基于閃電監(jiān)測的冰雹預警指標

陳秋萍 阮悅 黃鈴光

摘要 利用VLF/LF三維閃電監(jiān)測定位資料，結合雷達、地面觀測等資料，采用統(tǒng)計分析、對比分析法對福建2017—2020年33個冰雹云的閃電特征進行分析。結果表明：降雹前閃電頻數(shù)峰值約有66.67%在50次/6 min以上，且降雹前總閃電頻數(shù)出現(xiàn)躍增;70%雹暴單體平均遞增率達4次/ min以上，閃電快速躍增提前于降雹時間大多在10 min以上;成熟階段云閃/總閃比值是3個階段中最大，成熟階段云閃是3階段中最多的，初生發(fā)展階段最小;80%冰雹云地面降雹落后于閃電峰值出現(xiàn)后的3～25 min，滯后于峰值時間最長超過30 min。這些結果可以為冰雹云的識別預警及人工防雹作業(yè)指揮提供參考。

關鍵詞 冰雹云;三維閃電;特征

中圖分類號：P482 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2020）07–0–02

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.043

Hail Warning Index Based on Lightning Monitoring

CHEN Qiu-ping et al （Fujian meteorological station， Fuzhou， Fujian 350001）

Abstract Using VLF/LF three-dimensional lightning monitoring and positioning data， combined with radar and ground observation data， statistical analysis and comparative analysis are used to analyze the lightning characteristics of 33 hail clouds in Fujian from 2017 to 2020. The results show that about 66.67% of the peak lightning frequency before hail fall is over 50 times/6 min， and the total lightning frequency before hailfall has a jump; the average increase rate of 70% hailstorms is over 4 times/min， and the lightning jumps rapidly The time before the hailfall is mostly more than 10 minutes; the ratio of cloud flashes/total flashes in the mature stage is the largest among the three stages， the cloud flashes in the mature stage are the most among the three stages， and the initial development stage is the smallest; 80% of hail cloud ground hail falls behind lightning 3～25 minutes after the peak appears， the time lagging behind the peak exceeds 30 minutes at most. These results can provide references for hail cloud identification and early warning and manual anti-hail operations command.

Key words Lightning; cloud; Three dimensional characteristics; Hail

冰雹等災害性天氣常常伴有強閃電發(fā)生，放電過程中形成的強大電流及其輻射的電磁場，對現(xiàn)代電子社會造成巨大影響。近年來，國內外利用閃電定位系統(tǒng)和多種雷達對中尺度對流天氣過程進行了大量的觀測，取得了很多有意義的研究成果。MacGorman和Burgess[1]研究了產(chǎn)生龍卷和冰雹的強對流系統(tǒng)的正地閃的活動特征，指出雖然在對流風暴的生命期中負地閃占主要部分，但在一些強對流風暴過程中，如龍卷、冰雹過程中，正地閃占主要部分的時間可以在30 min至數(shù)小時，且冰雹和龍卷出現(xiàn)在正地閃占主要地位期間或隨后階段。馮桂力等[2-3]對不同地區(qū)冰雹過程閃電特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)雹暴發(fā)展演變過程中具有較高的正地閃比例。周筠君等[4-5]對不同地區(qū)冰雹云發(fā)展演變過程中閃電特征開展研究，發(fā)現(xiàn)在降雹前閃電頻次出現(xiàn)“躍增”現(xiàn)象并伴隨一定的閃電頻次峰值出現(xiàn)。張萍萍等[6]分析2009年鄂北的一次冰雹天氣過程發(fā)現(xiàn)，10 min閃電頻次在冰雹云發(fā)展過程中呈規(guī)律性變化，在降雹前30 min內，10 min閃電頻次出現(xiàn)了20次以上的峰值，可以作為判別冰雹云的參考指標。但這些研究大多數(shù)都是探討地閃分布特征及針對個例的三維閃電特征分析。本研究利用VLF/LF閃電定位系統(tǒng)分析地閃、云閃分布及演變特征，通過多樣本統(tǒng)計分析，歸納一些對冰雹云識別預警有重要指示意義的參數(shù)指標，可以為冰雹云的識別預警及人工防雹作業(yè)指揮提供參考。

1 資料

1.1 冰雹樣本資料

普查2017—2020年福建省內的降雹事件。冰雹事件的來源主要包括：（1）由縣市（區(qū)）級氣象部門核實并通過中國氣象局氣象災害管理系統(tǒng)上報的冰雹災情直報信息;（2）根據(jù)官方媒體的災情報道新聞以及微博等新媒體手段發(fā)布的目擊報告，從中篩選出具有確切照片記錄和實時定位信息的冰雹發(fā)生記錄，剔除冰雹尺寸模糊，時間、地點信息不明確的報告，同時具有完整閃電資料;（3）為了閃電數(shù)據(jù)不受其他雷暴系統(tǒng)干擾，冰雹樣本挑選雷達回波中雹暴周圍15 km范圍無其他風暴存在的個例。據(jù)此，選取冰雹個例33個。

1.2 閃電定位資料

本項目采用中國科學院電工研究所研制的VLF/LF（ADTD_2C）閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，該探測儀采用數(shù)字波形鑒別技術，鑒別速度快，可提供閃電發(fā)生時間、云閃、地閃、經(jīng)度、緯度、強度、極性等參數(shù)的實時自動連續(xù)監(jiān)測信息。閃電定位系統(tǒng)由福州、平潭、廈門、福鼎、德化、崇武、東山、平和、武平、龍巖、泰寧、寧化、永安、政和、南平、武夷山16個探測站組成，站距約150 km，探測范圍覆蓋福建全省及與福建相鄰的廣東、江西、浙江省部分地區(qū)和臺灣海峽，探測效率高于85%，站網(wǎng)內定位精度平面小于300 m。探測站的具體分布情況（圖1）。

根據(jù)WSR—98D系統(tǒng)中提供的風暴高度、強度等信息將雹暴分為3個階段：發(fā)展、成熟、消亡階段。規(guī)定雷達回波處于強度增強、40 dbz以上強回波面積增大、風暴頂高處于增大中為發(fā)展階段;強度、50 dbz以上強回波面積及風暴頂高處于維持或變化不大為成熟維持階段;處于強度減弱、50 dbz以上強回波面積減小、風暴頂高降低中為減弱消散階段。文中所用閃電資料是以產(chǎn)生降雹的風暴為中心，組合反射率因子20 dbz以上區(qū)域范圍內探測到的所有閃電數(shù)據(jù)，主要分析云閃和地閃頻數(shù)、云閃比率、正負閃比率、云閃高度等參量及其演變特征。

2 閃電頻數(shù)及其演變

2.1 總閃峰值分布及其演變

文中對閃電頻數(shù)的計算是指1次閃電發(fā)生時刻的前、后3 min內所有閃電總數(shù)（即6 min閃電頻數(shù)的累加值）。從收集到的樣本記錄看，降雹前閃電頻數(shù)峰值約有66.67%在50次以上，其中33.33%達200～500次，最高達416次/6 min（圖2）。

統(tǒng)計有閃電發(fā)生的31個冰雹云閃電演變情況，發(fā)現(xiàn)降雹前總閃電頻數(shù)出現(xiàn)躍增，70%以上雹暴總閃電遞增率達4次/min以上（圖3）。

2.2 云閃/總閃比值分布

冰雹云中既存在強盛的上升氣流，又有冰相粒子參與的復雜的微物理過程。因此，冰雹云中的起電過程非常劇烈，放電現(xiàn)象也非?；钴S。云閃活動強烈，云閃占總閃比值很高，除去總閃為0的2次降雹過程外，云閃/總閃比值≤25%的有9個，占29.0%;>30%以上共20個，占64.5%（圖4）。

閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)表明了3個階段中各階段的云閃/總閃比值，其中第2階段（成熟階段）云閃最多、云閃/總閃的比值最大，比值最大達61.0%，平均為30.4%;第3階段比值次之，第1階段云閃最少、比值也最小。

2.3 地面降雹滯后于峰值時間

通過對冰雹云閃電變化特征和降雹時間分析，85%降雹出現(xiàn)在閃電峰值后，其中2次降雹無閃電發(fā)生和3次閃電峰值前出現(xiàn)地面降雹，80%降雹出現(xiàn)在閃電峰值出現(xiàn)后的3～25 min內，滯后于峰值時間最長超過30 min（圖5）。因此，這可以作為冰雹云的識別預警指標。

2.4 閃電開始快速躍增時間提前于降雹時間

統(tǒng)計閃電躍增開始時間，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)雹云降雹前閃電快速躍增，躍增提前于降雹的時間大多在6～40 min，占總數(shù)74.2%，峰后降雹28個個例中均在此范圍內，其中有3個雹暴降雹發(fā)生在閃電峰值出現(xiàn)前，快速躍增提前于降雹時間均不多，提前時間在3～5 min左右（圖6）。

3 冰雹云正負閃比例特征

積雨云中正負電荷的分布非常復雜，但總體而言，云體的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主，而雹粒常附著在積雨云的上部，也即與正電荷密切相關。依據(jù)冰雹的成長理論，積雨云發(fā)展得越高，云上部形成冰雹的可能性及其直徑就越大，生成的正電荷就越多[7]。

為了減小少量閃電對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響，對于地閃數(shù)≤4次/6 min不進行統(tǒng)計。正地閃/地閃比值分布結果顯示，31個冰雹云成熟階段正地閃/地閃比值>0.15以上的達74.0%，其中0.15～0.3次數(shù)較多，達48.1%，;消亡階段>0.15以上的為59.0%，其中0.3～0.4次數(shù)最多，達36.4%;發(fā)展階段低值最多，比值>0.15以上的為50.0%，且近約33.33%比值為0（圖7）。

同上原因對云閃數(shù)≤2次/6 min不進行統(tǒng)計。正云閃/云閃比值分布結果顯示，冰雹云成熟及消亡階段正云閃/云閃比值>0.15以上的達60.0%;發(fā)展階段低值最多，比值>0.15以上的為40.0%，且近33.33%比值為0附近（圖8）。

4 結論與討論

（1）降雹前總閃電頻數(shù)峰值約有66.67%在50次/6 min以上，且在降雹前閃電頻次多數(shù)會有躍增，閃電快速躍增提前于降雹的時間大多在10 min以上;（2）成熟階段云閃/總閃比率比值在3個階段中最大，初生發(fā)展階段比值最小;（3）大多數(shù)冰雹單體地面降雹落后于閃電峰值出現(xiàn)后3～25 min內;（4）綜上分析，得出基于閃電監(jiān)測的冰雹預警指標為當總閃電遞增率達4次/ min，且總閃電頻數(shù)達50次/6 min以上時，在未來2～25 min內可能產(chǎn)生降雹;（5）由于VLF/LF儀器是采用數(shù)字波形鑒別技術識別閃電，識別效率還可以進一步提高，但配合雷達等遙感探測資料上述預警指標可以很好地識別并預警冰雹云。

參考文獻

[1] Macgorman D R， Burgess D W.Positive Cloud-to-Ground Lightning in Tornadic Storms and Hailstorms[J].Monthly Weather Review，1994，122（8）：1671–1697.

[2] 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，2008，32（2）：289–299.

[3] 陳哲彰.冰雹與雷暴大風的云對地閃電特征[J].氣象學報，1995，53（3）：367–374.

[4] 周筠君，張義軍.隴東地區(qū)冰雹云系發(fā)展演變與其地閃的關系[J].高原氣象，1999，18（2）：236–244.

[5] 李國昌，李照榮，李寶梓.冰雹過程中閃電演變和雷達回波特征的綜合分析[J].干旱氣象，2005，23（3）：26–33.

[6] 張萍萍，龍利民，張寧，等.2009年6月6日鄂北冰雹天氣過程分析[J].氣象與環(huán)境學報，2012，28（2）：10–15.

[7] 張義軍.雷暴電學[M].北京：氣象出版社，2009.

責任編輯：黃艷飛