贵州中西部冰雹云闪电活动特征及对降雹指示作用研究

曾 勇，张淑霞，罗 雄，邹书平，黄 钰，周丽娜

(1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550082；2.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550082)

0 引言

冰雹是贵州春季主要的气象灾害之一，常给工农业生产带来巨大的经济损失，具有局地性强、发展速度快、灾害强的特点[1]。闪电是强对流天气发展过程中伴随的放电现象，在冰雹天气过程中尤为突出。闪电资料在时间上较雷达资料更为实时，在探测范围内不受高山或建筑物的干扰，可以作为天气雷达进入探测盲区后有效资料补充。因此，针对冰雹天气过程闪电资料进行分析研究，获得闪电信息对降雹的指示作用对冰雹的监测预警预报具有重要意义。

早期关于闪电与对流降水的研究是分开的，闪电研究人员关注的是闪电，对流降水研究人员只关心降水。随着关于雷暴起电的非感应起电机制的深入研究，霰、雹粒等大冰相粒子群的存在为非感应起电提供物质基础得到证实，因此闪电与对流降水关系的研究得到广泛开展[2]。国外研究者针对强风暴过程闪电特征进行观测研究，发现产生较大冰雹的雷暴正地闪发生频次较高，正地闪主要集中发生在降雹阶段，当闪电从负极性地闪转为正极性地闪时，将会产生大冰雹、大风等灾害性天气，正地闪信息可作为指示强对流天气发生的“指示器”[3-6]。然而，国外也有研究表明冰雹云地闪频数远低于那些仅产生降水的风暴，冰雹云地闪频数一般不超过2次/min，而暴雨过程却可以达到12次/min[7]。所以，单纯使用正地闪发生频次高低来识别冰雹云具有很大程度不确定性。鉴于此，研究者利用完整地闪跃增信息对冰雹事件的提前识别进行了检验，主要基于2σ闪电跃增法得到了地闪跃增相对于降雹的超前时间，能够有效识别降雹[8]。

我国在上世纪60年代便研制了闪电计数器并用于冰雹云与雷雨云的观测试验，得到了冰雹云与雷雨云闪电频数的差别并应用于人工防雹作业[9]。针对中国西北与内陆高原地区冰雹云闪电特征研究表明，冰雹云发展演变过程伴随较高的正地闪比例，闪电每5 min变化在降雹前出现跃增并伴随闪电频数峰值[10-15]。曾勇等[16]、黄钰等[17]对贵州地区闪电发生对冰雹、暴雨指示作用初步研究表明：闪电可以作为强对流发生指示器。国内研究主要基于对降雹前闪电峰值时间的统计进而获得峰值时间提前量，然而峰值时间提前量是闪电经历跃增后的结果，对闪电初始跃增信号没有进行深度挖掘，得到相对于峰值时间提前量更长的闪电跳跃预警信号。

本文研究切入点为基于VLF/LF全闪资料对发生在云贵高原台地威宁及斜坡过渡带冰雹过程闪电特征进行详细分析，挖掘总闪跳跃信号与峰值信号并分析闪电跃增事件与降雹的响应时间定量关系，为冰雹云降雹识别和人工防雹作业提供支撑。

1 资料来源与分析方法

1.1 资料来源

研究过程资料主要涉及冰雹过程闪电探测资料、雷达资料及降雹观测资料。闪电探测资料主要采用贵州省VLF/LF三维闪电监测网自2016—2019年探测资料。VLF/LF三维闪电监测系统采用基于宽带网络通讯技术与多站TOA时间差定位算法，实现闪电 VLF/LF 辐射源的时间、位置、高度、强度及极性等主要参数的三维定位，提高了定位精度与探测效率，能够全面探测云闪、地闪及闪电高度[18-19]，主要特征参数见表1。雷达资料采用贵阳、毕节、都匀、六盘水和昭通新一代天气雷达探测资料，降雹观测资料来自地面天气报文及市县人影作业站点观测记录。考虑闪电资料、雷达资料及地面观测资料完整性，对云贵高原台地威宁筛选冰雹个例21个，云贵高原斜坡过渡带筛选冰雹个例13个。

表1 VLF/LF三维闪电监测系统主要特征参数Tab.1 Main characteristic parameters of VLF/LF 3D lightning monitoring system

1.2 分析方法

本研究主要采用统计方法和2σ闪电跃增法，对降雹区域冰雹云闪电频次时间变化与闪电跃增信息进行统计和计算。在对降雹区域闪电活动特征进行分析之前，对区域内闪电数据进行筛选，闪电资料的取值范围为降雹区域整个冰雹云区，剔除不属于降雹区域内闪电数据，保证分析数据的可靠性。闪电数据筛选原则为：综合冰雹发生时间地点信息和冰雹过程雷达回波资料，根据雷达回波发生发展过程对流云团区域范围筛选闪电数据，主要利用云降水精细化分析系统(CPAS)，剔除不属于降雹区域闪电数据。为了便于分析，将总闪、地闪、云闪分别记为TL、CG、IC。正闪比记为POP，POP=(+CG/CG)×100%，+CG表示正地闪；负闪比记为NOP，NOP=(-CG/CG)×100%，-CG表示负地闪；云闪比记为IOP，IOP=(IC/TL)×100%；云闪与地闪的值定义为Z值，Z=IC/CG。

基于Schultz等[20]提出的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：

①首先对降雹区域范围内相邻时次闪电数据进行滑动平均处理，消除个别噪声数据的干扰。

(1)

式中LFavg(Lightning Frequency)为闪电频次滑动平均值，单位为次·min-1，LFt1和LFt2分别为t1和t2时次内对应的闪电总频次，LFavg单位为次·min-1。

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

(2)

③建立闪电跳跃预警信号识别机制。基于(1)式与(2)式计算结果，求解总体LFCR的标准偏差σLFCR，利用各时次的LFCR值与2σLFCR值进行比对，大于2σLFCR的点被记录为闪电跳跃预警信号，结合降雹观测记录时间，得到闪电跳跃信号的提前量，这就是2σ判别机制。

2 冰雹云闪电活动特征分析

2.1 冰雹云闪电统计特征分析

冰雹云闪电特征具有典型的地域特性，因此本文对高原台地威宁与斜坡过渡带区域冰雹过程闪电特征进行统计分析，表2给出了2018年3月13日发生在云贵高原斜坡过渡带一次大范围致灾冰雹过程闪电统计特征。从表2可以得出：①12个降雹区域内总闪频次在35～473次之间，地闪频次在19～343次之间，冰雹过程总闪和地闪频次变化范围大，同时注意到冰雹直径大小不能以闪电发生频数来衡量，闪电频数低也能产生10 mm以上降雹，因此不能用总闪频数多少来识别和判别冰雹云。②12个降雹区域平均POP、NOP和IOP值分别为19.58%，80.42%，30%，而正地闪占总地闪平均值为19.58%，高于贵州省2006—2015年正地闪占总地闪比例平均值4.02%[21](该统计值由ADTD-1二维闪电定位系统提供)，是其4.87倍，说明冰雹天气过程较其它类型雷暴天气具有较高的正地闪比例，但此正闪比例远低于国内冯桂力等[22]、陈哲彰等[23]研究给出的山东地区和京津冀地区冰雹过程正闪比例。③从表2中Z值分布看，Z值在0.13～0.91之间，平均值为0.51，低于0.5的占67%，说明整个冰雹过程地闪发生总体占优，但个别降雹区域(晴隆)的Z值大于1，云闪频数超过地闪频数，而且产生15 mm的大冰雹，因此将云闪和地闪数据结合起来分析冰雹云中闪电特征更能反映闪电信息对冰雹的指示作用。

表2 斜坡过渡带区域12个冰雹过程闪电统计特征Tab.2 Lightning statistical characteristics of 12 hail processes in the transition zone of slope

按照同样统计方法，表3给出了高原台地威宁21次冰雹过程闪电统计特征。闪电平均POP为37.32%，Z值平均为0.76，均高于斜坡过渡带区域范围平均POP和Z值，Z值大于0.5的个例为11个，占总个例的52.4%，且冰雹最大直径均为8 mm以上，说明冰雹过程云闪频数与冰雹大小存在一定联系，其机理在后续将开展研究。

表3 威宁2016—2019年21次冰雹过程闪电统计特征Tab.3 Lightning statistical characteristics of 21 hailstorms in Weining from 2016 to 2019

2.2 冰雹云跃增事件分析

基于斜坡过渡带降雹区域筛选闪电(地闪和云闪)数据，对12次冰雹过程闪电发生按照每5 min间隔进行统计，得到闪电发生的时序变化，见图1。因篇幅所限，图1仅给出4次过程闪电时序变化。从图1可以明显观察到降雹区域在降雹之前总闪均发生跃增，无论闪电频次发生高与低，总闪变化趋势从缓慢增加到跃增出现一个峰值，且峰值均提前于降雹时间，在出现总闪峰值之后一段时间范围内出现降雹，降雹后闪电发生急剧较少。12次冰雹个例总闪每5 min闪电频次平均为22次。大方县、清镇市、兴仁县、织金县、贵阳城区5个降雹区域总闪频次变化出现二次跃增现象，其中大方县和兴仁县在二次跃增后产生二次降雹。

2.3 冰雹云闪电跳跃信号分析

上述对冰雹云跃增特性及闪电频次峰值提前量进行了分析，闪电频次峰值是闪电经历“跃增”事件后的结果，为了获取闪电的初始跃增信号，基于2σ闪电跃增法，对斜坡过渡带区域12次冰雹过程闪电的跳跃信号进行提取分析，提取结果见图2(仅给出4例)。

从图2可以观察到，闪电LFCR信号均呈现出脉冲波动形式起伏振荡变化，结合2σ闪电跳跃信号判别机制，12次冰雹过程闪电均出现跳跃信号，基于闪电跳跃信号提取结果，对12个降雹区域LFCR跳跃信号提前量和闪电每5 min变化峰值时间提前量进行计算和统计，结果表明：2σLFCR跳跃信号时间提前量均大于闪电频次峰值时间提前量，两者之差最大值达28 min，也就是说利用2σLFCR跳跃信号能够超前于用闪电峰值时间提前28 min预警降雹。12个降雹区域2σLFCR跳跃信号时间提前量平均值为20 min，而闪电频次峰值时间提前量平均值为13 min，所以利用2σLFCR跳跃信号提前预警降雹优于闪电峰值时间。

同样利用统计和2σ闪电跃增法对威宁2016—2019年21次冰雹过程闪电时序变化和LFCR信号进行提取，提取结果见图3，因篇幅限制，文中仅给出2次冰雹过程闪电时序变化与闪电LFCR信号提取结果，图中左图为冰雹过程闪电时序变化，降雹日期及地点在图中给出，右图为对应冰雹过程的LFCR提取结果。

图1 斜坡过渡带区域冰雹过程总闪每5 min时序变化(箭头线标识降雹时间)Fig.1 Time series change of total lightning per 5 min in hailstorm process in slope transition zone (Arrow line indicates hailfall time)

图2 降雹区域闪电LFCR跳跃信号提取结果(箭头指示LFCR跳跃信号)Fig.2 The extraction result lightning LFCR jump signal in hail area (The arrow indicates LFCR jump signal)

图3 降雹过程闪电时序变化(左)与LFCR信号(右)提取结果(竖线箭头指示降雹时间，箭头指示LFCR跳跃信号)Fig.3 The extraction result of lightning time series change (left) and LFCR signal (right) in Hail Process (Vertical arrow indicates hail time, arrow indicates LFCR jump signal)

通过对威宁21次冰雹过程闪电时序变化与LFCR信号提取结果可知，在降雹前闪电均呈现出跃增现象，不同冰雹过程闪电的跃增幅度不等，且在跃增前期闪电频次表现出波动发生现象，闪电频次峰值范围在3～45次/(5 min)之间，平均为13次/(5 min)。闪电峰值提前量变化范围为4～79 min，平均为29 min，LFCR提前量变化范围为5～86 min，平均为33.7 min，LFCR提前量超前于峰值提前量为4.7 min，说明利用LFCR信号能够提前于峰值信号对降雹进行识别，在实际冰雹云监测预警和人工防雹作业中可以综合利用两者信息进行降雹识别。与前述对斜坡过渡带区域范围内冰雹过程闪电峰值提前量和LFCR提前量相比，威宁峰值时间提前量超前斜坡过渡带16 min，LFCR超前斜坡过渡带13.7 min，即高原台地与斜坡过渡带区域闪电峰值与LFCR信号存在差异性，这可能与不同区域范围内闪电活动特征存在差异相关，在下一步研究中将从动力—微物理—电过程对两个区域内闪电特征进行分析，进而揭示不同区域内冰雹云闪电特征的差异性形成机理。

3 结论与讨论

①云贵高原斜坡过渡带与高原台地威宁冰雹过程闪电特征存在一定异同，威宁平均POP和Z值均高于斜坡过渡带区域，但两个区域平均POP值均高于贵州10 a(2006—2015年)平均正地闪气候特征值4.02%，说明冰雹过程较其它冰雹过程具有较高正地闪比例。

②云贵高原斜坡过渡带和高原台地冰雹过程闪电频次在降雹之前均经历闪电跃增事件，在降雹后闪电频次陡降或出现二次增长并出现二次降雹，间接表明电对冰相粒子的依赖性。

③斜坡过渡带区域12个降雹个例2σLFCR跳跃信号提前量平均值为20 min，闪电频次峰值时间提前量平均值为13 min，高原台地2σLFCR跳跃信号平均为33.7 min，闪电峰值时间提前平均为29 min，高原台地威宁闪电峰值提前量与2σLFCR跳跃信号均超前于斜坡过渡带区域，在实际中可以综合利用两者信息对降雹进行检测。

本文虽然对贵州中西部地区冰雹云闪电特征进行了初步研究，但分析个例和闪电信息挖掘还不够，需要在今后研究中不断深入分析，提取对贵州冰雹云识别及降雹具有指示意义的闪电参量，为冰雹云识别和人工防雹作业提供技术支撑。