闪电资料在福建省人工防雹中的应用*

.福建省气象科学研究所 .福建省气象灾害防御技术中心 李 丹朱 彪应 达林 文陈彬彬

闪电资料在福建省人工防雹中的应用*

1.福建省气象科学研究所 2.福建省气象灾害防御技术中心 李 丹1朱 彪2应 达2林 文1陈彬彬1

利用福建省近7年的冰雹观测资料和地闪资料，采用2σ法分析18次产生冰雹的强对流单体发生发展过程中的地闪特征。结果表明，强对流单体降雹前均出现了闪电跳跃预警信号，且预警信号出现时间相较于降雹时间平均提前27min，DFRDT值跳跃信号对冰雹发生具有较好的警示作用。另外，结合地闪频次和VIL值对个例分析，发现冰雹发生前，强对流单体的地闪频次和VIL值均出现突增，降雹后减少。

地闪 冰雹 强对流单体 DFRDT

1 概述

冰雹是福建省重要的灾害性天气之一，常伴随狂风、暴雨、雷电，发生范围小，时间短，但来势凶猛、强度大，极易给局部地区造成严重灾害。冰雹高发期（3～5月）正是内陆地区支柱经济“烟叶”生产的关键时期，福建省对防灾减灾保障工作的需求更为迫切。因此，正确识别冰雹云，做好冰雹的短期预报和短时临近预警，对于科学指导开展人工防雹作业意义重大。

国内外研究表明，闪电频数与强对流天气过程具有密切联系。与其他观测资料相比，闪电资料在时效性上具有突出的优势。目前，雷电信息作为对流性天气灾害超短时预报的新手段已经受到重视。郄秀书等[1]提出通过使用闪电网格点数据，可以提前30～60min预报活跃的雷达回波区域。姚雯等[2]利用ADTD和SAFIR两种闪电资料对北京—天津—河北地区的冰雹个例分析得到，闪电活动的跃增现象平均提前于降雹25.4min出现，可以作为冰雹灾害发生的有效预警指标。冯桂力等[3-4]也认为，冰雹云发展演变过程中闪电活动的变化特征超前于冰雹过程发生。Schultz[5]利用Tennessee流域不同强度的107个雷暴过程对6种闪电资料识别方法进行比较分析，发现闪电频次跃变程度与极端天气的强度呈正相关，且分析得出2σ闪电跳跃机制有较高的探测准确率（POD,87%），虚警率（FAR）33%，并得到了较高的0.75的Heidke技术评分，方法相对较好。以上研究表明，闪电活动的时空特征对于冰雹的短时临近预警预报具有一定的指示意义。

本文选取2σ方法对福建省近7年内的冰雹过程进行本地化样本研究。考虑到冰雹个例的时间跨度及闪电资料的连续性，选取共18次产生冰雹的强对流单体，结合相应的地闪资料，对福建省内冰雹云发生发展过程中的地闪特征进行分析，分析探讨闪电资料在冰雹识别和预警中的应用，为人工防雹业务工作提供参考。

2 资料和方法

冰雹数据来自福建省强对流纪要产品、地面天气报文或各地市实况记录，产品包含冰雹天气发生时间、结束时间、发生地点、冰雹大小及信息上报来源。选取相应冰雹个例发生时间段内的闪电数据进行统计分析。根据雷达回波参量宏观特征演变分析，结合冰雹发生的时间地点信息，确定个例分析区域范围。

在个例挑选过程中，需满足该冰雹过程发生在强对流单体中，避免相应的闪电数据受到其他附近雷暴云内闪电数据的污染。据此，共挑选出18个符合条件的冰雹个例。

其中，2σ方法和DFRDT跳跃信号计算方法如下：

（1）首先对分析时段内的闪电资料进行2min滑动平均，消除闪电数据中的噪点数据。

其中，FR（flash rate）单位是flash·min-1。

（2）求闪电频次时间变化率

其中，FR（flash rate）单位是flash·min-2。

求解得到DFRDT的标准偏差σ，并取其2倍值。对冰雹个例发生发展时间段内，各个时次对应的DFRDT值和2σ进行分析比较，若某一时次内的DFRDT大于阈值2 flash·min-2，且DFRDT>2σ时，认为此处为一次闪电跳跃预警信号，即为2σ方法判断机制。

3 冰雹天气过程地闪活动分析

收集和整理福建省近7年（2010年至今）冰雹天气过程个例资料，根据出现冰雹的强对流单体范围确定一次个例的分析范围，保证冰雹该范围覆盖该强对流单体的生消区域，且不受附近其他云系影响。结合该区域内的雷达产品及闪电资料，分析该区域内冰雹个例发生过程中闪电活动特征。

表1 2010～2016年冰雹过程与闪电活动特征

从上表可以看出，利用福建省地闪资料可以判断得到18次冰雹过程中均出现了地闪DFRDT跳跃预警信号，且闪电跳跃预警信号相较于降雹时间平均提前27min发生。这一结果与姚雯[2]利用ADTD和SAFIR两种闪电资料对北京—天津—河北地区的冰雹个例分析结果相一致。

4 典型个例分析

2016年4月8日12时～24时，福建省位于南支槽前，受西南气流控制，低层切变维持在福建北部，中北部有风速辐合。全省湿度大，对流条件好。全省出现大范围的强雷电、雷雨大风、冰雹和短时强降水等强对流天气。龙岩、三明等地出现8～11级短时雷雨大风；6个县市9个站点1小时降水极值>30.0mm;4个县市8个站点12小时累计降水雨量> 50mm（永泰76.1mm，德化75.3mm）；此处仅对19:00左右出移入龙岩永定的强对流单体产生的冰雹过程进行分析。

从图1可以看出，此次造成永定降雹的强对流单体是由18:00位于广东蕉岭附近的对流单体发展，并移入永定，经南靖南部、漳州南部、龙海北部，于20:59逐渐减弱移入厦门海沧区，分别在龙岩永定大溪乡（19:00，①）、南靖书洋镇（19:20，②）、龙海榜山镇、石码镇（20:30，③）出现降雹。

图1 2016年4月8日18:05-21:05雹云回波时序图

结合图2，对该单体移动过程中产生的闪电活动进行统计分析发现，该强对流单体进入龙岩境内时（18:00），仍处于发展阶段，所产生闪电活动仍较弱，少于5次/min，VIL值也较低，仅20 kg/m2，但DFRDT值在18:14、18:26出现了两个跳跃信号，分别提前于降雹时刻46min、34min。随着雹云不断发展增强，地闪活动比较活跃，在降雹前5min地闪出现突增现象，整体大于10次/min，并第3次出现DFRDT跃增信号，VIL值也由39 kg/m2突增至60 kg/m2。17:00左右，该强对流单体在永定大溪乡产生降雹。此后该对流单体发展旺盛，VIL最大值高达63 kg/m2，地闪持续活跃，19:15，地闪DFRDT值出现跳跃信号，19:20左右，对流单体在南靖书洋镇产生降雹，降雹后半小时内地闪频次与VIL值均出现明显减弱。19:50该对流单体再次发展增强，VIL逐渐由30 kg/m2增至60 kg/m2，地闪也逐渐增加，大于8次/min，期间地闪DFRDT信号分别在19:54、20:03、20:16 出现跳跃信号，此后约20:30该强对流单体在龙海榜山镇、石码镇产生降雹过程。三次降雹中，地闪DFRDT跳跃预警信号平均提前24min。子的增多，产生闪电的可能性随之增大。降雹后，地闪频次及VIL值均减小。

图2

5 结果与讨论

本文利用2σ法对福建省18次冰雹过程的地闪演变特征进行分析，旨在找出福建省冰雹云识别中地闪资料预警信号的提前量，为人工影响天气作业提供本地化人工防雹预警。本文结论如下：

（1）利用2σ方法计算地闪DFRDT跳跃预警信号，对18次冰雹过程进行统计分析，得出强对流单体产生降雹前均出现了DFRDT跳跃预警信号，且预警信号相较于降雹时间平均提前27min发生。

（2）降雹个例20160408分析中，DFRDT值在三次降雹中平均提前24min出现跳跃预警信号，对于降雹具有较好的预警作用。

（3）由于闪电资料有限，本文仅对冰雹过程中的地闪特征进行了分析，且对无降雹现象的强对流单体中的闪电特征未做比对分析，存在一定的局限与不足，今后将进一步完善。

整个过程中，地闪频次与VIL值呈明显的双峰特征，具有较好的一致性，三次降雹前地闪与VIL均出现突增现象，这是由于随着对流云不断发展成熟，云中液态水含量增大，丰富的水滴、冰晶等在云中碰撞、感应起电导致云中带电粒

[1] 郄秀书,刘冬霞,孙竹玲.闪电气象学研究进展[J].气象学报,2014,72(5): 1054-1068.

[2] Yao W, Zhang Y J, Meng Q, et al. A comparison of the characteristics of total and cloud-to-ground lightning activities in hailstorms [J]. Acta Meteor Sinica, 2013,27(2): 282-293.

[3] 冯桂力,郄秀书,袁铁, 等.一次冷涡天气系统中雹暴过程的地闪特征分析[J].气象学报, 2006, 64(2): 211-220.

[4] 冯桂力,郄秀书,吴书君.山东地区冰雹云的闪电活动特征[J].大气科学,2008,32(2)：289-299.

[5] Schultz C J, Petersen W A, Carey L D. Preliminary development and evaluation of lightning jump algorithms for the real-time detection of severe weather [J]. J Appl Meteorol Clim, 2009(48): 2543-2563.

福建省气象局青年科技专项项目（2015q08）资助。