白云機場一次強對流冰雹過程的閃電特征

陳云峰，區(qū)志中

（1.中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局，廣東廣州 510405；2.中國民用航空中南地區(qū)管理局，廣東廣州 510406）

春季華南受低壓倒槽、冷鋒等系統(tǒng)影響，引起冷暖空氣交匯，易出現(xiàn)中小尺度下作用的帶冰雹強對流天氣，對航空安全飛行造成很大的威脅，是航空氣象預(yù)報關(guān)注的重點。冰雹是一種固態(tài)降水，其直徑通常在5～20 mm。閃電是強對流天氣中產(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。目前除了利用天氣雷達(dá)和衛(wèi)星對冰雹進行預(yù)測之外，很多研究者都在研究閃電與冰雹之間的關(guān)系［1-3］。其中，Changnon［1］指出當(dāng)強對流活動中地閃活動少于10次／min時幾乎不會產(chǎn)生冰雹，而那些超過10次／min的強對流活動超過60%出現(xiàn)了降雹；Shackford［2］發(fā)現(xiàn)閃電通常集中出現(xiàn)在冰雹開始之前，尤其是在冰雹發(fā)生期間冰雹的強度和閃電頻次具有相關(guān)性，雹暴中正地閃和負(fù)地閃也呈現(xiàn)出不同的特性，且有明顯的地域差異；Beasley［3］對冰雹云中正閃電的發(fā)生比例進行總結(jié)和比較，發(fā)現(xiàn)閃電正負(fù)極性比例具有明顯的地域變化，且差異很大。國內(nèi)很多學(xué)者對冰雹云發(fā)展演變過程中閃電特征和雷暴電活動對冰雹增長作用進行了研究［4-6］。馮桂力等［7］對山東地區(qū)冰雹云閃電特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)冰雹云發(fā)展過程中正地閃特征及閃電頻次的“躍增”現(xiàn)象；曾勇等［8］對貴州中西部地區(qū)13次冰雹天氣過程中閃電特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)雹暴主要以負(fù)地閃為主，并給出了識別冰雹云的參考指標(biāo)；周泓等［9］研究云南中部2006—2011年6次典型降雹過程中的雷達(dá)回波和閃電特征發(fā)現(xiàn)降雹時段是負(fù)地閃的活躍期，正地閃出現(xiàn)頻率極少。由此可見，國內(nèi)北方雹暴中正地閃占主導(dǎo)的情況多，南方雹暴中負(fù)地閃占主導(dǎo)的情況多，地域差異較大。

2019年2月21日廣州白云機場16：11—17：46（北京時，下同）出現(xiàn)強雷雨，雷達(dá)PPI回波圖里顯示對流里夾雜著冰雹，16：10—17：20雷達(dá)冰雹識別產(chǎn)品顯示有80%大概率降雹區(qū)域，與同時間段的氣象站記錄的白云區(qū)、黃浦區(qū)、越秀區(qū)、天河區(qū)出現(xiàn)冰雹相吻合。本研究采用廣東省三維閃電定位資料和白云機場雷達(dá)數(shù)據(jù)對該次強對流伴冰雹過程的閃電特征進行統(tǒng)計分析，探索冰雹發(fā)展過程中閃電的頻次變化規(guī)律及分布特征，為航空氣象冰雹預(yù)報提供參考。

1 天氣形勢

由2019年2月21日08：00地面到500 hPa的天氣圖（圖1）可以看出，地面大陸大部受高壓控制，冷空氣南下，華南位于倒槽內(nèi)，冷鋒位于廣東省中部。850 hPa槽線從西南低渦延伸至廣西，未來東移影響廣東。700 hPa江漢氣旋延伸出的槽線影響江南和廣西，未來東移至廣東。500 hPa南支槽南端移至廣東西部并將持續(xù)東移。850至500 hPa華南南風(fēng)較大，給華南帶來充足的水汽。從溫度線來看，白云機場700 hPa為-5～0℃，500 hPa為-15～-10℃。中層為冷平流，濕度大，有利于冰雹生成。

圖1 2019年2月21日08：00地面（a）、850 hPa（b）、500 hPa（c）天氣圖

圖2為2019年2月21日16：00廣東省自動站觀測風(fēng)場分布，可以看出，廣東中北部自動站風(fēng)向均為偏北風(fēng)。受冷空氣影響，15：30—16：00，白云機場由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，風(fēng)力由3 m／s加大為5 m／s，到17：00北風(fēng)加強為9 m／s。

圖3a-c分別為16：14廣州白云機場125 km仰角1.2°的PPI雷達(dá)回波圖、60 km最大反射率雷達(dá)回波以及125 km的冰雹識別產(chǎn)品。

圖2 2019年2月21日16：00廣東省自動站觀測風(fēng)場分布

圖3 2019年2月21日16：14廣州白云機場125 km仰角1.2°的PPI雷達(dá)回波圖（a）、廣州白云機場60 km最大反射率雷達(dá)回波圖（b）和廣州白云機場125 km雷達(dá)的冰雹識別產(chǎn)品（c）

實況顯示，白云機場16：11至17：46出現(xiàn)中到強雷雨，雷達(dá)PPI回波圖（圖3a）里顯示雹暴對應(yīng)的強雷達(dá)回波中心。距離塔臺中心南面20 km（白云區(qū)）出現(xiàn)50～55 dBz的指狀回波（圖3橢圓圈標(biāo)注），對應(yīng)最大反射率雷達(dá)回波（圖3b）的子圖中高空7～8 km的65～70 dBz的紫色強回波（圖3b橢圓圈標(biāo)注），冰雹識別產(chǎn)品也在對應(yīng)位置預(yù)報80%以上的概率有冰雹（圖3c），這與白云區(qū)16：20有降雹的氣象站記錄符合。指狀回波為強對流低層回波邊緣呈指狀突出的小尺度強回波區(qū)，常對應(yīng)著中等強度的降雹［10］。該次降雹過程雷達(dá)圖中并未顯示出冰雹主要指示特征的三體散射現(xiàn)象，但Lemon［11］指出，三體散射是強冰雹的充分條件，但不是必要條件。該次冰雹過程不是在孤立的云團中發(fā)生，因此沒有反映出三體散射的特征，在廣東花都區(qū)也曾出現(xiàn)過無三體散射特征的冰雹天氣記錄［12］。綜上所述，該次伴隨冰雹的強對流天氣是由高空環(huán)流配合南下的冷空氣引起的。

2 閃電特征分析

為了研究該次過程的冰雹云發(fā)展、成熟、衰退階段閃電特征，本研究對15：40至18：00白云機場周邊100 km內(nèi)（108.36°E—118.34°E，18.36°N—28.34°N）的閃電數(shù)據(jù)進行分析，其中15：40至16：10為冰雹云發(fā)展階段、16：10至17：20為冰雹云成熟階段、17：20至18：00為冰雹云衰減階段。閃電數(shù)據(jù)來源于廣東省VLF／LF三維閃電定位網(wǎng)，閃電頻次為每5 min時間變化。

從圖4可以看到，冰雹云發(fā)展階段，總閃電頻次為每5 min 28次以上，峰值達(dá)到65次；正閃電頻次為每5 min 10次以上，峰值在16：50達(dá)到每5 min 43次，正閃電強度最大值出現(xiàn)在15：40，為14 kV／m；負(fù)閃電頻次基本在每5 min 10次以上，峰值在16：00達(dá)到每5 min 39次，負(fù)閃電強度最大值出現(xiàn)在15：40，為-98 kV／m，正閃電總頻次／負(fù)閃電總頻次為128次／172次。16：10到17：20降雹時段里，總閃電頻次為每5 min 30次以上，峰值在17：05達(dá)到66次；正閃電頻次為每5 min 10次以上，峰值在17：05達(dá)到每5 min 27次，正閃電強度最大值出現(xiàn)在16：50，為102 kV／m；負(fù)閃電頻次基本為每5 min 10次以上，峰值在17：05達(dá)到每5 min 39次，負(fù)閃最大值出現(xiàn)在17：20，為-124 kV／m；正閃電總頻次／負(fù)閃電總頻次為222次／379次。成熟階段里正閃電和負(fù)閃電強度同時迅速增大。

17：20至18：00衰退時段里，總閃電頻數(shù)迅速降到每5 min 20次以下，正閃電頻數(shù)降到每5 min 8次及以下，正閃電強度最大值出現(xiàn)在17：50，為14 kV／m，負(fù)閃電頻數(shù)降到每5 min 16次及以下，負(fù)閃電強度最大值出現(xiàn)在17：25，為-130 kV／m；正閃電總頻次／負(fù)閃電總頻次為36次／45次。正閃電和負(fù)閃電強度隨時間衰減很快。

圖4 2019年2月21日16：00—18：00廣州白云機場100 km內(nèi)的閃電頻次（a）和閃電強度（b）

由此可以看到，冰雹云發(fā)展階段，總閃電頻次短時間出現(xiàn)了兩次躍增，負(fù)閃電總頻數(shù)約為正閃電總頻數(shù)的1.34倍，負(fù)閃電最大強度遠(yuǎn)比正閃電最大強度大，前者為后者的7倍；冰雹云成熟階段，正負(fù)閃電總頻次快速增大，負(fù)閃電總頻數(shù)約為正閃電總頻數(shù)的1.71倍，負(fù)閃電最大強度略大于正閃電最大強度；冰雹云衰退階段，總閃電頻次迅速減小，負(fù)閃電總頻數(shù)約為正閃電總頻數(shù)的1.25倍，負(fù)閃電最大強度遠(yuǎn)比正閃電最大強度大，前者約為后者的9.29倍。整個過程中，負(fù)閃電總頻數(shù)都要大于正閃電總頻數(shù)。以上特征表明，隨著冰雹云的生成發(fā)展，在融化層以上有著冰水共存區(qū)，其中雹粒與冰晶碰撞使得云體內(nèi)電荷分離積累，在強升降氣流作用下云體內(nèi)形成不同極性的正負(fù)荷電中心。一般正電荷分布在云體上部，負(fù)電荷分布在下部［13］。隨著冰雹云越來越成熟，對流增強，閃電頻次快速增大，云頂抬升，正電荷中心強度增大，對冰雹的出現(xiàn)有指示作用。在降雹后隨云體內(nèi)冰相粒子的減少，正負(fù)閃電頻數(shù)會減少，直至無閃電發(fā)生。

3 閃電與冰雹預(yù)警

采用16：10—17：20廣州白云機場125 km冰雹識別產(chǎn)品和白云機場100 km內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)來探索降雹與閃電的關(guān)系。圖5a顯示強度＞55 dBz的回波區(qū)域?qū)?yīng)著圖5b中的80%以上大概率降雹區(qū)，其中，80%以上大概率降雹區(qū)都為負(fù)閃（黑色四角星）。根據(jù)冰雹識別產(chǎn)品統(tǒng)計北京時間16：10—17：20的80%以上大概率降雹區(qū)的閃電頻次和性質(zhì)得到80%以上大概率降雹區(qū)對應(yīng)的正負(fù)閃電頻數(shù)，其中，80%以上大概率降雹區(qū)的正閃電總頻數(shù)為32次，負(fù)閃電總頻數(shù)為123次，正閃電總頻數(shù)∶負(fù)閃電總頻數(shù)的比例約為1∶4，正負(fù)閃電強度不強，在-20～20 kV／m。根據(jù)Takahashi［14］的試驗結(jié)果表明，當(dāng)云內(nèi)過冷卻水含量較大時，冰雹云內(nèi)雹和冰晶的碰撞通常使得冰雹獲得負(fù)電荷，由于雹暴內(nèi)存在大量的雹粒子，十分有利于負(fù)電荷區(qū)的形成，所以可以發(fā)現(xiàn)在白云機場80%以上大概率降雹區(qū)域基本都是負(fù)閃電區(qū)。綜上所述，當(dāng)負(fù)閃電頻次明顯大于正閃電頻數(shù)，正閃電和負(fù)閃電強度同時迅速增大，這意味著冰雹發(fā)生概率變大。

圖5 2019年2月21日16：20廣州白云機場的125 km最大反射率雷達(dá)回波（單位：dBz）（a）和冰雹識別產(chǎn)品（b）

4 結(jié)論

1）500 hPa南支槽帶動冷平流南下，中層濕度大，配合著地面華南倒槽與冷空氣，造成了該次伴隨冰雹的強對流天氣。

2）采用15：40至18：00的白云機場周邊100 km內(nèi)（108.36°E—118.34°E，18.36°N—28.34°N）的閃電數(shù)據(jù)，對冰雹云發(fā)展、成熟、衰退3個階段的閃電特征進行分析，發(fā)現(xiàn)冰雹云發(fā)展階段負(fù)閃電最大強度遠(yuǎn)高于正閃電最大強度。隨著冰雹云越來越成熟，對流增強，閃電頻次快速增大，云頂抬升，正電荷中心強度增大，對冰雹的出現(xiàn)有指示作用。在降雹后隨云體內(nèi)冰相粒子的減少，正負(fù)閃電頻數(shù)會減少至無閃電發(fā)生。整個過程中負(fù)閃電總頻數(shù)都高于正閃電總頻數(shù)。

3）根據(jù)冰雹識別產(chǎn)品統(tǒng)計16：10至17：20的80%以上大概率降雹區(qū)的閃電頻次和性質(zhì)發(fā)現(xiàn)80%以上大概率降雹區(qū)的正閃電總頻數(shù)為32次，負(fù)閃電總頻數(shù)為123次，正閃電總頻數(shù)∶負(fù)閃電總頻數(shù)的比例約為1∶4，正負(fù)閃電強度不強，在-20～20 kV／m。當(dāng)云內(nèi)過冷卻水含量較大時，冰雹云內(nèi)雹和冰晶的碰撞通常使得冰雹獲得負(fù)電荷，由于雹暴內(nèi)存在大量的雹粒子，因此十分有利于負(fù)電荷區(qū)的形成，因此在白云機場80%以上大概率降雹區(qū)域主要都是負(fù)閃電區(qū)。當(dāng)負(fù)閃電頻次明顯大于正閃電頻數(shù)，正閃電和負(fù)閃電強度同時迅速增大，曾意味著冰雹發(fā)生概率變大。