一次雹暴过程的地闪特征分析

黄俊杰，苟阿宁，阮羚

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉 430077；2.国家电网公司高压电器设备现场实验技术重点实验室，湖北武汉 430077；3.武汉中心气象台，湖北武汉 430074）

一次雹暴过程的地闪特征分析

黄俊杰1，2，苟阿宁3，阮羚1，2

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉 430077；2.国家电网公司高压电器设备现场实验技术重点实验室，湖北武汉 430077；3.武汉中心气象台，湖北武汉 430074）

跟踪鄂西北一次雹暴的发生、发展和消亡过程，综合利用湖北ADTD型二维地闪定位系统和多普勒天气雷达资料，针对地闪频数演变与雷达资料（CR、VIL、ET）之间的相互关系进行了分析。结果表明：（1）雹暴生命史不同阶段地闪频数及所处位置不同，本次雹暴过程以负地闪为主，零星正地闪出现在雹暴减弱消亡阶段。（2）降雹发生前，CR和ET呈线性增长且CR增加到65 dBz以上，同时VIL增加到25 kg·m-2，地闪维持较高频数。CR和ET骤减且CR下降到60 dBz以下，同时VIL略增后骤减，伴随地闪频数骤增到峰值，降雹结束。（3）正、负地闪均分布在雹暴附近25～55 dBz区域，≥65 dBz的降雹区域地闪很少发生。

雹暴；雷达回波；负地闪

冰雹、雷雨大风和短时强降水等强对流天气发生时往往伴随着强烈的闪电。随着ADTD型二维地闪探测定位系统的投入使用，综合运用雷达资料和闪电资料等进行强对流预报是短时临近预报的有效途径之一[1-4]。易笑园等[5]分析了一次中尺度对流系统（MCS）的地闪活动特征及与雷达资料的关系，认为在强雷暴演变过程中CR>60 dBz的强回波区域地闪总数很少。郑栋等[6]综合利用SAFIR3000型三维闪电资料与雷达资料结合对北京一次冰雹过程的闪电活动和电荷结构演变特征进行了分析。张腾飞[7]利用闪电监测资料和多普勒天气雷达探测资料对2007年汛期强对流暴雨的闪电和雷达回波特征及相关性进行了分析，指出强对流暴雨的闪电活动和强回波区有较好的对应关系，闪电一般发生在反射率因子≥30 dBz和回波顶高≥9 km的区域。文献[8-10]统计分析不同灾种的强对流天气与闪电活动关系，结果表明冰雹产生的正地闪数量和负地闪相当甚至超过负地闪，降雹天气过程的正地闪比较高，在正地闪频数增加的同时负地闪频数下降。

强对流天气的地闪频数及空间分布除与天气系统的类型密切相关外，还与不同灾种强对流天气生命史各阶段的特征演变及对流的强弱等有关。本文利用多普勒天气雷达资料、地闪定位系统探测的闪电资料及常规观测资料等，对鄂西北一次雹暴过程的地闪特征及地闪频数与雷达资料（组合反射率CR、回波顶高ET、垂直积分液态含水量VIL）的相互关系进行了分析，寻找雹暴生命史不同阶段地闪频数和雷达资料演变特征的相互关系，以期为湖北雹暴等强对流天气预报预警提供参考。

1 天气实况和资料介绍

1.1 天气实况

2012年6月23日15 :00（北京时，下同），鄂西北房县和神农架遭受风雹袭击（图1）。其中房县九道乡境内8个村遭受不同程度的大风、暴雨、冰雹袭击。神农架红坪镇板仓村、红举村局部遭受大雨、冰雹袭击，引诱局部出现泥石流。18:00该区红坪镇再次出现大雨和冰雹天气，造成板仓村、红举村受灾。此次雹暴过程共造成两个村435人受灾，转移安置群众12人（无人员伤亡情况报告）；倒塌房屋2户4间，严重损坏房屋3户5间；农作物受灾90 hm2，其中绝收20 hm2；水毁乡村公路10 km；直接经济损失180万元。

1.2 资料介绍

本次过程使用的雷达数据来自湖北十堰新一代多普勒天气雷达（CINRAD-SB）的体积扫描反射率因子的基数据。反射率因子观测是在典型的空间分辨率1 km×1 km和6 min时间间隔获取，雷达架设高度832 m，探测半径230 km。为了使地闪资料和雷达资料能在相同坐标系下显示，在雷达和地闪资料叠加过程中对雷达数据进行了坐标转换处理，将极坐标转换为直角坐标。

地闪资料为中国科学院空间科学中心研制的ADTD型二维雷电监测定位系统获取，该系统由13个探测子站组成，覆盖整个湖北省，探测的时间精度为0.1 μs，回击位置精度小于300 m，可以准确给出每个闪电回击的时间、方位、强度等参数。本文选取以雹暴为中心，半径30 km的地闪频数进行统计分析。

2 天气形势及环境场分析

2012年6月21日至23日，西太平洋副热带高压（下称副高）外围西南气流和高空低槽携带的冷空气影响，湖北西部出现了强雹暴天气，神农架出现冰雹。6月23日08:00，副高脊线中心位置在24°N左右，湖北西部受槽后偏北气流控制，850 hPa陕西南部、重庆西部和湖北交界处有一条冷式切变线。08: 00地面图上湖北西部处在暖低压发展头部，地面上有一条明显的东北偏北和东南向的辐合线。14:00暖低压东伸南扩，湖北西部处在暖低压中心位置，南北向的辐合线继续维持，鄂西北的地面温度达到35℃以上，部分地区超过37℃，地面露点温度≥20℃，水汽、动力和热力条件非常充分。从6月23日08:00南阳站的探空（图2）分析表明，对流有效位能（CAPE）值高达1 032 J·kg-1，对流抑制能量（CIN）值为231 J·kg-1，有利于不稳定能量积聚，925～900 hPa有明显的逆温层存在，中低层有西南暖湿气流发展，700 hPa以下风向由西南风向西北风顺转，700～400 hPa风向逆时针旋转，可以看到中低层的垂直风切变很大，具备了强雹暴产生的条件。

3 地闪频数和雷达回波的关系

3.1 地闪频数演变

结合雷达资料可以初步判断13:40—14:40为雹暴初生发展阶段，14:40—15:10为成熟阶段，15:10—16:10为减弱消亡阶段。为了和雷达体扫保持同步，图3选取的是雹暴生命史演变过程中每6 min（对应每6 min的雷达体扫时刻）的地闪频数演变，可以清楚的看到，雹暴在初生发展阶段（13:40—14:26）没有闪电出现，14:26负地闪出现，为9次·6 min-1，之后地闪频数不连续性的缓慢增加，14:44地闪频数为8次·6 min-1，14:50跃增到29次·6 min-1，随后地闪频数缓慢增加，15:14达到峰值53次·6 min-1，出现了第一个正地闪，负地闪为52次·6 min-1，15:26地闪频数迅速下降到22次·6 min-1，随着雹暴的减弱消亡，地闪逐渐减弱消失。

综上，本次雹暴过程的闪电以负地闪为主，雹暴发展和成熟阶段没有正地闪出现。地闪在成熟阶段出现了第一次跃增，14:44降雹开始，15:08降雹结束。降雹期间地闪维持较高频数，降雹结束后，地闪出现了大幅跃增并达到峰值，且正、负地闪峰值均出现在雹暴的减弱消亡阶段。正地闪在15:14—15:26表现活跃，正地闪比例有所上升。

3.2 地闪频数和雷达回波演变关系

组合反射率（CR）、回波顶高（ET）、垂直积分液态含水量（VIL）和地闪频数的演变如图4所示。可以看到，雹暴发展阶段地闪不连续增加，而CR为持续增加，14:44雹暴的CR值达到60 dBz，降雹开始。14:50高达70 dBz，持续4个体扫之后15:08 CR下降到60 dBz以下，降雹阶段的地闪频数维持在20次·6 min-1以上，没有正地闪出现。15:14 CR维持在55 dBz左右，地闪频数跃增到53次·6 min-1，可见CR值从65 dBz跃减到60 dBz以下，预示雹暴进入减弱消亡阶段，地闪频数同时跃增，降雹结束。15:14之后CR值维持在40～55 dBz，地闪频数15:26骤减，之后呈间歇性下降直至完全消失。另外，14:56 CR值超过75 dBz并继续增大的时刻，地闪频数反而出现了下降，可见降雹阶段的地闪频数并不是随CR线性增加的。ET在整个雹暴生命史阶段呈双峰分布，主峰出现在雹暴成熟阶段15:02降雹时刻，ET值高达17 km，15:08降雹结束后回波顶高开始下降，雹暴减弱阶段回波顶高呈下降趋势，15:38顶高出现了弱的上升。回波顶高峰值和CR峰值对应较好，均出现在降雹阶段。雹暴发展阶段VIL从5 kg· m-2迅速上升到25 kg·m-2，降雹阶段VIL维持在25 kg·m-2左右，15:14降雹结束后VIL增加到30 kg·m-2，雹暴减弱消亡阶段的VIL持续下降。VIL最大值与正、负地闪峰值出现的时间几乎一致，出现在雹暴减弱消亡阶段。

3.3 地闪在雷达回波中的位置分布

14:26（图5a）多单体回波逐渐合并，强度增加到40 dBz，雹暴中心出现了零星45 dBz回波，回波下方出现负地闪，为9次·6 min-1。受地面辐合线影响，回波向西北缓慢移动，14:38（图5b）地闪仍然位于回波移动左下方位置，频次较少，≥30 dBz的回波面积增大。14:40雹暴发展到成熟阶段，14:44回波中心出现了65 dBz的强回波中心，14:50（图5c）地闪频次由8次·6 min-1增加到29次·6 min-1，地闪由回波下方向回波主体靠拢，分布在25～50 dBz的回波区域，≥65 dBz的强回波区没有地闪出现，随着强回波继续增大并维持，地闪发展活跃并向对流区靠拢，和25～55 dBz的回波区域吻合。15:08（图5d）回波强度减弱到60 dBz以下，雹暴开始减弱，15:08—15:14闪电频次骤增到52次·6 min-1，闪电密集分布在雹暴附近25～50 dBz的区域中，15:14 25 dBz回波附近出现了第一个正地闪。15:20（图5e）正地闪频次达到峰值2次·6 min-1，对应在雹暴对流区附近25～45 dBz的回波区，负地闪为50次·6min-1。15:26地闪频次骤减到22次·6 min-1，随着回波的西伸减弱，地闪频次间歇性减弱，零散分布在层云区。15:50（图5f）回波强度减弱到45 dBz以下，雹暴后部层云内的零星地闪慢慢较少消失。

3.4 地闪在雹暴生命史各阶段的物理过程探讨

从3.2节和3.3节中地闪频数在雹暴生命史不同阶段的变化及地闪在雷达回波中的分布位置可以判断，地闪和雹暴的生命史演变趋势是一致的。从雹暴生命史各阶段雷达回波垂直剖面结构图（图略）中看到，在雹暴发展阶段，雷达回波强度弱、范围小，雹暴云内的上升气流较弱，降水粒子被抬升到较低的高度，雹暴云内主要以水成物粒子碰撞产生的云闪为主，地闪相对较少[11]。到了雹暴成熟阶段，雹暴垂直运动加强，上升气流将水成物粒子带到冻结层之上，导致反射率增大的冰相粒子和大粒子数量增加，地闪变得活跃[12]，当雷达强回波核被抬升到距离地面较高的高度后，云内的大部分地闪转为云闪，而ADTD型二维地闪定位仪无法对云闪进行探测，≥65 dBz的强回波区无地闪出现[13]。随着降水粒子不断下降，逐渐增强的下沉气流与上升气流增加了粒子间的碰撞概率，地闪频数再次增加，这也是本次个例中正、负闪峰值均出现在雹暴减弱阶段的重要原因之一。

4 结论

本文通过对鄂西北雹暴过程生命史各阶段的雷达和地闪资料综合分析，得到如下初步结论：

（1）本次雹暴过程的地闪以负地闪为主，正地闪出现在雹暴减弱消亡阶段，正，负地闪呈单峰分布。雹暴初生发展阶段地闪呈波动式增长，成熟阶段地闪维持较高频数，回波强度达到最大时地闪频次略有下降，正、负地闪峰值均出现在雹暴减弱阶段。

（2）CR和ET呈线性增长且CR增加到65 dBz以上，同时VIL增加到25 kg·m-2，伴随地闪维持较高频数，降雹开始。CR和ET骤减且CR下降到60dBz以下，同时VIL略增后骤减，伴随地闪频数骤增到峰值，表示降雹结束。

（3）雹暴发展、成熟和减弱阶段，正、负地闪均分布在雹暴周围25～55 dBz的回波区域，≥65 dBz的强回波区没有地闪出现。雹暴发展阶段地闪距离对流区较远，之后逐渐向对流区靠拢。

由于目前云闪探测手段不足，对云闪信息了解较少，不能很好掌握雹暴云的微物理结构，是本文分析的缺憾之一。总的来说，地闪频数在雹暴生命史不同阶段的演变特征能够较好的反应雹暴结构的发展变化，这一结论对分析强对流天气的发展演变有一定参考价值。

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Cloud-to-Ground Lightning Characteristics of A Hailstorm Episode

HUANG Junjie1，2，GOU Aning3，RUAN Ling1，2

（1.Hubei Electric Power Research Institute of State Grid,Wuhan 430077,China；2.Key Laboratory of High-voltage Field-test Technique of State Grid Corporation of China,Wuhan 430077，China；3.Wuhan Central Meteorological Observatory，Wuhan 430074,China）

The relations between cloud-to-ground（CG）lightning activity and radar echo products such as CR（composite reflectivity），VIL（vertical integrated liquid water）and ET（echo top）are quantitatively analyzed through tracing the generation,development and mitigation of a hailstorm process occurred in the northwest of Hubei province.The results show as follows：（1）the CG characteristics and distribution locations in hailstorm are different.there are more-CG（negative flashes）than+CG（positive flashes）,several+CG appeared in the mitigation of hailstorm.（2）Before hail occurred,CR and ET showed a linear increase and CR increased to more than 65 dBz,while VIL increased to 25 kg·m-2when hailstorm began to decaying,CR and ET decreased and CR dropped to below 60 dBz,while VIL decreased slightly.At that time the CG increased to the peak value,which indicated the hail is to end.（3）The CG appeared within the range from 25 to 55 dBz, but seldomly above 65 dBz.

hailstorm；radar echo；-CG（negative flashes）

P427

B

1002-0799（2015）04-0032-06

黄俊杰，苟阿宁，阮羚.一次雹暴过程的地闪特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（4）：32-36.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.04.005

2014-10-16；

2015-04-27

湖北省电力公司科技项目“基于卫星遥感和气象数据的输电系统典型风险分析及防灾关键技术研究”（15KJ029901C2011920140000）。

黄俊杰（1976-），男，高级工程师，从事电力设备信息系统建设及评价、输电线路防灾预警等方面工作。E-mail：huangjjhwb@aliyun.com

苟阿宁（1979-），女，高级工程师，从事短时临近预报及其研究。E-mail：aning0770@163.com