10 mm，并造成一定程度的災(zāi)害；普定定南辦沙灣和梭篩在20：31—20：39出現(xiàn)直徑約12 mm的冰雹，普定貓洞鄉(xiāng)21：05—21：20分出現(xiàn)直徑約8 mm的冰雹。平壩區(qū)白云鎮(zhèn)和西秀區(qū)蔡官鎮(zhèn)伴有9級(jí)大風(fēng)。

2.2 雷達(dá)回波演變

2019-04-21貴陽(yáng)雷達(dá)探測(cè)到主要時(shí)次組合反射率演變?nèi)鐖D1所示。

對(duì)流云團(tuán)初始回波生成于六枝西北部，初始回波30 dBz，隨后回波強(qiáng)度和高度迅速發(fā)展，在20:07最大回波強(qiáng)度達(dá)45 dBz，強(qiáng)回波頂高（45 dBz高度，下同）伸展到6 km高度，冰雹云進(jìn)入快速發(fā)展階段。

在20：07—20：34，冰雹云自西向東向安順北部移動(dòng)，回波強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，最大回波強(qiáng)度達(dá)55 dBz，強(qiáng)回波頂高伸展到7 km左右，此后雹云開(kāi)始在普定產(chǎn)生降雹，降雹后回波沒(méi)有減弱并繼續(xù)向東移動(dòng)，降雹前最大回波強(qiáng)度達(dá)65 dBz，強(qiáng)回波頂高達(dá)8 km，并在西秀區(qū)和平壩產(chǎn)生降雹，最大冰雹直徑達(dá)20 mm。

3 冰雹過(guò)程閃電特征分析

3.1 閃電統(tǒng)計(jì)特征

此次冰雹天氣過(guò)程三個(gè)降雹區(qū)域閃電統(tǒng)計(jì)特征如圖2所示。

從圖2可看出，冰雹過(guò)程以地閃為主，三個(gè)降雹區(qū)域地閃占總閃比例分別為98%、81%和86%，地閃中負(fù)地閃發(fā)生占優(yōu)。冰雹過(guò)程正地閃和云閃比例較低，三個(gè)降雹區(qū)域正地閃和云閃的平均值分別為5%和8%，這與國(guó)內(nèi)相關(guān)研究給出的較高正地閃比例存在較大差異[9]，如此小的正地閃和云閃比例可能與不同地區(qū)雷暴放電特征存在差異相關(guān)，后續(xù)將開(kāi)展更多研究。

圖1 2019-04-21貴陽(yáng)雷達(dá)主要時(shí)次組合反射率（單位：dBz）演變

圖2 三個(gè)降雹區(qū)域不同類(lèi)型閃電比例

3.2 閃電頻次變化特征

采用統(tǒng)計(jì)分析和2閃電躍增法對(duì)三個(gè)降雹區(qū)域閃電時(shí)序變化特征和閃電跳躍信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，得到如圖3所示結(jié)果，圖3中豎線箭頭指示降雹，橫向箭頭指示閃電跳躍信號(hào)。

從圖3可以看出，三個(gè)降雹區(qū)域冰雹過(guò)程閃電頻次均經(jīng)歷了間斷發(fā)生、躍增和減少三個(gè)階段，這與冰雹云發(fā)展、躍增和減弱三個(gè)階段是基本一致的，間接表明閃電對(duì)冰相粒子的依賴(lài)性。再?gòu)拈W電跳躍信號(hào)變化可以看出，跳躍信號(hào)均出現(xiàn)在降雹之前，對(duì)降雹具有一定的檢測(cè)能力，三個(gè)降雹區(qū)域提前量分別為15 min、2 min以及 12 min。

然而從閃電峰值時(shí)間看，西秀區(qū)和普定縣峰值時(shí)間超前與降雹，分別提前了7 min和5 min，平壩降雹區(qū)域閃電峰值頻次滯后于降雹，說(shuō)明閃電峰值時(shí)間對(duì)降雹有一定指示作用，但是其指示作用不及閃電跳躍信號(hào)。

4 結(jié)論

本文利用VLF/LF三維閃電探測(cè)全閃數(shù)據(jù)，對(duì)貴州中部一次強(qiáng)對(duì)流冰雹過(guò)程閃電特征進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：冰雹過(guò)程主要以地閃發(fā)生為主，三個(gè)降雹區(qū)域地閃占總閃比例分別為98%、81%和86%，平均為92%，而正地閃和云閃發(fā)生較少。總閃頻次在降雹之前均出現(xiàn)“躍增”現(xiàn)象，躍增后伴隨閃電頻次的峰值，在降雹后減少，對(duì)冰雹監(jiān)測(cè)預(yù)警起到一定指示作用。閃電跳躍信號(hào)對(duì)降雹具有較好的檢測(cè)能力，三個(gè)降雹區(qū)域提前量分別為15 min、2 min和12 min。有兩個(gè)降雹區(qū)域總閃峰值頻次時(shí)間超前與降雹時(shí)間，一個(gè)降雹區(qū)域總閃峰值頻次滯后與降雹時(shí)間，對(duì)降雹仍然具有一定指示作用。

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P427.32

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.012

2095－6835（2020）01－0042－03

中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（編號(hào)：2018Z01602）；貴州省氣象局科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目（編號(hào)：黔氣科登[2019] 09-09）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目（編號(hào)：黔科合[2010]2060號(hào)）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目（編號(hào)：黔科合[2001]3042號(hào)）

曾勇（1986—），男，碩士，工程師，主要從事云霧物理與大氣電學(xué)研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕