基于闪电监测的冰雹预警指标

陈秋萍 阮悦 黄铃光

摘要 利用VLF/LF三维闪电监测定位资料，结合雷达、地面观测等资料，采用统计分析、对比分析法对福建2017—2020年33个冰雹云的闪电特征进行分析。结果表明：降雹前闪电频数峰值约有66.67%在50次/6 min以上，且降雹前总闪电频数出现跃增;70%雹暴单体平均递增率达4次/ min以上，闪电快速跃增提前于降雹时间大多在10 min以上;成熟阶段云闪/总闪比值是3个阶段中最大，成熟阶段云闪是3阶段中最多的，初生发展阶段最小;80%冰雹云地面降雹落后于闪电峰值出现后的3～25 min，滞后于峰值时间最长超过30 min。这些结果可以为冰雹云的识别预警及人工防雹作业指挥提供参考。

关键词 冰雹云;三维闪电;特征

中图分类号：P482 文献标识码：A 文章编号：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

冰雹等災害性天气常常伴有强闪电发生，放电过程中形成的强大电流及其辐射的电磁场，对现代电子社会造成巨大影响。近年来，国内外利用闪电定位系统和多种雷达对中尺度对流天气过程进行了大量的观测，取得了很多有意义的研究成果。MacGorman和Burgess[1]研究了产生龙卷和冰雹的强对流系统的正地闪的活动特征，指出虽然在对流风暴的生命期中负地闪占主要部分，但在一些强对流风暴过程中，如龙卷、冰雹过程中，正地闪占主要部分的时间可以在30 min至数小时，且冰雹和龙卷出现在正地闪占主要地位期间或随后阶段。冯桂力等[2-3]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。周筠君等[4-5]对不同地区冰雹云发展演变过程中闪电特征开展研究，发现在降雹前闪电频次出现“跃增”现象并伴随一定的闪电频次峰值出现。张萍萍等[6]分析2009年鄂北的一次冰雹天气过程发现，10 min闪电频次在冰雹云发展过程中呈规律性变化，在降雹前30 min内，10 min闪电频次出现了20次以上的峰值，可以作为判别冰雹云的参考指标。但这些研究大多数都是探讨地闪分布特征及针对个例的三维闪电特征分析。本研究利用VLF/LF闪电定位系统分析地闪、云闪分布及演变特征，通过多样本统计分析，归纳一些对冰雹云识别预警有重要指示意义的参数指标，可以为冰雹云的识别预警及人工防雹作业指挥提供参考。

1 资料

1.1 冰雹样本资料

普查2017—2020年福建省内的降雹事件。冰雹事件的来源主要包括：（1）由县市（区）级气象部门核实并通过中国气象局气象灾害管理系统上报的冰雹灾情直报信息;（2）根据官方媒体的灾情报道新闻以及微博等新媒体手段发布的目击报告，从中筛选出具有确切照片记录和实时定位信息的冰雹发生记录，剔除冰雹尺寸模糊，时间、地点信息不明确的报告，同时具有完整闪电资料;（3）为了闪电数据不受其他雷暴系统干扰，冰雹样本挑选雷达回波中雹暴周围15 km范围无其他风暴存在的个例。据此，选取冰雹个例33个。

1.2 闪电定位资料

本项目采用中国科学院电工研究所研制的VLF/LF（ADTD_2C）闪电监测定位系统数据，该探测仪采用数字波形鉴别技术，鉴别速度快，可提供闪电发生时间、云闪、地闪、经度、纬度、强度、极性等参数的实时自动连续监测信息。闪电定位系统由福州、平潭、厦门、福鼎、德化、崇武、东山、平和、武平、龙岩、泰宁、宁化、永安、政和、南平、武夷山16个探测站组成，站距约150 km，探测范围覆盖福建全省及与福建相邻的广东、江西、浙江省部分地区和台湾海峡，探测效率高于85%，站网内定位精度平面小于300 m。探测站的具体分布情况（图1）。

根据WSR—98D系统中提供的风暴高度、强度等信息将雹暴分为3个阶段：发展、成熟、消亡阶段。规定雷达回波处于强度增强、40 dbz以上强回波面积增大、风暴顶高处于增大中为发展阶段;强度、50 dbz以上强回波面积及风暴顶高处于维持或变化不大为成熟维持阶段;处于强度减弱、50 dbz以上强回波面积减小、风暴顶高降低中为减弱消散阶段。文中所用闪电资料是以产生降雹的风暴为中心，组合反射率因子20 dbz以上区域范围内探测到的所有闪电数据，主要分析云闪和地闪频数、云闪比率、正负闪比率、云闪高度等参量及其演变特征。

2 闪电频数及其演变

2.1 总闪峰值分布及其演变

文中对闪电频数的计算是指1次闪电发生时刻的前、后3 min内所有闪电总数（即6 min闪电频数的累加值）。从收集到的样本记录看，降雹前闪电频数峰值约有66.67%在50次以上，其中33.33%达200～500次，最高达416次/6 min（图2）。

统计有闪电发生的31个冰雹云闪电演变情况，发现降雹前总闪电频数出现跃增，70%以上雹暴总闪电递增率达4次/min以上（图3）。

2.2 云闪/总闪比值分布

冰雹云中既存在强盛的上升气流，又有冰相粒子参与的复杂的微物理过程。因此，冰雹云中的起电过程非常剧烈，放电现象也非常活跃。云闪活动强烈，云闪占总闪比值很高，除去总闪为0的2次降雹过程外，云闪/总闪比值≤25%的有9个，占29.0%;>30%以上共20个，占64.5%（图4）。

闪电监测数据表明了3个阶段中各阶段的云闪/总闪比值，其中第2阶段（成熟阶段）云闪最多、云闪/总闪的比值最大，比值最大达61.0%，平均为30.4%;第3阶段比值次之，第1阶段云闪最少、比值也最小。

2.3 地面降雹滞后于峰值时间

通过对冰雹云闪电变化特征和降雹时间分析，85%降雹出现在闪电峰值后，其中2次降雹无闪电发生和3次闪电峰值前出现地面降雹，80%降雹出现在闪电峰值出现后的3～25 min内，滞后于峰值时间最长超过30 min（图5）。因此，这可以作为冰雹云的识别预警指标。

2.4 闪电开始快速跃增时间提前于降雹时间

统计闪电跃增开始时间，发现绝大多数雹云降雹前闪电快速跃增，跃增提前于降雹的时间大多在6～40 min，占总数74.2%，峰后降雹28个个例中均在此范围内，其中有3个雹暴降雹发生在闪电峰值出现前，快速跃增提前于降雹时间均不多，提前时间在3～5 min左右（图6）。

3 冰雹云正负闪比例特征

积雨云中正负电荷的分布非常复杂，但总体而言，云体的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，而雹粒常附着在积雨云的上部，也即与正电荷密切相关。依据冰雹的成长理论，积雨云发展得越高，云上部形成冰雹的可能性及其直径就越大，生成的正电荷就越多[7]。

为了减小少量闪电对统计数据的影响，对于地闪数≤4次/6 min不进行统计。正地闪/地闪比值分布结果显示，31个冰雹云成熟阶段正地闪/地闪比值>0.15以上的达74.0%，其中0.15～0.3次数较多，达48.1%，;消亡阶段>0.15以上的为59.0%，其中0.3～0.4次数最多，达36.4%;发展阶段低值最多，比值>0.15以上的为50.0%，且近约33.33%比值为0（图7）。

同上原因对云闪数≤2次/6 min不进行统计。正云闪/云闪比值分布结果显示，冰雹云成熟及消亡阶段正云闪/云闪比值>0.15以上的达60.0%;发展阶段低值最多，比值>0.15以上的为40.0%，且近33.33%比值为0附近（图8）。

4 结论与讨论

（1）降雹前总闪电频数峰值约有66.67%在50次/6 min以上，且在降雹前闪电频次多数会有跃增，闪电快速跃增提前于降雹的时间大多在10 min以上;（2）成熟阶段云闪/总闪比率比值在3个阶段中最大，初生发展阶段比值最小;（3）大多数冰雹单体地面降雹落后于闪电峰值出现后3～25 min内;（4）综上分析，得出基于闪电监测的冰雹预警指标为当总闪电递增率达4次/ min，且总闪电频数达50次/6 min以上时，在未来2～25 min内可能产生降雹;（5）由于VLF/LF仪器是采用数字波形鉴别技术识别闪电，识别效率还可以进一步提高，但配合雷达等遥感探测资料上述预警指标可以很好地识别并预警冰雹云。

参考文献

[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] 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.

[3] 陈哲彰.冰雹与雷暴大风的云对地闪电特征[J].气象学报，1995，53（3）：367–374.

[4] 周筠君，张义军.陇东地区冰雹云系发展演变与其地闪的关系[J].高原气象，1999，18（2）：236–244.

[5] 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，2005，23（3）：26–33.

[6] 张萍萍，龙利民，张宁，等.2009年6月6日鄂北冰雹天气过程分析[J].气象与环境學报，2012，28（2）：10–15.

[7] 张义军.雷暴电学[M].北京：气象出版社，2009.

责任编辑：黄艳飞