贵州中部一次强对流冰雹云闪电特征分析＊

曾勇许弋杨哲周丽娜文继芬

贵州中部一次强对流冰雹云闪电特征分析＊

曾勇1，2，许弋1，杨哲1，周丽娜1，文继芬1

（1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；2.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550081）

利用VLF/LF三维闪电探测资料、新一代天气雷达资料和地面降雹观测资料，对发生在贵州中部一次冰雹过程闪电特征进行了分析。分析结果表明，此次强对流冰雹过程是由高空槽和低层切变影响而触发，降雹前最大回波强度达65 dBz，45 dBz强回波顶高超过8 km。冰雹过程以地闪发生为主，三个降雹区域地闪平均值为92%，而正地闪和云闪比例较低，平均值分别为5%和8%。总闪在三个降雹区域均出现“跃增”现象，两个降雹区域总闪峰值频次时间超前于降雹，而三个降雹区域LFCR闪电跳跃信号时间均超前与降雹，对降雹具有较好的检测作用。以上特征可以为利用VLF/LF闪电监测资料开展贵州冰雹监测预警、降雹识别和人工消雹提供参考。

强对流；冰雹云；地闪；闪电频次

闪电是强对流天气过程发展到一定程度的产物，在冰雹云发展演变过程中尤为突出。因此，可以通过对冰雹过程闪电进行监测并开展相关分析，挖掘对冰雹云识别和对降雹具有指示作用的闪电特征参量具有重要意义。早期关于闪电与降水的研究是分开的，闪电研究工作者主要关注闪电的声、光和电学特征以及产生闪电的雷暴电结构特征及物理机制。而降水研究人员主要关注云雾降水过程的宏微观物理过程，没有将闪电发生与降水过程结合起来研究。随着雷暴云非感应起电机制的建立[1]，认为云体内雹粒子、霰粒子和冰晶粒子对雷暴云起电和放电有着一定联系，进而关于冰雹等强对流天气闪电活动特征得到了广泛的研究。

MACGORMAN等人[2]对15次雷暴过程闪电特征观测分析，结果表明产生较大冰雹的雷暴产生较高的正地闪，即强冰雹天气过程正极性地闪占据主要地位。REAP等人[3]、BRANICK等人[4]对冰雹、暴雨和龙卷天气过程闪电特征进行观测研究，结果表明闪电发生对强对流天气具有一定指示作用，可以将闪电变化特征作为强对流天气发生的指示因子。在国内，冯桂力等人[5]、陈哲彰[6]对不同地区冰雹过程闪电特征进行了研究，发现雹暴发展演变过程中具有较高的正地闪比例，与国外相关研究具有一致性结果。周筠君等 人[7]、李国昌等人[8]对不同地区冰雹云发展演变过程中闪电特征开展研究，发现在降雹前每5 min闪电频次出现“跃增”现象并伴随一定的闪电频次峰值出现，可以作为识别降雹的参考指标。

中国幅员辽阔，不同地理位置气候特征差异大。贵州处于云贵高原东侧，地形西高东低，由云贵高原台地向中部斜坡过渡带延伸，特殊的地形地貌使得气象灾害多发，冰雹灾害也是主要的气象灾害，对工农业生产带来巨大威胁。基于最新研发使用的VLF/LF三维闪电监测资料，对贵州中部一次强对流冰雹云发展过程闪电特征进行分析，挖掘此次冰雹过程对降雹具有指示意义的闪电信息，为冰雹监测识别和人工消雹作业提供科学参考。

1 资料来源与分析方法

1.1 资料来源

闪电数据采用贵州省VLF/LF三维闪电监测系统观测到2019-04-21发生在贵州安顺市冰雹过程闪电资料。降雹信息来自地面天气报文和人工防雹作业点观测记录。研究中根据闪电数据进行质量控制，保证分析数据的质量与可靠性。首先对冰雹过程闪电数据进行筛选，筛选原则为：基于降雹信息、冰雹云雷达回波信息与闪电发生位置信息对闪电数据进行筛选，剔除不属于冰雹云团的闪电数据。在筛选出闪电数据之后，对数据进行滤波处理，消除个别噪点数据的干扰。

1.2 分析方法

主要采用统计分析、2σ闪电跃增法两种分析方法。利用统计方法对冰雹云系发展演变过程总闪、地闪和云闪比例进行计算，同时对每5 min总闪频次进行统计。利用2σ闪电跃增法对闪电跳跃信号进行提取分析。

2σ闪电跃增法计算如下：

对相邻观测时次内总闪（云闪和地闪）数据进行平滑滤波处理，可得：

式（1）中：avg（Lightning Frequency）为闪电频次滑动平均值，单位为次/分钟；t1和t2分别为1和2时次内对应的闪电总频次。

对avg进行微分处理，求解获得各时次的闪电频次变化率（Lightning Frequency Change Rate），单位为 次·分钟－2。

将计算得到的结果进行方差求解，获得σLFCR，再利用各个时次与2σLFCR进行依次检测分析，最终提取出信号。

2 降雹实况与雷达回波演变

2.1 降雹实况

2019-04-21T20：00—22：00（北京时），受高空槽、低层切变影响，贵州省安顺市北部部分乡镇出现冰雹大风天气，根据地面观测资料，安顺市观测到降雹的地点有：西秀区（蔡官、轿子山、七眼桥、大西桥、茶场、刘官）；普定（鸡场坡、定南办沙湾和梭筛、猫洞乡）；平坝区（白云镇、天龙镇）。其中西秀区在21：30—21：57降雹，最大冰雹直径20 mm，受灾严重；平坝区白云镇21：55降雹，直径6 mm，天龙镇21：50降雹，冰雹直径8～10 mm，并造成一定程度的灾害；普定定南办沙湾和梭筛在20：31—20：39出现直径约12 mm的冰雹，普定猫洞乡21：05—21：20分出现直径约8 mm的冰雹。平坝区白云镇和西秀区蔡官镇伴有9级大风。

2.2 雷达回波演变

2019-04-21贵阳雷达探测到主要时次组合反射率演变如图1所示。

对流云团初始回波生成于六枝西北部，初始回波30 dBz，随后回波强度和高度迅速发展，在20:07最大回波强度达45 dBz，强回波顶高（45 dBz高度，下同）伸展到6 km高度，冰雹云进入快速发展阶段。

在20：07—20：34，冰雹云自西向东向安顺北部移动，回波强度继续增强，最大回波强度达55 dBz，强回波顶高伸展到7 km左右，此后雹云开始在普定产生降雹，降雹后回波没有减弱并继续向东移动，降雹前最大回波强度达65 dBz，强回波顶高达8 km，并在西秀区和平坝产生降雹，最大冰雹直径达20 mm。

3 冰雹过程闪电特征分析

3.1 闪电统计特征

此次冰雹天气过程三个降雹区域闪电统计特征如图2所示。

从图2可看出，冰雹过程以地闪为主，三个降雹区域地闪占总闪比例分别为98%、81%和86%，地闪中负地闪发生占优。冰雹过程正地闪和云闪比例较低，三个降雹区域正地闪和云闪的平均值分别为5%和8%，这与国内相关研究给出的较高正地闪比例存在较大差异[9]，如此小的正地闪和云闪比例可能与不同地区雷暴放电特征存在差异相关，后续将开展更多研究。

图1 2019-04-21贵阳雷达主要时次组合反射率（单位：dBz）演变

图2 三个降雹区域不同类型闪电比例

3.2 闪电频次变化特征

采用统计分析和2闪电跃增法对三个降雹区域闪电时序变化特征和闪电跳跃信号进行统计和计算，得到如图3所示结果，图3中竖线箭头指示降雹，横向箭头指示闪电跳跃信号。

从图3可以看出，三个降雹区域冰雹过程闪电频次均经历了间断发生、跃增和减少三个阶段，这与冰雹云发展、跃增和减弱三个阶段是基本一致的，间接表明闪电对冰相粒子的依赖性。再从闪电跳跃信号变化可以看出，跳跃信号均出现在降雹之前，对降雹具有一定的检测能力，三个降雹区域提前量分别为15 min、2 min以及 12 min。

然而从闪电峰值时间看，西秀区和普定县峰值时间超前与降雹，分别提前了7 min和5 min，平坝降雹区域闪电峰值频次滞后于降雹，说明闪电峰值时间对降雹有一定指示作用，但是其指示作用不及闪电跳跃信号。

4 结论

本文利用VLF/LF三维闪电探测全闪数据，对贵州中部一次强对流冰雹过程闪电特征进行分析，主要结论如下：冰雹过程主要以地闪发生为主，三个降雹区域地闪占总闪比例分别为98%、81%和86%，平均为92%，而正地闪和云闪发生较少。总闪频次在降雹之前均出现“跃增”现象，跃增后伴随闪电频次的峰值，在降雹后减少，对冰雹监测预警起到一定指示作用。闪电跳跃信号对降雹具有较好的检测能力，三个降雹区域提前量分别为15 min、2 min和12 min。有两个降雹区域总闪峰值频次时间超前与降雹时间，一个降雹区域总闪峰值频次滞后与降雹时间，对降雹仍然具有一定指示作用。

［1］JAYARATNE E R，ASUNDERS C P R，HALLETT J.Laboratory studies of the charging of soft-hail during ice crystal interactions［J］.The Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1983（109）：609-630.

［2］MACGORMAN D R，BURGESS D W.Positive cloud-to-ground lighting in tormadic storms and hailstorms ［J］. Monthly Weather Review，1994（122）：1671-1697.

［3］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.

［4］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.

［5］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（2）：289-299.

［6］陈哲彰.冰雹与雷暴大风的云对地闪电特征［J］.气象学报，1995（3）：367-374.

［7］周筠君，张义军，郄秀书，等.陇东地区冰雹云系发展演变与其地闪的关系［J］.高原气象，1999（2）：111-119.

［8］李国昌，李照荣，李宝梓.冰雹过程中闪电演变和雷达回波特征的综合分析［J］.干旱气象，2005（3）：26-33.

［9］冯桂力，边道相，刘洪鹏，等.冰雹云形成发展与闪电演变特征分析［J］.气象，2001（3）：33-37.

P427.32

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.012

2095－6835（2020）01－0042－03

中国气象局云雾物理环境重点实验室开放课题（编号：2018Z01602）；贵州省气象局科研业务项目（编号：黔气科登[2019] 09-09）；贵州省科学技术基金项目（编号：黔科合[2010]2060号）；贵州省科学技术基金项目（编号：黔科合[2001]3042号）

曾勇（1986—），男，硕士，工程师，主要从事云雾物理与大气电学研究。

〔编辑：严丽琴〕