閃電資料在福建省人工防雹中的應(yīng)用*

.福建省氣象科學(xué)研究所 .福建省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 李 丹朱 彪應(yīng) 達(dá)林 文陳彬彬

閃電資料在福建省人工防雹中的應(yīng)用*

1.福建省氣象科學(xué)研究所 2.福建省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 李 丹1朱 彪2應(yīng) 達(dá)2林 文1陳彬彬1

利用福建省近7年的冰雹觀測(cè)資料和地閃資料，采用2σ法分析18次產(chǎn)生冰雹的強(qiáng)對(duì)流單體發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的地閃特征。結(jié)果表明，強(qiáng)對(duì)流單體降雹前均出現(xiàn)了閃電跳躍預(yù)警信號(hào)，且預(yù)警信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間相較于降雹時(shí)間平均提前27min，DFRDT值跳躍信號(hào)對(duì)冰雹發(fā)生具有較好的警示作用。另外，結(jié)合地閃頻次和VIL值對(duì)個(gè)例分析，發(fā)現(xiàn)冰雹發(fā)生前，強(qiáng)對(duì)流單體的地閃頻次和VIL值均出現(xiàn)突增，降雹后減少。

地閃 冰雹 強(qiáng)對(duì)流單體 DFRDT

1 概述

冰雹是福建省重要的災(zāi)害性天氣之一，常伴隨狂風(fēng)、暴雨、雷電，發(fā)生范圍小，時(shí)間短，但來(lái)勢(shì)兇猛、強(qiáng)度大，極易給局部地區(qū)造成嚴(yán)重災(zāi)害。冰雹高發(fā)期（3～5月）正是內(nèi)陸地區(qū)支柱經(jīng)濟(jì)“煙葉”生產(chǎn)的關(guān)鍵時(shí)期，福建省對(duì)防災(zāi)減災(zāi)保障工作的需求更為迫切。因此，正確識(shí)別冰雹云，做好冰雹的短期預(yù)報(bào)和短時(shí)臨近預(yù)警，對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)開(kāi)展人工防雹作業(yè)意義重大。

國(guó)內(nèi)外研究表明，閃電頻數(shù)與強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程具有密切聯(lián)系。與其他觀測(cè)資料相比，閃電資料在時(shí)效性上具有突出的優(yōu)勢(shì)。目前，雷電信息作為對(duì)流性天氣災(zāi)害超短時(shí)預(yù)報(bào)的新手段已經(jīng)受到重視。郄秀書(shū)等[1]提出通過(guò)使用閃電網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以提前30～60min預(yù)報(bào)活躍的雷達(dá)回波區(qū)域。姚雯等[2]利用ADTD和SAFIR兩種閃電資料對(duì)北京—天津—河北地區(qū)的冰雹個(gè)例分析得到，閃電活動(dòng)的躍增現(xiàn)象平均提前于降雹25.4min出現(xiàn)，可以作為冰雹災(zāi)害發(fā)生的有效預(yù)警指標(biāo)。馮桂力等[3-4]也認(rèn)為，冰雹云發(fā)展演變過(guò)程中閃電活動(dòng)的變化特征超前于冰雹過(guò)程發(fā)生。Schultz[5]利用Tennessee流域不同強(qiáng)度的107個(gè)雷暴過(guò)程對(duì)6種閃電資料識(shí)別方法進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)閃電頻次躍變程度與極端天氣的強(qiáng)度呈正相關(guān)，且分析得出2σ閃電跳躍機(jī)制有較高的探測(cè)準(zhǔn)確率（POD,87%），虛警率（FAR）33%，并得到了較高的0.75的Heidke技術(shù)評(píng)分，方法相對(duì)較好。以上研究表明，閃電活動(dòng)的時(shí)空特征對(duì)于冰雹的短時(shí)臨近預(yù)警預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。

本文選取2σ方法對(duì)福建省近7年內(nèi)的冰雹過(guò)程進(jìn)行本地化樣本研究?？紤]到冰雹個(gè)例的時(shí)間跨度及閃電資料的連續(xù)性，選取共18次產(chǎn)生冰雹的強(qiáng)對(duì)流單體，結(jié)合相應(yīng)的地閃資料，對(duì)福建省內(nèi)冰雹云發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的地閃特征進(jìn)行分析，分析探討閃電資料在冰雹識(shí)別和預(yù)警中的應(yīng)用，為人工防雹業(yè)務(wù)工作提供參考。

2 資料和方法

冰雹數(shù)據(jù)來(lái)自福建省強(qiáng)對(duì)流紀(jì)要產(chǎn)品、地面天氣報(bào)文或各地市實(shí)況記錄，產(chǎn)品包含冰雹天氣發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)、冰雹大小及信息上報(bào)來(lái)源。選取相應(yīng)冰雹個(gè)例發(fā)生時(shí)間段內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)雷達(dá)回波參量宏觀特征演變分析，結(jié)合冰雹發(fā)生的時(shí)間地點(diǎn)信息，確定個(gè)例分析區(qū)域范圍。

在個(gè)例挑選過(guò)程中，需滿足該冰雹過(guò)程發(fā)生在強(qiáng)對(duì)流單體中，避免相應(yīng)的閃電數(shù)據(jù)受到其他附近雷暴云內(nèi)閃電數(shù)據(jù)的污染。據(jù)此，共挑選出18個(gè)符合條件的冰雹個(gè)例。

其中，2σ方法和DFRDT跳躍信號(hào)計(jì)算方法如下：

（1）首先對(duì)分析時(shí)段內(nèi)的閃電資料進(jìn)行2min滑動(dòng)平均，消除閃電數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。

其中，F(xiàn)R（flash rate）單位是flash·min-1。

（2）求閃電頻次時(shí)間變化率

其中，F(xiàn)R（flash rate）單位是flash·min-2。

求解得到DFRDT的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，并取其2倍值。對(duì)冰雹個(gè)例發(fā)生發(fā)展時(shí)間段內(nèi)，各個(gè)時(shí)次對(duì)應(yīng)的DFRDT值和2σ進(jìn)行分析比較，若某一時(shí)次內(nèi)的DFRDT大于閾值2 flash·min-2，且DFRDT>2σ時(shí)，認(rèn)為此處為一次閃電跳躍預(yù)警信號(hào)，即為2σ方法判斷機(jī)制。

3 冰雹天氣過(guò)程地閃活動(dòng)分析

收集和整理福建省近7年（2010年至今）冰雹天氣過(guò)程個(gè)例資料，根據(jù)出現(xiàn)冰雹的強(qiáng)對(duì)流單體范圍確定一次個(gè)例的分析范圍，保證冰雹該范圍覆蓋該強(qiáng)對(duì)流單體的生消區(qū)域，且不受附近其他云系影響。結(jié)合該區(qū)域內(nèi)的雷達(dá)產(chǎn)品及閃電資料，分析該區(qū)域內(nèi)冰雹個(gè)例發(fā)生過(guò)程中閃電活動(dòng)特征。

表1 2010～2016年冰雹過(guò)程與閃電活動(dòng)特征

從上表可以看出，利用福建省地閃資料可以判斷得到18次冰雹過(guò)程中均出現(xiàn)了地閃DFRDT跳躍預(yù)警信號(hào)，且閃電跳躍預(yù)警信號(hào)相較于降雹時(shí)間平均提前27min發(fā)生。這一結(jié)果與姚雯[2]利用ADTD和SAFIR兩種閃電資料對(duì)北京—天津—河北地區(qū)的冰雹個(gè)例分析結(jié)果相一致。

4 典型個(gè)例分析

2016年4月8日12時(shí)～24時(shí)，福建省位于南支槽前，受西南氣流控制，低層切變維持在福建北部，中北部有風(fēng)速輻合。全省濕度大，對(duì)流條件好。全省出現(xiàn)大范圍的強(qiáng)雷電、雷雨大風(fēng)、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。龍巖、三明等地出現(xiàn)8～11級(jí)短時(shí)雷雨大風(fēng)；6個(gè)縣市9個(gè)站點(diǎn)1小時(shí)降水極值>30.0mm;4個(gè)縣市8個(gè)站點(diǎn)12小時(shí)累計(jì)降水雨量> 50mm（永泰76.1mm，德化75.3mm）；此處僅對(duì)19:00左右出移入龍巖永定的強(qiáng)對(duì)流單體產(chǎn)生的冰雹過(guò)程進(jìn)行分析。

從圖1可以看出，此次造成永定降雹的強(qiáng)對(duì)流單體是由18:00位于廣東蕉嶺附近的對(duì)流單體發(fā)展，并移入永定，經(jīng)南靖南部、漳州南部、龍海北部，于20:59逐漸減弱移入廈門(mén)海滄區(qū)，分別在龍巖永定大溪鄉(xiāng)（19:00，①）、南靖書(shū)洋鎮(zhèn)（19:20，②）、龍海榜山鎮(zhèn)、石碼鎮(zhèn)（20:30，③）出現(xiàn)降雹。

圖1 2016年4月8日18:05-21:05雹云回波時(shí)序圖

結(jié)合圖2，對(duì)該單體移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的閃電活動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，該強(qiáng)對(duì)流單體進(jìn)入龍巖境內(nèi)時(shí)（18:00），仍處于發(fā)展階段，所產(chǎn)生閃電活動(dòng)仍較弱，少于5次/min，VIL值也較低，僅20 kg/m2，但DFRDT值在18:14、18:26出現(xiàn)了兩個(gè)跳躍信號(hào)，分別提前于降雹時(shí)刻46min、34min。隨著雹云不斷發(fā)展增強(qiáng)，地閃活動(dòng)比較活躍，在降雹前5min地閃出現(xiàn)突增現(xiàn)象，整體大于10次/min，并第3次出現(xiàn)DFRDT躍增信號(hào)，VIL值也由39 kg/m2突增至60 kg/m2。17:00左右，該強(qiáng)對(duì)流單體在永定大溪鄉(xiāng)產(chǎn)生降雹。此后該對(duì)流單體發(fā)展旺盛，VIL最大值高達(dá)63 kg/m2，地閃持續(xù)活躍，19:15，地閃DFRDT值出現(xiàn)跳躍信號(hào)，19:20左右，對(duì)流單體在南靖書(shū)洋鎮(zhèn)產(chǎn)生降雹，降雹后半小時(shí)內(nèi)地閃頻次與VIL值均出現(xiàn)明顯減弱。19:50該對(duì)流單體再次發(fā)展增強(qiáng)，VIL逐漸由30 kg/m2增至60 kg/m2，地閃也逐漸增加，大于8次/min，期間地閃DFRDT信號(hào)分別在19:54、20:03、20:16 出現(xiàn)跳躍信號(hào)，此后約20:30該強(qiáng)對(duì)流單體在龍海榜山鎮(zhèn)、石碼鎮(zhèn)產(chǎn)生降雹過(guò)程。三次降雹中，地閃DFRDT跳躍預(yù)警信號(hào)平均提前24min。子的增多，產(chǎn)生閃電的可能性隨之增大。降雹后，地閃頻次及VIL值均減小。

圖2

5 結(jié)果與討論

本文利用2σ法對(duì)福建省18次冰雹過(guò)程的地閃演變特征進(jìn)行分析，旨在找出福建省冰雹云識(shí)別中地閃資料預(yù)警信號(hào)的提前量，為人工影響天氣作業(yè)提供本地化人工防雹預(yù)警。本文結(jié)論如下：

（1）利用2σ方法計(jì)算地閃DFRDT跳躍預(yù)警信號(hào)，對(duì)18次冰雹過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出強(qiáng)對(duì)流單體產(chǎn)生降雹前均出現(xiàn)了DFRDT跳躍預(yù)警信號(hào)，且預(yù)警信號(hào)相較于降雹時(shí)間平均提前27min發(fā)生。

（2）降雹個(gè)例20160408分析中，DFRDT值在三次降雹中平均提前24min出現(xiàn)跳躍預(yù)警信號(hào)，對(duì)于降雹具有較好的預(yù)警作用。

（3）由于閃電資料有限，本文僅對(duì)冰雹過(guò)程中的地閃特征進(jìn)行了分析，且對(duì)無(wú)降雹現(xiàn)象的強(qiáng)對(duì)流單體中的閃電特征未做比對(duì)分析，存在一定的局限與不足，今后將進(jìn)一步完善。

整個(gè)過(guò)程中，地閃頻次與VIL值呈明顯的雙峰特征，具有較好的一致性，三次降雹前地閃與VIL均出現(xiàn)突增現(xiàn)象，這是由于隨著對(duì)流云不斷發(fā)展成熟，云中液態(tài)水含量增大，豐富的水滴、冰晶等在云中碰撞、感應(yīng)起電導(dǎo)致云中帶電粒

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福建省氣象局青年科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（2015q08）資助。