黔中地區(qū)一次雹暴過程閃電特征分析

曾勇 文繼芬 張淑霞 李迪 李麗麗

摘? 要：利用VLF/LF三維閃電探測資料和地面降雹觀測資料，對黔中地區(qū)一次雹暴過程閃電特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：雹暴過程以地閃發(fā)生為主，地閃和云閃主要在降雹階段發(fā)生，正地閃比例高于貴州省正地閃氣候特征值?？傞W頻次與地閃頻次在降雹之前均出現(xiàn)“躍增”現(xiàn)象，在降雹后一段時間內(nèi)減少。第一階段降雹總閃頻次峰值時間提前量為10min，第二降雹階段總閃頻次峰值時間提前量為15mim。以上特征可以為利用VLF/LF閃電監(jiān)測資料開展貴州冰雹監(jiān)測預(yù)警和降雹識別提供參考。

關(guān)鍵詞：雹暴;地閃;云閃;閃電頻次

中圖分類號：P427.32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2945（2019）36-0060-03

Abstract： Using VLF/LF three-dimensional lightning detection data and ground hail observation data， the lightning characteristics of a hailstorm process in central Guizhou were analyzed. The results show that the main occurrence of hailstorm was ground lightning， while ground lightning and cloud lightning mainly occured in hailfall stage， and the proportion of positive lightning was higher than that of positive lightning in Guizhou Province. The total lightning frequency and ground lightning frequency "increased" before hailfall， and decreased in a period of time after hail. In the first stage， the advance of the total lightning peak time was 10 minutes， and in the second stage， the advance of the total lightning peak time was 15 minutes. The above characteristics can provide reference for hail monitoring and early warning and hail identification in Guizhou by using VLF/LF lightning monitoring data.

Keywords： hail storm; ground lightning; cloud lightning; lightning frequency

引言

閃電是強對流天氣過程中產(chǎn)生的強烈的放電現(xiàn)象，伴隨著強對流天氣過程的發(fā)生、發(fā)展和消亡。閃電的形成是云內(nèi)不同電荷區(qū)之間放電或云內(nèi)不同電荷區(qū)與下墊面之間的放電，而不同電荷區(qū)的形成是云內(nèi)不同極性粒子在動力作用下產(chǎn)生電荷分離形成。冰雹云是發(fā)展更為劇烈的雷雨云，冰雹云內(nèi)動力與微物理過程較雷雨云更加復(fù)雜，因此，冰雹云與雷雨云的閃電活動特征存在差異。鑒于冰雹云與雷雨云閃電活動特征的差異，國內(nèi)外專家學(xué)者圍繞冰雹云與雷雨云閃電活動特征、起電機制及雷暴電荷結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究。

MacGorman等[1]對15次雷暴過程閃電特征觀測分析，結(jié)果表明產(chǎn)生較大冰雹的雷暴產(chǎn)生較高的正地閃，即強冰雹天氣過程正極性地閃占據(jù)主要地位。Reap等[2]、Branick等[3]通過對冰雹、暴雨和龍卷天氣過程閃電特征進(jìn)行觀測研究，結(jié)果表明閃電發(fā)生對強對流天氣具有一定指示作用，可以將閃電變化特征作為強對流天氣發(fā)生的指示因子。Seity等[4]利用雷達(dá)觀測資料觀測降水過程，分析發(fā)現(xiàn)閃電發(fā)生頻數(shù)、上升氣流和雹?；蝣绷；夭w積之間存在較好的相關(guān)性，尤其云閃頻數(shù)對霰粒子在垂直方向上的發(fā)展具有較好指示作用。在國內(nèi)，馮桂力等[5]對山東地區(qū)10次冰雹過程中閃電特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)果表明雹暴中正地閃占總地閃的比例平均值為57.39%，遠(yuǎn)高于山東地區(qū)正地閃比例的氣候特征值，地閃頻次在冰雹云快速發(fā)展階段出現(xiàn)“躍增”現(xiàn)象。李國昌、郭鴻鳴等[6-7]對不同地區(qū)冰雹云發(fā)展演變過程中閃電特征進(jìn)行研究，得到不同地區(qū)冰雹云閃電特征與雷暴電活動對降雹的指示作用。

貴州地處云貴高原東側(cè)，地形西高東低，云貴高原斜坡過渡帶特殊地形使得區(qū)域內(nèi)強對流天氣頻發(fā)，冰雹災(zāi)害尤為嚴(yán)重，在貴州高原山區(qū)未開展雹暴過程閃電活動特征與雹暴電荷結(jié)構(gòu)研究。本文利用VIF/LF三維閃電監(jiān)測全閃資料，對2017年4月5日發(fā)生在貴州中部一次典型雹暴過程閃電活動特征進(jìn)行分析，對雹暴發(fā)展過程中電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，以促進(jìn)VIF/LF三維閃電監(jiān)測資料在雹暴天氣中的分析與應(yīng)用，為強對流天氣監(jiān)測預(yù)警預(yù)報提供支撐。

1 資料與方法

閃電數(shù)據(jù)采用貴州省VLF/LF三維閃電監(jiān)測系統(tǒng)觀測到2017年4月5日雹暴過程閃電資料。降雹信息及降雨量來自天氣報文、防雹作業(yè)點及地面雨量站點數(shù)據(jù)。首先對雹暴發(fā)展演變過程閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩選原則為：根據(jù)雹暴雷達(dá)回波參量宏觀演變特征，結(jié)合降雹地點信息，確定研究個例區(qū)域范圍，剔除個例發(fā)展區(qū)域外的閃電數(shù)據(jù)，避免閃電數(shù)據(jù)受其它附近雷雨云的干擾。閃電頻次的統(tǒng)計以5min為時間間隔，對雹暴發(fā)生時段內(nèi)總閃（Total lighting）、地閃（CG）、云閃（IG）進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 天氣實況

圖1給出了2017年4月5日17：00-22：00（北京時，下同）強對流實況分布。2017年4月5日17：00-22：00貴陽市清鎮(zhèn)出現(xiàn)了冰雹、大風(fēng)等強對流天氣過程。清鎮(zhèn)新店鎮(zhèn)、王莊鄉(xiāng)、衛(wèi)城鎮(zhèn)、站街、暗流鄉(xiāng)、流長鄉(xiāng)、犁倭及城區(qū)在雷雨中夾降冰雹，最大冰雹直徑15mm，并在20：37出現(xiàn)27m·s-1的瞬時大風(fēng)（圖1中橢圓區(qū)域）。根據(jù)地面降雹觀測記錄，降雹時間分為兩個階段，第一階段降雹時段為19：15-19：20，在新店鎮(zhèn)、暗流鎮(zhèn)、衛(wèi)城鎮(zhèn)和王莊鄉(xiāng)降下10mm冰雹，第二降雹階段為19：55-20：10，在站街、流長鄉(xiāng)、犁倭及清鎮(zhèn)城區(qū)降雹，最大冰雹直徑15mm。從圖1（a）可見，研究區(qū)域內(nèi)降雹呈現(xiàn)兩條線狀分布，與圖1（b）閃電發(fā)生對照，閃電的發(fā)生也呈現(xiàn)與降雹分布相對應(yīng)的線狀分布，冰雹與閃電的發(fā)生在空間上具有共性特征。

3 雹暴過程閃電特征分析

3.1 閃電統(tǒng)計特征

圖2給出了雹暴過程閃電統(tǒng)計特征。從圖2統(tǒng)計結(jié)果表明：雹暴過程以地閃為主，地閃占總閃69%，云閃占31%，地閃中負(fù)地閃發(fā)生占優(yōu)，占總閃58%。雹暴過程正地閃占11%，正地閃比例遠(yuǎn)高于貴州省正地閃比例的氣候特征值（2006-2015年，4.02%），說明冰雹天氣過程較其它天氣過程具有較高正閃比例。陳哲彰[8]、馮桂力等[9]研究冰雹天氣過程具有較高的正地閃比例，本次雹暴個例正地閃比例總體偏低，還需要統(tǒng)計更多冰雹個例得到正地閃特征值。從云閃發(fā)生比例看，雹暴過程云閃比例不是很高，Soula等[10]研究給出產(chǎn)生冰雹的雷暴表現(xiàn)較低的地閃頻次和較高的云閃頻次，貴州地區(qū)冰雹過程通常伴隨較強液態(tài)降水，有別于只產(chǎn)生固態(tài)降水的冰雹過程。

3.2 閃電頻次變化特征

圖3給出了雹暴過程總閃頻次與地閃頻次隨時間演變，黑色豎線箭頭表示降雹起始時刻。根據(jù)雷達(dá)觀測，此次雹暴單體屬于移動單體，雹云單體移入降雹區(qū)域范圍內(nèi)閃電開始階段（17：15-18：50）閃電活動不活躍，總閃和地閃頻次低且發(fā)生不連續(xù)。閃電的發(fā)生需要電荷的累積，當(dāng)不同極性的電荷區(qū)電荷累積達(dá)到空氣擊穿電場時才會發(fā)生放電。在降雹之前一段時間內(nèi)，云體內(nèi)動力條件還不如冰雹云成熟階段，所以云體內(nèi)水成物粒子的累積需要一定時間，同時粒子之間的碰撞不如成熟階段，電荷累積到足以空氣擊穿空氣放電的條件尚未達(dá)到，因而出現(xiàn)閃電的間歇式發(fā)生，出現(xiàn)閃電發(fā)生不連續(xù)現(xiàn)象。在經(jīng)歷17：15-18：50閃電間歇發(fā)生之后，總閃和地閃發(fā)生躍增，總閃頻次從18：50分1次（統(tǒng)計時段為18：45-18：50，下同）躍增為19：05的9次，之后回落并在19：15降雹，說明在降雹前一段時間內(nèi)閃電活動有所減弱。首次降雹總閃峰值時間提前量為10min。

在經(jīng)歷一次降雹后一段時間（19：20-19：45）內(nèi)，總閃頻次維持在3～7次之間，云閃頻次有所增加，在19：55總閃頻次突然躍增為27次，并產(chǎn)生第二次降雹。二次降雹開始后一段時間總閃頻次與地閃頻次繼續(xù)增加，到20：10總閃和地閃頻次達(dá)到峰值分別為27次和32次，之后總閃和地閃發(fā)生頻次開始減小。經(jīng)歷兩次降雹后，總閃和地閃變化整體呈現(xiàn)波動變化趨勢，在21：35分總閃和地閃頻次達(dá)到一個峰值分別為16次和12次，但未產(chǎn)生降雹，在00：00后探測到無閃電發(fā)生。在第二降雹階段總閃頻次首次峰值時間超前與地閃峰值時間15min，剛好指示二次降雹開始時間。

以上分析表明，在雹暴發(fā)展演變過程中閃電的發(fā)生呈規(guī)律變化，在降雹之前對應(yīng)總閃和地閃的躍增，在降雹結(jié)束后閃電發(fā)生減少，閃電的“躍增”特性可以作為判別降雹的指標(biāo)，但需要通過大量個例進(jìn)行統(tǒng)計分析，提取總閃與地閃峰值信號對降雹的指示作用。同時，總閃和地閃在降雹前后所表現(xiàn)出來的“躍增”和“陡降”現(xiàn)象也間接表明冰雹云起電主要以非感應(yīng)起電機制為主，對冰相粒子具有一定依賴性。

4 結(jié)束語

本文利用VLF/LF三維閃電探測全閃數(shù)據(jù)，對貴州地區(qū)一次典型雹暴過程閃電特征進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（1）雹暴過程正地閃主要集中發(fā)生在降雹階段，整個過程正閃比例高于貴州地區(qū)10年正地閃氣候特征值。在降雹階段，地閃和云閃發(fā)生較為活躍，尤其是云閃和正地閃更為突出。

（2）總閃和地閃頻次在降雹之前均出現(xiàn)“躍增”現(xiàn)象，降雹后減少，對冰雹監(jiān)測預(yù)警起到一定指示作用。

（3）兩個降雹階段總閃頻次峰值均提前于降雹時間，第一階段降雹總閃頻次峰值時間提前量為10min，第二降雹階段總閃頻次峰值時間提前量為15mim。

參考文獻(xiàn)：

[1]MacGorman D R， Burgess D W. Positive cloud-to-ground lighting in tormadic storms and hailstorms [J]. Monthly Weather Review，1994，122：1671-1697.

[2]Reap R M，MacGorman D M. Cloud-to-ground lighting： Climatological characteristics and relationships to model fieds，dadar? observations and severe local storms[J]. Monhthly Weather Review，1989，117：518-535.

[3]Branick M L，Doswell III C A. An observation of the relationship between supercell structure and lighting ground strkike polarity[J]. Weather Forecasting，1992，7：143-149.

[4]Seity Y， Soula S， Tabary P，et al. The convective storm systemduring IOP 2a of? MAP： Cloud-to-ground lighting flash production in relation to dynamics and microphysics.Q J R Meteorol Soc[J]，2003，129：523-542.

[5]馮桂力，邊道相，劉洪鵬，等.冰雹云形成發(fā)展與閃電演變特征分析[J].氣象，2001（03）：33-37.

[6]李國昌，李照榮，李寶梓.冰雹過程中閃電演變和雷達(dá)回波特征的綜合分析[J].干旱氣象，2005（03）：26-33.

[7]郭鴻鳴，李江波，李飏等.一次多單體風(fēng)暴的傳播特征及其預(yù)警研究[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2017，33（04）：1-10.

[8]陳哲彰.冰雹與雷暴大風(fēng)的云對地閃電特征[J].氣象學(xué)報，1995（03）：367-374.

[9]馮桂力，郄秀書，吳書君.山東地區(qū)冰雹云的閃電活動特征[J].大氣科學(xué)，2008（02）：289-299.

[10]Soula S，Seity Y， Feral L，et al.Cloud-to-ground lighting activity in hail-bearing storms[J]. Journal of Geophysical Research： Atmospheres，2004，109（D2），DOI：10.1029/2003jd003669.