一次雹暴過程的地閃特征分析

黃俊杰，茍阿寧，阮羚

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司高壓電器設(shè)備現(xiàn)場實驗技術(shù)重點實驗室，湖北武漢 430077；3.武漢中心氣象臺，湖北武漢 430074）

一次雹暴過程的地閃特征分析

黃俊杰1，2，茍阿寧3，阮羚1，2

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司高壓電器設(shè)備現(xiàn)場實驗技術(shù)重點實驗室，湖北武漢 430077；3.武漢中心氣象臺，湖北武漢 430074）

跟蹤鄂西北一次雹暴的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程，綜合利用湖北ADTD型二維地閃定位系統(tǒng)和多普勒天氣雷達(dá)資料，針對地閃頻數(shù)演變與雷達(dá)資料（CR、VIL、ET）之間的相互關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：（1）雹暴生命史不同階段地閃頻數(shù)及所處位置不同，本次雹暴過程以負(fù)地閃為主，零星正地閃出現(xiàn)在雹暴減弱消亡階段。（2）降雹發(fā)生前，CR和ET呈線性增長且CR增加到65 dBz以上，同時VIL增加到25 kg·m-2，地閃維持較高頻數(shù)。CR和ET驟減且CR下降到60 dBz以下，同時VIL略增后驟減，伴隨地閃頻數(shù)驟增到峰值，降雹結(jié)束。（3）正、負(fù)地閃均分布在雹暴附近25～55 dBz區(qū)域，≥65 dBz的降雹區(qū)域地閃很少發(fā)生。

雹暴；雷達(dá)回波；負(fù)地閃

冰雹、雷雨大風(fēng)和短時強降水等強對流天氣發(fā)生時往往伴隨著強烈的閃電。隨著ADTD型二維地閃探測定位系統(tǒng)的投入使用，綜合運用雷達(dá)資料和閃電資料等進(jìn)行強對流預(yù)報是短時臨近預(yù)報的有效途徑之一[1-4]。易笑園等[5]分析了一次中尺度對流系統(tǒng)（MCS）的地閃活動特征及與雷達(dá)資料的關(guān)系，認(rèn)為在強雷暴演變過程中CR>60 dBz的強回波區(qū)域地閃總數(shù)很少。鄭棟等[6]綜合利用SAFIR3000型三維閃電資料與雷達(dá)資料結(jié)合對北京一次冰雹過程的閃電活動和電荷結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行了分析。張騰飛[7]利用閃電監(jiān)測資料和多普勒天氣雷達(dá)探測資料對2007年汛期強對流暴雨的閃電和雷達(dá)回波特征及相關(guān)性進(jìn)行了分析，指出強對流暴雨的閃電活動和強回波區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，閃電一般發(fā)生在反射率因子≥30 dBz和回波頂高≥9 km的區(qū)域。文獻(xiàn)[8-10]統(tǒng)計分析不同災(zāi)種的強對流天氣與閃電活動關(guān)系，結(jié)果表明冰雹產(chǎn)生的正地閃數(shù)量和負(fù)地閃相當(dāng)甚至超過負(fù)地閃，降雹天氣過程的正地閃比較高，在正地閃頻數(shù)增加的同時負(fù)地閃頻數(shù)下降。

強對流天氣的地閃頻數(shù)及空間分布除與天氣系統(tǒng)的類型密切相關(guān)外，還與不同災(zāi)種強對流天氣生命史各階段的特征演變及對流的強弱等有關(guān)。本文利用多普勒天氣雷達(dá)資料、地閃定位系統(tǒng)探測的閃電資料及常規(guī)觀測資料等，對鄂西北一次雹暴過程的地閃特征及地閃頻數(shù)與雷達(dá)資料（組合反射率CR、回波頂高ET、垂直積分液態(tài)含水量VIL）的相互關(guān)系進(jìn)行了分析，尋找雹暴生命史不同階段地閃頻數(shù)和雷達(dá)資料演變特征的相互關(guān)系，以期為湖北雹暴等強對流天氣預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 天氣實況和資料介紹

1.1 天氣實況

2012年6月23日15 :00（北京時，下同），鄂西北房縣和神農(nóng)架遭受風(fēng)雹襲擊（圖1）。其中房縣九道鄉(xiāng)境內(nèi)8個村遭受不同程度的大風(fēng)、暴雨、冰雹襲擊。神農(nóng)架紅坪鎮(zhèn)板倉村、紅舉村局部遭受大雨、冰雹襲擊，引誘局部出現(xiàn)泥石流。18:00該區(qū)紅坪鎮(zhèn)再次出現(xiàn)大雨和冰雹天氣，造成板倉村、紅舉村受災(zāi)。此次雹暴過程共造成兩個村435人受災(zāi)，轉(zhuǎn)移安置群眾12人（無人員傷亡情況報告）；倒塌房屋2戶4間，嚴(yán)重?fù)p壞房屋3戶5間；農(nóng)作物受災(zāi)90 hm2，其中絕收20 hm2；水毀鄉(xiāng)村公路10 km；直接經(jīng)濟(jì)損失180萬元。

1.2 資料介紹

本次過程使用的雷達(dá)數(shù)據(jù)來自湖北十堰新一代多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD-SB）的體積掃描反射率因子的基數(shù)據(jù)。反射率因子觀測是在典型的空間分辨率1 km×1 km和6 min時間間隔獲取，雷達(dá)架設(shè)高度832 m，探測半徑230 km。為了使地閃資料和雷達(dá)資料能在相同坐標(biāo)系下顯示，在雷達(dá)和地閃資料疊加過程中對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)。

地閃資料為中國科學(xué)院空間科學(xué)中心研制的ADTD型二維雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)獲取，該系統(tǒng)由13個探測子站組成，覆蓋整個湖北省，探測的時間精度為0.1 μs，回?fù)粑恢镁刃∮?00 m，可以準(zhǔn)確給出每個閃電回?fù)舻臅r間、方位、強度等參數(shù)。本文選取以雹暴為中心，半徑30 km的地閃頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 天氣形勢及環(huán)境場分析

2012年6月21日至23日，西太平洋副熱帶高壓（下稱副高）外圍西南氣流和高空低槽攜帶的冷空氣影響，湖北西部出現(xiàn)了強雹暴天氣，神農(nóng)架出現(xiàn)冰雹。6月23日08:00，副高脊線中心位置在24°N左右，湖北西部受槽后偏北氣流控制，850 hPa陜西南部、重慶西部和湖北交界處有一條冷式切變線。08: 00地面圖上湖北西部處在暖低壓發(fā)展頭部，地面上有一條明顯的東北偏北和東南向的輻合線。14:00暖低壓東伸南擴(kuò)，湖北西部處在暖低壓中心位置，南北向的輻合線繼續(xù)維持，鄂西北的地面溫度達(dá)到35℃以上，部分地區(qū)超過37℃，地面露點溫度≥20℃，水汽、動力和熱力條件非常充分。從6月23日08:00南陽站的探空（圖2）分析表明，對流有效位能（CAPE）值高達(dá)1 032 J·kg-1，對流抑制能量（CIN）值為231 J·kg-1，有利于不穩(wěn)定能量積聚，925～900 hPa有明顯的逆溫層存在，中低層有西南暖濕氣流發(fā)展，700 hPa以下風(fēng)向由西南風(fēng)向西北風(fēng)順轉(zhuǎn)，700～400 hPa風(fēng)向逆時針旋轉(zhuǎn)，可以看到中低層的垂直風(fēng)切變很大，具備了強雹暴產(chǎn)生的條件。

3 地閃頻數(shù)和雷達(dá)回波的關(guān)系

3.1 地閃頻數(shù)演變

結(jié)合雷達(dá)資料可以初步判斷13:40—14:40為雹暴初生發(fā)展階段，14:40—15:10為成熟階段，15:10—16:10為減弱消亡階段。為了和雷達(dá)體掃保持同步，圖3選取的是雹暴生命史演變過程中每6 min（對應(yīng)每6 min的雷達(dá)體掃時刻）的地閃頻數(shù)演變，可以清楚的看到，雹暴在初生發(fā)展階段（13:40—14:26）沒有閃電出現(xiàn)，14:26負(fù)地閃出現(xiàn)，為9次·6 min-1，之后地閃頻數(shù)不連續(xù)性的緩慢增加，14:44地閃頻數(shù)為8次·6 min-1，14:50躍增到29次·6 min-1，隨后地閃頻數(shù)緩慢增加，15:14達(dá)到峰值53次·6 min-1，出現(xiàn)了第一個正地閃，負(fù)地閃為52次·6 min-1，15:26地閃頻數(shù)迅速下降到22次·6 min-1，隨著雹暴的減弱消亡，地閃逐漸減弱消失。

綜上，本次雹暴過程的閃電以負(fù)地閃為主，雹暴發(fā)展和成熟階段沒有正地閃出現(xiàn)。地閃在成熟階段出現(xiàn)了第一次躍增，14:44降雹開始，15:08降雹結(jié)束。降雹期間地閃維持較高頻數(shù)，降雹結(jié)束后，地閃出現(xiàn)了大幅躍增并達(dá)到峰值，且正、負(fù)地閃峰值均出現(xiàn)在雹暴的減弱消亡階段。正地閃在15:14—15:26表現(xiàn)活躍，正地閃比例有所上升。

3.2 地閃頻數(shù)和雷達(dá)回波演變關(guān)系

組合反射率（CR）、回波頂高（ET）、垂直積分液態(tài)含水量（VIL）和地閃頻數(shù)的演變?nèi)鐖D4所示。可以看到，雹暴發(fā)展階段地閃不連續(xù)增加，而CR為持續(xù)增加，14:44雹暴的CR值達(dá)到60 dBz，降雹開始。14:50高達(dá)70 dBz，持續(xù)4個體掃之后15:08 CR下降到60 dBz以下，降雹階段的地閃頻數(shù)維持在20次·6 min-1以上，沒有正地閃出現(xiàn)。15:14 CR維持在55 dBz左右，地閃頻數(shù)躍增到53次·6 min-1，可見CR值從65 dBz躍減到60 dBz以下，預(yù)示雹暴進(jìn)入減弱消亡階段，地閃頻數(shù)同時躍增，降雹結(jié)束。15:14之后CR值維持在40～55 dBz，地閃頻數(shù)15:26驟減，之后呈間歇性下降直至完全消失。另外，14:56 CR值超過75 dBz并繼續(xù)增大的時刻，地閃頻數(shù)反而出現(xiàn)了下降，可見降雹階段的地閃頻數(shù)并不是隨CR線性增加的。ET在整個雹暴生命史階段呈雙峰分布，主峰出現(xiàn)在雹暴成熟階段15:02降雹時刻，ET值高達(dá)17 km，15:08降雹結(jié)束后回波頂高開始下降，雹暴減弱階段回波頂高呈下降趨勢，15:38頂高出現(xiàn)了弱的上升?；夭敻叻逯岛虲R峰值對應(yīng)較好，均出現(xiàn)在降雹階段。雹暴發(fā)展階段VIL從5 kg· m-2迅速上升到25 kg·m-2，降雹階段VIL維持在25 kg·m-2左右，15:14降雹結(jié)束后VIL增加到30 kg·m-2，雹暴減弱消亡階段的VIL持續(xù)下降。VIL最大值與正、負(fù)地閃峰值出現(xiàn)的時間幾乎一致，出現(xiàn)在雹暴減弱消亡階段。

3.3 地閃在雷達(dá)回波中的位置分布

14:26（圖5a）多單體回波逐漸合并，強度增加到40 dBz，雹暴中心出現(xiàn)了零星45 dBz回波，回波下方出現(xiàn)負(fù)地閃，為9次·6 min-1。受地面輻合線影響，回波向西北緩慢移動，14:38（圖5b）地閃仍然位于回波移動左下方位置，頻次較少，≥30 dBz的回波面積增大。14:40雹暴發(fā)展到成熟階段，14:44回波中心出現(xiàn)了65 dBz的強回波中心，14:50（圖5c）地閃頻次由8次·6 min-1增加到29次·6 min-1，地閃由回波下方向回波主體靠攏，分布在25～50 dBz的回波區(qū)域，≥65 dBz的強回波區(qū)沒有地閃出現(xiàn)，隨著強回波繼續(xù)增大并維持，地閃發(fā)展活躍并向?qū)α鲄^(qū)靠攏，和25～55 dBz的回波區(qū)域吻合。15:08（圖5d）回波強度減弱到60 dBz以下，雹暴開始減弱，15:08—15:14閃電頻次驟增到52次·6 min-1，閃電密集分布在雹暴附近25～50 dBz的區(qū)域中，15:14 25 dBz回波附近出現(xiàn)了第一個正地閃。15:20（圖5e）正地閃頻次達(dá)到峰值2次·6 min-1，對應(yīng)在雹暴對流區(qū)附近25～45 dBz的回波區(qū)，負(fù)地閃為50次·6min-1。15:26地閃頻次驟減到22次·6 min-1，隨著回波的西伸減弱，地閃頻次間歇性減弱，零散分布在層云區(qū)。15:50（圖5f）回波強度減弱到45 dBz以下，雹暴后部層云內(nèi)的零星地閃慢慢較少消失。

3.4 地閃在雹暴生命史各階段的物理過程探討

從3.2節(jié)和3.3節(jié)中地閃頻數(shù)在雹暴生命史不同階段的變化及地閃在雷達(dá)回波中的分布位置可以判斷，地閃和雹暴的生命史演變趨勢是一致的。從雹暴生命史各階段雷達(dá)回波垂直剖面結(jié)構(gòu)圖（圖略）中看到，在雹暴發(fā)展階段，雷達(dá)回波強度弱、范圍小，雹暴云內(nèi)的上升氣流較弱，降水粒子被抬升到較低的高度，雹暴云內(nèi)主要以水成物粒子碰撞產(chǎn)生的云閃為主，地閃相對較少[11]。到了雹暴成熟階段，雹暴垂直運動加強，上升氣流將水成物粒子帶到凍結(jié)層之上，導(dǎo)致反射率增大的冰相粒子和大粒子數(shù)量增加，地閃變得活躍[12]，當(dāng)雷達(dá)強回波核被抬升到距離地面較高的高度后，云內(nèi)的大部分地閃轉(zhuǎn)為云閃，而ADTD型二維地閃定位儀無法對云閃進(jìn)行探測，≥65 dBz的強回波區(qū)無地閃出現(xiàn)[13]。隨著降水粒子不斷下降，逐漸增強的下沉氣流與上升氣流增加了粒子間的碰撞概率，地閃頻數(shù)再次增加，這也是本次個例中正、負(fù)閃峰值均出現(xiàn)在雹暴減弱階段的重要原因之一。

4 結(jié)論

本文通過對鄂西北雹暴過程生命史各階段的雷達(dá)和地閃資料綜合分析，得到如下初步結(jié)論：

（1）本次雹暴過程的地閃以負(fù)地閃為主，正地閃出現(xiàn)在雹暴減弱消亡階段，正，負(fù)地閃呈單峰分布。雹暴初生發(fā)展階段地閃呈波動式增長，成熟階段地閃維持較高頻數(shù)，回波強度達(dá)到最大時地閃頻次略有下降，正、負(fù)地閃峰值均出現(xiàn)在雹暴減弱階段。

（2）CR和ET呈線性增長且CR增加到65 dBz以上，同時VIL增加到25 kg·m-2，伴隨地閃維持較高頻數(shù)，降雹開始。CR和ET驟減且CR下降到60dBz以下，同時VIL略增后驟減，伴隨地閃頻數(shù)驟增到峰值，表示降雹結(jié)束。

（3）雹暴發(fā)展、成熟和減弱階段，正、負(fù)地閃均分布在雹暴周圍25～55 dBz的回波區(qū)域，≥65 dBz的強回波區(qū)沒有地閃出現(xiàn)。雹暴發(fā)展階段地閃距離對流區(qū)較遠(yuǎn)，之后逐漸向?qū)α鲄^(qū)靠攏。

由于目前云閃探測手段不足，對云閃信息了解較少，不能很好掌握雹暴云的微物理結(jié)構(gòu)，是本文分析的缺憾之一。總的來說，地閃頻數(shù)在雹暴生命史不同階段的演變特征能夠較好的反應(yīng)雹暴結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，這一結(jié)論對分析強對流天氣的發(fā)展演變有一定參考價值。

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Cloud-to-Ground Lightning Characteristics of A Hailstorm Episode

HUANG Junjie1，2，GOU Aning3，RUAN Ling1，2

（1.Hubei Electric Power Research Institute of State Grid,Wuhan 430077,China；2.Key Laboratory of High-voltage Field-test Technique of State Grid Corporation of China,Wuhan 430077，China；3.Wuhan Central Meteorological Observatory，Wuhan 430074,China）

The relations between cloud-to-ground（CG）lightning activity and radar echo products such as CR（composite reflectivity），VIL（vertical integrated liquid water）and ET（echo top）are quantitatively analyzed through tracing the generation,development and mitigation of a hailstorm process occurred in the northwest of Hubei province.The results show as follows：（1）the CG characteristics and distribution locations in hailstorm are different.there are more-CG（negative flashes）than+CG（positive flashes）,several+CG appeared in the mitigation of hailstorm.（2）Before hail occurred,CR and ET showed a linear increase and CR increased to more than 65 dBz,while VIL increased to 25 kg·m-2when hailstorm began to decaying,CR and ET decreased and CR dropped to below 60 dBz,while VIL decreased slightly.At that time the CG increased to the peak value,which indicated the hail is to end.（3）The CG appeared within the range from 25 to 55 dBz, but seldomly above 65 dBz.

hailstorm；radar echo；-CG（negative flashes）

P427

B

1002-0799（2015）04-0032-06

黃俊杰，茍阿寧，阮羚.一次雹暴過程的地閃特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（4）：32-36.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.04.005

2014-10-16；

2015-04-27

湖北省電力公司科技項目“基于衛(wèi)星遙感和氣象數(shù)據(jù)的輸電系統(tǒng)典型風(fēng)險分析及防災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究”（15KJ029901C2011920140000）。

黃俊杰（1976-），男，高級工程師，從事電力設(shè)備信息系統(tǒng)建設(shè)及評價、輸電線路防災(zāi)預(yù)警等方面工作。E-mail：huangjjhwb@aliyun.com

茍阿寧（1979-），女，高級工程師，從事短時臨近預(yù)報及其研究。E-mail：aning0770@163.com