地閃特征在冰雹天氣識(shí)別中應(yīng)用分析

曾金全，朱 彪，王穎波，馮真禎，施宗強(qiáng)

(1. 福建省防雷中心 福州 350001；2. 海峽氣象科學(xué)研究所 福州 350001；3. 南靖縣氣象局 南靖 363600)

地閃特征在冰雹天氣識(shí)別中應(yīng)用分析

曾金全1,2，朱 彪1,2，王穎波1，馮真禎1，施宗強(qiáng)3

(1. 福建省防雷中心 福州 350001；2. 海峽氣象科學(xué)研究所 福州 350001；3. 南靖縣氣象局 南靖 363600)

利用福建省閃電定位和地面觀(guān)測(cè)資料，對(duì)福建2013—2015年14次冰雹過(guò)程的地閃活動(dòng)特征和變化機(jī)制進(jìn)行了研究．通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，冰雹天氣過(guò)程中正地閃占總地閃的比例平均為14.2%，遠(yuǎn)高于2004—2015年福建地區(qū)正地閃比例的氣候特征值3.4%.14次降雹過(guò)程中，地閃過(guò)程平均提前28.9min被觀(guān)測(cè)到，正閃提前18.2min被觀(guān)測(cè)到，正閃次數(shù)峰值一般出現(xiàn)在降雹之后．降雹之前，閃電的最大強(qiáng)度(陡度)絕對(duì)值呈變大趨勢(shì)，降雹過(guò)程中，閃電最大強(qiáng)度(陡度)絕對(duì)值呈無(wú)明顯規(guī)律變化，在降雹結(jié)束階段，閃電最大強(qiáng)度峰值的絕對(duì)值呈減小趨勢(shì)．以上這些特征揭示了冰雹天氣過(guò)程中的地閃演變規(guī)律，可以作為福建地區(qū)冰雹天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)和識(shí)別的參考指標(biāo)．

冰雹； 地閃特征； 識(shí)別； 參考指標(biāo)

由于冰雹天氣系統(tǒng)的局地性和突發(fā)性強(qiáng)，云體發(fā)展非常迅速、生命史較短、且上升氣流劇烈，云內(nèi)微物理結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)資料相對(duì)匱乏,相關(guān)學(xué)者[1- 6]對(duì)不同雹云過(guò)程以及雹云不同發(fā)展階段、部位冰雹譜具有不同的分布演變規(guī)律進(jìn)行了深入研究．冰雹天氣作為典型的強(qiáng)對(duì)流性天氣，發(fā)生發(fā)展與雷暴云聯(lián)系在一起，從雷暴云的出現(xiàn)到消失，具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性．隨著閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)，全國(guó)各地積累了大量的閃電監(jiān)測(cè)資料．但閃電資料在我國(guó)強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究較為欠缺，對(duì)于地閃定位資料的價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘．冰雹天氣過(guò)程中既存在強(qiáng)盛的上升氣流,又有冰相粒子參與的復(fù)雜微物理過(guò)程，因此起電過(guò)程非常劇烈,放電現(xiàn)象也非常活躍．近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外利用閃電定位資料對(duì)冰雹進(jìn)行了大量分析，發(fā)現(xiàn)雷電資料可以有效改進(jìn)冰雹診斷和預(yù)報(bào)，國(guó)內(nèi)外利用閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和雷達(dá)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中的閃電過(guò)程進(jìn)行了大量的綜合觀(guān)測(cè)研究和分析，并取得了很多有意義的結(jié)果．Reap和MacGorman[7- 9]發(fā)現(xiàn)，大冰雹出現(xiàn)的可能性隨著正地閃頻數(shù)的增加而增大，以正地閃為主的雷暴常常在正地閃發(fā)生階段產(chǎn)生大冰雹．Seity等[10]認(rèn)為正地閃的發(fā)生與冰雹的產(chǎn)生和降落密切相關(guān)，閃電均發(fā)生在含有冰相粒子的區(qū)域．姚雯等[11]利用ADTD和SAFIR兩種閃電資料對(duì)北京-天津-河北地區(qū)的冰雹個(gè)例分析得到，閃電活動(dòng)的躍增現(xiàn)象可以作為冰雹災(zāi)害發(fā)生的有效預(yù)警指標(biāo)，且正地閃比例較高時(shí)，冰雹直徑較大且過(guò)程持續(xù)較長(zhǎng)，反之，負(fù)地閃比例相對(duì)較高時(shí)，冰雹過(guò)程較弱．張義軍等[12]對(duì)甘肅平?jīng)龅貐^(qū)正地閃特性的如冰雹大風(fēng)過(guò)程的正地閃高于普通雷暴、冰雹發(fā)生前對(duì)應(yīng)著閃電頻數(shù)“躍增”現(xiàn)象、冰雹發(fā)生的可能性隨著正地閃密度的增大而快速增大等等．

也有分析表明，一些強(qiáng)對(duì)流的過(guò)程產(chǎn)生非常低的地閃頻數(shù)[13- 14]，而并非通常認(rèn)為的對(duì)流越強(qiáng)，雷暴云中的地閃活動(dòng)也越強(qiáng)，可見(jiàn)冰雹過(guò)程中的雷電活動(dòng)與動(dòng)力和云物理及降水等過(guò)程之間關(guān)系的復(fù)雜性．本文擬選取福建地區(qū)2013—2015年的強(qiáng)對(duì)流天氣中的冰雹過(guò)程，闡述冰雹天氣過(guò)程中的閃電分布與演變機(jī)理，為福建地區(qū)冰雹天氣過(guò)程的監(jiān)測(cè)和識(shí)別應(yīng)用提供參考指標(biāo)．

1 資料與方法

研究中收集整理冰雹天氣過(guò)程14次，其中2013年3次，2014年5次，2015年6次．福建地區(qū)67個(gè)地面觀(guān)測(cè)站數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，雷暴發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間．福建省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)(ADTD)： 能提供全省范圍的地閃定位資料，定位信息包括經(jīng)緯度、時(shí)間、強(qiáng)度與陡度．冰雹天氣過(guò)程屬于中小尺度，根據(jù)福建強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的特點(diǎn)，為了確保強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)與雷暴屬于同一系統(tǒng)，根據(jù)降雹時(shí)間，選取對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)觀(guān)測(cè)站30km以?xún)?nèi)的閃電數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象．

2 冰雹天氣中的閃電特征

2.1閃電特征

考慮到地閃、地面觀(guān)測(cè)等資料的完整性，對(duì)收集到的2013—2015年發(fā)生在福建的14次降雹實(shí)例的地閃特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表1．從表1中可以發(fā)現(xiàn)： 在14次降雹過(guò)程中，有12次伴隨著正地閃發(fā)生，有兩次降雹過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生正閃，說(shuō)明不是所有的冰雹中都有正閃發(fā)生．通過(guò)對(duì)14次降雹過(guò)程的地閃資料統(tǒng)計(jì)表明，冰雹中正地閃占總地閃的平均比例為14.2%，高于本地正地閃比例的氣候特征值(2004—2015年，3.4%)，冰雹過(guò)程中的正閃比為2004—2015年福建地區(qū)氣候特征值的4.2倍，說(shuō)明正閃在冰雹過(guò)程占有較高比例．不同冰雹過(guò)程正閃/總閃的比例會(huì)有較大差別，其中一些個(gè)例的正閃比達(dá)到77.8%，但一些伴有強(qiáng)降水的冰暴個(gè)例中的正閃比往往很低．平均正閃比(14.2%)低于陳哲彰[15]給出的京津冀地區(qū)冰雹過(guò)程中的正閃比值(65.8%)和馮桂力[16]給出山東地區(qū)的冰雹過(guò)程中的正閃比值(57.4%),這種差異可能由于緯度的變化引起，還需要作進(jìn)一步研究和探索．需要說(shuō)明的是，在馮桂力的研究中，山東地區(qū)正地閃比例的氣候特征值13.5%，冰雹過(guò)程中正閃比例是其4.3倍，山東地區(qū)冰雹過(guò)程的正地閃比例與當(dāng)?shù)貧夂蛱卣髦档谋戎蹬c本研究中的4.2倍比較接近.14次降雹過(guò)程中，雷暴過(guò)程平均提前28.9min被觀(guān)測(cè)到，正閃提前18.2min被觀(guān)測(cè)到，正閃發(fā)生的時(shí)間以及正閃比的變化可以作為冰雹預(yù)警識(shí)別的參考指標(biāo)．

表1 2013—2015年冰雹中的地閃特征統(tǒng)計(jì)表

2.2典型個(gè)例

為了更詳細(xì)地了解冰雹過(guò)程前后的閃電發(fā)生情況，我們將表1個(gè)例中地閃位置和降雹區(qū)域疊加在一起,探討冰雹落區(qū)和地閃的時(shí)空分布之間的關(guān)系,以期利用地閃的時(shí)空分布特性來(lái)預(yù)測(cè)降雹的發(fā)生區(qū)域．

(1) 2015年6月18日過(guò)程

受東北冷渦加強(qiáng)南壓、副高減弱東退和低層低渦切變南壓等影響，福州城區(qū)五四北地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣，這次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程在16:00～17:00出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象，而閃電則在15:54則被監(jiān)測(cè)到，閃電過(guò)程一直持續(xù)到18時(shí)以后．

圖1中hail的橫坐標(biāo)位置即為冰雹發(fā)生的時(shí)段．在冰雹發(fā)生前后，總體而言，閃電表現(xiàn)出了以下特征： 負(fù)地閃提前于冰雹過(guò)程發(fā)生，降雹過(guò)程中閃電頻數(shù)處于較高值，正地閃頻數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后降雹發(fā)生時(shí)間，本次過(guò)程正閃頻數(shù)在冰雹的后期階段開(kāi)始急劇上升，在17:30～17:36達(dá)到峰值；在雹云快速發(fā)展階段，地閃頻數(shù)存在明顯的躍增.16:18之前，地閃數(shù)量有明顯增加，出現(xiàn)個(gè)小峰值，隨后地閃總數(shù)逐漸減少，地閃數(shù)量在16： 36～16:42出現(xiàn)明顯的躍增；在降雹結(jié)束后，地閃發(fā)生數(shù)量繼續(xù)增多并在17:00～17:06之間達(dá)到峰值．冰雹發(fā)生初期階段，負(fù)地閃頻數(shù)快速增加，出現(xiàn)個(gè)小峰值；冰雹發(fā)展階段，負(fù)地閃頻數(shù)開(kāi)始減少，正地閃頻數(shù)有小幅上升；冰雹減弱消散階段；地閃頻數(shù)開(kāi)始減少，正地閃頻數(shù)快速增加，正地閃所占比例對(duì)應(yīng)增加．

圖1 2015年6月18日福州冰雹過(guò)程閃電特征Fig.1 The characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

閃電強(qiáng)度是閃電定位系統(tǒng)通過(guò)電磁信號(hào)反演求出，閃電強(qiáng)度絕對(duì)值越大，代表著雷暴云內(nèi)帶電粒子多、起電劇烈．從圖2可以看到，在冰雹開(kāi)始之前，負(fù)閃的最大強(qiáng)度不斷變大，達(dá)到了個(gè)小峰值，降雹開(kāi)始，負(fù)閃最大強(qiáng)度的絕對(duì)值開(kāi)始變小，隨后緩慢變大，在降雹的后期階段，其絕對(duì)值達(dá)到了48.8kA，在此之后降雹過(guò)程結(jié)束．正閃強(qiáng)度最大值在降雹過(guò)程中也在不斷增大，在16:54～17:00出現(xiàn)了個(gè)峰值．在降雹結(jié)束前，閃電正閃最大峰值和負(fù)閃最大峰值均出現(xiàn)了個(gè)峰值，閃電過(guò)程釋放了云內(nèi)的能量，與冰雹結(jié)束可能存在一定的關(guān)系．

圖2 2015年6月18日福州冰雹過(guò)程閃電強(qiáng)度特征Fig.2 The ntensity characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

閃電陡度表征了閃電強(qiáng)度在單位時(shí)間內(nèi)的變化程度，表征閃電的放電特征的變化．通過(guò)圖3(見(jiàn)第120頁(yè))可以看出在降雹開(kāi)始階段負(fù)閃最大陡度和正閃最大陡度沒(méi)有明顯變化特征，但是在降雹的結(jié)束階段負(fù)閃最大陡度和正閃最大陡度的絕對(duì)值均出現(xiàn)一個(gè)峰值，與圖2中的有一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系．

圖3 2015年6月18日福州冰雹過(guò)程閃電陡度特征Fig.3 The steepness characteristics of CG lightning in Fuzhou hail process at 2015- 06- 18

(2) 2014年3月29日過(guò)程

受強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程影響，2014年3月29日莆田地區(qū)16:20～16:30出現(xiàn)了冰雹過(guò)程，持續(xù)了約10min．

圖4中hail的橫坐標(biāo)位置即為冰雹發(fā)生的時(shí)段．整個(gè)降雹過(guò)程中正地閃占較高的比例，達(dá)到77.8%，在冰雹發(fā)生前，正地閃和負(fù)地閃均提前于冰雹過(guò)程發(fā)生，負(fù)地閃在降雹開(kāi)始時(shí)停止發(fā)生，正地閃數(shù)量急劇增加，在16:24～16:30達(dá)到峰值，正閃比急劇增加達(dá)到100%；在冰雹快速發(fā)展階段，正地閃頻數(shù)不斷增多．在降雹過(guò)程后，正地閃數(shù)量在16:24～16:30達(dá)到峰值，正地閃峰值出現(xiàn)在降雹之后．

圖4 2014年3月29日莆田冰雹過(guò)程閃電特征Fig.4 The characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

從圖5可以看到，在冰雹過(guò)程之前，負(fù)閃的最大強(qiáng)度絕對(duì)值不斷變大，達(dá)到了1個(gè)峰值，隨后變小，降雹開(kāi)始，由于負(fù)閃發(fā)生，其最大強(qiáng)度的絕對(duì)值沒(méi)有變化特征．正閃強(qiáng)度最大值和正閃平均強(qiáng)度絕對(duì)值在降雹過(guò)程中也在不斷增大，這兩個(gè)變化值的意義對(duì)于冰雹的預(yù)測(cè)和指示具有重要意義，在16:24～16:30出現(xiàn)了個(gè)峰值．在降雹結(jié)束后，正閃最大峰值的絕對(duì)值急劇減小，降雹導(dǎo)致云內(nèi)能量減少，導(dǎo)致閃電強(qiáng)度絕對(duì)值變小，兩者之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系．

圖5 2014年3月29日莆田冰雹過(guò)程閃電強(qiáng)度特征Fig.5 The ntensity characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

圖6可以看出在降雹開(kāi)始階段正閃最大陡度和正閃平均陡度絕對(duì)值在變大，正閃最大陡度和正閃平均陡度表現(xiàn)出來(lái)的特征對(duì)冰雹過(guò)程的發(fā)展是有一定指示作用的．

圖6 2014年3月29日莆田冰雹過(guò)程閃電陡度特征Fig.6 The steepness characteristics of CG lightning in Putian hail process at 2014- 03- 29

3 小結(jié)與討論

通過(guò)對(duì)福建地區(qū)2013—2015年14次冰雹過(guò)程的閃電統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行研究，分析了冰雹天氣過(guò)程中的閃電發(fā)生時(shí)間、閃電數(shù)量、閃電極性變化、閃電強(qiáng)度和陡度等特征，這些特征揭示了冰雹天氣過(guò)程中的地閃演變規(guī)律，可以作為福建地區(qū)冰雹天氣過(guò)程監(jiān)測(cè)和識(shí)別的參考指標(biāo)，冰雹天氣過(guò)程與地閃變化特征存在如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

(1) 在14次降雹過(guò)程中，有12次伴隨著正地閃發(fā)生，有兩次降雹過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生正閃，說(shuō)明不是所有的冰雹中都有正閃發(fā)生．通過(guò)對(duì)14次降雹過(guò)程的地閃資料統(tǒng)計(jì)表明，冰雹中正地閃占總地閃的平均比例為14.2%，高于本地正地閃比例的氣候特征值(2004—2015年，3.4%)，說(shuō)明正閃在冰雹過(guò)程占有較高比例．不同冰雹過(guò)程正閃/總閃的比例會(huì)有較大差別，其中一些個(gè)例的正閃比達(dá)到77.8%，但一些伴有強(qiáng)降水的冰雹個(gè)例中的正閃比往往很低．本研究統(tǒng)計(jì)到的平均正閃比(14.2%)低于陳哲彰[15]給出的京津冀地區(qū)冰雹過(guò)程中的正閃比值(65.8%)和馮桂力[16]給出山東地區(qū)的正閃比值(57.4%)，這種差異可能由于緯度的變化引起，還需要作進(jìn)一步研究和探索．

(2) 在冰雹發(fā)展階段，地閃次數(shù)增加明顯；降雹發(fā)生時(shí)段，負(fù)地閃次數(shù)快速下降，而正地閃次數(shù)開(kāi)始增加；在冰雹結(jié)束階段，地閃次數(shù)減少，對(duì)應(yīng)的正閃比有所增加，正地閃次數(shù)一般出現(xiàn)在降雹發(fā)生后．

(3) 14次降雹過(guò)程中，雷暴過(guò)程平均提前28.9min被觀(guān)測(cè)到，正閃提前18.2min被觀(guān)測(cè)到，正閃峰值一般出現(xiàn)在降雹之后．

(4) 在冰雹開(kāi)始之前，閃電的最大強(qiáng)度(陡度)絕對(duì)值呈變大趨勢(shì)，降雹過(guò)程中，閃電強(qiáng)度(陡度)最大絕對(duì)值無(wú)明顯規(guī)律變化．在降雹結(jié)束前，閃電強(qiáng)度最大峰值的絕對(duì)值一般減小，降雹導(dǎo)致云內(nèi)粒子數(shù)量減少，進(jìn)而導(dǎo)致閃電強(qiáng)度變小，兩者之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系．

本文針對(duì)福建地區(qū)14次冰雹天氣過(guò)程中的閃電特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了冰雹天氣過(guò)程中的一些閃電活動(dòng)特征，這些特征揭示了福建地區(qū)冰雹天氣和閃電活動(dòng)特征的相互關(guān)系，可以作為冰雹天氣監(jiān)測(cè)和識(shí)別的參考指標(biāo)．但是在冰雹個(gè)例分析工作中對(duì)綜合監(jiān)測(cè)資料挖掘還不夠深入，未來(lái)工作中將分析和統(tǒng)計(jì)更多個(gè)例，進(jìn)一步驗(yàn)證冰雹天氣過(guò)程中的正地閃比例差異是否由于緯度的差異性引起，繼續(xù)加深對(duì)冰雹天氣過(guò)程中的云閃電活動(dòng)(云閃和地閃)的監(jiān)測(cè)和分析，提取更多的特征參數(shù)．綜合其他的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，如大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)等，分析冰雹云中的粒子變化特征和地面放電特征，加深對(duì)冰雹天氣的閃電活動(dòng)與云物理過(guò)程關(guān)系的研究，為冰雹天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警及識(shí)別應(yīng)用提供更有意義的參考指標(biāo)．

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Abstract： Using the data of lightning locating system and field observation in Fujian province, the characteristics and variation mechanisms of cloud- to- ground(CG) lightning be studied in Fujian province of 14 hail weather from 2013—2015. Although a lot of researchers have analyzed, and the results show that the mean proportion of positive CG lightning accounting for total CG lightning is 14.2%, which is much higher than the Fujian province climatic normal rate by 3.4% from 2004—2015. In the 14 hail- failing, the CG lightning is monitored 28.9 min earlier the hail- failing, the positive CG lightning is monitored 18.2 min earlier the hail- failing, and the peak positive CG lightning is occurred after the occurrence of hailstones usually. The absolute value of intensity and steepness of CG lightning are lager before the hail- failing, The absolute value of intensity and steepness of CG lightning do not significantly laws in the hail- failing process, the absolute value of intensity a of CG lightning is smaller before the hail- failing. These features have revealed some evolvement rule of CG lightning in the hail weather, these features can be the indicator of hailstorms forecasting and identification in Fujian province.

Keywords： hailstorm; the characteristics of CG; identification; indicator

TheAppliedAnalysisofCloud-to-GroundLightningCharacteristicsintheHailWeatherIdentification

ZENG Jinquan1,2, ZHU Biao1,2, WANG Yingbo1, FENG Zhenzhen1, SHI Zongqiang3

(1.LightningProtectionCentreofFujianProvince,Fuzhou350001,China; 2.SoundInstituteofMeteorologicalSciences,Fuzhou350001,China; 3.MeteorologicalAdministrationofNanjingCounty,Nanjing363600,China)

TU4

A

0427- 7104(2017)01- 0117- 07

2016- 05- 19

海峽氣象協(xié)同科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2015hxqx003)；福建省氣象局青年科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2015q08)；災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(2013LASW- B01)

曾金全(1964—)，男，高級(jí)工程師，E- mail: 58803572@qq.com．