白云机场一次强对流冰雹过程的闪电特征

陈云峰，区志中

（1.中国民用航空中南地区空中交通管理局，广东广州 510405；2.中国民用航空中南地区管理局，广东广州 510406）

春季华南受低压倒槽、冷锋等系统影响，引起冷暖空气交汇，易出现中小尺度下作用的带冰雹强对流天气，对航空安全飞行造成很大的威胁，是航空气象预报关注的重点。冰雹是一种固态降水，其直径通常在5～20 mm。闪电是强对流天气中产生的强烈的放电现象，伴随着强对流天气过程的发生、发展和消亡。目前除了利用天气雷达和卫星对冰雹进行预测之外，很多研究者都在研究闪电与冰雹之间的关系［1-3］。其中，Changnon［1］指出当强对流活动中地闪活动少于10次／min时几乎不会产生冰雹，而那些超过10次／min的强对流活动超过60%出现了降雹；Shackford［2］发现闪电通常集中出现在冰雹开始之前，尤其是在冰雹发生期间冰雹的强度和闪电频次具有相关性，雹暴中正地闪和负地闪也呈现出不同的特性，且有明显的地域差异；Beasley［3］对冰雹云中正闪电的发生比例进行总结和比较，发现闪电正负极性比例具有明显的地域变化，且差异很大。国内很多学者对冰雹云发展演变过程中闪电特征和雷暴电活动对冰雹增长作用进行了研究［4-6］。冯桂力等［7］对山东地区冰雹云闪电特征进行了研究，发现冰雹云发展过程中正地闪特征及闪电频次的“跃增”现象；曾勇等［8］对贵州中西部地区13次冰雹天气过程中闪电特征进行了分析，发现雹暴主要以负地闪为主，并给出了识别冰雹云的参考指标；周泓等［9］研究云南中部2006—2011年6次典型降雹过程中的雷达回波和闪电特征发现降雹时段是负地闪的活跃期，正地闪出现频率极少。由此可见，国内北方雹暴中正地闪占主导的情况多，南方雹暴中负地闪占主导的情况多，地域差异较大。

2019年2月21日广州白云机场16：11—17：46（北京时，下同）出现强雷雨，雷达PPI回波图里显示对流里夹杂着冰雹，16：10—17：20雷达冰雹识别产品显示有80%大概率降雹区域，与同时间段的气象站记录的白云区、黄浦区、越秀区、天河区出现冰雹相吻合。本研究采用广东省三维闪电定位资料和白云机场雷达数据对该次强对流伴冰雹过程的闪电特征进行统计分析，探索冰雹发展过程中闪电的频次变化规律及分布特征，为航空气象冰雹预报提供参考。

1 天气形势

由2019年2月21日08：00地面到500 hPa的天气图（图1）可以看出，地面大陆大部受高压控制，冷空气南下，华南位于倒槽内，冷锋位于广东省中部。850 hPa槽线从西南低涡延伸至广西，未来东移影响广东。700 hPa江汉气旋延伸出的槽线影响江南和广西，未来东移至广东。500 hPa南支槽南端移至广东西部并将持续东移。850至500 hPa华南南风较大，给华南带来充足的水汽。从温度线来看，白云机场700 hPa为-5～0℃，500 hPa为-15～-10℃。中层为冷平流，湿度大，有利于冰雹生成。

图1 2019年2月21日08：00地面（a）、850 hPa（b）、500 hPa（c）天气图

图2为2019年2月21日16：00广东省自动站观测风场分布，可以看出，广东中北部自动站风向均为偏北风。受冷空气影响，15：30—16：00，白云机场由偏东风转为东北风，风力由3 m／s加大为5 m／s，到17：00北风加强为9 m／s。

图3a-c分别为16：14广州白云机场125 km仰角1.2°的PPI雷达回波图、60 km最大反射率雷达回波以及125 km的冰雹识别产品。

图2 2019年2月21日16：00广东省自动站观测风场分布

图3 2019年2月21日16：14广州白云机场125 km仰角1.2°的PPI雷达回波图（a）、广州白云机场60 km最大反射率雷达回波图（b）和广州白云机场125 km雷达的冰雹识别产品（c）

实况显示，白云机场16：11至17：46出现中到强雷雨，雷达PPI回波图（图3a）里显示雹暴对应的强雷达回波中心。距离塔台中心南面20 km（白云区）出现50～55 dBz的指状回波（图3椭圆圈标注），对应最大反射率雷达回波（图3b）的子图中高空7～8 km的65～70 dBz的紫色强回波（图3b椭圆圈标注），冰雹识别产品也在对应位置预报80%以上的概率有冰雹（图3c），这与白云区16：20有降雹的气象站记录符合。指状回波为强对流低层回波边缘呈指状突出的小尺度强回波区，常对应着中等强度的降雹［10］。该次降雹过程雷达图中并未显示出冰雹主要指示特征的三体散射现象，但Lemon［11］指出，三体散射是强冰雹的充分条件，但不是必要条件。该次冰雹过程不是在孤立的云团中发生，因此没有反映出三体散射的特征，在广东花都区也曾出现过无三体散射特征的冰雹天气记录［12］。综上所述，该次伴随冰雹的强对流天气是由高空环流配合南下的冷空气引起的。

2 闪电特征分析

为了研究该次过程的冰雹云发展、成熟、衰退阶段闪电特征，本研究对15：40至18：00白云机场周边100 km内（108.36°E—118.34°E，18.36°N—28.34°N）的闪电数据进行分析，其中15：40至16：10为冰雹云发展阶段、16：10至17：20为冰雹云成熟阶段、17：20至18：00为冰雹云衰减阶段。闪电数据来源于广东省VLF／LF三维闪电定位网，闪电频次为每5 min时间变化。

从图4可以看到，冰雹云发展阶段，总闪电频次为每5 min 28次以上，峰值达到65次；正闪电频次为每5 min 10次以上，峰值在16：50达到每5 min 43次，正闪电强度最大值出现在15：40，为14 kV／m；负闪电频次基本在每5 min 10次以上，峰值在16：00达到每5 min 39次，负闪电强度最大值出现在15：40，为-98 kV／m，正闪电总频次／负闪电总频次为128次／172次。16：10到17：20降雹时段里，总闪电频次为每5 min 30次以上，峰值在17：05达到66次；正闪电频次为每5 min 10次以上，峰值在17：05达到每5 min 27次，正闪电强度最大值出现在16：50，为102 kV／m；负闪电频次基本为每5 min 10次以上，峰值在17：05达到每5 min 39次，负闪最大值出现在17：20，为-124 kV／m；正闪电总频次／负闪电总频次为222次／379次。成熟阶段里正闪电和负闪电强度同时迅速增大。

17：20至18：00衰退时段里，总闪电频数迅速降到每5 min 20次以下，正闪电频数降到每5 min 8次及以下，正闪电强度最大值出现在17：50，为14 kV／m，负闪电频数降到每5 min 16次及以下，负闪电强度最大值出现在17：25，为-130 kV／m；正闪电总频次／负闪电总频次为36次／45次。正闪电和负闪电强度随时间衰减很快。

图4 2019年2月21日16：00—18：00广州白云机场100 km内的闪电频次（a）和闪电强度（b）

由此可以看到，冰雹云发展阶段，总闪电频次短时间出现了两次跃增，负闪电总频数约为正闪电总频数的1.34倍，负闪电最大强度远比正闪电最大强度大，前者为后者的7倍；冰雹云成熟阶段，正负闪电总频次快速增大，负闪电总频数约为正闪电总频数的1.71倍，负闪电最大强度略大于正闪电最大强度；冰雹云衰退阶段，总闪电频次迅速减小，负闪电总频数约为正闪电总频数的1.25倍，负闪电最大强度远比正闪电最大强度大，前者约为后者的9.29倍。整个过程中，负闪电总频数都要大于正闪电总频数。以上特征表明，随着冰雹云的生成发展，在融化层以上有着冰水共存区，其中雹粒与冰晶碰撞使得云体内电荷分离积累，在强升降气流作用下云体内形成不同极性的正负荷电中心。一般正电荷分布在云体上部，负电荷分布在下部［13］。随着冰雹云越来越成熟，对流增强，闪电频次快速增大，云顶抬升，正电荷中心强度增大，对冰雹的出现有指示作用。在降雹后随云体内冰相粒子的减少，正负闪电频数会减少，直至无闪电发生。

3 闪电与冰雹预警

采用16：10—17：20广州白云机场125 km冰雹识别产品和白云机场100 km内的闪电数据来探索降雹与闪电的关系。图5a显示强度＞55 dBz的回波区域对应着图5b中的80%以上大概率降雹区，其中，80%以上大概率降雹区都为负闪（黑色四角星）。根据冰雹识别产品统计北京时间16：10—17：20的80%以上大概率降雹区的闪电频次和性质得到80%以上大概率降雹区对应的正负闪电频数，其中，80%以上大概率降雹区的正闪电总频数为32次，负闪电总频数为123次，正闪电总频数∶负闪电总频数的比例约为1∶4，正负闪电强度不强，在-20～20 kV／m。根据Takahashi［14］的试验结果表明，当云内过冷却水含量较大时，冰雹云内雹和冰晶的碰撞通常使得冰雹获得负电荷，由于雹暴内存在大量的雹粒子，十分有利于负电荷区的形成，所以可以发现在白云机场80%以上大概率降雹区域基本都是负闪电区。综上所述，当负闪电频次明显大于正闪电频数，正闪电和负闪电强度同时迅速增大，这意味着冰雹发生概率变大。

图5 2019年2月21日16：20广州白云机场的125 km最大反射率雷达回波（单位：dBz）（a）和冰雹识别产品（b）

4 结论

1）500 hPa南支槽带动冷平流南下，中层湿度大，配合着地面华南倒槽与冷空气，造成了该次伴随冰雹的强对流天气。

2）采用15：40至18：00的白云机场周边100 km内（108.36°E—118.34°E，18.36°N—28.34°N）的闪电数据，对冰雹云发展、成熟、衰退3个阶段的闪电特征进行分析，发现冰雹云发展阶段负闪电最大强度远高于正闪电最大强度。随着冰雹云越来越成熟，对流增强，闪电频次快速增大，云顶抬升，正电荷中心强度增大，对冰雹的出现有指示作用。在降雹后随云体内冰相粒子的减少，正负闪电频数会减少至无闪电发生。整个过程中负闪电总频数都高于正闪电总频数。

3）根据冰雹识别产品统计16：10至17：20的80%以上大概率降雹区的闪电频次和性质发现80%以上大概率降雹区的正闪电总频数为32次，负闪电总频数为123次，正闪电总频数∶负闪电总频数的比例约为1∶4，正负闪电强度不强，在-20～20 kV／m。当云内过冷却水含量较大时，冰雹云内雹和冰晶的碰撞通常使得冰雹获得负电荷，由于雹暴内存在大量的雹粒子，因此十分有利于负电荷区的形成，因此在白云机场80%以上大概率降雹区域主要都是负闪电区。当负闪电频次明显大于正闪电频数，正闪电和负闪电强度同时迅速增大，曾意味着冰雹发生概率变大。